過去のペトリ皿での実験から、がん細胞は三歩と直進できない酔っ払いのように体内をゆっくり、漫然と移動するものと考えられてきた。このパターンは「ランダム・ウォーク (酔歩)」と呼ばれ、2次元的な実験容器の中を移動する細胞には当てはまるかもしれないが、Johns Hopkins Universityの研究チームは、3次元的な体内を移動するがん細胞については「ランダム・ウォーク」モデルがあてはまらないという事実を発見した。
がんは体中に転移し、しばしば厳しい予後になるが、2014年3月4日付PNASのEarly Editionオンライン版に掲載されたこの研究結果は、がん細胞転移の仕組みをより正確に突き止めるきっかけになる重大な発見である。2次元と3次元の実験で細胞の移動が変化するという問題を解明するため、研究チームは3D環境で移動する細胞の挙動をより正確に表現する数式を作り上げた。
この研究は、Johns Hopkins UniversityのTheophilus H. Smoot Professor、Dr. Denis Wirtzが指導し、同大学のWhiting School of EngineeringとSchool of MedicineのChemical and Biomolecular Engineering、Pathology、Oncologyの各Departmentの設備を使って行われた。Dr. Wirtzは、「現在、がん細胞の移動を3次元的に捉えようとする動きがあり、この発見もその傾向を強化することになる」と述べている。
博士の研究チームでは以前に2次元環境と3次元環境の中では細胞の挙動も異なることを証明しており、がん細胞が体内を移動する場合にこの違いが重要になってくる。
Dr. Wirtzは、「原発腫瘍から飛び出したがん細胞は血管やリンパ節を探し出して移動し、遠く離れた器官に転移するのだが、長年、がん細胞がランダム・ウォークで漫然と移動し、血管にたどりつくものと考えられていた。わたしたちの研究で、実はがん細胞は漫然と移動するのではないことをつきとめた。そうではなく、がん細胞はほとんど一直線に飛び出し、まっすぐ血管やリンパ節に進んでいくことが分かった。がん細胞が血管に入り込み、あちこちに転移するのはこれまで考えられていたよりはるかに効率的な動きだった」と述べている。
最近、同大学の研究担当vice provostに指名されたDr. Wirtzは、さらに「がん転移の仕組みを解明しようとしている研究者にとって、この発見は重要な意味を持っている。がん細胞が結合組織から離れて移動するまでに要する時間はこれまで考えられていたよりはるかに短い可能性がある」と述べている。
博士研究員のDr. Pei-Hsun Wuと、博士課程のAnjil GiriはいずれもDepartment of Chemical and Biomolecular Engineering所属で、PNASに掲載された研究論文の共同筆頭著者になっており、Dr. Wuは、「研究チームも、平面的なペトリ皿での細胞の移動軌跡を説明するために考案された『Persistent Random Walk (永久酔歩)』数理モデルについては知っており、3次元での試験にも用いられたが、その結果は疑わしいものだった」と述べ、「その数理モデルは簡単で便利なのでどちらの実験にも用いられたが、3次元の実験ではうまく適合しなかった。私たちの考案した数理モデルなら2次元でも3次元でどちらの実験にもうまく適合する」と述べている。研究チームは、3次元マトリックス実験では、細胞の移動量が方向によって大幅に異なることに気づいた。この問題を解決するため、研究チームは細胞の移動方向を一次と二次とに分け、また移動速度やその持続性などを加え、元の数式をさらに発展させた。この細胞研究では、持続性とは、細胞が移動方向を変えるまでにどれほど直線的に移動するかを意味している。
共同筆頭著者のGiriは、「平らな2次元表面での実験に比べると、3次元環境での細胞の移動はもっと移動方向を選ぶようだ。3次元環境では、『予測不可能なランダム・ウォーク』はあまり見られない」と述べている。研究チームが細胞移動の研究のために改良した数理モデルは、ジャーナルの研究論文と共に掲載されており、研究チームは、がんの転移の機序を突き止め、その防止を目指している研究者ができる限り早く採用するよう念願している。
この研究では研究チームは線維肉腫の細胞を用いたが、細胞の種類によっては体内を移動して細菌感染と戦ったり、傷口の癒合を助けるものもあり、そのような細胞の挙動を解明するためにも改良型の数理モデルが利用できる。
この研究の共同著者として、Whiting School, Department of Mechanical Engineeringの准教授、Dr. Sean X. Sunと、Johns Hopkins Physical-Sciences Oncology Centerの所長を務め、School of Medicine, Sidney Kimmel Comprehensive Cancer CenterのメンバーでもあるDr. Wirtzらの名前がある。次のウェブサイトに、細胞の移動を示す短いビデオがある: http://youtu.be/UOk2VomIxWQ。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください:http://www.bioquicknews.com/node/1629
