Interrelationship analysis of the characteristics of quiescent tumor cells with tumor heterogeneity and cancer stem cell nature, referring to application to cancer therapy

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K08171
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 増永 慎一郎 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (80238914)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 真田 悠生 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (50738656) ; 田野 恵三 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (00183468) ; 永澤 秀子 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (90207994) ; 光藤 健司 横浜市立大学, 医学研究科, 教授 (70303641)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 休止期腫瘍細胞 / 腫瘍不均一性 / 癌幹細胞性 / ホウ素中性子捕捉療法 / 低温度温熱処置 / 低酸素細胞毒 / p53 status / 放射線損傷からの回復現象

Outline of Annual Research Achievements

低酸素マーカーである2-nitroimidaszoleであるpimonidazoleとこれに対するモノクローナル抗体を用いる低酸素領域を検出する手法を、癌治療に対する休止期(Q)腫瘍細胞の反応・挙動を選択的に検出可能とする我々が開発した手法に組み合わせる独自の手法を適用し、腫瘍細胞のp53 statusに依存せず、酸素化Q腫瘍細胞の治療後のDNA損傷からの回復能が大きい事が判明した。この酸素化Q腫瘍細胞の特性は、DNA損傷からの回復能が大きく、治療抵抗性で休止期状態にあるとされる癌幹細胞性との関連性を強く示唆し、急性低酸素領域を解除するtirapazamine(TPZ)の連続的投与やDNA２重鎖切断の修復経路のうちの非相同末端結合を阻害するwortmanninの分割投与が、酸素化Q腫瘍細胞の放射線照射後の回復現象をも効率よく抑える事も判明した。即ち、興味深いことには、腫瘍内の不均一性を緩和するこれらの処置には、同時に癌幹細胞性の発現をも抑える潜在力を有する可能性がある事も示唆された。

近年、癌幹細胞性は高い腫瘍内不均一性と正の相関を有し、癌幹細胞性に関連した免疫抑制の潜在的なメカニズムも報告されている。低温度温熱処置(MTH)を含む温熱療法には、腫瘍血管バリアを通過する免疫細胞の輸送を増加させ、腫瘍抗原が腫瘍細胞壊死の過程で細胞外熱ショックタンパク質によって放出され、抗腫瘍免疫が活性化し、誘発された免疫には、腫瘍の再発と転移を抑制することが実証されている。放射線照射は、さまざまな細胞死様式を引き起こし、自然免疫系の細胞と適応免疫系の細胞を共に活性化させる障害関連分子の時空間的放出を促し、免疫能の活性化にも繋がる。現在広く試行される免疫療法の治療効果も腫瘍免疫回避現象によって制限されると言われ、MTHを含む温熱療法や放射線照射が腫瘍内微小環境の変化を通して、腫瘍免疫回避現象を克服し得る治療法となり得ることを示すことができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウイルス感染蔓延に対する対策の影響によって、令和２年度の所属部局における研究用原子炉の全運転時間と研究のための実験への割当時間の少なさを考慮すると、予想よりも少ない研究成果しか得られなかった事実はやむを得ないと考えている。

しかしながら、これまでに得られていた成果を総論的にまとめる事によって、癌幹細胞性、腫瘍内環境の不均一性、Q腫瘍細胞集団の特性との関係をより明らかにすることができ、免疫治療時の免疫回避現象を克服する具体的な手法を提案することができた。

Strategy for Future Research Activity

「低酸素、DNA損傷からの回復能の視点から、腫瘍不均一性、Q腫瘍細胞分画特性、癌幹細胞性の間の相互関連を解析」するという3つ目の目的を達成するために、これまでの解析によって腫瘍特性がある程度明らかになっているp53以外の遺伝子背景が同一でp53正常型腫瘍細胞または変異型腫瘍細胞を用いた固形腫瘍を作成させた実験用マウスを用いて、10B送達化合物の異なった種類の薬剤を、異なった濃度で投与後、ホウ素中性子捕捉療(BNCT)を施行し、固形腫瘍の治療効果を、全腫瘍細胞集団およびQ腫瘍細胞集団において別々に評価する。この結果から、腫瘍内環境の不均一性、Q腫瘍細胞集団の特性、投与薬剤の特性、の相互関係をある程度明らかにするという令和2年度の目標が、新型コロナウイルス感染蔓延に対する対策の影響によって、達成不可であったので、継続して遂行したい。

さらに、我々がかつて考案した酸素化Q腫瘍細胞の挙動を選択的に検出するための手法を用いてBNCT効果をさらに詳細に解析することによって、癌幹細胞性と、腫瘍内環境の不均一性、Q腫瘍細胞集団の特性との関係も明らかにできると考えている。

しかし、引き続く新型コロナウイルス感染蔓延に対する対策の影響によって、研究用原子炉の全運転時間と研究のための原子炉利用割当時間の少なさを考慮すると、BNCTに必須の中性子ビームの照射時間の割当が不足することも十分にあり得ると考える。

Causes of Carryover

主に、新型コロナウイルス感染の蔓延防止のための対策の影響によって、令和2年度の所属部局における研究用原子炉の全運転時間と研究のための実験への割当時間が大きく減少し、「低酸素、DNA損傷からの回復能の視点から、腫瘍不均一性、Q腫瘍細胞分画特性、癌幹細胞性の間の相互関連を解析」するという3つ目の目的の達成のために計画していた担腫瘍ヌードマウスを用いた実験が施行不可であった。高価なヌードマウスを用いた実験を予定しており、実験動物購入費や消耗品費をやや高価に見積もっていたために、遂行不可の影響として、次年度使用額分が生じた。

令和3年度における、所属部局における研究用原子炉の全運転時間や研究のための実験への割当時間が確保されれば、当初より当該年度に施行予定であった実験に加えて、令和2年度に施行予定であった実験の施行も十分に可能になると考えている。

Research Products

• [Journal Article] BNCT for primary synovial sarcoma. (2021)
  • Author(s): Fujimoto T, Suzuki M, Kuratsu S, Fujita I, Morishita M, Sudo T, Sakuma T, Nakamatsu Y, Sakurai Y, Takata T, Tamari Y, Tanaka H, Masunaga S, Kinashi Y, Kondo N, Sakakibara S, Igaki H, Andoh T, Sakamoto S, Kawamoto T, Watabe T, Hara H, Fukase N, Kawakami Y, Matsumoto T, Akisue T, Ono K, Ichikawa H, Kuroda R, Hirose T.
  • Journal Title: Appl Radiat Isot. Volume: 169 Pages: ー
  • DOI: 10.1016/j.apradiso.2020.109407
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An attempt to improve the therapeutic effect of boron neutron capture therapy using commonly employed 10B-carriers based on analytical studies on the correlation among quiescent tumor cell characteristics, tumor heterogeneity and cancer stemness. (2020)
  • Author(s): Masunaga S, Sanada Y, Tano K, Sakurai Y, Tanaka H, Takata T, Suzuki M, Ono K.
  • Journal Title: J Radiat Res Volume: 61 Pages: 876-885
  • DOI: 10.1093/jrr/rraa048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Participation of TDP1 in the repair of formaldehyde-induced DNA-protein cross-links in chicken DT40 cells. (2020)
  • Author(s): Nakano T, Shoulkamy MI, Tsuda M, Sasanuma H, Hirota K, Takata M, Masunaga S, Takeda S, Ide H, Bessho T, Tano K.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 10 Pages: ー
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0234859
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-dose toxicity study by intra-arterial injection of 10BSH entrapped water-in-oil-in-water emulsion for boron neutron capture therapy to hepatocellular carcinoma. (2020)
  • Author(s): Yanagie H, Yanagawa M, Tiguchi T, Mizumachi R, Fujihara M, Morishita Y, Sakurai Y, Mouri K, Dewi N, Nonaka Y, Shinohara A, Matsukawa T, Kubota A, Yokoyama K, Suzuki M, Masunaga S, Sakurai Y, Tanaka H, Ono K, Yamauchi H, Ono M, Nakajima J, Higashi S, Takahashi H.
  • Journal Title: Applied Radiation and Isotopes Volume: 163 Pages: ー
  • DOI: 10.1016/j.apradiso.2020.109202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of PHITS for microdosimetry in BNCT to support radiobiological research. (2020)
  • Author(s): Hu N, Tanaka H, Takata T, Endo S, Masunaga S, Suzuki M, Sakurai Y.
  • Journal Title: Applied Radiation and Isotopes. Volume: 161 Pages: ー
  • DOI: 10.1016/j.apradiso.2020.109148
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis and evaluation of dodecaboranethiol containing kojic acid (KA-BSH) as a novel agent for boron neutron capture therapy. (2020)
  • Author(s): Takeuchi F, Hattori Y, Kawabata S, Futamura G, Hiramatsu R, Wanibuchi M, Tanaka H, Masunaga S, Ono K, Miyatake S, Kirihata M.
  • Journal Title: Cells Volume: 9 Pages: ー
  • DOI: 10.3390/cells9061551
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of rapamycin, an mTOR inhibitor, on the radio-sensitivity of cultured tumor cells following boron neutron capture reaction. (2020)
  • Author(s): Tatebe H, Masunaga S, Nishimura Y.
  • Journal Title: World J Oncol Volume: 11 Pages: 158-164
  • DOI: 10.14740/wjon1296
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced MRI-guided gadolinium (III) neutron capture therapy by polymeric nanocarriers promoting tumor accumulation and intracellular delivery. (2020)
  • Author(s): Qin C, Hou X, Khan T, Nitta N, Yanagawa M, Sakurai Y, Suzuki M, Masunaga S, Tanaka H, Sakurai Y, Takahashi H, Aoki I, Yanagie H, Cabral H.
  • Journal Title: Chem Nano Mat Volume: 6 Pages: 412-419
  • DOI: 10.1002/cnma.201900730
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characteristic evaluation of the thermal neutron irradiation field using a 30 MeV cyclotron accelerator for basic research on neutron capture therapy. (2020)
  • Author(s): Tanaka H, Takata T, Watanabe T, Suzuki M, Mitsumoto T, Kawabata S, Masunaga S, Kinashi Y, Sakurai Y, Maruhashi A, Ono K.
  • Journal Title: Nuclear Inst. And Methods in Physics Research, A Volume: 983 Pages: ー
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164533
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Usefulness of Combination with Both Continuous Administration of Hypoxic Cytotoxin, Tirapazamine and Mild Temperature Hyperthermia in Boron Neutron Capture Therapy in Terms of Local Tumor Control and Lung Metastatic Potential. (2020)
  • Author(s): Masunaga S, Sakurai Y, Tanaka H, Takata T, Sanada Y, Tano K, Suzuki M, Maruhashi A, Ono K.
  • Organizer: 106th Scientific Assembry and Annual Meeting, Radiological Society of North America
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホウ素中性子捕捉療法における低酸素細胞毒の連続的投与と低温度温熱療法の同時併 用処置の有用性 (2020)
  • Author(s): 増永慎一郎、櫻井良憲、田中浩基、高田卓志、鈴木実、真田悠生、田野恵三、丸橋晃、小野公二
  • Organizer: 第79回日本医学放射線学会総会(パシフィコ横浜)
• [Presentation] 中性子捕捉療法のためのアミノ酸トランスポーターを標的とするホウ素キャリアの開発(Development of boron carrier targeting amino acid transporters for boron neutron capture therapy) (2020)
  • Author(s): 松下明香里、永澤秀子、平山祐、増永慎一郎
  • Organizer: 第79回日本癌学会学術大会（広島）
• [Presentation] BNCTによるがん細胞から放出されるHMGB1の亢進とその放射線応答としての機能 (2020)
  • Author(s): 今道祥二、Lichao chen、Tong Ying、佐々木由香、小野寺貴恵、鈴木実、増永慎一郎、益谷美都子
  • Organizer: 第79回日本癌学会学術大会（広島）
• [Presentation] The roles of GM-CSF and inflammatory / immune cascades in the tumor cell response to boron neutron capture therapy (BNCT) (2020)
  • Author(s): Lichao Chen, Shoji Imamichi, Ying Tong, Yuka sasaki, Takae Onodera, Shinichiro Masunaga, Mitsuko Masutani
  • Organizer: 第79回日本癌学会学術大会（広島）
• [Presentation] BNCT用化合物に特異的な生物学的効果比(CBE)の10B化合物の種類と投与時濃度への依存性 (2020)
  • Author(s): 増永慎一郎、櫻井良憲、田中浩基、高田卓志、真田悠生、田野恵三、鈴木実、近藤夏子、渡邉翼、武野慧、丸橋晃、小野公二
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第33回学術大会（札幌）