| 研究課題/領域番号 |
24240071
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 研究機関 | 滋賀医科大学 |
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研究代表者 |
犬伏 俊郎 滋賀医科大学, MR医学総合研究センター, 教授 (20213142)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | がん / グルコース / 乳酸 / 炭素ｰ13 / NMR / ｐH / プロトンポンプ |
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| 研究概要 |
ゲノム情報が明らかになり、その遺伝子産物である代謝産物の生体内部での時間的、空間的な振舞いを観察することは、様々な疾患において重要な病態変動や治療効果を知る上で重要となる。近年、プロテオミクスやメタボロームなどシステムレベルでの解析から、バイオマーカー分子の探索が始まり、同定された分子が生体内のどこで、いつ、どのように働くかを調べて、初めてその重要性が評価できるといえる。ことに最近の癌研究は遺伝子変異の解析から代謝メカニズムの解明へと変遷しつつある。本課題では核磁気共鳴（MR）法を用い、生体システムにおける腫瘍組織の代謝をMRスペクトルにより計測し、MRの形態画像や癌マーカーとしての抗体などの集積部位と比較しながら、癌の病理を総合的に理解するとともに、これらの情報を癌の治療や診断技術に応用することを目指すものである。
MR法は体内の病変部を高解像度で描出する優れた画像診断法であり、また、生体内の代謝産物による信号を検出し識別することができる分析法でもある。さらに、MR法は放射線を用いないために生体への被曝が回避でき、繰り返し何度でもMR計測ができる。この繰り返し計測の特性を生かして、特定化学物質の生体内での化学変化が経時的に追跡できる。我々は低感度核でありながら、有機代謝産物の骨格を形成するC-13核に着目し、この原子に結合した検出感度の高いH-1核のMR信号を利用する高感度C-13MRの計測法、多量子コヒレンスMRスペクトロスコピー（Heteronuclear Multiple Quantum Coherence: HMQC）法を確立し、マウスやラットの腫瘍組織内でのC-13標識グルコースの代謝解析に応用した。その結果、癌のグルコース代謝過程において産生する乳酸レベルがプロトンポンプ活性の阻害に顕著な影響受け、細胞内外のｐHのバランスを崩していることが明らかとなった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度はH-1核によるC-13核の間接検出のための信号検出器の作製とHMQCパルス系列の開発が進展し、動物の腫瘍モデル作製とともに研究実施基盤が確立した。これにより、MRデータの蓄積が進んでいる。
１．腫瘍組織内の13C-標識代謝産物による検出に特化した13C-1H二重共鳴用信号検出器を製作した。これには13Cと1Hに同調させた独立の表面コイルを同心円に配置し、それぞれの信号検出の感度化を図った。さらに、腫瘍サイズに応じて1Hコイルの直径が10、15、20mmからなる３セットの検出器を製作した。これらの技術的な成果を基に、ｐH計測のための31P NMR用には31P -1H二重同調コイルと13Cコイルを配置した、三重同調検出器を製作を進めている。
２．傾斜磁場パルスによるコヒーレンス選択を利用したHMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation) のパルス系列を作成し、13C核MR信号の1H核を利用する間接的高感度検出の最適化を行った。代謝解析にはこの計測法を採用することに決定した。１H MR検出による13C標識化合物の追跡はグルコースや乳酸の13C NMRの化学シフトに対応する周波数選択パルスを用いることで脂質などによる背景の不要な信号を排除し、MRスペクトルの簡素化を達成し、その解析を容易にした。バックグラウンドの参照用データとして、13C標識化合物を用いないMR代謝計測を1H核のSTEAM (STimulated Echo Acquisition Mode) 法、および、PRESS(Point REsolved SpectroScopy )にて行い、LCModelにより信号強度から化学物質の濃度を推定することにしている。
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| 今後の研究の推進方策 |
HMQC法による癌組織でのグルコース代謝が、代謝経路内の酵素活性の阻害によってその産物である乳酸産生に鋭敏に反映されることが明らかとなった。この効果を利用して、癌のグルコース代謝過程において産生する乳酸を標的に癌の代謝評価とその撹乱を詳しく解析する。そこで、まず細胞内のｐH を制御する(i)プロトンポンプ活性、主としてモノカルボン酸トランスポーター（MCT）とNa+/H+交換輸送体(NHE1)に焦点を当て、その阻害によるグルコース取り込みや乳酸生成への影響を調べるとともに、細胞内外のｐHを３1P NMRスペクトルの無機リン酸の化学シフトでモニターする。さらに、プロトンポンプ活性にあわせてその代謝経路の上流にある(ii)乳酸を生成する乳酸脱水素酵素（LDH）の阻害による代謝レベルを解析する。さらに、もう一段階上流の(iii)ピルビン酸キナーゼのアイソフォームPKM2の役割を乳酸レベル、ならびに、細胞内ｐH と関連して明らかにする。このためにPKM2の活性を特異的に阻害する化合物や、逆に、その活性を増強する試薬を用いる。これらの阻害剤や活性剤による効果を単独で解析するとともに、このうちの複数の組み合わせによる効果も検討する。このように薬剤の腫瘍組織においてグルコースから乳酸を生成する代謝過程と組織内ｐHの関連を明らかにした上で、これらの阻害効果が腫瘍組織の構造や血管新生にどのような影響を及ぼすかを拡散強調やダイナミックMRなどのMR画像法により観察する。このようにして癌組織におけるグルコースの乳酸に至る代謝過程とｐH制御や酵素反応の阻害剤による影響を解析することから、癌の効果的な治療に関する情報が得られるものと期待される。
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