オンコロジー研究トレンド

癌研究における空間トランスクリプトーム解析 最新技術と応用展望

はじめに：空間情報が解き明かす癌組織の複雑性

近年のゲノム科学および分子生物学の進展は、癌の理解を深める上で目覚ましい貢献をしてきました。特に、次世代シークエンサーを用いたバルクRNA-Seqや、近年急速に普及したシングルセルRNA-Seqは、癌細胞や腫瘍微小環境（TME）を構成する細胞の遺伝子発現プロファイルを詳細に解析することを可能にしました。しかしながら、これらの技術では組織から細胞を単離する過程で、細胞が元々組織内のどこに位置していたか、どのような細胞と隣接していたかといった重要な空間情報が失われます。

癌組織は単一の細胞集団ではなく、癌細胞、免疫細胞、間質細胞、血管内皮細胞など、多様な細胞が複雑なネットワークを形成しています。これらの細胞間の相互作用や、細胞の局所的な環境（例えば、低酸素領域や薬剤の到達が限られる領域）が、癌の進展、転移、薬剤応答、そして耐性獲得に深く関わっていることが明らかになってきています。したがって、遺伝子発現情報に空間的なコンテキストを加えることは、癌の病態をより包括的に理解し、新たな治療標的やバイオマーカーを発見する上で極めて重要となります。

このような背景から、遺伝子発現情報とその組織内の空間的位置情報を同時に取得する「空間トランスクリプトーム解析」技術が、オンコロジー研究において最も注目される技術の一つとして浮上しています。本稿では、空間トランスクリプトーム解析の主要な技術、癌研究への具体的な応用例、そして今後の臨床応用への展望について深掘りします。

空間トランスクリプトーム解析技術の主要手法

空間トランスクリプトーム解析技術は急速に進化しており、現在ではいくつかの異なるアプローチが存在します。大別すると、「配列決定に基づく手法」と「in situに基づく手法」に分けられます。

1. 配列決定に基づく手法 (Sequencing-based methods)

組織切片上の特定の位置（多くの場合、定義された領域やスポット）からRNAを回収し、これを標識してシーケンスを行う手法です。位置情報は、スポットに付加されたバーコードによって紐付けられます。

• Visium (10x Genomics): 最も広く利用されているプラットフォームの一つです。組織切片を特殊なスライドガラス上に載せ、透過性試薬で細胞膜を透過させた後、スライドガラス上のバーコード付きオリゴヌクレオチドによってmRNAを捕捉・逆転写し、cDNAライブラリを調製してシーケンスを行います。スポットサイズは約55µmで、一つのスポット内に複数の細胞が含まれることが一般的です。
• Slide-seq / Slide-seqV2 (Broad Institute): 微小なビーズ（bead）に位置情報バーコードを付加し、これを組織切片上にランダムに散布することで、より高解像度な空間情報取得を目指す手法です。ビーズ上のバーコードと捕捉されたmRNAのシーケンス情報を組み合わせます。V2ではビーズ密度と捕捉効率が向上しています。

これらの手法の利点は、網羅的な遺伝子発現プロファイルを取得できることですが、空間解像度が限定的であったり（Visium）、技術的な難易度が高い場合があるという側面もあります。

2. in situに基づく手法 (In situ methods)

組織切片内で直接、特定の遺伝子または遺伝子群の発現を画像化する手法です。RNA分子に直接蛍光プローブなどで標識し、顕微鏡によってその位置と発現レベルを検出します。

• MERFISH (Multiplexed Error-Robust Fluorescence in situ Hybridization): 高い多重度で多数のmRNA種を同時に検出・画像化する手法です。RNA分子を複数の異なる蛍光プローブでコード化し、繰り返しイメージングを行うことで、個々のRNA分子の位置と種類を特定します。シングルセルレベル、さらには細胞内でのRNA局在を高い解像度で解析できます。
• FISH (Fluorescence in situ Hybridization) ベースの手法: RNA-FISHの原理を応用し、検出する遺伝子数を増やす工夫を凝らした手法です（例: SeqFISH, osmFISHなど）。空間解像度は高いですが、検出できる遺伝子数に限界がある場合があります。
• GeoMx DSP (Digital Spatial Profiling) / CosMx SMI (Spatial Molecular Imager) (NanoString Technologies): 特殊なプローブとデジタル計数技術を組み合わせることで、定義された領域（ROI）やシングルセルレベルでのタンパク質やRNAの発現を定量的に解析する手法です。ROIを選択して解析できるため、特定の組織構造や細胞集団に注目した解析に適しています。

in situ手法の利点は、高い空間解像度で個々の細胞や細胞内のRNA分子を可視化できることですが、通常、検出できる遺伝子の数は配列決定に基づく手法に比べて限られます。

これらの技術はそれぞれ異なる強みと限界を持っており、研究目的や解析対象に応じて使い分ける、あるいは組み合わせて利用することが推奨されます。

癌研究における空間トランスクリプトーム解析の応用例

空間トランスクリプトーム解析は、癌の様々な側面を明らかにする可能性を秘めており、以下のような応用例が報告されています。

• 腫瘍微小環境（TME）の解剖と細胞間相互作用の解析: 癌組織内の多様な細胞種（癌細胞、線維芽細胞、免疫細胞、血管内皮細胞など）の空間的な分布と、それらの細胞が発現する遺伝子プロファイルを同時に解析することで、TMEの複雑な構造を詳細に把握できます。さらに、特定の細胞種同士が近接している領域における遺伝子発現パターンを解析することで、サイトカインやケモカインなどを介した細胞間相互作用ネットワークを空間的な文脈で理解することが可能となります。これは、癌細胞と免疫細胞の相互作用や、癌関連線維芽細胞（CAFs）が癌の増殖・浸潤・免疫抑制に関与するメカニズムの解明に役立ちます。

• 免疫細胞の浸潤パターンと局所免疫応答の解析: 免疫チェックポイント阻害剤などの免疫療法に対する応答性は、TMEにおける免疫細胞の質、量、そして空間的な分布に大きく影響されます。空間トランスクリプトーム解析を用いることで、腫瘍内部へのT細胞の浸潤パターン（例：interspersed vs excluded）、腫瘍組織とストロマにおける免疫細胞の局在、免疫抑制性細胞（例：骨髄由来抑制細胞 MDSC, 制御性T細胞 Treg）の集積領域などを高解像度で解析できます。これにより、免疫療法の応答・非応答メカニズムの解明や、新たな免疫治療標的の同定に繋がる可能性があります。

• 薬剤耐性メカニズムの空間的解明: 分子標的薬や化学療法に対する薬剤耐性は、癌組織内の特定の領域や細胞集団で獲得されることがあります。空間トランスクリプトーム解析は、薬剤曝露後の癌組織において、薬剤耐性に関連する遺伝子（例：薬剤排出ポンプ、生存経路関連因子）の発現が空間的に不均一であることを明らかにし、耐性細胞クローンの局在や、耐性微小環境の特徴を特定するのに貢献します。これは、耐性克服のための併用療法戦略や、局所療法開発のヒントとなります。

• 病理学的特徴と分子プロファイルの統合: H&E染色や免疫組織化学染色で観察される組織構造や細胞形態学的特徴と、その領域または細胞の遺伝子発現プロファイルを空間的に統合して解析することが可能です。これにより、特定の病理学的特徴（例：浸潤前縁、壊死領域、リンパ管・血管浸潤部位）に対応する分子メカニズムを解明し、病理診断の分子基盤をより深く理解することができます。

• 新規バイオマーカーの探索: 特定の癌のサブタイプ、予後、あるいは薬剤応答性に関連する遺伝子発現パターンや細胞組成が、組織内の特定の空間的な位置に偏って存在することがあります。空間トランスクリプトーム解析は、このような空間特異的なバイオマーカーを探索するための強力なツールとなります。例えば、腫瘍浸潤リンパ球（TILs）の密度や位置関係が免疫チェックポイント阻害剤の応答予測マーカーとなりうることが示唆されていますが、空間トランスクリプトーム解析はこれをより詳細な分子・細胞レベルで評価することを可能にします。

これらの応用例は、空間トランスクリプトーム解析が、従来の均一化された組織解析や細胞単離後の解析では得られなかった、癌組織の複雑性と不均一性に関するブレークスルーをもたらす可能性を示しています。

課題と今後の展望

空間トランスクリプトーム解析は非常に強力な技術ですが、いくつかの課題も存在します。データの取得には高度な技術と専門知識が必要であり、得られるデータのサイズが膨大であるため、適切なデータ解析パイプラインの構築と生物学的解釈が重要となります。また、技術によって空間解像度や検出できる遺伝子数に違いがあるため、研究目的に最適な技術を選択する必要があります。さらに、技術コストも依然として高い傾向にあります。

しかしながら、技術は急速に進歩しており、空間解像度や検出遺伝子数の向上、ハイスループット化、解析ツールの開発が進められています。今後は、シングルセルオミックスデータと空間トランスクリプトームデータを統合的に解析するアプローチや、空間プロテオミクスなどの他の空間マルチオミックス技術との組み合わせにより、癌組織の理解はさらに深まるでしょう。

将来的には、空間トランスクリプトーム解析によって得られた知見が、より精密な癌の診断、予後予測、治療選択、そして個別化医療の実現に貢献することが期待されます。例えば、生検組織の空間トランスクリプトーム解析から得られる情報が、最適な治療戦略の決定に役立つようになるかもしれません。

まとめ

空間トランスクリプトーム解析は、癌研究に新たな次元をもたらす革新的な技術です。組織内の細胞の空間的な位置関係における遺伝子発現を解析することで、腫瘍微小環境の複雑性、細胞間相互作用、薬剤耐性メカニズムなどを詳細に理解することが可能となりました。様々な技術が開発されており、それぞれに特徴がありますが、癌の病態解明、新規治療標的・バイオマーカーの発見において、この技術が果たす役割はますます大きくなるでしょう。今後も技術の進歩とデータ解析手法の洗練により、空間トランスクリプトーム解析は癌研究および臨床応用において中心的な役割を担うことが期待されます。第一線の研究者、臨床医として、この分野の動向を注視していくことの重要性は言うまでもありません。