「配置フィンガープリンティング」と呼ばれる新しい手法は、腫瘍の不安定性や、がん化する可能性を科学者が理解するうえで、将来的に役立つ可能性があります。
この手法では、細胞が固体・液体・気体のいずれの状態にあるか、また、どのように広がり変異する可能性があるかを理解します。
より固体に近い腫瘍は比較的安定している可能性がある一方、より流体に近い増殖組織は変異や転移を起こしやすい可能性があります。
生物は成長するにつれて、その感触も変化します。初期段階では、胚はほぼ流体のような状態となり、細胞が分裂して広がることができます。成熟するにつれて、組織や器官は最終的な形へと固まっていきます。種によっては、生物のこうした物理的状態が発生段階、さらには全般的な健康状態を示す指標となることもあります。
今回、MITの研究者らは、組織内の細胞の配列が、その組織の「相」の指紋として機能することを発見しました。組織内の細胞画像を解析し、その組織が固体、液体、さらには気体のどれに近いかを迅速に判定する手法を開発しました。研究成果は今週、米国科学アカデミー紀要に報告されました。
研究チームは、「配置フィンガープリンティング」と名付けたこの手法が、胚の発生に伴う物理的変化を科学者が追跡するのに役立つことを期待しています。より差し迫った用途として、特定の種類の組織、すなわち腫瘍の研究と、将来的な診断にこの手法を応用しています。
がんについては、胚と同様に、腫瘍の物理的状態が増殖段階を示す可能性があることを示唆する証拠があります。より固体に近い腫瘍は比較的安定している可能性がある一方、より流体に近い増殖組織は変異や転移を起こしやすい可能性があります。
MITの研究者らは、実験室で培養した腫瘍と患者から生検で採取した腫瘍の画像を解析し、腫瘍が固体、液体、気体のどれに近いかを示す細胞の指紋を特定しています。将来的には、医師が腫瘍細胞の画像を細胞の指紋と照合し、腫瘍の相、ひいてはがんの進行度を迅速に判定できるようになると期待しています。
「私たちの手法を使えば、生検で細胞の位置を調べるだけで、がんの状態を非常に簡単に診断できます」と、MITの機械工学准教授、ミン・グオ氏は述べます。「細胞がどこにあるかを見るだけで、腫瘍が非常に固体に近く、まだ転移できない状態なのか、それとも流体に近く、患者が危険な状態にあるのかを、医師が直接判断できるようになることを期待しています。」
グオ氏の共著者は、MITのハイチエン・ヤン氏、ユーロン・ハン氏、ウェンフイ・タン氏、ロハン・アベヤラトネ氏、オタワ大学のエイドリアン・ペゴラロ氏、ノースイースタン大学のダーポン・ビ氏です。
三角形の秩序
完全な固体では、物質を構成する個々の要素は、結晶の立方体をなす原子のように、規則正しい格子状に配置されています。結晶を薄く切り、台の上に置いたとすると、原子は繰り返し現れる三角形のパターンで結び付けられるように並んでいることが分かるでしょう。完全な固体では原子間の間隔がどこでもまったく同じであるため、それらを結ぶ三角形は通常、正三角形になります。
グオ氏は、この構造を完全な固体のテンプレートとし、実際の、完全な固体とは言えない組織や腫瘍の細胞配置を比較するための基準として使えると考えました。
「実際の組織が完全に規則正しく並んでいることはありません」とグオ氏は言います。「大部分は不規則です。それでも、どの程度不規則かには微妙な違いがあります。」
この考えに基づき、研究チームはさまざまな種類の組織の画像を用意し、ソフトウェアで組織内の細胞同士を結ぶ三角形を描きました。完全な固体に見られる正三角形とは対照的に、生成された図には形や大きさの異なる三角形が現れ、細胞の空間的な秩序（および不規則さ）に幅があることを示しました。
画像内の三角形ごとに、研究チームは2つの重要なパラメーターを測定しました。三角形の内部の空間を表す体積秩序と、三角形の形が正三角形からどれだけ離れているかを表すせん断秩序です。前者は物質の密度変動を示し、後者は物質がどれほど変形しやすいかを表します。この2つのパラメーターで、組織が固体、液体、気体のどれに近いかを特徴づけるのに十分であることが分かりました。
「完全な固体の値と比較して、両方のパラメーターの正確な値を直接計算し、その値を指紋として使っています」とグオ氏は説明します。
蒸気のような触手
研究チームは、新しいフィンガープリンティング手法をいくつかの異なる状況で検証しました。最初は、2種類の分子の混合をモデル化し、その濃度を段階的に高めるシミュレーションでした。濃度ごとに分子を三角形で表し、それぞれの三角形について2つのパラメーターを測定しました。これらの測定値から分子の相を特徴づけ、予想どおり、気体・液体・固体の間の転移を再現できました。
「この非常に単純な系で何が起きるかは分かっていて、実際にそのとおりの結果が得られました」とグオ氏は言います。「これは、私たちの手法の有効性を示しました。」
続いて研究者らは、分子ではなく細胞を含む系にこの手法を適用しました。たとえば、別の研究者が撮影した、成長中のショウジョウバエの翅の動画を調べました。この手法を適用したところ、発達中の翅で、固体からより流体的な状態へと変化した領域を特定できました。
「流体のような状態になることで、成長が促される可能性があります」とグオ氏は言います。「それが具体的にどう起きるのかは、まだ研究中です。」
グオ氏と研究チームはまた、ヒト乳房組織の細胞から小さな腫瘍を培養し、腫瘍が付属肢のような触手を伸ばす様子を観察しました。これは転移初期の兆候です。腫瘍内の細胞配置を図示したところ、非浸潤性腫瘍は固体と液体の中間のような状態を示し、浸潤性腫瘍はより気体に近く、触手部分はさらに不規則な状態を示すことが分かりました。
「浸潤性腫瘍は蒸気に近く、あらゆる方向へ広がろうとします」とグオ氏は言います。「液体はほとんど圧縮できませんが、気体は圧縮できます。容易に膨張したり縮んだりします。ここで見られるのは、まさにそれです。」
研究チームはヒトのがん生検サンプルを使い、画像を撮影して解析しながら、細胞の指紋の精度を高めています。最終的にグオ氏は、組織の相を図示することで、複数の種類のがんを迅速かつ低侵襲に診断できるようになると考えています。
「通常、医師は生検を行い、診断のためにがんの種類に応じた異なるマーカーで染色する必要があります」とグオ氏は言います。「いつか、光学ツールを使って患者に触れることなく体内を観察し、細胞の位置を見て、患者のがんがどの段階にあるかを直接判断できるようになるかもしれません」
この研究は、米国国立衛生研究所、MathWorks、およびMITのジェプサ・H・アンド・エミリー・V・ウェイド賞から一部助成を受けました。
