3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

体内でも最も頑固な腫瘍の内部では、しばしば奇妙で危険な景観が形成されます。がん細胞が無謀な速さで増殖するにつれ、それらは自らの血液供給を追い越し、酸素が届かない深い飢餓状態のポケットを作り出します。これらの領域は死滅し、壊死組織へと変化しますが、これは通常、患者にとって予後不良を示す攻撃的な疾患の特徴です。しかし、この死の領域には独特な秘密が隠されています。それは、酸素の中で生き残ることができない特定の種類の細菌が、繁殖できる唯一の場所であるということです。科学者たちは、これらの嫌気性細菌が自然に死滅しつつある腫瘍の核を求め、定着することを古くから知っていました。この発見は、これらの微生物的な侵入者を味方に変え、薬物を届けたり、免疫系を刺激して内部からがんを攻撃させたりするために、彼らを設計するという数十年にわたる取り組みに火をつけました。

しかし、これらの「生きた薬」をヒトに試験する前に、研究者はそれらが安全かつ効果的に機能することを証明しなければなりません。皿の中の平坦な細胞層を用いた従来のラボテストでは、腫瘍内部の死んで酸素が欠乏した中心部を再現できず、細菌が実際に標的を見つけ出すことができるのかを確認することが不可能です。逆に、動物で直接テストすることは深刻な倫理的問題を引き起こし、また多くの異なる細菌株を迅速にスクリーニングするには複雑すぎることが多々あります。この溝を埋めるために、マーストリヒト大学の研究チームは、腫瘍内部の実際の状況を模倣した新しい三次元モデルを開発し、人体に酷似した環境でこれらの細菌がどのように振る舞うかを観察することを可能にしました。

研究者たちはまず、3つの異なるソース（2種類のマウスのがんと1種類のヒトの大腸がん）から、がん細胞の小さく球状のクラスターを培養することから始めました。彼らは、本物の腫瘍と同じように内部に死の領域が形成されるまで、これらのクラスターを成長させました。これらの壊死核が形成された後、チームはClostridium sporogenes（ヒトにとって安全であり、酸素のない環境を好む非有害な細菌）の胞子を導入しました。彼らは、細菌が胞子から無事に孵化し、細胞の塊の深い死の中心部へと移動する様子を観察しました。マウスのがんモデルでは、細菌が非常に旺盛に増殖したため、最終的に腫瘍の塊全体が崩壊しましたが、ヒトのがんモデルでは、細菌は定着して安定しており、生体内で起こっている現象を反映していました。

細菌がこれらのモデルへの定着に成功した後、チームは安全性へと目を向けました。細菌を生きた薬として使用する場合の大きな懸念は、問題が発生した場合や治療を終了する必要がある場合に、それらを止める方法です。研究者たちは、腫瘍の塊の内部から細菌を除去できるかどうかを確認するために、いくつかの一般的な抗生物質をテストしました。その結果、チゲサイクリンのような一部の薬剤は細菌の増殖を一時停止させるだけであり、薬の効果が切れると細菌は再び増殖し始めることがわかりました。しかし、他の抗生物質、具体的にはオーグメンチンとバンコマイシンは、真の殺菌剤として機能し、細菌の集団を完全に死滅させ、腫瘍の塊を無傷で感染のない状態に保ちました。この区別は極めて重要です。なぜなら、このモデルが、単に細菌の増殖を遅らせるだけの薬と、それらを完全に排除できる薬の違いを識別できることを証明しているからです。

最後に、チームは「クロストリジウム指向型酵素プロドラッグ療法」と呼ばれる特定の癌治療をテストしました。この手法では、細菌が遺伝子操作され、細菌が生息する腫瘍内でのみ、無害な薬物を毒物に変換する特別なツールを運ぶように設計されています。研究者たちは、これら設計された細菌と無害な薬物を腫瘍モデルに添加しました。マウスのがんモデルでは、この組み合わせにより、細菌または薬物のいずれか一方を単独で使用した場合よりも、腫瘍の塊が大幅に縮小しました。ヒトのがんモデルでも同様の成長抑制の傾向が見られましたが、その効果はそれほど顕著ではありませんでした。これらの結果は、科学者が以前に生体内で観察した内容と一致しており、この単純な三次元の細胞の塊が、複雑な細菌療法が生存体内でどのように機能するかを正確に予測できることを裏付けました。

死んで酸素が欠乏した腫瘍の心臓部を捉えるシステムを構築することで、研究者たちはがん治療の未来に向けた強力な新しいツールを提供しました。このモデルにより、科学者は数十種類の細菌株や薬物の組み合わせを、迅速かつ倫理的にスクリーニングし、動物やヒトにテストする前に、うまくいかないものを排除することができます。それは、これらの「生きた薬」を洗練させるための明確な道筋を提供し、それらが最終的に臨床現場に到達する際には、安全で効果的であり、最も危険ながんの部分を標的にする準備ができていることを保証するものなのです。