私の研究

私の研究
がん細胞の微小環境～酸性細胞外 pH はがん転移を促進する～

加藤 靖正（かとう やすまさ）
奥羽大学 歯学部 口腔生化学教授

１．はじめにいます。癌と肉腫を区別なく使用する用語として、がんは現在我が国の死亡原因の第一位であり、本稿ではひらがなによるがんを用いることとしま脳心疾患の合計よりも高い。がん（tumor）には、す。がん細胞の成立には、遺伝子変異が不可欠で癌（carcinoma）という漢字がありますが、これすが、転移性獲得などさらなる進展（悪性化）には上皮由来に限定した医学用語であり、同様に非は、遺伝子変異よりはむしろ非遺伝的要因が主体

上皮由来のものについては肉腫（sarcoma）と言となり、性質が変化していること（図１）が明ら

pH

がん化

進展

遺伝子変異＞非遺伝的要因

遺伝子変異＜非遺伝的要因

正常細胞

がん細胞浸潤・転移能獲得

 分裂は有限 分裂は無限 コラーゲンなどを分解する酵素の分泌亢進 秩序ある分裂制御

 永続的で無秩序な自律的増殖 細胞間の強固な接着 細胞間接着の低下

 細胞運動性の亢進 足場依存性の生存（細胞外マトリックスから脱離すると生存できない）

 足場依存性の低下（細胞外マトリックス（コラーゲンなど）に接着していなくても生存可能）

 細胞間接着のさらなる低下

 不要になると細胞死が誘導され免疫機構を介して排除される。

 細胞死は誘導されず、免疫機構から逃避する。

 血管新生能の亢進（正常細胞であれば、低栄養や低酸素により細胞死が誘導されるが、がん細胞では、腫瘍組織内に血管をつくり、低栄養や低酸素の環境を積極的に改善する。また、新生血管は脆弱であるため、がん細胞が血管内に侵入しやすいので、血行性転移がより容易となる。）

図１

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私の研究かにされ、このことががん細胞の更なる多様性ら、現在ではこの特性を生かしたがん細胞の検出（不均一性）を生む要因となり、画一的な治療法法として、グルコースの同位体である18F-フルオ

では対応できない状況の理解に繋がっています。

ロデオキシグルコースの集積を検出するポジトロ

がん細胞の特性について Hanahan と Weinberg

ン断層撮影（2-Deoxy-2［18F］-fluoro-D-glucose-により2000年に the Hallmark of Cancer ⑴ にまと

positron emission tomography, 18F-PET）が汎用められ、研究の進展に伴い改訂 ⑵ され現在に至っされています。このように、がん細胞は、多量のています。そこで述べられている基本的な性質にグルコースを取り込み、生じたピルビン酸は、酸は、自立した無秩序な無限の増殖性と、細胞死の化的リン酸化されずその大半を乳酸へ変換し細胞一種であるアポトーシスからの回避があります。

外へ放出していることから、がん組織内の細胞外また、永続的な血管新生と遠隔部位への転移などpH は、低下することになります。

も、がん細胞としての基本的性質となります。がこれまで、エネルギー産生の副産物としてとらん細胞がこのような性質を発揮するためには、多えられていた細胞外酸性 pH が、がん細胞が進展くのエネルギーを消費していますが、そのエネルに関与する細胞外環境であることが解ってきまし

ギー供給システムはどのようになっているのでた。本稿では、酸性細胞外環境とがん細胞の悪性しょうか？

化について、私たちの研究結果を中心に概説致しミトコンドリアを持たない成熟赤血球など一部の細胞を除けば、細胞は呼吸、つまり酸素を消費ます。
⑴ がん細胞における解糖系の利点と Warburgしてエネルギーを得ています。細胞内に取り込ま効果れたグルコースは、解糖系によりピルビン酸へ変

がん細胞はエネルギー獲得のためにグルコース換され、ミトコンドリア内で TCA サイクルと共の消費量が極めて高いのですが、実は多量のエネ役する電子伝達系による酸化的リン酸化（酸素をルギー消費によるものだけではありません。細胞消費し、水と二酸化炭素に代謝される際に、ア内に取り込まれたグルコースは、まず、リン酸化デノシン二リン酸（ADP）がリン酸化され、ア（３，４）されグルコース 6-リン酸となります（図２）。

デノシン三リン酸（ATP）となる反応系）によ

ここで分岐するペントースリン酸経路では、リり ATP が産生されます。ATP が ADP に脱リンボース 5-リン酸が産生されます。リボース 5-リ酸化される際には、熱量として30.5kJ/7.3kcal がン酸は更に代謝され、核酸（DNA や RNA）の発生されるので、ATP はエネルギー通貨として原料となります。永続的に増殖し続けるがん細胞位置付けられています。１モルのグルコース（約にとって核酸合成は必須であり、グルコースは、180ｇに相当）より、解糖系単独では、２モルの核酸の構成成分の供給のためにも多量に消費されATP が、酸化的リン酸化を介した完全燃焼（酸ているのです。

素を消費して水と二酸化炭素にまで代謝される

解糖系には、NAD＋を利用した酸化還元反応がこと）では30～32モルの ATP が産生され、解糖１ヵ所だけ存在します。グリセルアルデヒド三リ系単独よりも15倍も多い ATP 産生量となります。

ン酸から水素を奪い、NAD ＋に渡して、NADH

がん細胞ではエネルギー消費が高いにも関わらず、とし、水素を喪失したグリセルアルデヒド三リ

グルコースから産生されるエネルギー量の少ないン酸は、１,３-ビスホスホグリセリン酸となりま解糖系に頼って生存しているという一見不合理にす。解糖系ではこの NAD ＋の供給が途絶えると見えるようなエネルギー供給体制により生存して反応は停止するのですが、ピルビン酸へ NADHいます。また、ATP の産生量の低さを補うため、の水素を渡すことで NAD ＋としてリサイクルさ多量のグルコースを効率よく取り込み、代謝してれているのです。そしてこの水素を受け取りピルいます。これはがん細胞共通の性質であることかビン酸が還元されると乳酸となるのです。乳酸の30

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図２

産生は、解糖系を進めるために必要な NADH の糖系の代謝酵素の殆どは、低酸素になると活性化リサイクル反応の結果なのです。この代謝は、正する転写因子 HIF1（hypoxia-inducible factor 1）

常組織では瞬発力を担う速筋（白筋）と呼ばれるや癌原遺伝子である c-MYC により発現が促進

筋肉での主要なエネルギー産生機構となっていまされており、さらに、これらの転写因子は、ピすが、がん細胞の主たるエネルギー産生機構としルビン酸デヒドロゲナーゼ（PDH）の阻害因子て機能しているのです。乳酸を細胞内に過度に貯であるピルビン酸デヒドロゲナーゼキナーゼ 1

留することは、細胞内の反応機構を破綻させるた（PDK1）の発現を促進しており、結果としてピめ、がん細胞にとっても好ましくありません。そルビン酸はアセチル CoA ではなく乳酸へ代謝さの為、細胞膜に存在する乳酸トランスポーターを⑷れることとなります（図２）。嫌気的条件下で介して排泄されます。これにより、がん細胞内の主体となる乳酸への糖代謝を、がん細胞では酸素pH は中性から弱アルカリ性に保たれていますが、の豊富（好気的）な条件下でも主体的に行ってい細胞外は酸性を示すことになります。解糖系もペることから、好気的解糖、あるいは発見者の名前

ントースリン酸経路も共通して、酸素の消費はあにちなんで Warburg 効果と呼ばれています。

りません。
一方、細胞内呼吸の場はミトコンドリアですが、がん細胞は旺盛な増殖により、血管から遠ざかってしまったがん細胞は虚血状態にさらされてミトコンドリアに存在する電子伝達系では、糖やいます。解糖系は、低酸素下で増強される虚血に脂質の代謝から供給された電子の授受を介し、最対応したエネルギー産生法であるため、酸素を終的に酸素を消費することによって ADP をリン消費せずに十分に代謝できる体制は、がん細胞酸化し、エネルギー通貨である ATP を産生してにとって都合がよいと考えられます。呼吸によいます。そのため、酸化的リン酸化とも呼ばれてり生存している細胞では、解糖系での NADH のいます。ピルビン酸は、酸化的リン酸化のために、NAD＋へのリサイクルについても酸化的リン酸化ミトコンドリア内へ移動してアセチル CoA へ代を利用していますので、がん細胞での乳酸の排泄謝されます。アセチル CoA は、オキサロ酢酸とは、その合成過程で NADH の NAD＋へのリサイ縮合することで、TCA サイクルに入ります。解クルを、酸素を消費すること無く行っている点で福島の進路 2021. 531

私の研究り誘導されることを報告 ⑺ し、これらの現象につ合理的と考えられます。

いて多くの研究者により種々のがん細胞モデルを

２． 局所の酸性細胞外環境の形成過程は主と用いて検証され、酸性細胞外 pH は、がん細胞のして２系統存在する悪性化に関与する微小細胞外環境であることが確

解糖系の代謝酵素のほとんどが HIF1 により正立されました ⑷。に調節されているため、がん組織内の細胞外 pHの低下は、低酸素環境の結果として論じられるこ

４． 酸性細胞外 pH の細胞内情報伝達機構のとが多いのですが、Warburg 効果によるがん組解明と転移抑制

織内の酸性細胞外 pH の形成過程には、低酸素環

酸性細胞外 pH により活性化する細胞内情報伝（３,４）

境に依存しない経路も存在します。核酸合成

達機構について MMP9 発現を指標に検討した結に必須なペントースリン酸経路では、六炭糖が五果、種々のサイトカインなどで活性化する MAP炭糖へ代謝される過程で、CO ２が排泄されます。

キナーゼの活性化とこれに続く転写因子 NF-κB

また、がん細胞ではカルボニックアンヒドラーゼの関与を明らかにしました ⑻。また、MAP キナーⅨ（CA9）の活性が高いことが知られ、CO ２とゼの活性化にはホスホリパーゼＤの活性化が関

H２O から H２CO３（重炭酸）へ代謝されます。重与していることを見出しました（８,９）。ホスホリ炭酸の解離により生じた H＋の供給により pH はパーゼＤの活性化には低分子量Ｇタンパク質で低下するのです。つまり、増殖旺盛な細胞においある RhoA の活性化 ⑽ や細胞外からのカルシウては、多量の CO ２の排泄が切っ掛けとなり、低ム流入による細胞内カルシウムレベルの上昇が重酸素環境に非依存的に pH の低下が生じます。こ要であることが解ってきました ⑼。そこで、細胞の様に、がん組織では血管から離れた部位では、内カルシウムのレベルの上昇により活性化する

低酸素に依存的に、また、増殖の旺盛な細胞では、TRPM5 に注目しました。B16-BL6 メラノーマを低酸素に非依存的に酸性環境が生じると考えられ用いて、遺伝子操作を行い TRPM5 発現を人為的ます。に上昇させた細胞を作製してみると、酸性 pH 刺激による MMP-9 発現の増強と肺への転移が促

３．酸性環境は結果か切っ掛けか？

進されました ⑾。また、TRPM5 の阻害剤である

私達は酸性 pH がマトリックスメタロプロテ

Triphenylphosphine Oxide 処理での酸性 pH 刺激アーゼ９（MMP9）の合成を誘導すること、そで誘導される MMP-9 発現の低下と、B16-BL6して、この誘導量が高転移性のクローンに多く、細胞を移植したマウスへの Triphenylphosphine

低転移性クローンでは低いことを、マウス B16Oxide の投与による肺への転移の抑制も示されま（５,６）

した。このことから、TRPM5 は酸性細胞外 pH

MMP9 は、当初はⅣ型コラゲナーゼとして報告

刺激の受容に必要な因子で、転移抑制の標的となされたプロテアーゼであり、ゼラチンをよく分解りえることを示しました。

メラノーマを用いた細胞系で報告しました。

する他、基底膜に局在する未変性のⅣ型コラーゲンを分解することができるため、遠隔転移の律速５．酸性環境への馴化は安定した転移性を獲酵素としても位置付けられています。このことか得するら、私たちの発見は、酸性環境ががん細胞の転移がんの種類にもよりますが、１つのがん細胞が性を促進する環境因子であることを証明した初め形成され、１センチの大きさになるのにおよそての報告となりました。さらに、上皮由来のがん15～16年かかります。この大きさになると、CT細胞が転移性を獲得する際に間葉系の性質が強くや MRI、PET などにより検出されるようになりなるという上皮間葉系移行も酸性細胞外 pH によます。ところが１センチのがんが、２センチに達32

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私の研究するには僅か１～２年です。私たちは、１センチて大きく関与していることが証明されてきていまに達する前のがん細胞が置かれている環境が、がす。また、乳酸においてはその受容体も同定され、ん細胞の悪性の性質を獲得する重要な期間で、長酸性細胞外 pH 研究の新たな展開が期待されてい期にさらされている酸性細胞外環境への適応がます。

一つの大きな要因であるという仮説を立てました。そこで、マウス Lewis 肺癌細胞株の中から低転移性を示す亜株を樹立⑽し、その細胞を段階

引用・参考文献
１．Hanahan D, Weinberg RA, Cell 100：57–70，
2000．

的に酸性 pH へ馴化させ、pH6.2まで増殖可能な⑿細胞を作製し元の細胞と比較しました 。その結２．Hanahan D, Weinberg RA, Cell 144：646-74，
2011．

果、酸性 pH に馴化させた細胞では細胞の運動能や細胞外マトリックスの分解能が亢進しているこ

３．Kato Y et al ., Cancer Cell Int 13：89，2013．とを見出しました。この亢進は、中性 pH の条件

４．Kato Y et al ., Jpn Dent Sci Rev 54：8-21，

でしばらく継代培養させた後でも維持され、さらに肺への転移能も亢進していることを見出しまし2018．
５．Kato Y et al ., J Biol Chem 267：11424-30，た。この実験から、酸性細胞外環境への長期曝露は、安定した転移能を獲得させる要因となること

1992．
６．Kato Y et al ., Cell Biol Int 20（5）：375-7，が実験的に証明されました。

1996．
７．Suzuki A, Kato Y et al ., Cancer Cell Int 14（1）：

６．おわりにがん細胞周囲の微小環境としての低酸素は、

129，2014．
８．Kato Y et al ., J Biol Chem 280：10938-44，

HIF1 という特異的な転写因子が存在し鋭敏に反応するため研究は一気に進みましたが、酸性細2005．
９．Kato Y et al ., FEBS J 274（12）：3171-83，

胞外 pH については、特異的な転写因子もないた
め、なかなか進みませんでした。最近メタボロー

2007．
10．Maeda T, Kato Y et al ., Int J Oncol 48（3）：

ム解析の技術が発達し、新たな視点での展開がなされています。その結果、これまでがん細胞で1251-7，2016．
11．Maeda T, Kato Y et al ., Oncotarget 8（45）：は、Warburg 効果に代表されるように、ミトコンドリアをあまり利用していないとの既成概念が78312-26，2017．
12．Sutoo S, Kato Y et al ., Clin Exp Metastasis

覆され、ミトコンドリアはグルタミン代謝におい37（1）：133-44，2020．

＜プロフィール＞
1967年生まれ。1989年北里大学衛生学部卒業、同年神奈川歯科大学助手、1992年カナダ・アルマンド・フラッピエ研究所客員研究員、1996年北里大学博士（学術）。1997－1999年ベルギー・リエージュ大学客員研究員、2005年横浜市立大学大学院医学研究科博士課程耳鼻咽喉科頭頸部外科学専攻修了（博士（医学））、2008年神奈川歯科大学准教授、2010年奥羽大学歯学部教授、2016－2020年
Metastasis Research Society 理事、2020年 Cancer Cell International 誌共同編集長就任。専門は生化学、腫瘍生物学。問合せ先：yasumasa-kato@umin.ac.jp

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