２０２４年８⽉８⽇

報道機関

各位

【配信先】新潟県政記者クラブ、⽂部科学記者会、科学記者会
岡⼭⼤学記者クラブ

新潟⼤学

岡⼭⼤学

重粒⼦線照射が⼝腔がん 3 次元モデルに与える細胞⽣物学的影響を解明−異種放射線治療評価の標準化システムの構築−
新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科⽣体組織再⽣⼯学分野の泉健次教授、同顎顔⾯⼝腔外科学
分野の内藤絵⾥⼦⻭科医師と、岡⼭⼤学中性⼦医療研究センターの井川和代准教授（特任）の研究グループは、量⼦科学技術研究開発機構の下川卓志グループリーダー、濱野毅次⻑との連携により、重粒⼦線（炭素線）照射がヒト⼝腔がんと⼝腔粘膜 3 次元インビトロモデル（3Dモデル（※1））に与える細胞⽣物学的影響を明らかにしました。
本研究成果は、2024 年 8⽉7⽇、国際学術誌「In Vitro Cellular & Developmental Biology Animal」に掲載されました。

【本研究成果のポイント】
 世界をリードする⽇本の粒⼦線がん治療（※2）のさらなる発展には、⽣体に発⽣するがんを効果的に再現した有⽤な⽣物学的評価モデルの確⽴が望まれています。
 3 次元培養は 2 次元培養よりも⽣体内の細胞の状態に近いため⽣体内環境を再現した環境の確⽴に適しており、本研究グループはこれまで⼝腔がんや⼝腔粘膜の 3D モデルを構築してきました。
 本研究では重粒⼦線（炭素線）照射が⼝腔がん組織に与える細胞増殖や細胞死などに関する⽣物学的影響を、3D モデルを⽤いて評価することに成功しました。
 この知⾒は、様々ながん放射線治療評価システムの標準化へつながることが期待されます。

Ⅰ．研究の背景
がん放射線治療の技術的進歩が⽬覚ましい中で、粒⼦線治療の有⽤性は X 線による放射線治療に⽐べて治療回数を減らすことができ、治療効果の増強または維持しつつ、周囲正常組織への副作⽤を明らかに低減できる点にあります。つまり、患者の治療期間/⼊院期間が短くて済み、早期社会復帰が可能になります。これからのがん治療において、難治性のがん治療に対してだけでなく、⾼齢患者への治療、あるいは臓器組織の機能温存療法など患者に優しい治療として、治療の選択肢を広げる最先端のがん治療法として期待されています。
がんの放射線照射による細胞⽣物学評価では、平⾯培養細胞を⽤いた in vitro 実験系（※3）
や担がん動物を⽤いた in vivo 実験系（※3）が⽤いられてきましたが、平⾯培養では細胞同⼠の⽴体的位置関係が⽋如し、腫瘍細胞の移植により作製された担がん動物では、実際のヒトがん組織の⽣体内環境とは⼤きく異なることにより、どちらの評価系もヒト臨床試験の結果と⼤きな乖離があることが問題視されていました。そのために、⽣体に発⽣するがんを効果的に再現した有⽤な⽣物学的評価法の確⽴が望まれていました。
3 次元細胞培養技術を駆使した 3D モデルはヒト組織の⽣理学的環境を忠実に再現でき、細胞を in vitro で扱いながら in vivo 環境を反映した結果を得ることが可能で、両者の実験成果のギャップを解消できると研究ツールとして評価が⾼まっています。本研究では 3D ⼝腔がんモデルに重粒⼦線（炭素線）照射を⾏い、本モデルが新たな放射線治療評価法として利⽤可能であることを検証しました。
Ⅱ．研究の概要と成果
本研究では、ヒト 3D ⼝腔がんモデルとして、悪性度の異なる 2 種類のヒト⼝腔がん細胞を⽤いました。それに加え、ヒト正常⼝腔粘膜上⽪細胞を⽤いた 3D ⼝腔粘膜モデルに対しても検討を⾏いました。⼝腔粘膜の正常線維芽細胞をコラーゲンに混ぜて⼝腔粘膜下の結合組織（※4）を模したゲルの上にこれらの細胞を播いて、モデル作製途中から空気に晒して培養を続けます。合計 18 ⽇間かけて完成させるこのモデルの最⼤の特徴（図 1）はヒト⼝腔がん組織と同様に、がん細胞が表⾯（⼝腔内）からではなく、ゲルを通して下⾯から栄養される⽴体的構造となっていることです。

図1

3D ⼝腔がんモデルと 3D ⼝腔粘膜モデルの模式図を⽰す。

完成したモデルを量⼦科学技術研究開発機構、重粒⼦線がん治療装置 HIMAC の実験専⽤照射室に持参し、モデルの容器ごと照射室の専⽤レーンに設置（図 2）し、10Gy と 20Gy の炭素線を単回照射後に当研究室に持ち帰り、継続して培養を続けます（図 3）。本研究では照射後3 ⽇、5 ⽇、7 ⽇後にモデルの観察を⾏いました。

図2

量⼦科学技術研究開発機構に持参した 3D モデルを炭素線照射室に設置した様⼦。

本研究では照射した 3D ⼝腔がんモデルと 3D ⼝腔粘膜モデルに対して、光学顕微鏡を⽤いた病理組織学的観察に加え、細胞増殖やアポトーシス（※5）を含む細胞死に関連するマーカーの染⾊、定量評価、培地中に分泌される特殊なたんぱく質濃度の測定を実施しました。いずれの分析⽅法も放射線治療評価法として利⽤可能であることを実証することができました。

図 3 炭素線（10Gy、20Gy）照射後 5 ⽇⽬の 3D ⼝腔がんモデルの病理組織像。右下挿⼊の⾼倍率写真は、照射の影響によるアポトーシス（細胞死）を引き起こした細胞を⽰す。
Ⅲ．今後の展開本研究で、3D ⼝腔がんモデルに対して実施した解析⽅法は、in vitro と in vivo の実験系のギャップを埋めることのできる放射線治療評価法として⼗分な利⽤価値があることが実証されたことから、炭素線のみならず他の放射線治療施設でも利⽤可能であり、異種放射線治療効果を同じテーブルで⽐較するツールとして利⽤できることが期待されます。同時に、本評価系は動物実験代替法として優れたツールになり得ます。
今回、3D ⼝腔粘膜モデルへの照射も可能であったので、正常⼝腔粘膜への副作⽤の評価も可能となり、本モデルの適⽤範囲も拡⼤していくことが望めます。今後は本モデルに⾎管や免疫系の細胞を組み込み、3D モデルとして進化させて⽣体環境にさらに近づけることで、がん放射線治療評価に⼀層貢献することが可能となります。
IV．研究成果の公表
本研究成果は、2024 年 8 ⽉ 7 ⽇、国際学術誌「In Vitro Cellular & Developmental Biology- Animal」に掲載されました。

【論⽂タイトル】The effects of carbon-ion beam irradiation on three dimensional in vitro
models of normal oral mucosa and oral cancer: Development of a novel tool to evaluate
cancer therapy【著者】内藤絵⾥⼦、井川和代、髙⽥翔、⽻賀健太、Yorchan Witsanu、Orakarn
Suebsamarn、⼩林亮太、⼭﨑学、⽥沼順⼀、濱野毅、下川卓志、冨原圭、泉健次【doi】10.1007/s11626-024-00958-4
Ⅴ．研究成果の公表
本研究は、JSPS 科研費（23K11918）などの助成を受けて⾏われました。
【⽤語解説】※1 3D モデル
従来から⽤いられている培養⽫上で細胞を単層培養する 2 次元（2D）培養に対して、縦⽅向の厚みをもたせて細胞を培養する⼿法を 3 次元（3D）培養といい、ヒトの細胞を⽤いて⽴体的に細胞培養してヒト組織を模倣した構造体をモデルといいます。
※2 粒⼦線がん治療
X 線と異なり、加速した粒⼦がからだの中をある程度進んでから停⽌直前に急激に⾼いエネルギーを周囲に与えるという性質があり、その性質を利⽤してがん病巣部周囲のみに⾼いエネルギーが与えられるので、X 線治療と⽐較するとがん病巣部により⾼い量の放射線を照射することができます。陽⼦線や中性⼦線などがあります。本研究で ⽤ い た 炭 素 線 （ 重粒⼦線）は陽⼦より 12 倍重い炭素粒⼦を⽤いているため、線量集中性と⽣物効果の両⾯において、がん治療に適した性質を有しています。
※3 in vitro 実験系 , in vivo 実験系

in vitro とは細胞⽣物学の実験などにおいて、細胞培養容器内などにおいて実験条件が⼈為的にコントロールされた環境を意味し、 in vivo は“⽣体内で（の）”という意味で、⽣きた動物などの⽣体内や細胞内を指し、そうした環境で⾏う実験のことを指します。
※4 結合組織
⼝腔粘膜や⽪膚において、上⽪細胞層（いわゆる⽪）の下層にある⾎管や神経が通っている組織。ベッドに例えると上⽪細胞層（⼝腔がんもここに発⽣する）はシーツに該当し、結合組織はマットレスに相当する。
※5

アポトーシス

遺伝⼦制御された能動的な細胞死であり、がん治療においてはアポトーシスによる細胞死誘導が理想とされ、その過程に活性酸素・フリーラジカルが関与するとされ、本研究でも炭素線による細胞死の原因であることが⽰唆された。

本件に関するお問い合わせ先【研究に関すること】
新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科（⻭学系）⽣体組織再⽣⼯学分野
教授

泉健次（いずみけんじ）

Tel：025-227-2850

岡⼭⼤学中性⼦医療研究センター准教授（特任）井川和代（いがわ

Tel：086-235-7785【広報担当】
新潟⼤学広報事務室
Tel：025-262-7000

岡⼭⼤学総務・企画部広報課
Tel：086-251-7292

かずよ）