ハイドロゲルによるがん幹細胞の迅速誘導法の開発
北海道大学大学院医学研究院・病理学講座 腫瘍病理学教室
教授 田中伸哉
2022年1月18日

1. 研究の背景
2. 研究の方法と成果
3. 期待される事

がん医療の現状

国内のがん死亡者数の順位（年間）２人に１人はがんになり、３人に１人はがんで亡くなる。
（新規罹患99.7万人、死亡者37.3万人）

がんの３大治療法

5年生存率

68.4%

（国がん2020年）
2009－2011年統計
新型コロナウイルス（国内）(3/26)
感染者46万人
死亡者9004人

がんの克服とは→再発を防ぐ
原発巣の治療数年後がんの再発なぜ再発するのか？

がんの親分（がん幹細胞）

診療上の問題
がんの親分細胞を見つけ出すことは極めて困難
現在実用化されている検出方法はない
研究レベルでできたとしても・時間がかかる（数週間）
・費用がかかる（高価な培養液・機器が必要）

新発見：
ゲルはがん幹細胞を24時間で誘導！
世界で初めて・安い・速い
特許出願（日本・米国）

1. 研究の背景
2. 研究の方法と成果
3. 期待される事北大オリジナルハイドロゲル
世界トップレベルのハイドロゲル研究の専門家
龔 剣萍（グン・チェンピン）教授
Jian Ping Gong
・北大大学院 先端生命科学研究院

ダブルネットワークハイドロゲルの構成(double-network hydrogel： DN ゲル)

アクリルアミド・メチル
プロパンスルホン酸

ジメチルアクリルアミド

2次ネットワーク

1次ネットワーク

DNゲル
世界一流科学雑誌に成果を発表
・切断後、常温で元に戻るゲル
Nature Materials, 12(10), 932-937, 2013
・力学負荷で荷電が変わるゲル
Nature Communication, 5, 4490, 2014
・トレーニングすると筋肉のように強くなるゲル
Science, 363, 504-508, 2019

nnO

NH-SO3PAMPS

ONPDMAAm

強靭なダブルネット
ワークゲルGong, JP. Science,344, 161-162, 2014

実験の結果：DNゲルの上にがん細胞まくとKMG4

Relative expression (-fold)mRNA量5Sox-2

4370

Nanog

14060120501004080

Oct3/4plastic60302
山中ファクター（がん幹細胞マーカー）が急速に増加↑↑10

KMG4 U138

2040102000

KMG4 U138

KMG4 U138

ゲルの上でがん幹細胞が誘導される様子

通常の細胞培養用
プラスチック皿

DNゲル

ゲルで誘導されたがん幹細胞（緑から黄色の球：１つのがん幹細胞）
非がん幹細胞PS dish

がん幹細胞
DN gelSox2/actin

10x

がん幹細胞：緑の球
48時間後の写真

ハイドロゲル活性化リプログラミング現象（ハープ現象）
DNゲルによるがん幹細胞への迅速な先祖返りを「ハープ現象」
Hydrogel activated reprogramming phenomenon: HARPと命名「同義：幹細胞へ誘導＝リプログラミング＝初期化＝先祖返り」

1. がん組織の成り立ち

がん組織はがん幹細胞から分化したがん細胞の階層構造からなる先祖返り（リプログラミング）
がん幹細胞

がん組織
多様ながん細胞からなる

がん前駆細胞

がん細胞

2．発見

がん幹細胞

0時間

12時間

24時間

がん幹細胞の証明：少数の細胞で腫瘍を動物の生体内で作ることができる
DN誘導（3日）のがん幹細胞を500個注入（＋粒子状 DN ゲル）

Ki-67

H&Etumor
DN gelDN geltumor

DN誘導（14日）のがん幹細胞を100個注入がん幹細胞の証明：１細胞RNA配列解析
による従来法との比較
DNゲル法は従来法（高価・長期2週間）よりも迅速に同様のパターンの幹細胞が誘導できる
DN 92 細胞, 従来法 59 細胞
間野博行
研究所所長

高阪真路
先生

C1 sytstem
Cluster 1

Cluster 2
がん幹細胞

Cluster 3通常培養細胞

同じパターン
DN 1

11,800 cells

DN2

50,000 cells

DN法

従来法

非幹細胞

DN1
DN2
PS
NS1NS2

DNゲルは細胞内部のシグナルを動かす
基準：がん幹細胞マーカー

DN ゲル

SOX2, Oct3/4, Nanog①早い反応 pAKT, p-p38MAPK③やや遅い反応 pFAK
②２峰性の反応

pMet, pEGFR, pSrc, pERK

03612244872(時間)DNゲルによるがん幹細胞への先祖返りのしくみ②分泌されたオステオポンチン①イオンチャネル

①超早い反応：イオンチャネル（TRP)②早い反応：分泌されたオステオポンチン（OPN)③遅い反応：ゲルに吸着したオステオポンチン（OPN)③ゲルに吸着したオステオポンチン
Suzuka, J., et al. Nat Biomed Eng, Mar 29, 2021.

1. 研究の背景
2. 研究の方法と成果
3. 期待される事目指す２つの医療応用

医療応用①

DNゲルキット：個別化医療（個人への応用）
個別化医療へ応用

がんの生検
がん幹細胞情報
DNゲル

24時間

治療薬決定！

医療応用②
DNゲルベース：薬剤探索

胃がん
乳がん
中皮腫
脳腫瘍
肉腫など

DNゲル

がん幹細胞治療薬発見！

（企業への応用）
新規がん幹細胞治療薬の開発

医療応用①：再発予防とがんの個別化医療
がんゲノム医療：核酸解析（＝シークエンス）結果が、治療方針を決定する
病理・細胞診等の生体試料

がん遺伝子診断外来
再発の予測

シークエンス
（次世代シーケンサー）

解析・報告書作成

核酸抽出（DNA, RNA)

個別化治療
ゲル病理診断報告書
再発はがん幹細胞 type Aです。
よってチロシンキナーゼ阻害剤
Aを併用してください。

DN gelTEST例）脳腫瘍（グリオーマ）
がん幹細胞はPDGFR PDGFRに対する治療薬で（今回発表）（赤色）が増加
細胞死（緑色）が起こる
PDGFR(+)

PDGFR(-)
再発の予測

悪性脳腫瘍患者由来細胞

治療
DN gelTESTPDGFRとは血小板増殖因子受容体（チロシンキナーゼ）
分子標的薬のターゲット

医療応用②：新治療薬の探索

薬剤ライブラリーのスクリーニング（今回発表）

膀胱癌の例

400種類の薬剤を実験的に試した結果

薬剤A

非がん幹細胞

生存率 0％

がん幹細胞

新がん幹細胞マーカーの発見とそれに対応する治療薬の開発（未発表）
既存の分子標的治療薬のあるもの
・肺がん（5年生存率男性で約30%）
・乳がん（5年生存率女性で約93%）・胃がん（5年生存率約70%）
・大腸がん（5年生存率約70%）
予後が悪い腫瘍・膵がん（5年生存率約9%）・中皮腫（有効な治療法がほとんどない）・肝がん（5年生存率約36%）・卵巣がん（5年生存率約60%）
希少がん・肉腫・脳腫瘍（悪性グリオーマ、髄膜腫）

生存率100％

大学・企業の薬剤ライブラリー（数万種類）と連携

連携企業募集中

特許出願済【発明の名称】
癌幹細胞の製造方法
特願2018-568662
優先日平成29年２月20日

新規ゲルの開発

今後のゲル研究の展開①

新しいがん幹細胞誘導用ゲルを開発するため、多数のハイドロゲルと多数のがん細胞を用いた解析を行っている。
nO

OHゲルa→がん細胞→bBrain

cdefghUterus

LungOralColonBladderSynovium今後のゲル研究の展開②

神経再生

脳組織再生

ゲルと医学・生物研究の展望
がん幹細胞

再生医療

新しいがん幹細胞の発見
治療薬の発見オルガノイドiPS細胞、ES細胞

新しい学問領域
マテリアル遺伝学の確立を目指す
ハイドロゲルを基盤とした医学・生物学のイノベーション

Establishment of new academic field

Materialgenomics
EnzymeRegenerative medicine
Organoid iPS/ES cells

Medical science
PathologynO

On-

SO3 NaVirus research
SARS-CoV-2, JCV+

Cancer

CSC Epigenetics

AFIR

Hydrogel
N+Cl-Information
science

Raman microscopy

Drug screening
Experimenta Bandit algorithmlchemistry
Cancer-GPSL-dopaNeuroscience

Brain reconstruction
Neurodegenerative diseases

Cancer research orientation 2021 (March 3)(I)Discovery
DNゲルはがん幹細胞を誘導する
不均一集団
非がん幹細胞(II)Why?
がん細胞の中で何が起こっているのか？

ハイドロゲルによるがん幹細胞の誘導メカニズムの解析（A)ゲル側の因子

15-20 µm
SS-

SS-

S-

SS-

S-

S-

・表面界面
Fauenlob, M., et al., Macromolecules, 2019. (IF=6.0)
・リザーバー機能
Semba, S., et al., JBMR part A, 2020. (IF=6.4)

S-S-・荷電 → Imajo, Tanigawa

24h・弾性率 → Sun, Tsuda

均一集団
がん幹細胞

Imajo Tanigawa
Sun（B)細胞側の因子

ハイドロゲル

特許/US patent 出願

Tsuda

OrganoidBrainiPSRegeneration・メカノ受容体の同定
・TRP受容体 Suzuka, J., et al., NBME. (IF=19.0).
・Integrin Hashimoto, D., et al., BBRC, 2020. (IF=3.0)
・PIEZO Sugino On going

Suzuka, J., et al., Nature BiomedicalEngineering, 2021, accepted.

①新しいヒトがん幹細胞を発見する→診断・予後マーカー/治療標的として・膠芽腫, 膵癌、肝癌, 卵巣癌, 中皮腫, 髄膜腫, 滑膜肉腫, 骨肉腫 (on going projects)(III)What?
何に役立つのか？

②ケミカルライブラリースクリーニング→がん幹細胞治療薬シーズの創出：
・化合物ライブラリーのスクリーニング
製薬各社との共同？ 北大ライブラリー

前仲勝実教授がん研有明病院③ゲルによるがん幹細胞診断法の開発→臨床研究
・個別化医療用ハイドロゲルキットの開発

膵癌Suzuka

乳癌北海道大学化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）とは

前田理拠点長ハイドロゲル&医学の研究体制
間野博行
研究所所長

肝がん 膵がん
Tani

消化器外科I（院生）

骨肉腫

整形外科
（院生）

医学研究院

連携

グン教授

化学反応創成研究拠点
アイクレッド

消化器外科II（院生）
マテリアル科学

iPS細胞 オルガノイド

TanakaGroup 特任准教授
今城 正道

腫瘍病理学教室

髄膜腫

田中伸哉

中皮腫 卵巣がん

神経再生

津田真寿美
准教授

博士研究員
廣田 聡

腫瘍病理
（院生）
杉野弘和助教王磊助教特任助教
谷川 聖

生命科学院（院生）

がん細胞制御本技術に関する知的財産権・お問い合わせ先◆発明の名称
◆出願番号
◆出願人
◆発明者

：癌幹細胞の製造方法：特願2018-568662：国立大学法人北海道大学：田中伸哉、安田和則、グン剣萍、津田真寿美、黒川孝幸【お問い合わせ先】
国立大学法人北海道大学
産学・地域協働推進機構
産学連携推進本部
産学協働マネージャー
星 聡e-mail s-hoshi@mcip.hokudai.ac.jp
TEL090-9513-1036

ご静聴ありがとうございました

北大構内：農場から望むポプラ並木