光で細胞の生死を操作する新技術
岡山大学 学術研究院医歯薬学域
大学院医歯薬学総合研究科
教授 須藤雄気2022年9月29日
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背景①

悪性新生物（がん）による死亡率は年々増加し続けている
厚生労働省ホームページより引用
https://www.mhlw.go.jp/toukei/saikin/hw/
jinkou/geppo/nengai21/index.html

抗がん剤の売り上げも年々増加し続けている
Answersホームページより引用
https://answers.tennavi.com/pharmanews/16661/
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背景②

世界の医薬品市場の中で、抗がん剤市場は第1位であり、売上・予想年平均成長率がともに高い
第一三共株式会社ホームページより引用
https://www.daiichisankyo.co.jp/investors/individual/cancer/3

背景③

標準治療は、がん細胞の除去・死滅を目的として行われる
第一三共エスファ株式会社ホームページより引用
https://patients.daiichisankyoep.co.jp/oncology/treatment01/

がん治療では、強く・多様な副作用が長期間にわたって続く
日本肺癌学会ホームページより引用
https://www.haigan.gr.jp/guidebook2019/2020/Q41.html

4従来技術とその問題点→副作用が強い・多い
原因①：拡散全身の正常細胞が炎症・細胞死解決策①：標的化

がん細胞のみが細胞死

原因②：壊死(ネクローシス)

周囲の正常細胞が炎症・細胞死解決策②：自死(アポトーシス)

周囲の正常細胞に悪影響を与えずに細胞死
5コンセプト①
光✓高い時空間分解能を持ち、狙った細胞を任意の時間で刺激できる➡細胞の標的化に最適である
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ロドプシンコンセプト②細菌

プロテオバクテリア (PR)

ディノコッカスサーマス (TR)
シアノバクテリア (ASR)
古細菌

ユリアーキオータ (BR)

レチナール
発色団

バクテロイデス (XR, SrSRI)

真核生物

クリプト藻 (ACR)
緑藻 (ChR)
陸上植物

クロロフィル
発色団

菌類 (NR)✓ レチナール（ビタミンＡアルデヒド）を発色団とする✓ ７回貫通型膜タンパク質(遺伝子にコードされている）✓ 幅広い生物（細菌、動物等）の光応答を担う【須藤、小島（２０２０）生物物理 60, 209】7

コンセプト③ロドプシン✓ 多様な機能を持つ✓ プロトン（H+）輸送がメインの機能（＊ATP合成やpH調節）
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コンセプト④
細胞内のアルカリ化

外向きプロトンポンプ型ロドプシン

アポトーシス誘導試薬(AR3)(例：スタウロスポリン)

pHi↑

細胞内アルカリ化

アポトーシス✓ 細胞内アルカリ化がアポトーシスに関与すると示唆✓ AR3は光で細胞内をアルカリ化できる
9コンセプト⑤細胞内のアルカリ化

アポトーシス

AR3を細胞膜に発現させ、光照射に伴う細胞内アルカリ化により標的細胞のアポトーシスを誘導できないか？
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結果①
CMV promoter

AR3

EYFP

プラスミドベクター

50 µm

HeLa細胞(ヒト子宮頸がん由来)

Mock細胞：非発現細胞

細胞膜へのAR3の発現確認
11細胞内pH

結果②

細胞内のH+が減少

0分

５分
n≧3, *:p<0.05 (T検定)

AR3発現細胞では光照射により細胞内pHが上昇した
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結果③-10分
Mock

180分

細胞が縮小した

AR350 µm

AR3発現細胞が丸く縮小した

縮小した細胞の割合(％)

HeLa細胞への持続的な光照射による細胞の形態変化を観察

AR3Mock

光照射時間(分)時間依存的に細胞が縮小した

AR3発現細胞への持続的な光照射により細胞が縮小した
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結果③-27 mW/mm2@550 nm14

結果④
アポトーシス・細胞死マーカーアッセイ
0分

60分

カスパーゼ3/7マーカーアッセイ

120分

0分

Annexin V

Hoechist(アポトーシスマーカー)(核マーカー)

Propidium
IodideFLICA

60分(カスパーゼ3/7マーカー)(細胞死マーカー)

Merge
50 µm

アポトーシスマーカー→細胞死マーカーの順でシグナルが観察

Merge

50 µm

カスパーゼ3/7が活性化

ロドプシンと光を用いたアポトーシス誘導の実現15

結果⑤A549 cells(ヒト肺がん由来)

SH-SY5Y cells
0分

120分

(ヒト神経芽細胞腫由来)Annexin V

Annexin V

Propidium
IodidePropidium
Iodide

Merge

Merge

0分

６0分

A549細胞・SH-SY5Y細胞に対してもアポトーシスを誘導

本技術は様々な組織に由来するヒト培養細胞にも適用可能
16アンフィド感覚神経
選択的プロモーター

AR3

EGFP

明視野とEGFP蛍光の重ね合わせ画像

アンフィド感覚神経の機能

結果⑥

アンフィド感覚神経
アンフィド感覚神経へ選択的にAR3を発現

光照射なし

光照射あり

n≧3, *:p<0.05 (T検定)

狙った細胞のみを死滅できる
本技術は生きた動物個体の細胞にも適用可能

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結果⑦
RmXeR

| 促進
@pH9.0| 阻害

逆向き（細胞外→細胞内）
プロトンポンプにより、細胞死の阻害も可能
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比較
光線力学療法
(PDT)

光温熱療法(PTT)

光免疫療法(PIT)

本手法

分子

化学物質

化学物質

化学物質

タンパク質
(ロドプシン)メカニズム

活性酸素による壊死

熱による壊死活性酸素による壊死

細胞内アルカリ化
によるアポトーシス

空間分解能

周囲の細胞死を引き起こす

周囲の細胞死を引き起こす

周囲の細胞死を引き起こす

遺伝学的手法により対象範囲を限定できる

オンコロイドウイルス
がん関連遺伝子
プロモーター
ロドプシン遺伝子✓化学物質の拡散✓活性酸素や熱の放散✓がん細胞のみにタンパク質を発現できる19

新技術の特徴・従来技術との比較• 「拡散性」・「壊死」が伴う従来のがん治療と異なり、「標的化」・「アポトーシス」を特長とする新技術。
• 光で細胞内pHを変化させるロドプシンを使用。
• 本技術により、副作用を限りなく抑えたがん治療法の開発が期待される。

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想定される用途• 副作用を限りなく抑えた新規がん治療法の実
現と、医療への実用化。
• 細胞死の不全が関与する疾患(自己免疫疾患・神経変性疾患・虚血疾患等)への適用と、その治療技術の作出。

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実用化に向けた課題• マウスを用いた腫瘍縮小効果・副作用軽減効果の実証が必要であり、現在、実証を進めている。
• 光を生体内のがん腫瘍に照射する光学技術の開発が必要。
• ロドプシンを生体内のがん細胞特異的に発現させる遺伝子工学技術の活用が必要。
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企業への期待• 光学機器企業との連携により、生体内がん腫瘍への光照射装置（小型LED・光ファイバー等）の開発を進めたい【共同研究歓迎】。
• がん細胞特異的な遺伝子導入技術（ウイルスベクター・mRNA・DDS等）の開発を共同で進めたい【共同研究歓迎】 。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：光により細胞死を制御する方法：特願2020-196718：岡山大学：須藤雄気、小島慧一、中尾新【Nakao S, Kojima K & *Sudo Y. (2022) J. Am. Chem. Soc., 144, 3771】

24産学連携の経歴• なし,,, but•

須藤 雄気、小島 慧一 “光合成生物の形質転換体及びその用途” (2021) 特願2021-89800【2021年5月28日】•

渋川敦史、須藤雄気、ムサクジャング “光変調装置及び集光装置” (2021) 特願2021-153788【2021年9月22日】•坂本雅行、チョウシャオミン、尾藤晴彦、須藤雄気、小島慧一 “膜電位センサー” (2020) 特願202070136 【2020年4月9日】•

須藤雄気、入枝泰樹、本間道夫 “アナベナセンサリーロドプシンを利用したタンパク質発現法” (2015)
特許第5828422号

http://www.okayama-u.ac.jp/tp/research/focus_on_13.html

今後力を入れていきたい。
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お問い合わせ先
岡山大学
研究推進機構 知的財産本部
TEL：086-251-8417
FAX：086-251-8961
e-mail：cr-ip@okayama-u.ac.jp
URL：http://www.orsd.okayama-u.ac.jp/26