東北大学加齢医学研究所 加齢医学研究拠点 | Institute of Development, Aging and Cancer, Tohoku University

研究活動

病態臓器構築研究分野

  
助教 博士(学術) 鈴木 正敏
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近年の活動状況
放射線の細胞影響として、急性障害としての細胞死と晩発障害としての発がんが挙げられる。放射線発がんの古典的な考え方は、放射線によって起こされたDNA二本鎖の切断の修復時に変異が起こって修復されなければ、DNA複製を通して変異は固定される。その変異が細胞の生存に関わるならばアポトーシスによって生体から取り除かれるが、生存に有利な変異ならばがん化が起こる、というものである。本研究分野では、自然放射性物質でα線を放射するトリウムを基材として、第二次世界大戦中に血管造影剤として用いられたトロトラストの被注入患者検体の病理試料のバンクを構築し、内部被ばくによる発がんの分子機構を解析してきた。その結果、内部被ばく発がん機構は古典的な単純明快なものではないことを明らかにした。標的臓器内では被ばくする細胞は均一ではなく限局されており、被ばく細胞と非被ばく細胞間に起こる複雑な生物応答の結果、発がんに至ることが明らかとなった。現在、その発展として、①ヒトの放射線内部被ばくによる発がん機構の解明、②臨床的放射線耐性細胞の樹立と耐性機構の解明、③長期放射線被ばくの生物影響の解析、④福島第一原子力発電所事故に伴う被災動物の臓器バンクの構築と臓器別放射能測定を行っている。また病理組織センターとして、臨床病理診断ならびに研究所内外の実験研究動物の診断を行なうことで、多くの論文作製に貢献している。一連の放射線の人体影響研究が評価され、平成25年度日本病理学会での宿題報告を予定している。

  1. 内部被ばくによる発癌機構の総合的解析(福本)
  2.  内部被ばく発癌では、放射性物質が特定臓器に留まり、その臓器 (標的臓器) が生涯被ばくする。そして、数十年後に標的臓器から悪性腫瘍が生じる。長期慢性にわたる微量被ばくで、しかもエネルギー付与の大きなα線による被ばくが問題となる。
     ミトコンドリアDNAの変異頻度が核DNAに比べて約10倍高いことが知られている。培養細胞を用いて、活性酸素種や加齢では誘発されない放射線被ばくに特異的なミトコンドリアDNAの欠失を見出した。また、ホウ素中性子捕捉法を用いて、マウス肝の構成細胞別、すなわち実質細胞、Kupffer細胞、血管内皮細胞の各細胞集団に別個にα線を照射するように工夫し、Kupffer細胞と内皮細胞が被ばくした場合に肝実質細胞は急性炎症様の状態となり、増殖に向かう反応をすることを明らかにした。
     長期間におよぶ持続的被ばくにも拘わらず、なぜ数十年という長い潜伏期の後で悪性腫瘍が生じるかは解明されていない。トロトラスト症168例の剖検例を用いて発癌潜伏期が長期である理由について検討した。肝内微視線量をオートラジオグラフィーにて検討した結果、放射性物質は体内に注入された量が多いほど肝内において特定部位に集合し濃縮することが明らかとなった。そしてトロトラスト顆粒周囲では、14日で1本のα線が核を通過するという局所的大量被ばくが生じていることもわかった。しかし、このような大量被ばくが同一細胞に生じた場合、トロトラストによる平均的な発がん潜伏期間である30年間持続的に被ばくしたとすると、死滅してしまう。そのため、被ばくしてがん癌化する細胞は被ばく直後に放射線源であるトロトラストから離れα線の飛程外へ移動する、という仮説を提案し検証した。放射性物質の体内における不均等分布、α線の飛程距離が限局していること、がん前駆細胞の移動、の3要素が、発癌潜伏期間が長期である要因と考えられた。つまり内部被ばくでは、がん化の標的細胞と線源間距離のダイナミズムが発癌潜伏期の長期化に影響していると考えられる。標的細胞は放射性物質の周囲で1回被ばくした後、α線の飛程距離外に移動することによって、細胞死や腫瘍化を引き起こす変異の蓄積が短期間に生じることを防いでいると考えられる。
     トロトラスト症では、肝内胆管癌(ICC)と血管肉腫(AS)の発症が特徴的である。症例の非腫瘍部のオートラジオグラフィーと蛍光X線分析(XRF, X-ray fluorescence spectrometry) を行った。その結果、投与されたトロトラスト溶液の成分は同一であるにも拘わらず、ICC症例のラジウムはAS症例に比べ多くの量が肝臓内に存在していた。つまり、放射性物質の再分布および臓器外への排除を含む、放射性物質に対する代謝能がトロトラスト誘発がんの組織型を決める重要な要素となっていることが示唆された。
     
     放射線発がん機構の解析の敷衍として、de novo発がんにおける1イベントがいつ起こるのか、臨床的な特徴とどう関わっているのかについて現在、数理解析を行っている。
     以上の成果の一部は、Roudkenar et al.として、平成21年度J Radiat Res誌の寺島論文賞を受賞した。山本は平成21年第41回日本臨床分子形態学会総会のシンポジストとして選出され、平成21年度東北大学加齢医学研究所「研究奨励賞」を受賞した。トロトラスト症例については被ばく量、臨床所見、剖検所見とともにパラフィンブロックからなる組織バンクを構築した。このバンクの症例数と資料の質は世界に類例がない。内訳については加齢研ホームページからアクセス可能である(www.idac.tohoku.ac.jp/db/thorotrast/)。

  3. 臨床的放射線耐性細胞の樹立と放射線耐性機構の解明(桑原・福本)
  4.  X線の発見以来、多くの研究者が安定した放射線耐性細胞株の樹立を目指してきたが、樹立は不可能であると考えられてきた。そのために、今までに解析されてきた細胞は、ある一定の放射線を照射して生き残った細胞である。従って、これらの細胞集団の中には老化様の形態を示し、分裂を停止した細胞など様々な細胞が含まれており、明らかに均一な集団ではない。また、比較している細胞間のゲノム背景が同一ではないという大きな問題点がある。
     
     我々の目的は放射線療法に対する耐性と、局所再発に関する分子マーカー、放射線療法の分子標的を探索することである。単純な実験系とするため、親細胞株からゲノム背景が同一である耐性細胞の樹立を試みた。細胞は大線量の放射線に被ばくすれば死滅してしまうため、臨床における耐性を反映するために標準的な放射線分割照射療法に合わせて、2 Gy/日のX線を30日間、計60 Gy以上照射しても、安定して増殖し続ける細胞を「臨床的放射線耐性」と定義し、その樹立を目ざした。通常、どのような培養細胞も2 Gy/日のX線を30日間照射すると死滅してしまう。試行錯誤の結果、X線を0.5 Gy/12時間なら死なないことがわかってから、この条件で6年以上照射し続けることによって「臨床的放射線耐性」を樹立することに成功した。親株と背景ゲノム構造が同一である放射線耐性細胞株の樹立、しかも複数組みの樹立は世界で初めてである。
     照射と耐性について、大きく二つの疑問がある。①耐性細胞が親株内に元来存在し、照射によって耐性細胞が選択されたのか、獲得性に耐性となったのか。②耐性形質の維持のため、現在も毎日2 Gyの維持照射を照射し続けているが、それによってゲノムがズタズタになってしまい、耐性と無関係な変化が加わるため、いくら解析しても耐性に関与した分子はみつからないので、である。前者に対しては、再現性をもってX線2 Gyの30日間照射で親細胞株は死滅してしまうため、耐性が獲得性であることは明らかである。後者に対しては、臨床的放射線耐性細胞は、DNA二本鎖修復の効率がよいこと、アレイCGHの結果、集団としては安定な核型であることと、維持照射である一定の細胞死が検出されることから、維持照射によって一定の集団が選択維持されていると考えられる。臨床耐性細胞をヌードマウス皮下に移植して形成された腫瘍も2 Gy、30日の照射に抵抗性なため、細胞の耐性形質が腫瘍の耐性に反映されていることを明らかにした。しかし、耐性細胞由来の腫瘍組織の方が血管密度が有意に高い。通常、低酸素領域の方が耐性であることと矛盾する。放射線耐性の分子機構の解明と、放射線による主な細胞死がアポトーシスによるか否か、化学薬剤との交差耐性があるか否かについて解析中である。
     以上の成果はMedical Tribune Japan:41(3),35, 2008.に「〜放射線耐性細胞〜X線誘発DNA二本鎖切断を正確に修復」として紹介された。桑原は2009年度日本医学放射線学会生物部会・第48回生物部会学術大会合同大会にて特別賞、平成22年度 日本放射線影響学会奨励賞を受賞した。福本は2009年日本放射線腫瘍学会第22回学術大会および2010年第99回日本病理学会総会でシンポジストとして招待された。

  5. 長期放射線被ばくの生物影響の解析(志村・福本)
  6.  放射線によるがん治療では、標的細胞周囲の正常細胞も死なない程度、すなわち回復可能な線量の長期分割放射線に被ばくする。この中線量長期被ばくに対する細胞の反応は、短期被ばくに対する反応の単なる積み重ねか否かは疑問である。さらに中線量被ばくに対して正常細胞と腫瘍細胞では反応が異なるのか、正常細胞が何時がん化に向かうのかも問題である。これらの課題を解決するためにヒトがん細胞株に分割照射を行った。細胞が死滅しない条件である、12時間ごとにX線0.5 Gyの分割照射を31日間行った。細胞周期の解析を行ったところ、被分割照射細胞ではG1/S移行期の細胞周期制御に異常が観察された。細胞周期関連タンパクの発現を解析したところ、G1サイクリンであるサイクリンD1タンパクの過剰発現が認められ、コロニーアッセイによって分割照射細胞の放射線耐性が観察された。これらの現象は、耐性が誘発される遷移時期も含めて再現性を持って観察された。また、31日間照射後、さらに31日間照射を休止しても放射線耐性の形質は安定に維持された。サイクリンD1発現調節に関わる分子の発現や活性化経路をウエスタン法によって解析したところ、分割照射細胞では、サイクリンD1の分解を促進するglycogen synthase kinase-3b (GSK3b)がAKTにより恒常的に不活性化されることによって、サイクリンD1の分解阻害と過剰発現が起こることを明らかにした。さらに、培養系でAKT阻害剤やサイクリンD1に対するsiRNAによりサイクリンD1の過剰発現を抑制することが耐性克服に有効であった。これらの事実は分割照射による放射線療法によって、腫瘍細胞が放射線耐性を獲得すること、そのような獲得放射性耐性はAKT/GSK-3b/cyclinD1経路を標的とした薬剤によって克服可能なことを示唆している。比較的低線量のX線分割照射によって腫瘍細胞が30日以内に獲得耐性形質を示すが、更に続けて照射を続けると、放射耐性を含めてがん幹細胞形質を示細胞が濃縮することを発見した。このがん幹細胞もAKT/GSK-3b/cyclinD1経路が活性化しており、この経路の遮断が放射線耐性の克服に有効である可能性を明らかにした。

     以上の成果として、志村は平成21年第52回日本放射線影響学会の異なる2セッションのシンポジストとして選出された。この発表の一部はMedical Tribune Japan 2010/01/07に「DNA-PK/AKT/GSK3b/cyclinD1経路の抑制が放射線耐性を克服」のタイトルで掲載された。また志村は、平成22年度放射線影響研究奨励賞 (財団法人 放射線影響協会)および、平成22年度日本放射線影響学会奨励賞を受賞した。平成24年6月の研究所ネットワーク国際シンポジウムでは発表の予定である。

  7. 放射光を利用した新規放射線療法の基礎開発(福本)
  8.  放射光設備で得られるX線の高い指向性を利用した、新たな放射線治療、微小平板ビーム放射線療法(MRT: microplanar beam radiation therapy)の基礎研究を行っている。MRTは、高輝度光科学研究センター(SPring-8)で得られる白色X線とコリメータを用いて、ビーム幅数十μm、ビーム間隔数百μmのスダレ状の強力なX線ビームを作成し、正常組織を含んだ腫瘍全体に数秒照射することにより、正常組織に傷害を加えることなく腫瘍のみを死滅させる放射線療法である。現在、主に神戸大学と共同して、MRTの基礎実験を行っている。動物実験レベルの段階であるが、一回治療で腫瘍組織が選択的に壊死に陥ることが実証され、MRTが新たな悪性腫瘍の治療手段として期待されている。この研究提案によって、博士課程2年生の栗原は国際高等研究教育院の博士研究教育院生に選抜された。

  9. 殺処分される警戒区域内家畜における体内放射性物質の動態解析研究(福本・ 桑原・志村)
  10.  福島第一原発事故の影響により、殺処分される家畜(豚200頭、牛1,200頭)の各臓器を部分的に摘出し、保存するとともに沈着核種の同定と各部別の放射能を計測することによって、放射能に汚染された水、空気、餌という媒体と通じて、生体のどの臓器にどれだけ沈着しているかを評価する。広島・長崎原爆の被ばく者例は外部被ばくのデータとして、放射線の人体影響を研究する上で世界の標準となっている。しかし今後も起こり得る放射性廃棄物や核テロでは、体内に取り込まれた放射性物質による体内被ばくが問題となる。そのような場合、放射性物質の体内への摂取経路や、代謝による臓器や組織に応じた被ばく線量を評価する必要がある。体内に摂取された放射性物質の生物影響を考える上で、本提案がデータ解析の基礎中の基礎となる。また、放射能には半減期があるため、長期にわたる経時変化を追跡することも重要である。すなわち、放射能の物理的単位であるBq(ベクレル)から生物影響単位であるSv(シーベルト)への変換を正確、容易ならしめるものである。放射線に関係した単位変換に関係する、このような努力と研究は、チェルノブイリ原発事故の際も系統だって行ってわれていない。今後、福島第一原発事故による放射能汚染が、人体にどのように影響を及ぼすのかを検証するうえで、必要不可欠な研究である。なお、本研究は「被災動物の包括的線量評価事業」として24年度予算の内示があった。

 

研究業績

原著論文

  1. Shimura T, Noma N, Oikawa T, Ochiai Y, Kakuda S, Kuwahara Y, Takai Y, Fukumoto M: Activation of the AKT/cyclin D1/Cdk4 survival signaling pathway in radioresistant cancer stem cells. Oncogenesis 2012 (accepted).
  2. Fukumoto M, Yamanoto Y: Long incubation period of cancer induced by internal exposure is attributed to the uneven distribution of deposited radionuclides at the microscopic level. In New Challenge of Radiation Health Risk Management. pp161-7. (ed by Nakashima M et al.) Nagasaki Newspaper Publish 2012.
  3. Kuwahara Y, Oikawa T, Ochiai Y, Roudkenar MH, Fukumoto M, Shimura T, Ohtake Y, Ohkubo Y, Mori S, Uchiyama Y, Fukumoto M: Enhancement of autophagy is a potential modality for tumors refractory to radiotherapy. Cell Death Dis 2:e177, 2011.
  4. Shimura T: Acquired radioresistance of cancer and the AKT/GSK3b/cyclin D1 overexpression cycle. (review) J Radiat Res (Tokyo) 52(5):539-44, 2011.
  5. Shimura T, Fukumoto M: Targeting the AKT/GSK3b/cyclin D1/Cdk4 survival signaling pathway for eradication of tumor radioresistance acquired by fractionated radiotherapy. Int J Radiati Oncol Biol Phys 80:540-8, 2011.
  6. Uyama A, Kondoh T, Nariyama N, Umetani K, Fukumoto M, Shinohara K, Kohmura E: A narrow microbeam is more effective for tumor growth suppression than a wide microbeam: an in vivo study using implanted human glioma cells. J Synchrotron Radiat 18 (Pt 4):671-8, 2011.
  7. Yamamoto Y, Usuda N, Ohgiso Y, Kuwahara Y, Fukumoto M: The uneven irradiation of a target cell and its dynamic movement can mathematically explain incubation period for the induction of cancer by internally deposited radionuclides. Health Phys 99(3):388-93, 2010.
  8. Kuwahara Y, Mori M, Oikawa T, Shimura T, Ohtake Y, Mori S, Ohkubo Y, Fukumoto M: The modified high-density survival assay is the useful tool to predict the effectiveness of fractionated radiation exposure. J Radiat Res 51(3):297-302, 2010.
  9. Shimura T, Kakuda S, Ochiai Y, Kuwahara Y, Takai Y, Kobayashi J, Komatsu K, Fukumoto M: Acquired radioresistance of human tumor cells by DNA-PK/AKT/GSK3b-mediated cyclinD1 overexpression. Oncogene 29:4826-37, 2010.
  10. Yamamoto Y, Chikawa J, Uegaki Y, Usuda N, Kuwahara Y, Fukumoto M: Histological type of Thorotrast-induced liver tumors associated with the translocation of deposited radionuclides. Cancer Sci 101(2):336-40, 2010.
  11. Kuwahara Y, Li L, Baba T, Nakagawa H, Shimura T, Yamamoto Y, Ohkubo Y, Fukumoto M: Clinically relevant radioresistant cells efficiently repair DNA double-strand breaks induced by X-rays. Cancer Sci 100(4):747-52, 2009.
  12. Yamamoto Y, Usuda N, Takatsuji T, Kuwahara Y, Fukumoto M: Long incubation period for the induction of cancer by thorotrast is attributed to the uneven irradiation of liver cells at the microscopic level. Radiat Res 71(4):494-503, 2009.
  13. Nariyama N, Ohhigashi T, Umetani K, Shinohara K, Tanaka H, Maruhashi A, Kashino G, Kurihara A, Kondo T, Fukumoto M: Spectromicoscopic film dosimetry for high-energy microbeam from synchrotron radiation. Appl Rad Isot 67(1):155-9. 2009.
  14. Kashino G, Kondoh T, Nariyama N, Umetani K, Ohigashi T, Shinohara K, Kurihara A, Fukumoto M, Tanaka H, Maruhashi A, Suzuki M, Kinashi Y, Yong L, Masunaga S, Watanabe M, Ono K: Inductions of DNA double strand breaks and cellular migrations through the bystander effects in the cells irradiated with slit type microplanar beam of the SPring-8 synchrotron. Int J Radiat Oncol Biol Physic 74(1):229-36.2009.
  15. Roudkenar MH, Li L, Baba T, Kuwahara Y, Nakagawa H, Wang L, Kasaoka S, Ohkubo Y, Ono K, Fukumoto M: Gene expression profiles in mouse liver cells after exposure to different types of radiation. J Radiat Res 49(1):29-40, 2008.
  16. Ohtake Y., Maruko A., Ohishi N., Fukumoto M, Ohkubo Y: Effect of aging on EGF-induced proliferative response in primary cultured periportal and perivenous hepatocytes. J Hepatol 48(2):246-54, 2008.
  17. Roudkenar MH, Kuwahara Y, Baba T, Roushandeh AM, Ebishima S, Fukumoto M: Oxidative stress induces Lipocalin 2 gene expression, addressing its expression under the harmful conditions. J Radiat Res 48(1):39-44, 2007.
  18. Wang L, Kuwahara Y, Li L, Baba T, Shin R-W, Ohkubo Y, Ono K, Fukumoto M: Analysis of common deletion (CD) and a novel deletion of mitochondrial DNA induced by ionizing radiation. Int J Radiat Biol 83(7):433-42: 2007.

日本語

  1. 福本 学:放射線影響の病理学.BioClinica, 2012 (4月号予定). 福島第一原子力発電所事故に伴う被災家畜の臓器別放射性セシウム濃度.福本 学. 被災動物放射能評価グループ.Isotope News #696, Apr. 2012.
  2. 福本 学:放射線病理学:トロトラスト症から.病理と臨床.29(7):761-8, 2011.
  3. 福本 学:放射線被ばくによる発癌:特に内部ひばく発癌機構.病気の分子形態学(日本臨床分子形態学会編)学際企画.pp33-36, 2011.
  4. 福本 学,桑原義和:放射線被ばくによる肝発がん:トロトラスト症発がん機構解明の温故知新.日本臨床.67(増刊3):156-60, 2009.

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