がんと菌叢

古くから、がん発症モデルマウスを無菌化した無菌マウス（Germfreeマウス）試験や、特定の菌を摂取・定着させたノトバイオート試験の観察から、大腸腺癌などのがん発症に腸内菌叢が関与している複数の根拠が示唆されてきました[1] [2]。さらに近年、消化器がんをはじめとして複数のがんと細菌感染、腫瘍内菌叢との関連が報告されています。それぞれの報告のエビデンスのレベルには格差がありますが、今後さらに研究成果が蓄積することで関係が明確になってくると考えられます。

また、最近、腸内細菌叢が免疫療法や化学療法に対する奏功性、耐性、再発リスクと関連しているという報告が相次いで示されています[3]。菌叢と免疫の相互作用の研究成果から、がんに対する新たな創薬や、既存の治療法の効果を増強する方法、また、予防的介入や、診断検査・治療につながる可能性があり、世界中で研究開発が加速しています。

感染がんと菌叢研究

これまで、微生物感染ががん発症のリスク因子となることが知られていました。国立がんセンターの統計[4]によれば、がんを発症した方の約2割が肝炎ウイルス、ヒトパピローマウイルスなどのウイルス感染やヘリコバクター・ピロリなど細菌感染が原因とされています。近年、次世代シーケンサーの解析が進んだことによって、生体の各所における菌叢の存在が明らかになり、上記微生物の組織への感染成立とその組織や腸管の菌叢のパターンとの間の関連、さらに感染症治療との関連についても示唆的な報告が増加しています[5] [6]。これからは、がんのリスク因子となる微生物感染と感染局所のマイクロバイオーム、免疫の状態を統合して解析することで新たな予防・診断・治療戦略を生み出されることが期待されます[7]。

例えば、胃内にはヘリコバクター・ピロリ以外の胃酸耐性を有する菌叢を構成しています。ヘリコバクター・ピロリ感染やプロトンポンプインヒビターの使用による胃酸産生の抑制と腸内・胃内菌叢の変化や、胃の上皮組織の委縮、がん化との関連について、また、抗菌剤による除菌治療の腸内細菌への影響についても調べられています[8] [9] [10]。今後このように長期的に感染部位の菌叢の恒常性の維持、微生物感染抑制そして除去等の観察・介入研究を進めることにより、がんの発症・進展・治療効果の関係が明らかになっていくことでしょう。

細菌由来のコリバクチン毒素は腸管上皮細胞のゲノム不安定性を誘導する

2000年頃から炎症誘導や、がん化作用のあるポリケチドの一種であるコリバクチン毒素を産生する腸管常在の大腸菌群B2 pks（ポリケチド合成酵素）株と大腸がん発症との関連が示されています[11]。

腸管の細胞に感染したB2 pks株が産生したコリバクチンは、細胞内の染色体不安定性とDNAの二重鎖切断を引き起こすことによってがん化を誘導すると考えられます[12] [13]。複数の酵素反応により生じるコリバクチンの構造は複雑で、推定されているものの未だ確定していません[14]。コリバクチン産生菌は健常人コントロールでは20％が保有していたのに対し大腸がん患者の約67%、炎症性腸疾患の約40％と高頻度に検出されたことから、コリバクチンが遺伝毒性物質として発癌に関わっていることが示されています[15]。また、この毒素産生に関する遺伝子はKlebsiella pneumoniae（肺炎桿菌）、Enterobacter aerogenes、Citrobacter koseriなどの腸管常在菌群である腸内細菌科細菌からも検出されています[16]。今後、コリバクチン毒素および産生菌は大腸がんの化学予防の手段のひとつとして有効な標的になることが期待されます。

腸肝軸～腸内細菌が産生する二次胆汁酸の影響～

近年の研究の進展により、腸管と肝臓との関連を示す「腸肝軸（gut-liver axis）」が存在し、腸内細菌や菌由来の因子やその他の分泌因子が腸管から血液に浸潤し、門脈より肝臓に作用することが明らかになりつつあります[17]。その結果、非アルコール性脂肪性肝疾患（NAFLD）、非アルコール性脂肪肝炎（NASH）などの肝疾患や肝がんが引き起こされる可能性が示されています。

2013年に肥満時における腸内細菌の作用によって肝がんのリスクが高まる可能性について報告されています。脂質の消化吸収を助ける1次胆汁酸は、腸内細菌によって2次胆汁酸に変換されることは古くから知られています[18]。マウスモデルにおいて、肥満になると2次胆汁酸に変換する腸内細菌（クロストリジウムクラスターXIに分類される菌）が増加すること、増加した2次胆汁酸二次胆汁酸の一つであるデオキシコール酸（deoxycholic acid: DCA）が、腸肝循環（腸管軸）によって肝臓に作用し肝臓の肝星細胞を老化させること、老化した肝星細胞は炎症性サイトカインなどのSASP因子と呼ばれる細胞老化関連分泌因子の発現亢進することにより、周囲の肝細胞の発がんが促進されることが示されました[19]。ヒトにおいても、高脂肪食の摂取で糞便中のDCA濃度が著しく増加することなどから、少なくとも肥満によって起こる非アルコール性脂肪肝炎（NASH）に由来する肝がんの一部は、腸内細菌によるDCAの産生とそれに伴う肝星細胞SASP因子によって引き起こされる可能性があります。これは、NASH症例において健常人よりも腸管の透過性が亢進していることからも支持されます[20]。

また、別の報告では、抗菌薬を投与したマウスにおいて、二次胆汁酸を産生する腸内細菌が減少し、肝臓中の二次胆汁酸濃度や血糖値、血中の中性脂肪が減少したことから、腸内細菌が肝臓の糖や脂質の代謝に影響することも示されています[21]。

これらのことから、腸内細菌の産生する二次胆汁酸やその他の因子が、疾患発症の重要な因子であることが明らかになってきており[22]、腸管と肝臓は連携してバリアー機能を有しているという腸管軸の概念が、予防法や治療法開発における重要であると考えられます[23] [17]。

腫瘍内の菌（叢）について

B2 pks株以外にも、がん発症を誘導することが強く示唆されているのがFusobacterium属細菌です。健常人の口腔内の常在菌の一種であるグラム陰性嫌気性細菌F. nucleotumは歯周病やIBD、虫垂炎、絨毛膜羊膜炎の原因菌としても報告されていましたが、近年、消化器がんのリスクとしても強く示唆されています[24]。

もともと、F.nucleotumは口腔以外に消化管や膣にも存在することが示されていました。2012年にF.nucleotumが大腸がんのがん部において正常部位に比べて多く存在していることが示され注目され[25] [26]、それ以来急速に研究が進みました。2016年に食道がん、胃がんの腫瘍からもF.nucleotum DNAが検出され [27] [28] 、2017年には、大腸がんの術後の再発例でF.nucleotumが有意に多く、再発リスク因子である可能性が示されました[29]。同じく2017年にBullmanらは、F.nucleotumを含む菌叢が大腸がんの原発巣からだけでなく、肝臓への転移巣からも検出されたこと、さらにマウスへ移植した腫瘍組織（PDX）からも検出されたこと、そして嫌気性菌を標的とする抗菌薬メトロニダゾールを投与することにより腫瘍の増殖が抑制されるという衝撃的な結果を報告しました[30]。

口腔内細菌であるはずのF.nucleotumの移行と異所性の定着については、口腔内と大腸がん腫瘍組織からそれぞれ単離したF.nucleotum の多くが菌株レベルで一致したこと [31]、さらにマウスモデルにF.nucleotumの菌体を尾静脈注射した実験の結果から、口腔から血行性に移動し大腸に定着するモデルが想定されています [32]。

がんの発生や進展との関連については、動物モデルにおいてF.nucleotumが特定の免疫細胞を腫瘍にリクルートすることでがんの進展を促進していることが示され、抑制性の免疫細胞を誘導し癌化を誘導する可能性が示されました [33]。また、F.nucleotum陽性の大腸がん症例では腫瘍内に炎症が惹起され特定の免疫細胞が腫瘍内に浸潤すること、これらの症例は、F.nucleotum陰性例と比べ比較的予後がよいことから、抗腫瘍免疫応答が亢進していると考えられています[34] 。

また近年、膵癌の中で大半を占める膵管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma：PDAC）において、腫瘍組織内および正常組織内に細菌が存在していることが報告され、化学療法耐性と菌叢パターンが関連していること[35]、抗菌剤投与により骨髄由来免疫抑制細胞（MDSC）の減少やM1マクロファージ細胞分化の増加といった腫瘍の微小環境におけるイムノジェニックリプログラミングを誘導し、腫瘍免疫を活性化していることを示唆されています[36]。これらのことから、腫瘍内菌叢は治療標的であり、治療効果の向上や化学療法耐性を制御する手法の開発が期待されます [24] [35]。

このような腫瘍内菌（叢）の研究は、まだ始まったばかりであり、F.nucleotum以外の菌（叢）の影響についてはさらに研究が必要です。また、新しい領域であるが故にデータの解釈には慎重な評価が求められます。例えば環境由来の菌と区別するために、厳密な実験の精度管理や解析方法の標準化など研究手法の基礎的な開発検討が必要であると考えられます。

免疫チェックポイント阻害剤の奏功性と菌叢の関係

近年の研究成果から、F.nucleotumの様に異所性に定着した腸管局所でがん発症を誘導する以外にも、腸内に常在している細菌叢が宿主であるヒトの免疫に作用し、腫瘍免疫を誘導したり逆に抑制したりしていることが明らかにされつつあります。

免疫チェックポイント阻害剤（Immune Checkpoint Inhibitor：ICI）は、免疫応答にブレーキをかける免疫チェックポイント分子を阻害することで、抗腫瘍免疫を活性化する薬剤です。オプジーボ（ニボルマブ、抗PD-1抗体）やキイトルーダ（ペンブロリズマブ、抗PD-1抗体）、ヤーボイ（イピリブマブ、抗CTLA4-抗体）等の抗体医薬の臨床効果が認められており、他にも多くの免疫チェックポイント分子を標的とした薬剤の開発が行われています。

2015年以降、免疫チェックポイント阻害剤ICIの奏功性に、菌叢のパターンが関連しているという報告が相次いでおり注目されています[3]。抗PD-1や抗PD-L1抗体を投与されたがん患者の腸内細菌を調べたところ、細菌叢の多様性と治療の臨床効果と相関があること、また、レスポンダーとノンレスポンダーでは菌叢パターンや特定の細菌（属）の割合が異なることが示されました[37] [38] [39]。また、患者由来の糞便を担がんモデルマウスに患者由来の糞便菌叢を移植し、ICIの効果を評価するマウス試験では、由来となる患者の奏功性を反映する結果が得られています[37] [39] [40] [41]。また、抗菌薬の投与が無増悪生存期間や全生存期間の短縮に関連している可能性も示されました[40]。もちろん相反する結果も出ており[41]、ただちに結論が出せるわけではありませんが、これらの結果は、ICIが奏功するためにはがん患者の腸内細菌が「適切な」構成パターンを保持していることの重要性を示唆するものです。ただし、あくまでもがん患者さんの菌叢をマウスに移植して評価した“アバタ―“マウスモデルであり、多くの研究者が追試を行うにも費用・期間・手技等の課題が予想され、慎重な解釈が必要と考えられます。

上記のことは担がんモデルマウスを用いた試験についても留意すべきと考えられます。「動物試験と菌叢」の項でも触れられていますが、医薬品の動物試験において、マウスで得られる結果をヒトに外挿できるかどうか常に議論となるところです。従来の抗がん剤はがん細胞を標的としますが、ICIは腫瘍免疫のシグナル機構・免疫細胞を標的とします。担がんモデルマウスの試験において、マウスの購入先によってICIのレスポンスが異なることも示されていることから[42]、少なくともマウスの腸内細菌叢を把握することが必要と考えられます。将来的には試験ごとに最適なヒト化菌叢マウスを用いることになるかもしれません。しかし、現在のところ標準的なヒト（日本人）菌叢がどのようなものかを厳密に定義することは難しく、今後さらに多くの研究が必要です。

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