409)カフェインはがん関連線維芽細胞をターゲットにして抗がん作用を示す

図：がん組織ではがん細胞から分泌されるTGF-βなどによって線維芽細胞は活性化されて筋線維芽細胞に変換される。がん組織から分泌されるケモカインは骨髄から間葉系幹細胞を動員してこれも筋線維芽細胞に分化する。筋線維芽細胞はがん関連線維芽細胞とも呼ばれ、増殖因子やケモカインや血管内皮増殖因子（VEGF）、SDF-1（stroma-derived factor-1:ケモカインのCXCL12と同じ）、MMPs（マトリックス・メタロプロテアーゼ）などの因子を産生して、がん細胞の増殖や浸潤や転移を促進し、さらに血管の新生や増生を促進する。増殖因子やケモカインはがん細胞の抗がん剤耐性を高めることも知られている。コーヒーなどに含まれるカフェインがこの筋線維芽細胞の活性化を抑制して、その結果、がん細胞の増殖を阻止することが報告されている。

409)カフェインはがん関連線維芽細胞をターゲットにして抗がん作用を示す

【がん関連線維芽細胞とは】
線維芽細胞（fibroblasts）は、上皮性細胞でもなく、血管やリンパ管の細胞でもなく、炎症細胞でもない細胞で、コラーゲン線維などの結合組織を作って、組織構造の維持に関与している細胞です。
創傷治癒過程や上皮細胞の分化の制御や炎症反応にも関与しています。
創傷や炎症のない正常な組織では、線維芽細胞は増殖活性も代謝活性も低い状態にあります。
しかし、創傷治癒過程や炎症やがん組織では、線維芽細胞は活性化して増殖し、細胞外マトリックス成分の産生を増やし、収縮能を持つような細胞に変化します。
このように活性化した線維芽細胞を、「反応性線維芽細胞（reactive fibroblasts）」、「腫瘍関連線維芽細胞（tumor-associated fibroblasts）」、「がん関連線維芽細胞（cancer-associated fibroblasts）」、「筋線維芽細胞（myofibroblasts）」などと呼ばれています。
筋線維芽細胞と呼ばれるのは、炎症やがん組織で活性化された線維芽細胞はα-平滑筋アクチン（α-SMA）を発現し平滑筋細胞のように収縮能を持つようになるからです。
創傷治癒過程では、線維芽細胞がα-平滑筋アクチンを発現する強い収縮能をもつ筋線維芽細胞へと変化することによって肉芽組織を収縮させ、傷口を小さくする働きをします。
線維芽細胞から筋線維芽細胞の変化や増殖には、サイトカイン、ケモカイン、増殖因子、プロスタグランジンなど多数の生理活性物質が関与します。しかし、これらの反応が過剰におこると瘢痕やケロイドなど皮膚創傷治癒異常の発症につながります。（下図）

図：正常組織が創傷を受けると、炎症性ケミカル・メディエーターを産生して炎症細胞（マクロファージ、好中球、リンパ球など）を動員する。これらの炎症細胞や免疫細胞はケモカインやサイトカインや増殖因子を産生してもともと組織に存在する線維芽細胞を筋線維芽細胞に分化させて数を増やす。筋線維芽細胞の一部は骨髄から動員された骨髄由来の間葉系幹細胞(Mesenchymal stem cell)からも分化する。筋線維芽細胞は細胞外マトリックスを産生して結合組織を作って創傷部位を修復する。また、筋線維芽細胞はα-平滑筋アクチンを発現して収縮能を持つので肉芽組織を縮小させる作用もある。傷が治癒すれば筋線維芽細胞は消失する。筋線維芽細胞の働きが過剰になって結合組織の産生が多すぎるとケロイドや瘢痕の原因となる。

がんと創傷治癒と炎症は類似しています。いずれも、線維芽細胞や炎症細胞などの間質細胞が活性化して反応が進みます。創傷や炎症は治癒すれば自然に消退し、筋線維芽細胞も炎症細胞はいなくなります。
がん組織はがん細胞と間質細胞がお互いを活性化しているため、自然に消退することができなくなっています。つまり、がんは「治ることのない創傷」（Tumors are “wounds that do not heal.”）という状況です。
がん組織においては、がん細胞から分泌されるTGF-βなどの増殖因子によって線維芽細胞は筋線維芽細胞に変化し、筋線維芽細胞は増殖因子やケモカインや血管内皮増殖因子などを産生し、がん細胞の増殖や生存を支持する働きを担っています。
また、がん組織の筋線維芽細胞が、がん細胞の浸潤や転移を促進し、抗がん剤に対する抵抗性（耐性）を高める作用も報告されています。

図：がん組織ではがん細胞から分泌されるTGF-βなどによって線維芽細胞は活性化されて筋線維芽細胞に変換される。この筋線維芽細胞はがん関連線維芽細胞とも呼ばれ、増殖因子やケモカインや血管内皮増殖因子（VEGF）、SDF-1（stroma-derived factor-1:ケモカインのCXCL12と同じ）、MMPs（マトリックス・メタロプロテアーゼ）などの因子を産生して、がん細胞の増殖や浸潤や転移を促進し、さらに血管の新生や増生を促進する。増殖因子やケモカインはがん細胞の抗がん剤耐性を高めることも知られている。

創傷治癒過程では、筋線維芽細胞の働きは一過性で、創傷が治癒すれば消失します。
一方、がん組織では、筋線維芽細胞が持続的に活性化し、がん細胞の増殖や生存を刺激するケモカインや増殖因子などを産生し続けます。これががん細胞の増殖や転移を促進しています。
がん組織にはがん細胞に加えて、マクロファージやT細胞をはじめとした炎症細胞や免疫細胞、血管やリンパ管を構成している細胞、線維芽細胞や骨髄以来の前駆細胞などが存在し、「がん微小環境」を構築しています。
これらがん微小環境を構成する細胞は、様々な増殖因子やサイトカイン、ケモカインを産生することで、がん幹細胞の維持やがん細胞の増殖、浸潤・転移などを制御していることが明らかになっています。 
筋線維芽細胞あるいはがん関連線維芽細胞と呼ばれる細胞集団は、がん微小環境を構成する主要な細胞集団の1つです。この筋線維芽細胞は、がんの進展を多面的に促進することが知られています。抗がん剤治療に対する抵抗性を高める作用も報告されています。
したがって、線維芽細胞から筋線維芽細胞への活性化過程や、筋線維芽細胞の働きを阻害することはがん細胞の増殖を抑制し、抗がん剤治療の効き目を高めることができます。

【カフェインは間質の筋線維芽細胞をターゲットにして抗がん作用を示す】
がん組織の間質細胞に作用してがん細胞の増殖を間接的に抑制する方法が検討されています。コーヒーなどに含まれるカフェインの抗腫瘍効果が報告されていますが、そのメカニズムの一つとして間質細胞への作用が報告されています。次のような報告があります。

Caffeine Mediates Sustained Inactivation of Breast Cancer-Associated Myofibroblasts via Up-Regulation of Tumor Suppressor Genes.（カフェインはがん抑制遺伝子の発現亢進のメカニズムによって乳がん関連筋線維芽細胞を持続的に不活性化する）PLoS One. 2014; 9(3): e90907.Published online Mar 3, 2014. doi:  10.1371/journal.pone.0090907

【要旨】
研究の背景：活性化したがん関連線維芽細胞あるいは筋線維芽細胞は、乳がんの発生や進行に重要は働きを行うだけでなく、がんの治療効果や予後にも関連していることが明らかになっている。これらの細胞はパラクリンの機序でがん細胞の増殖を支持しているので、がん関連の線維芽細胞や筋線維芽細胞の働きを抑制することは、がん細胞を主なターゲットとしている現行のがん治療の効果を高めることになる。この研究では、薬理学的に安全性の高い天然成分であるカフェインが、がん関連線維芽細胞によるがん促進作用に対してどのような作用を示すかを検討した。
方法と主な結果：カフェインはがん抑制遺伝子のp16、p21、p53、Cav-1の発現を亢進し、種々のサイトカイン（IL-6, TGF-β, SDF-1, MMP-2）の産生と分泌を減少させ、α平滑筋アクチン（αSMA）の発現量を低下させた。
さらに、カフェインはPTEN依存性のAkt/Erk1/2の不活性化によってがん関連線維芽細胞の遊走能と浸潤能を抑制した。さらに、カフェインはがん関連線維芽細胞によるパラクリン機序での乳がん細胞の浸潤や移動を刺激する効果を減少させた。これらの結果は、カフェインは乳がん組織の間質における筋線維芽細胞を不活性化する作用があることを示している。
カフェインは、低酸素誘導因子-1（HIF-1α）とそのシグナル伝達の下流に位置する血管内皮増殖因子-A（VEGF-A）の発現を抑制する機序で、がん関連線維芽細胞のパラクリン機序による血管新生促進作用を抑制した。興味深いことに、これらの作用はカフェインで刺激したあとカフェインを省いても持続した。
結論：この研究の結果は、乳がん細胞の筋線維芽細胞を不活性かできること、そして活性化したがん関連線維芽細胞の乳がん細胞の増殖や浸潤を促進する作用をカフェインが阻害することによって、乳がんの増殖や再発を効果的に予防する効果があることが示された。

生体内での細胞間のシグナル伝達の方法には、オートクリン（autocrine）、パラクリン（paracrine）、エンドクリン（endocrine）があります。
オートクリン（自己分泌）は、細胞から分泌された物質が、同じ細胞に作用を及ぼすことで、パラクリン（傍分泌）は分泌する細胞と効果を受ける細胞とがごく近くにある場合の作用です。エンドクリン（内分泌）は血流を介して、体の中の遠くの臓器に効果を及ぼす場合を言います（下図）。

図：ある細胞から分泌された因子の作用の仕方には、自分の細胞を刺激するオートクリン（自己分泌）と近くの細胞に作用するパラクリン（傍分泌）と血液によって運ばれて遠隔の組織や臓器の細胞に作用するエンドクリン（内分泌）の３つの様式がある。

 

がん組織においては、細胞がオートクリンの機序で自分を制御したり、がん細胞と間質細胞などがパラクリンの機序で相互に制御し合っています。

乳がん組織（他のがん組織でも同じ）において、線維芽細胞はがん細胞などによって活性化されて筋線維芽細胞になります。この細胞は炎症性サイトカインやケモカインや増殖因子を産生して、血管新生を促進し、がん細胞の増殖や浸潤や転移を促進します。つまり、がん細胞は組織に存在する線維芽細胞を自分の味方につけて、増殖しやすい環境を作っているのです。

この論文は、カフェインがこの筋線維芽細胞の活性化を抑制して、その結果、乳がん細胞の増殖を阻止するという報告です。

このメカニズムとして、カフェインは筋線維芽細胞のがん抑制遺伝子の発現を促進する作用を報告しています。
がん細胞の場合は、がん抑制遺伝子が変異を起こして作用しなくなっているので、がん抑制遺伝子の発現量を増やしても、がん細胞の増殖を抑制することはできないことが多くあります。
しかし、がん間質に存在する線維芽細胞もその活性化した筋線維芽細胞も正常細胞由来であるためがん抑制遺伝子の変異はありません。つまり、間質細胞のがん抑制遺伝子の発現量を増やして間質細胞の増殖や働きを抑えれば、がん細胞の増殖や働きを抑えることができるという話です。

１杯のコーヒーには100mg程度のカフェインが含まれています。コーヒーを飲めば、血中のカフェインの濃度はmicromolar（μM）レベルになります。

例えば、体重１kg当たり5mgのカフェインを経口摂取すると、急速に体内に吸収され、30分後には血中濃度はピークになり15.9–18.7 µg/mLの濃度に達すると報告されています。

血中での半減期は2.7～9.9時間です。

カフェインが細胞のがん抑制遺伝子や細胞周期に作用するタンパク質に作用してがん細胞の増殖を抑制する効果を示すことは他にも多くの論文があります。

コーヒーやサプリメントで数100mgのカフェインを摂取すると、がん組織の筋線維芽細胞の活性を抑制してがん細胞の増殖を抑制できる可能性はあるかもしれません。

 

【サイクリン依存性キナーゼ阻害因子p16INK4Aはがん関連線維芽細胞の増殖を抑制する】

次のような論文があります。
 

p16INK4A represses breast stromal fibroblasts migration/invasion and their VEGF-A-dependent promotion of angiogenesis through Akt inhibition.（p16INK4AはAktの阻害によって乳腺間質の線維芽細胞の移動と浸潤、およびVEGF-A依存性の血管新生の促進を抑制する）Neoplasia 14(12): 1269-77, 2012

【要旨】

線維芽細胞は、がん組織の間質における最も数が多く、かつ最も活性のある細胞集団で、パラクリン機序で血管新生を促進する働きがある。しかし、活性化した線維芽細胞がどのようなメカニズムで血管新生を促進するのかは十分に解明されていない。

この報告では、乳がん組織の間質の線維芽細胞は、がん抑制遺伝子タンパク質のp16(INK4A)の発現低下によって、その移動と浸潤の能力が亢進することを示した。

さらに、p16(INK4A)タンパク質は血管新生を促進するタンパク質である血管内皮増殖因子-A（VEGF-A）の産生と分泌を抑制することを明らかにした。

p16(INK4A)遺伝子を欠損した乳腺間質線維芽細胞とマウス胎児線維芽細胞は、パラクリン機序によって血管内皮細胞の毛細血管様の構造への分化を促進した。

この作用は、VEGF-Aの選択的阻害剤であるベバシズマブ（bevacizumab）によって阻止された。

さらに、p16(INK4A)遺伝子を欠損したマウス胎児線維芽細胞はマウスに移植した乳がん組織の血管新生を促進した。

さらに、p16(INK4A)はAkt/哺乳類ラパマイシン標的タンパク質（mTOR）シグナル伝達系を抑制し、そのシグナル伝達系の下流に位置する低酸素誘導因子-1α（HIF-1α）の発現を抑制する。このHIF-1αはVEGF-Aの発現を亢進するので、p16(INK4A)はVEGF-Aの発現を抑制することになる。

その結果、Aktの活性阻害は、p16(INK4A)依存性のオートクリン機序での線維芽細胞の移動と浸潤を抑制し、さらに、パラクリン機序による血管新生を抑制する。つまり、p16(INK4A)タンパク質が関連した様々な作用には、Aktが重要な働きを行っていることが示された。

これらの結果は、p16(INK4A)はAktの阻害を介して、乳がん組織の線維芽細胞の移動や浸潤や血管新生を阻害することを示している。

したがって、がん間質の線維芽細胞におけるp16(INK4A)のレベルを高める方法は、がん細胞の根絶を助け、再発を予防する効果が期待できる。

 

細胞が分裂して数を増やしていくとき、細胞周期は4 つの段階に分けられます。すなわち、DNA複製前のG1(Gap1) 期、DNA複製期（S期）、細胞分裂前のG2(Gap2)期、および最後の細胞分裂期(M) 期に分けられます。増殖を休止した状態の細胞はG0期にあると定義されます。


細胞周期がG1期からS期に移行するときがん抑制遺伝子のRbタンパク質がサイクリン依存性キナーゼでリン酸化されることが重要です。

Rbタンパク質がサイクリン依存性キナーゼでリン酸化されると転写因子のE2Fと結合できなくなり、フリーになったE2Fは増殖に関連する遺伝子の発現を促進して細胞周期を回します。


細胞増殖を促進するプロテインキナーゼのAktもE2Fが発現が亢進します。

サイクリン依存性キナーゼはサイクリン依存性キナーゼ阻害因子というタンパク質によって機能が阻害されます。このサイクリン依存性キナーゼ阻害因子にはp21Waf1/Cip1/Sdi1やp16INK4aなどのタンパク質が知られています。
つまり、p16やp21などのサイクリン依存性キナーゼ阻害因子の産生を高めると、細胞周期をG1/S期のチェックポイントで止めて、細胞増殖を阻害します。


p16INK4aタンパク質はサイクリン依存性期キナーゼ（cyclin dependent kinase: CDK）４と６（CDK4とCDK6）に結合する分子量が約16000ダルトン（16kDa）のタンパク質です。
p16はCDK4とCDK6に結合することによって、CDK4とCDK6がサイクリンD（cyclin D1, D2, D3）と結合することを阻害します。その結果、CDK4とCDK6は活性化できず、転写因子のE2Fが活性化されないと、細胞周期を促進するタンパク質もAktも発現ができなくなります。


 

 

 

図：G1期にRBタンパクはE2Fという転写因子に結合して、E2Fの活性を抑えている。E2Fは転写因子で細胞の増殖にとって重要な多くの遺伝子類の発現を亢進する。したがって、RBが結合してE2Fの活性を抑えていると、細胞は増殖サイクルに入れない。しかし、サイクリン依存性キナーゼ（Cdk4あるいはCdk6）とサイクリンDの複合体によってRBがリン酸化されるとRBタンパクはE2Fから解離し、E2Fが活性な転写因子となって増殖関連遺伝子の発現を引き起こすので、細胞はDNA複製を開始して増殖サイクルを回し出す。
p16INK4aはサイクリン依存性キナーゼのCdk4とCdk6と結合することによって阻害する。Cdk4/6の活性が阻害されると、RBはリン酸化されないので、細胞周期はストップした状態に維持される。AktもE2Fによって発現が亢進するので、p16はAktの発現も抑制する。

 

つまり、がん関連線維芽細胞（＝筋維芽細胞）のp16INK4Aの発現量を増やすと、増殖を抑制し、がん細胞の増殖を抑制できると言えます。

カフェインにはPI3K/Akt/mTOR/p70S6Kシグナル伝達系を阻害する作用が報告されています。
前述のようにカフェインは p16INK4Aの発現を亢進する作用によってがん細胞やがん間質の線維芽細胞の増殖を抑える作用が報告されています。
したがって、カフェインはがん抑制遺伝子のp16INK4Aの発現を促進し、Akt / mTORシグナル伝達系を阻害することによって抗腫瘍効果を示す作用機序が示唆されます。

また、細胞周期を停止させるがん抑制遺伝子のp16INK4Aやp21cip1の発現を亢進する方法としてメチオニン・エンケファリン（オピオイド増殖因子）があります（379話、380話参照）。

がん細胞ではp16INK4Aやp21cip1などのがん抑制遺伝子の遺伝子自体に高頻度に変異があるので、がん細胞のp16INK4Aやp21cip1の発現を亢進しても抗がん作用は得にくいというのが一般的な考えですが、これらのがん抑制遺伝子はがん関連線維芽細胞や血管内皮細胞のような正常細胞由来の細胞では遺伝子変異はないと考えられるので、これらのがん抑制遺伝子の発現を亢進する治療が使える根拠になります。

カフェインが抗がん剤の効き目を高める効果があることは基礎研究や臨床試験などで指摘されています。CDK阻害因子（p16やp21）の発現亢進によるがん間質細胞の増殖抑制は一つの可能性のある作用機序と言えます。

カフェインはサプリメントとしても安価に販売されています。多く摂取すると不眠やイライラなどの副作用もでるので、これらの症状に注意して服用します。

コーヒーにはカフェイン以外にも抗酸化作用のある成分が多く含まれ、がん予防効果や抗がん作用が報告されています（276話参照）。多くの基礎研究や疫学研究はコーヒーを多く飲用することはがんの予防や治療に有効であることを示しています。砂糖はがんには良くないので、砂糖を入れないコーヒーを１日数杯飲むことはがん治療にメリットがあると言えます。

 

図：がん抑制遺伝子のRbは転写因子のE2Fと結合することによってE2Fの転写活性を抑制している。増殖刺激によってサイクリン（Cyc）がサイクリン依存性キナーゼ（CDK）を活性化するとRbをリン酸化する。リン酸化されたRbはE2Fと結合できなくなってE2Fがフリーになる。このフリーになったE2Fは増殖関連の遺伝子の転写を活性化する。その結果、細胞は増殖する。カフェインはCDK阻害因子（p16やp21）の発現を亢進することによってRbのリン酸化を阻止し、E2Fの活性化を阻止することによって増殖抑制効果を発揮する。

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