乳がんの術前補助化学療法でがんが消滅
Tさん（46歳女性）は、自分で左乳房のしこりに気づき、精密検査を受けて乳がんと診断されました。大きさは2cm x 2.5cmで、左腋窩（わきの下）のリンパ節の腫大も確認され、リンパ節転移が疑われました。 PET検査で乳房の腫瘍と１個の腋窩リンパ節にも集積が認められ、「腋窩リンパ節への転移を伴う進行乳がん」という診断になりました。
そこで、手術前に抗がん剤治療によってがん組織を縮小させて、６ヶ月後に手術を行う方針が決まりました。 術前補助化学療法はEC療法（エピルビシン / シクロホスファミド併用療法）を３週間毎に４回、ついでパクリタキセル（タキソール）＋トラスツズマブ（ハーセプチン）を３週間毎に４回行うという方法です。
抗がん剤治療が始まる２週間前から、体力と免疫力を高めて抗がん剤の副作用を軽減する漢方薬と、抗がん剤の効き目を高めるメトホルミン（1000mg/日）と2-デオキシ-D-グルコース（2.0g/日）とジクロロ酢酸ナトリウム（0.7g/日）の服用を開始しました。
６ヶ月間の抗がん剤治療は、強い副作用も出ずに予定通り終了し、左乳房の全摘と腋窩リンパ節の廓清が行われました。摘出した組織は病理検査で細かく検査されましたが、原発部位は瘢痕になってがん細胞は見つかりませんでした。摘出したリンパ節にも生きたがん細胞を見つけることができませんでした。つまり、術前の補助化学療法で、がん細胞が消滅する「病理学的完全奏功」が達成されていました。術前補助化学療法（NeoAdjuvant Chemotherapy）は、手術前に抗がん剤を投与して、がんを小さくさせることで、がんの切除を可能にしたり、臓器の機能を温存させる目的で行います。目にみえない小さな転移を根絶させることも目的としています。
「病理学的完全奏功」というのは、摘出した組織を病理検査して、がん細胞が見つからない状態です。ほとんどのがん細胞が死滅したか、全て消滅した可能性を意味します。
抗がん剤治療が非常に良く効いて、病理学的完全奏功やがん組織が顕著に縮小した場合は、術前補助化学療法は生存率を高めることは多くの臨床試験で確かめられています。
しかし、抗がん剤であまり縮小しなかった場合は、むしろ血行性転移を促進して、再発を促進する可能性があることも指摘されています。高用量の抗がん剤治療が様々なメカニズムで転移を誘発することは多くの研究で指摘されています。
つまり、術前補助化学療法を受けるときは、病理学的完全奏功を目指すと、再発リスクを極めて低下させることができます。
そのためには、抗がん剤治療だけでなく、抗がん剤の効き目を高めることを自分で行う必要があります。標準治療ではそのような方法を使わないからです。
病理学的完全奏功を達成するためには、がん細胞（特にがん幹細胞）の抗がん剤感受性を高める方法として、2-デオキシ-D-グルコース、メトホルミン、ジクロロ酢酸ナトリウムなどが有効です。
Tさんの場合は、この３種類の薬に加えて、抗がん剤の副作用を軽減する漢方薬も併用しています。 漢方薬は、体力と免疫力を高める生薬（田七人参、黄耆、茯苓、梅寄生）、血液循環や解毒機能を高めて正常細胞のダメージの回復を促進する生薬（当帰、芍薬、川芎、丹参）、胃腸の状態を良くする生薬（白朮、甘草、生姜）などを組み合わせた煎じ薬です。 メトホルミンは糖尿病の治療薬で、ミトコンドリアの呼吸酵素複合体Iを阻害してATP産生を阻害し、活性酸素の産生を増やす作用があります。
2-デオキシ-D-グルコースはグルコース（ブドウ糖）の類縁体で、がん細胞に多く取り込まれて、解糖系を阻害します。 ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼを阻害してピルビン酸脱水素酵素を活性化して、ミトコンドリアでの酸素呼吸（酸化的リン酸化）を亢進して、ミトコンドリアでの活性酸素の産生を増やします。ジクロロ酢酸ナトリウムを使うときにはピルビン酸脱水素酵素の補因子であるビタミンB1とR体αリポ酸を併用すると、副作用を予防し、抗腫瘍効果を高めることができます。 これら薬やサプリメントが抗がん剤や放射線治療の効き目を高める作用メカニズムを以下の図１にまとめています。
図１：グルコースが解糖系で代謝されてピルビン酸に変換された後、ピルビン酸脱水素酵素によってミトコンドリア内でアセチルCoAに変換される（①）。アセチルCoAはミトコンドリア内でTCA回路と呼吸酵素複合体における酸化的リン酸化によってATPが産生される（②）。R体αリポ酸とビタミンB1はピルビン酸脱水素酵素の活性に必要な補因子であり（③）、ピルビン酸脱水素酵素はピルビン酸脱水素酵素キナーゼによってリン酸化されることによって活性が阻害されている（④）。ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼを阻害する作用があり、その結果ピルビン酸脱水素酵素を活性化する（⑤）。メトホルミンは呼吸酵素複合体Iを阻害してミトコンドリアでの活性酸素の産生を増やす（⑥）。2-デオキシ-D-グルコース（2-DG）は解答系を阻害してATP産生と物質合成を阻害する（⑦）。抗がん剤や放射線治療が最終的にがん細胞を死滅するときに活性酸素によって細胞死が誘導される（⑧）。したがって、抗がん剤治療や放射線治療を行うときに、2-DG（2-デオキシ-D-グルコース）、ジクロロ酢酸ナトリウム、R体αリポ酸、ビタミンB1、メトホルミンを併用すると、抗腫瘍効果を増強できる。
がん細胞の抗がん剤感受性を高める方法は以下のサイトで詳しく解説しています。 http://www.1ginzaclinic.com/chemosensitization/chemosensitization.html
以下に要点をまとめています。
【抗がん剤耐性になるにはエネルギーが必要】
一般に、抗がん剤抵抗性のがん細胞は増殖が遅いことが知られています。抗がん剤に抵抗性の機序を働かせるのに余分なエネルギーと物質合成が必要だからです。
例えば、抗酸化力を高めることによって抗がん剤抵抗性になりますが、この抗酸化システムを高めるには余分なエネルギー（ATP）消費と物質合成（グルタチオンや抗酸化酵素などの産生）が必要です。
したがって、抗がん剤感受性を高める方法の第一は、がん細胞のエネルギー産生を低下させることです。がん細胞は解糖系の代謝が亢進しています。解糖系を阻害する2-デオキシ-D-グルコースとミトコンドリアのATP産生を阻害するメトホルミンの併用はがん細胞のエネルギー産生を阻止して、抗がん剤治療や放射線治療の効き目を高めます。
【メトホルミンはミトコンドリアの呼吸酵素複合体Iを阻害する】
メトホルミン（metformin）は、世界中で１億人以上の２型糖尿病患者に使われているビグアナイド系経口血糖降下剤です。 ビグアナイド剤は、中東原産のマメ科のガレガ（Galega officinalis）から1920年代に見つかったグアニジン誘導体から開発された薬です。ガレガは古くから、糖尿病と思われる病気（口渇や多尿）の治療に経験的に使われ有効性が認められており、その関係でこのガレガから血糖降下作用のあるビグアナイドが発見されました。
メトホルミンは、ミトコンドリアの呼吸鎖の最初のステップである呼吸酵素複合体Iを阻害することが明らかになっています。その結果、ミトコンドリアでのATP産生が減少し、AMP:ATPの比が上昇し、AMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）が活性化されます。活性化したAMPKは、肝臓の糖新生を抑制し、解糖を亢進し、骨格筋でのグルコース利用を促進して血糖を低下させます。AMPKはインスリン感受性を高めるので、少ないインスリンで血糖をコントロールできるようになります。インスリンは老化と発がんを促進し、がん細胞の増殖を促進するので、糖尿病でない人でも抗老化とがん予防の目的で服用している人もいます。 すなわち、メトホルミンの血糖降下作用はミトコンドリアにおけるATP産生の阻害によって体内のATP量が減少するためです。体はATPを増やすために、グルコースの分解（異化）を促進し、糖新生（同化）を抑制するので、血糖が低下します。運動でATPが減少してAMPKが活性化されるのと同じメカニズムです。ATP産生が減少するのでAMPKが活性化します。
このメトホルミンの呼吸酵素阻害作用は、がん細胞において活性酸素の産生を増やす目的でがん治療への応用が検討されています。（図２）
図２：メトホルミンはミトコンドリアの呼吸酵素複合体１を阻害する（①）。その結果、ATP産生が減少してエネルギー低下によって増殖や抑制される（②）。呼吸鎖の阻害によってミトコンドリアでの活性酸素の産生が増え、酸化ストレスで細胞は障害される（③）。
【2-デオキシ-D-グルコースは解糖系を阻害する】
2-デオキシ-D-グルコース（2-Deoxy-D-glucose）は、グルコース（ブドウ糖）の2位の水酸基（OH）が水素原子（H）に置換された物質（グルコース誘導体）です。 2-デオキシグルコース(2-DG)はグルコースと同じようにグルコース輸送体（グルコース・トランスポーター）のGLUT1を利用して細胞内に取り込まれます。
グルコースと2-DGは細胞内に入るとヘキソキナーゼによってリン酸化され、グルコース-6-リン酸あるいは2-デオキシ-D-グルコース-6-リン酸（2-DG-6-リン酸）に変換されます。リン酸化されるとグルコース・トランスポーターを通過できないため細胞外へ出れなくなります。
このヘキソキナーゼによる６位のリン酸化は解糖系によるブドウ糖（グルコース）の代謝の最初のステップで、細胞内に取込んだブドウ糖を細胞内にとどめておく目的があります。リン酸化反応後は、グルコース-6-リン酸はさらに解糖系で代謝されてエネルギー産生に使われ、ペントース・リン酸経路で核酸などの物質合成の材料としても利用されます。
しかし、2-DG-6-リン酸は、解糖系酵素で代謝できないため、細胞内に蓄積します。グルコース-6-リン酸や2-DG-6-リン酸を脱リン酸化するフォスファターゼが糖新生を行う肝臓や腎臓の細胞にはありますが、多くのがん細胞はフォスファターゼの活性が低いので、一旦入った2-DGは2-DG-6-リン酸に変換されたあとは細胞外に出ることができず、さらにそれ以上代謝されることもできないので、2-DG-6-リン酸の状態でどんどん蓄積します。
2-DGによってエネルギー産生が低下するとそのストレス応答によってグルコーストランスポーターの発現がさらに増え、2-DGの取り込みをさらに増やすことにもなります。したがって、がん細胞は正常細胞に比べてより2-DGの取込みが増えます。
細胞内で蓄積した2-DG-6-リン酸はヘキソキナーゼとヘキソース・フォスフェート・イソメラーゼを阻害します（拮抗阻害）。したがって、2-DGを経口摂取すると、がん細胞に多く取り込まれ、がん細胞の解糖系を阻害するので、グルコース（ブドウ糖）の代謝によるエネルギー産生と物質合成を阻害することになります。
2-DGががん細胞内に多くトラップされることを利用した検査法がＰＥＴです。ＰＥＴは「ポジトロン・エミッション・トモグラフィー（Positron Emission Tomography）」の略で、日本語では陽電子放射線断層撮影といいます。
2-DGの２位の水素原子（つまり、グルコースの２位のOH基）を陽電子放出同位体フッ素18（18F）で置換された18F-フルオロデオキシグルコース（FDG）という薬剤を注射した後、それをＰＥＴ装置で撮影し、FDGの集まり方を画像化して診断するものです。
多くのがんは、グルコース取り込みおよびヘキソキナーゼレベルが上昇しているため、がん細胞にFDGが集まるのです。 2-DGはがん細胞に優先的に取り込まれ、解糖系やペントース・リン酸経路を阻害して、がん細胞を内部から崩壊させることができるのです（図３）。
図３：2-デオキシ-D-グルコース（2-Deoxy-D-glucose）は、グルコース（ブドウ糖）の2位の水酸基（OH）が水素原子（H）に置換された物質（グルコース誘導体）で、がん細胞はグルコースの取込みが多く、2-DGの取込みも多い（①）。2-DGががん細胞内に多く取り込まれることを利用した検査法がＰＥＴ（Positron Emission Tomography）（②）。2-デオキシ-D-グルコース（2-DG）はグルコース・トランスポーター（GLUT1）によって細胞内に取り込まれる（③）。がん細胞はGLUT1の発現量が増え、グルコースと同時に2-DGも多く取り込む。2-DGはヘキソキナーゼで2-DG-6-リン酸（2-DG-6-PO4）に変換されるが、それ以上代謝されない（④）。がん細胞はフォスファターゼの活性が低いので、2-DG-6-リン酸ががん細胞内に蓄積する（⑤）。2-DG-6-リン酸はヘキソキナーゼをフィードバック阻害（アロステリック阻害）するので、 2-DG-6-リン酸を取り込んだがん細胞はグルコースの解糖系での代謝が阻害される（⑥）。その結果、がん細胞のエネルギー産生と物質合成は阻害されることになり、ATPが枯渇する（⑦）。2-DGは小胞体でのタンパク質のN-グリコシル化（糖鎖の結合による修飾）を阻害し、折り畳みの不完全な異常タンパク質（unfolded protein）を増やして小胞体ストレスを引き起こす（⑧）。その結果、がん細胞は死滅しやすくなり、抗がん剤感受性が亢進する（⑨）。
2-DGががん細胞の増殖を抑制する効果が指摘されたのは1950年代です。「細胞のエネルギー源であるグルコースの誘導体を取り込ませれば、がん細胞の増殖を抑制できる」というアイデアは、もう60年も前に研究されており、グルコースの誘導体の抗腫瘍活性が検討され、2-DGに強い抗腫瘍効果があることが証明されています。
しかし、2-DGを使ったがん治療は、その後あまり注目されなかったようです。その理由の一つは、がんの治療においては、「強い毒性をもった化合物を使ってがん細胞を一掃するような治療法」が1950年代以降は主流になっていたからだと思われます。そのため、「エネルギー産生経路を阻害してがん細胞の増殖を低下させる」というようなアイデアは注目されなかったのかもしれません。
しかし、ワールブルグ効果が再評価されるようになり、がん細胞のエネルギー産生と物質合成を阻害する方法として、2-DGにも注目が集まるようになり、多くの動物実験で抗腫瘍効果が証明され、人間での臨床試験も実施されるようになったということです。【2-デオキシ-D-グルコースは抗がん剤治療や放射線治療の効き目を高める】
２-デオキシ-D-グルコース（2-DG）はがん細胞の解糖系を阻害するので、がん細胞の増殖速度を低下させる効果がありますが、２-DG単独ではがん細胞を死滅させる作用は弱いと言わざるをえません。今まで、動物実験や人間での研究が報告されていますが、2-DGの投与だけでは十分な抗腫瘍効果は得られていません。がん細胞のブドウ糖を完全に枯渇させることが現実的に困難だからです。
しかし、がん細胞のエネルギー産生や物質合成の経路を阻害すると、抗がん剤や放射線に対するがん細胞の感受性が高まります。抗がん剤治療や放射線治療の時に２-DGを服用すると、それらの抗腫瘍効果を高めることが多くの臨床試験で確認されています。
抗がん剤との併用において１日体重１kg当たり40～60mg程度の投与量で臨床試験が行われています。長期投与の安全性は十分に検討されていないため、がんの再発予防の目的ではまだ推奨できませんが、進行がんの治療の目的で抗がん剤などとの併用など短期間の使用に関しては問題無いようです。
2DGとグルコース（ブドウ糖）が競合してがん細胞のエネルギー代謝を阻害するため、糖質制限でグルコースの摂取量を減らせば、2DGは少ない量で阻害作用を発揮できます。
就寝時は筋肉や心臓や脳の働きが低下して血流やグルコースの取込みが減ります。そのため、2-DGを就寝前に服用すると、最も抗腫瘍効果が高まります。
2-DGの毒性に関しては、マウスの実験では50%致死量は2g/kg以上という報告があります。（Cent Eur J Biol. 5:739–748. 2010年） 人での検討では200mg/kgくらいまでは投与できるという報告があります。
最も多い副作用は高血糖です。2-DGは細胞内のグルコースの濃度を低下させます。脳の視床下部の神経細胞が細胞内グルコースの低下を感知すると、低血糖状態と勘違いして、脳下垂体のホルモン分泌を制御して血糖を高めるホルモンや伝達物質を出すようになるため高血糖になるようです。食事からの糖質摂取を減らすケトン食や肝臓の糖新生を阻害するメトホルミンを併用すると高血糖を避けることができます。 一方、服用量が多いと低血糖のような症状（倦怠感や脱力）を感じます。がん細胞の多く取込まれるため、低血糖症状が起こらないレベルで服用量を調節することが重要です。【2-DGは正常細胞を抗がん剤や放射線のダメージから保護する】
２-デオキシ-D-グルコース（2-DG）はがん細胞の解糖系を阻害するので、がん細胞の増殖速度を低下させる効果があります。 がん細胞のエネルギー産生や物質合成の経路を阻害すると、抗がん剤や放射線に対するがん細胞の感受性が高まります。
２-デオキシ-D-グルコース（2-DG）は抗がん剤や放射線に対するがん細胞の感受性を高めるだけでなく、抗がん剤や放射線による正常細胞のダメージを軽減する効果があるという報告があります。以下のような報告があります。Protection of normal cells and tissues during radio- and chemosensitization of tumors by 2-deoxy-D-glucose. (2-デオキシ-D-グルコースはがん組織の放射線感受性と抗がん剤感受性を高め、正常細胞と組織のダメージを軽減する)J Cancer Res Ther. 2009 Sep;5 Suppl 1:S32-5.
がん細胞は正常細胞に比べてグルコース（ブドウ糖）の取込みが多く、ATP産生や細胞分裂するための物質合成に大量のグルコースを必要としています。したがって、グルコースの取込みや利用を妨げれば、ATP産生や物質合成が低下し、抗がん剤や放射線治療の効き目が高くなります。 がん細胞はグルコーストランスポーターを多く発現しているので、2-DGの取込みも多く、2-DGによるグルコース代謝の阻害作用が著明に現れます。 培養細胞を使った実験や動物にがん細胞を移植した動物実験で、2-DGを投与すると抗がん剤や放射線治療の治療効果が高まることが多くの実験系で確認されています。 さらに動物実験で、2-DGが脳や心臓に対する抗がん剤や放射線のダメージを軽減する作用が認められています。その作用機序についてはまだ十分に解明されていませんが、AMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）の活性化やオートファジーの阻害など複数のメカニズムが示唆されています。
以下のような論文があります。Caloric restriction mimetic 2-deoxyglucose antagonizes doxorubicin-induced cardiomyocyte death by multiple mechanisms.（カロリー制限と同様の作用がある2-デオキシグルコースはドキソルビシンによる心筋細胞死を複数のメカニズムで阻止する）J Biol Chem. 2011 Jun 24;286(25):21993-2006.
食事からのカロリー摂取を減らすカロリー制限が心血管系の健康状態を良くすることが知られています。グルコース類縁物質の2-デオキシ-D-グルコースはカロリー制限と同様の作用を示すことが複数の動物実験で報告されています。
この論文では、抗がん剤で副作用として心筋障害を引き起こすドキソルビシンの投与で引き起こされる心筋細胞死に対して2-DGが抑制作用を示すかどうかを検討しています。実験の結果、2-DGはドキソルビシンで誘導される心筋細胞のダメージや細胞死を阻止することが示されています。
2-DGは様々なメカニズムで抗腫瘍作用を示し、特に抗がん剤や放射線治療との併用で、抗腫瘍効果を高めるだけでなく、正常細胞を保護する作用もあるので、がん治療の補完として利用価値は高いと言えます。【がん細胞の酸化ストレスを高めると死滅しやすくなる】
がん細胞では酸素が十分に存在する場合でも、解糖系でのグルコース代謝が亢進して、相対的にミトコンドリアでの酸化的リン酸化は抑制されています。その結果、乳酸の産生が増えています。これを好気性解糖あるいはワールブルグ効果と言います。
ミトコンドリアでの酸化的リン酸化を抑えているのは、活性酸素の害を減らしたいからです。 しかし、それでもミトコンドリアでの酸化的リン酸化によるエネルギー産生は起こっています。一般的に、増殖の早いがん細胞では、ATP産生の50%以上が解糖系で産生されると言われています。
がん細胞はミトコンドリア機能にいろんな異常があるので、正常細胞に比べて活性酸素が発生しやすくなっています。そこで、がん細胞は酸化ストレスを軽減するために、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化を抑え、細胞に備わった抗酸化システムを亢進しています。
多くの抗がん剤治療によって引き起こされる細胞死（アポトーシス）は、全てではないにしてもそのほとんどは活性酸素種によって引き起こされる可能性が示されています。放射線照射が活性酸素種の産生によってアポトーシスを誘導するのと同じように、多くの抗がん剤も最終的には活性酸素種を産生することによってアポトーシスを誘導しているのです。
多くの抗がん剤ががん細胞にアポトーシスを誘導する共通のメカニズムとして活性酸素を使っているということは、なぜ抗がん剤に抵抗性のがん細胞は放射線治療も同様に抵抗性になるかという理由を説明しています。
このような活性酸素種を産生させてがん細胞を死滅させるときに抗酸化剤のN-アセチルシステインやグルタチオンを同時に投与すると、活性酸素によるがん細胞の死滅は起こらなくなります。
したがって、抗がん剤や放射線治療の効き目を高める方法として、ミトコンドリアでの活性酸素の量を増やす方法（呼吸酵素複合体-Iの阻害＋酸化的リン酸化の活性化）と抗酸化システム（グルタチオン、チオレドキシンなど）を阻害する方法を組み合せることが有用であることが理解できます。【電子伝達系（呼吸鎖）からの漏れが活性酸素種の量を高めている】
ミトコンドリアにおける電子伝達系（呼吸鎖）においてATPが産生されるとき、必然的に活性酸素種（スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシラジカルなど）が発生します。 ミトコンドリアのTCA回路によりNADHやFADH2の形で捕捉された水素は，ミトコンドリアにおいて，一連の酵素系（呼吸鎖複合体 I～IV）とATP合成酵素（呼吸鎖複合体Vとも言う）の連鎖を経て，最終受容体である酸素（O2）に渡されて水（H2O）になります。
複合体 I～IVの段階は，ミトコンドリア内膜のタンパク質や補酵素間で電子のやり取りが起こる過程であるため電子伝達系（呼吸鎖）と呼ばれます。 電子伝達系によってミトコンドリアマトリックスから膜間空間にプロトン（水素イオン）がくみ出され、輸送されたプロトンによってミトコンドリア内膜の内外にΔΨと呼ばれる電気化学的ポテンシャル（プロトンによって生じる電荷の差）が作り出されます。マトリックス側に戻るプロトンの駆動力を利用してATP合成酵素がADPと無機リン酸からATPを合成します。これを酸化的リン酸化と言います。
ミトコンドリアの呼吸鎖や酸化的リン酸化の過程が阻害されると、プロトン（水素イオン）がうっ滞して、ミトコンドリアからの活性酸素種の産生が増加します。メトホルミンは呼吸酵素複合体Iを阻害して、ミトコンドリアからの活性酸素の発生を増やす作用が報告されています。
図４：電子伝達の際に、呼吸酵素複合体Iや複合体IIIから漏れ出した電子によって、酸素分子が一電子還元され、スーパーオキシド（O2-）が発生する。ミトコンドリアで消費される酸素の1〜3%が活性酸素種に変換されると推測されている。
図５：呼吸酵素複合体のIとIIIでスーパーオキシド（O2-）が産生される。スーパーオキシドはスーパーオキシド・ディスムターゼ（SOD）によって過酸化水素（H2O2）に変換される。過酸化水素の一部はFenton/ Haber-Weiss反応によってヒドロキシルラジカル（Hydroxyl radical）に変換される。
【がん細胞ではピルビン酸脱水素酵素キナーゼの活性が亢進している】
がん細胞の代謝の特徴である「解糖系の亢進とミトコンドリアでの酸化的リン酸化の抑制」という、いわゆるワールブルグ効果を根本で制御しているのが低酸素誘導因子-1（Hypoxia-inducible Factor-1：HIF-1）という転写因子です。
転写因子というのは特定の遺伝子の発現（DNAの情報をメッセンジャーRNAに変換すること）を調節している蛋白質です。HIF-1のターゲット遺伝子は100種類以上知られており、エネルギー代謝、血管新生、細胞増殖、アポトーシスなど細胞の機能と深く関連している遺伝子の発現を制御しています。
HIF-1は細胞が低酸素状態におかれると活性化してきます。したがって、酸素が十分に利用できる状況で細胞分裂している正常細胞では必要がない転写因子です。
一方、多くのがん細胞では、低酸素状態であってもなくてもHIF-1の活性が亢進しています。急速に増大するがん組織の中で、がん細胞は常に低酸素や低栄養による細胞死の危険にさらされています。そこで、低酸素や低栄養による細胞死を起こさないようにするメカニズムとしてがん細胞はHIF-1活性を高めています。
これは、HIF-1活性が亢進しているほど、がん細胞は低酸素や低栄養で生存できる（死ににくい）ということを意味しています。
がん細胞では、遺伝子変異などによって増殖のシグナル伝達系が恒常的に亢進しており、その結果としてHIF-1の活性が恒常的に亢進しています。 つまり、酸素があっても、あたかも低酸素のような代謝を行っているわけです。
ピルビン酸脱水素酵素キナーゼはピルビン酸脱水素酵素(ピルビン酸からアセチルCoAへの変換する酵素)をリン酸化して活性を低下させます。HIF-1はピルビン酸脱水素酵素キナーゼの発現を促進し、さらにピルビン酸から乳酸への嫌気性解糖系に働く乳酸脱水素酵素（LDH）の発現を促進する作用があります。 つまり、HIF-1はピルビン酸からアセチルCoAへの変換を阻害してTCA回路と酸化的リン酸化での代謝を抑制し、嫌気性解糖系(ピルビン酸から乳酸の変換)を亢進します。解糖系の途中のブドウ糖の代謝産物から核酸や脂肪酸やアミノ酸の合成を促進する作用もあります。
正常細胞ではHIF-1は低酸素になったときしか活性化されませんが、がん細胞では増殖シグナルの異常などによってHIF-1は恒常的に活性化し、酸素がある状況でも酸素が無い状態と同じ代謝を行うため、がん細胞では解糖系が亢進し、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化が抑制されています。
がん細胞で活性化されているHIF-1は、がん細胞における乳酸脱水素酵素の産生を高めます。また、HIF-1はピルビン酸脱水素酵素の活性を阻害するピルビン酸脱水素酵素キナーゼの遺伝子発現を促進します。
したがって、がん細胞では、HIF-1の発現亢進によって、TCA回路へいく経路が遮断され、嫌気性解糖系の亢進によって乳酸が大量に産生される代謝が亢進しています。
複雑なメカニズムですが、HIF-1の活性亢進はがん細胞の代謝異常の中心になっているので、代謝をターゲットにしたがん治療法の理解に役立ちます。（図６）
図：低酸素や増殖シグナル伝達系（PI3K/Akt/mTOR）の活性亢進によって低酸素誘導因子-1（HIF-1）の発現と活性が亢進する（①）。HIF-1は細胞核のDNAに作用して、がん細胞の増殖や転移を促進する様々な遺伝子の発現を亢進する（②）。HIF-1は解糖系酵素（ヘキソキナーゼなど）や乳酸脱水素酵素の発現を亢進して解糖系の代謝を亢進する（③）。HIF-1はピルビン酸脱水素酵素キナーゼの発現を誘導する（④）。このキナーゼはピルビン酸脱水素酵素を阻害する（⑤）。したがって、HIF-1の活性亢進によってミトコンドリアでの酸化的リン酸化が抑制される（⑥）。つまり、がん細胞における解糖系亢進とミトコンドリアでの酸化的リン酸化の抑制はHIF-1の活性亢進によってもたらされている。
【ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼを阻害する】
ジクロロ酢酸ナトリウム（sodium dichloroacetate）は酢酸（CH3COOH）のメチル基（CH3）の２つの水素原子が塩素原子（Cl）に置き換わったジクロロ酢酸（CHCl2COOH）のナトリウム塩です。構造式はCHCl2COONaになります。
ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼを阻害することによってピルビン酸脱水素酵素の活性を高める作用があります。ミトコンドリアの異常による代謝性疾患、乳酸アシドーシス、心臓や脳の虚血性疾患の治療などに、医薬品として古くから使用されています。
前述のようにがん細胞ではHIF-1の活性亢進によってピルビン酸脱水素酵素キナーゼの活性が亢進し、ピルビン酸脱水素酵素の活性が低下し、ピルビン酸からアセチルCoAへの変換が阻止されているため、ミトコンドリアでのエネルギー産生が低下しています。
そこで、ジクロロ酢酸ナトリウムでがん細胞のピルビン酸脱水素酵素を活性化して、ピルビン酸からアセチルCoAへの変換を促進してTCA回路を回せば、乳酸の産生が抑えられます。さらに、酸化的リン酸化の過程で活性酸素の産生が増え、酸化ストレスの増大によってがん細胞を死滅できるという作用機序が報告されています（図８）。
図８：低酸素誘導因子-1（HIF-1）はピルビン酸脱水素酵素キナーゼの発現を誘導して（①）、ピルビン酸脱水素酵素（ピルビン酸をアセチルCoAに変換する）の働きを阻害するので（②）、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化によるATP産生が抑制されている。ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼの活性を阻害することによってピルビン酸脱水素酵素の活性を高め（③）、R体αリポ酸とビタミンB１はピルビン酸脱水素酵素の補因子として働き（④）、ピルビン酸脱水素酵素の活性を高めてピルビン酸からアセチルCoAの変換を促進し、TCA回路での代謝と酸化的リン酸化を亢進する（⑤）。ミトコンドリアでの酸化的リン酸化が亢進すると、活性酸素の産生が増え、乳酸産生が減少し、アポトーシスが起こりやすくなって、抗がん剤感受性が亢進する（⑥）。
がん細胞では活性酸素の発生を減らして死ににくくするために、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化を抑制しています。ジクロロ酢酸ナトリウムでがん細胞のミトコンドリアでの代謝を促進して活性酸素の産生を増やすと抗がん剤で死にやすくなります。 ジクロロ酢酸ナトリウム単独でもがん細胞が死滅することが培養細胞や動物実験で明らかになっています。
ミトコンドリアでの活性酸素の産生量を増やしたくらいでがん細胞が本当に死滅するのかという疑問が出るかもしれませんが、ミトコンドリアは細胞の重量の10%以上を占めるくらい大量に存在するので、ミトコンドリアで一斉に酸化的リン酸化が亢進すれば細胞を死滅させることができると考えられています。
培養がん細胞や動物移植腫瘍を用いた実験でジクロロ酢酸ナトリウムの抗腫瘍作用は証明されています。臨床試験でも有効性が報告されており、がんの代替医療では利用する患者さんが増えています。 ジクロロ酢酸が抗がん剤耐性を減弱することが多く報告されています。
人間の場合、１日体重1kg当たり10〜15mgを水に溶解して服用します。ピルビン酸脱水素酵素が活性化すると、この酵素の補因子であるビタミンB1とR体αリポ酸を消耗するのでビタミンB1とR 体αリポ酸の補充が副作用予防と効果増強に必要です。
図９：αリポ酸にはR体とS体という２種類の光学異性体（鏡像異性体）が存在する。体内で生成されるαリポ酸はR体のみで、S体は天然には存在しない。しかし、αリポ酸を人工的に合成するとR体50%、S体50%のラセミ体ができる。ピルビン酸脱水素酵素を活性化する作用はR体のみで、逆にS体のαリポ酸はピルビン酸脱水素酵素の活性を阻害する。したがって、ジクロロ酢酸でミトコンドリアを活性化するときにはR体αリポ酸でなければならない。
【メトホルミンと2-デオキシ-D-グルコースとジクロロ酢酸の相乗効果】
２-デオキシ-D-グルコース（2-DG）は解糖系を阻害することによってATP産生を阻害します。経口糖尿病薬のメトホルミンはミトコンドリアの呼吸酵素を阻害してATPの産生を阻害する作用があります。最近の研究では、メトホルミンが2-DGと同様に解糖系酵素のヘキソキナーゼの活性を阻害する作用も明らかになっています。
したがって、2-DGとメトホルミンを併用すると、がん細胞のエネルギー産生を阻害する効果を高めることができます。実際に、マウスの移植腫瘍の実験モデルで、2-DGとメトホルミンを併用すると相乗的な抗腫瘍効果が得られることが、テキサス大学MDアンダーソンがんセンターから報告されています。（Mol Cancer Ther. 10(12): 2350-2362, 2011年）
培養がん細胞を用いた実験では、2-DGで解糖系を阻害しても、がん細胞を死滅させるだけの効果は得られませんが、メトホルミンを同時に投与すると、がん細胞は死滅しました。様々な種類のがん細胞をマウスに移植した動物実験において、2-DGとメトホルミンはそれぞれ単独では抗腫瘍効果は弱いのですが、この２つを併用すると強い腫瘍縮小効果が認められています。
がん細胞が増殖するためには、増殖のシグナルと、エネルギー産生と物質合成のための材料が必要です。増殖シグナル伝達系は、インスリン／インスリン様成長因子-1（IGF-1）とそれらの受容体の結合によって刺激されるPI3K/Akt/mTORC1伝達系が重要です。
メトホルミンはミトコンドリアの呼吸鎖（電子伝達系）と解糖系のヘキソキナーゼを阻害してATP産生を阻害する作用がありますが、さらにAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）を活性化してmTORC1（哺乳類ラパマイシン標的蛋白質複合体-1）の活性を阻害することによってがん細胞の増殖を抑制します。
一方、2-DGはグルコースの解糖系とペントース・リン酸経路での代謝を阻害することによって、エネルギー産生と物質合成を抑制し、その結果、がん細胞の増殖が抑えられます。すなわち、2-DGとメトホルミンの同時投与は、がん細胞のエネルギー産生と物質合成と増殖シグナル伝達を効率的に阻害することによって、がん細胞の増殖を阻害することができるのです。
メトホルミンには乳酸アシドーシスを引き起こす副作用があります。乳酸が増えて、血液が酸性になる状態です。大きながん組織があると乳酸の産生が増えています。乳酸アシドーシスを防ぐために、肝臓では乳酸をグルコース（ブドウ糖）に変換する糖新生が亢進します。メトホルミンは糖新生を阻害する効果があるので、乳酸産生の増加した状態でメトホルミンを服用すると乳酸アシドーシスを起こしやすくなります。
したがって、がん細胞の解糖系を抑制し、ミトコンドリアでの酸素呼吸を増やす2-デオキシグルコースやジクロロ酢酸ナトリウムやケトン食を併用するとメトホルミンによる乳酸アシドーシスの発生を防ぐことができます。特にジクロロ酢酸ナトリウムは乳酸アシドーシスの治療に古くから使用されています（図10）。
図10：がん細胞は解糖系が亢進して乳酸の産生が増えている（①）。乳酸は肝臓や腎臓やがん間質細胞で糖新生によってグルコースに変換されている（②）。2-デオキシ-D-グルコース（2-DG）はがん細胞の解糖系を阻害し（③）、ジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）はピルビン酸脱水素酵素を活性化してピルビン酸からアセチルCoAへの変換を促進する（④）。メトホルミンは糖新生を阻害する（⑤）。メトホルミンは呼吸鎖を阻害して（⑥）、ATP産生を低下させ（⑦）、さらにミトコンドリアでの活性酸素の産生を増やして酸化ストレスを亢進する（⑧）。これらの組み合せは、酸化ストレスを高め、ATP産生を低下させて、がん細胞の増殖を抑制し、細胞死を誘導する（⑨）。2-DGとDCAはメトホルミンによる乳酸アシドーシスを防ぐので、副作用も少なくなり、抗腫瘍活性を高めることができる。
ミトコンドリアの呼吸酵素複合体をメトホルミンで阻害した状態でジクロロ酢酸でがん細胞のミトコンドリアの代謝を亢進すれば、がん細胞に比較的特異的に酸化ストレスを高めることができます。 実際に、ジクロロ酢酸とメトホルミンの相乗効果が数多く報告されています。
以上のことから、2-デオキシ-D-グルコースとメトホルミンとジクロロ酢酸ナトリウムと、ピルビン酸脱水素酵素の補因子のビタミンB１とR体αリポ酸の併用は、がん細胞の解糖系を阻害し、ミトコンドリアを活性化することによって、抗がん剤治療や放射線治療の抗腫瘍効果を高めることができます（図11）。
図１１：グルコースが解糖系で代謝されてピルビン酸に変換された後、ピルビン酸脱水素酵素によってミトコンドリア内でアセチルCoAに変換される（①）。アセチルCoAはミトコンドリア内でTCA回路と呼吸酵素複合体における酸化的リン酸化によってATPが産生される（②）。R体αリポ酸とビタミンB1はピルビン酸脱水素酵素の活性に必要な補因子であり（③）、ピルビン酸脱水素酵素はピルビン酸脱水素酵素キナーゼによってリン酸化されることによって活性が阻害されている（④）。ジクロロ酢酸ナトリウムはピルビン酸脱水素酵素キナーゼを阻害する作用があり、その結果ピルビン酸脱水素酵素を活性化する（⑤）。メトホルミンは呼吸酵素複合体Iを阻害してミトコンドリアでの活性酸素の産生を増やす（⑥）。2-デオキシ-D-グルコース（2-DG）は解答系を阻害してATP産生と物質合成を阻害する（⑦）。抗がん剤や放射線治療が最終的にがん細胞を死滅するときに活性酸素によって細胞死が誘導される（⑧）。したがって、抗がん剤治療や放射線治療を行うときに、2-DG（2-デオキシ-D-グルコース）、ジクロロ酢酸ナトリウム、R体αリポ酸、ビタミンB1、メトホルミンを併用すると、抗腫瘍効果を増強できる。
