基礎医学

はじめに

細胞外マトリックス（extracellular matrix: ECM）は、細胞を取り囲む支持構造であると同時に、シグナル伝達を介して細胞の運命や性質を大きく規定します。特にがんや発生の文脈で注目されるのが、ECMと**上皮間葉転換（epithelial-mesenchymal transition: EMT）**との関わりです。EMTは細胞が上皮的性質を失い、間葉系細胞のような移動能や浸潤性を獲得する現象で、発生・創傷治癒・がん転移など多様な生物学的プロセスに関与します。

ECMの構成と機能

ECMはコラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、エラスチン、プロテオグリカンなどで構成され、以下の役割を担います。

• 構造的支持：細胞に足場を提供する。
• シグナル制御：インテグリンや受容体型チロシンキナーゼを介して細胞内経路を活性化する。
• 組織の機械的特性：硬さ・弾性が細胞分化や運命決定に影響を与える。

EMTの分子機構

EMTでは、細胞は以下のような変化を示します。

• 上皮性マーカーの低下：E-cadherinの発現抑制。
• 間葉系マーカーの増加：N-cadherin、ビメンチンの発現上昇。
• 転写因子の活性化：Snail, Slug, Twist, ZEB1/2 などが中心的役割を果たす。

これらの変化は、TGF-β、Wnt、Notch、Hippo-YAP/TAZなどのシグナル経路と密接に結びついています。

ECMとEMTのクロストーク

1. インテグリンシグナル
   • ECM成分とインテグリンの結合がFAK（focal adhesion kinase）やSrcを介して細胞骨格を再編成し、EMTを促進します。
2. ECMの硬さと力学的刺激
   • 硬い基質はYAP/TAZ経路を活性化し、EMT関連遺伝子を誘導します。がんの線維化微小環境はこのメカニズムで浸潤性を高めます。
3. ECMリモデリング
   • MMP（マトリックスメタロプロテアーゼ）による分解産物がTGF-βシグナルを増幅し、EMTを強化します。
4. 特定ECM分子の役割
   • フィブロネクチン：細胞移動を促進し、EMTのマーカーとしても利用される。
   • ラミニン：細胞の極性維持に関与し、その減少はEMTを誘導する。
   • コラーゲンI：線維化組織に多く、がん細胞のEMTを誘発する。

生理・病理における意義

• 発生：神経堤細胞の移動や心臓発生における必須プロセス。
• 創傷治癒：線維芽細胞への移行を介して組織修復に寄与。
• がん：腫瘍細胞がECMシグナルを利用してEMTを起こし、浸潤・転移能を獲得。特に肝臓、膵臓、胆道がんではECMリモデリングとEMTの結びつきが予後不良と相関する。

まとめ

ECMは単なる細胞の足場ではなく、細胞の表現型を積極的に制御する「情報場」として機能します。EMTはその代表的な例であり、ECMの種類・硬さ・リモデリングの状態が、細胞の浸潤性や幹細胞性を左右します。今後は、ECM-EMT軸を標的とした新しい抗がん治療や線維化抑制療法の開発が期待されます。

腸管神経系とは？

消化管には「腸管神経系（enteric nervous system）」と呼ばれる独自の神経ネットワークが存在します。これは「第二の脳」とも呼ばれ、自律的に消化管の運動や分泌を調節する仕組みです。その中核をなすのが、アウエルバッハ神経叢とマイスナー神経叢の二つです。

アウエルバッハ神経叢（Auerbach plexus）

• 位置：消化管の縦走筋層と輪走筋層の間（筋層間神経叢とも呼ばれる）
• 主な役割：
  • 蠕動運動の調節（消化管の収縮と弛緩のリズムを制御）
  • 筋層間での信号伝達を担い、食物を肛門方向へ送る「ぜん動運動」を作り出す
• 特徴：運動機能を中心に調節するため、「運動神経叢」としての性格が強い

マイスナー神経叢（Meissner plexus）

• 位置：消化管の粘膜下層（粘膜下神経叢）
• 主な役割：
  • 腸腺や粘液分泌の調節
  • 粘膜血流の制御
  • 感覚情報（腸内容物の性状や伸展の感覚）の受容
• 特徴：主に分泌と局所的な血流調整を担い、「分泌神経叢」としての性格が強い

両者の違いをまとめると

臨床との関連

• ヒルシュスプルング病：先天的にアウエルバッハ神経叢やマイスナー神経叢が欠損すると、腸の運動が障害され、便秘や腸閉塞の原因になります。
• 過敏性腸症候群（IBS）：腸管神経系の過敏性が関与していると考えられています。

まとめ

• アウエルバッハ神経叢は「運動調節」、マイスナー神経叢は「分泌・血流調節」と覚えると整理しやすいです。
• 腸管神経系は自律的に働きつつ、迷走神経や交感神経とも連携しながら消化管の機能を統合しています。

はじめに

がん研究はこれまで、がん細胞そのものを標的にする治療が中心でした。しかし近年、がんは 「単独の細胞」ではなく、「腫瘍微小環境（TME）」の中で生きる存在であることが明らかになっています。
特に「前転移ニッチ」「免疫ニッチ」「がん幹細胞ニッチ」といった特殊な環境は、がんの進展・転移・再発において重要な役割を担っています。

そのため、がんニッチを標的とする治療は、次世代のがん治療戦略として大きな注目を集めています。

がんニッチ標的療法のアプローチ

がんニッチを標的にするには、大きく分けて以下の戦略があります。

1. 前転移ニッチを防ぐ

• エクソソーム阻害薬：がん由来小胞の放出や取り込みをブロック
• ECM改変阻害：LOX阻害薬などで臓器のリモデリングを抑制
• 炎症シグナル遮断：VEGFやTGF-βを標的に転移準備を阻害

2. 免疫ニッチを解除する

• 免疫チェックポイント阻害薬（ICI）：PD-1/PD-L1やCTLA-4シグナルを解除
• 免疫抑制細胞の除去：MDSCやTregを抑えるCSF1R阻害薬、IDO阻害薬
• サイトカイン環境の改変：TGF-β阻害で免疫抑制性環境をリセット

3. がん幹細胞ニッチを壊す

• シグナル阻害：Wnt/Hedgehog, Notch経路の阻害薬
• 低酸素環境の標的化：HIF阻害薬によるCSC維持シグナルの阻止
• CAFや血管新生の制御：CSCニッチの物理的基盤を崩壊させる

複合的アプローチの重要性

がんニッチは多層的で相互に関連しています。
例えば、前転移ニッチが形成されると免疫ニッチが強化され、CSCが生着しやすくなる、といった連鎖があります。

そのため、複合療法が今後の鍵となります。

• ICI + 抗TGF-β抗体
• CSC標的薬 + 化学療法
• エクソソーム阻害薬 + ワクチン療法

臨床試験レベルでも、これらの組み合わせ戦略が進行中です。

今後の課題

がんニッチ標的療法の実用化には、いくつかの課題があります。

• バイオマーカーの確立：ニッチ形成をリアルタイムで検出する指標が必要
• 副作用の回避：正常幹細胞ニッチや免疫系への影響を最小化する工夫
• 個別化医療：がん種や患者ごとのニッチ特性に応じた治療選択

まとめ

がんニッチを標的とする治療は、

• 転移の予防（前転移ニッチ阻害）
• 免疫療法の強化（免疫ニッチ解除）
• 再発防止（がん幹細胞ニッチ破壊）

という3つの柱でがん制御に新しい地平を切り開きつつあります。

大学院生や研究者にとって重要なのは、がんを「細胞の病気」としてだけでなく、**「環境との相互作用の病気」**として捉える視点を持つことです。ニッチを理解することは、基礎研究から臨床応用まで、今後のがん研究の核心となるでしょう。

はじめに

がん研究において注目されているのが がん幹細胞（cancer stem cell, CSC） です。CSCは自己複製能と分化能を持ち、腫瘍の再生・進展・再発に深く関与すると考えられています。
しかし、CSCが単独で存在できるわけではありません。CSCがその性質を保つためには、「がん幹細胞ニッチ（cancer stem cell niche）」 という特殊な環境が必要です。

がん幹細胞ニッチの概念

幹細胞研究の分野では、正常幹細胞の性質を支える環境を「ニッチ」と呼びます。例えば造血幹細胞ニッチや毛包幹細胞ニッチです。
同じく、がん幹細胞も腫瘍微小環境の中で「ニッチ」によって自己複製や分化のバランスを調節されています。

つまり、がん幹細胞ニッチとはCSCを守り、維持し、腫瘍の持続的成長や治療抵抗性を支える場といえます。

がん幹細胞ニッチを構成する要素

CSCニッチは多様な要素が組み合わさって形成されます。

1. 細胞成分

• がん関連線維芽細胞（CAF）：WntやHedgehogシグナルを介してCSC性を強化
• 免疫細胞：M2型マクロファージや制御性T細胞がCSCの生存を支援
• 血管内皮細胞：血管周囲ニッチを形成し、低酸素環境と相まってCSC維持に寄与

2. 非細胞成分

• 細胞外基質（ECM）：ラミニンやフィブロネクチンがCSCにシグナルを伝達
• サイトカイン・成長因子：IL-6, TGF-β, HGF などがCSCを増殖方向へ導く

3. 物理的・代謝的要素

• 低酸素環境：HIF-1αを介して幹細胞性を強化
• 代謝環境：乳酸やグルコース枯渇による選択圧がCSC性を高める

がん幹細胞ニッチの機能

CSCニッチは腫瘍にとって戦略的な利点をもたらします。

• 自己複製の維持：CSCが腫瘍を長期にわたり支える基盤
• 治療抵抗性：CSCは化学療法・放射線療法に強い抵抗性を持ち、ニッチがこれを増強
• 再発・転移の起点：治療後に残存したCSCが再発巣や転移を形成

臨床応用と治療戦略

CSCニッチの理解は、新しいがん治療法の開発につながります。

• CSCニッチを直接標的化
  • Wnt/Hedgehog阻害薬、TGF-β阻害薬
• ニッチ破壊療法
  • CAFや血管新生を抑制してCSC維持環境を壊す
• 免疫療法との併用
  • CSCを免疫回避から守るニッチを解除し、免疫チェックポイント阻害薬の効果を高める

まとめ

がん幹細胞ニッチは、腫瘍の「根源的な持続性」を保証する環境です。

• CSCの自己複製能と治療抵抗性を維持
• 再発や転移の起点を提供
• 細胞・サイトカイン・代謝的要素が複雑に関与

大学院生や若手研究者にとって、がんを「がん細胞そのもの」としてではなく、CSCとそのニッチとの相互作用として理解することが、今後の研究や治療戦略に直結します。

はじめに

免疫系は本来、がん細胞を排除する強力な防御システムを持っています。しかし、がんは進化の過程でこの免疫系を巧妙に回避する仕組みを獲得します。その中心的な役割を担うのが 免疫ニッチ（immune niche） です。

免疫ニッチとは、がんが自らに有利な免疫抑制環境を局所的に構築した領域を指し、腫瘍の持続的成長や免疫療法抵抗性の大きな要因となっています。

免疫ニッチの形成要因

免疫ニッチは、腫瘍微小環境（TME）の中で特に免疫機能を抑制する方向に働く因子の集積によって形成されます。

1. 免疫抑制性細胞の集積

• 制御性T細胞（Treg）：CD4⁺FoxP3⁺T細胞。IL-10やTGF-βを分泌し、エフェクターT細胞を抑制。
• 骨髄由来抑制細胞（MDSC）：アルギナーゼやROSを産生し、T細胞機能を阻害。
• M2型マクロファージ（TAM）：抗炎症性サイトカインを放出し、がんの進展を促進。

2. サイトカイン・ケモカインのネットワーク

• IL-10, TGF-β, VEGF などが免疫抑制作用を発揮。
• CCL2, CXCL12 などのケモカインが免疫抑制細胞を腫瘍局所にリクルート。

3. チェックポイント分子の発現

• PD-L1, CTLA-4 などの免疫チェックポイント分子が過剰に発現し、T細胞の攻撃を遮断。
• これが免疫チェックポイント阻害薬（ICI）の標的となる。

4. 代謝的免疫抑制

• 腫瘍はグルコースやアミノ酸（トリプトファンなど）を消費し、T細胞を「栄養飢餓状態」に追い込む。
• 乳酸蓄積や低酸素状態も免疫細胞の働きを低下させる。

免疫ニッチの機能

免疫ニッチはがんにとって多方面で利益をもたらします。

• 免疫逃避：T細胞やNK細胞による攻撃をかわす
• 治療抵抗性：ICIやワクチン療法の効果を低下させる
• 転移促進：免疫抑制環境が循環腫瘍細胞の定着を助ける

臨床応用の視点

免疫ニッチの理解は、がん免疫療法の効果を最大化するために不可欠です。

• 免疫チェックポイント阻害薬（ICI）
  → PD-1/PD-L1やCTLA-4シグナルを解除し、免疫ニッチを打破。
• TME修飾療法
  → TGF-β阻害薬、CSF1R阻害薬で免疫抑制細胞を減少。
• 代謝標的療法
  → IDO阻害薬などで腫瘍による栄養剥奪を解除。
• 複合免疫療法
  → ICIと低分子阻害薬、放射線療法を組み合わせて免疫ニッチを崩壊させる戦略が試みられている。

まとめ

免疫ニッチは、がんが宿主免疫から逃れ、長期にわたり生存・進展するための「隠れ家」です。

• 免疫抑制性細胞の集積
• サイトカイン・ケモカインによるネットワーク
• チェックポイント分子や代謝環境の改変

これらが一体となって免疫抑制の場をつくります。

大学院生や研究者にとって、がん免疫研究を進めるうえで「免疫細胞の機能不全」だけでなく、それを支える 免疫ニッチという空間的・環境的な要素に注目することが、次世代の治療開発につながる視点となります。

はじめに

がんの死亡原因の大部分を占めるのが転移です。近年の研究により、転移は単に「がん細胞が血流に乗って偶然他の臓器に定着する」ものではなく、がん細胞が遠隔臓器にあらかじめ環境を整備するプロセスを経ていることが明らかになってきました。この転移先の“土壌”を準備する現象が 前転移ニッチ（pre-metastatic niche, PMN） です。

前転移ニッチの基本的な考え方

「ニッチ」という言葉は本来、幹細胞が生存・自己複製するための特殊な環境を意味します。これが転移の研究に応用され、がん細胞が転移前に臓器に適した環境をつくるという考え方が生まれました。

簡単に言えば、前転移ニッチは「がん細胞のための温床づくり」です。がん細胞は以下の手段を用いて遠隔臓器を“事前改造”します。

前転移ニッチの形成機構

1. 腫瘍由来因子の放出

がん細胞はサイトカイン、ケモカイン、成長因子を放出し、血流を通じて遠隔臓器に作用します。

• VEGF, TGF-β, LOX などが有名
• ECM（細胞外基質）のリモデリングを誘導

2. エクソソームによる情報伝達

近年注目されるのが**エクソソーム（exosome）**です。

• がん細胞から放出される小胞には タンパク質・miRNA・DNA断片 が含まれる
• エクソソームは臓器特異的に取り込まれ、前転移ニッチを形作る

3. 免疫細胞のリクルート

前転移ニッチでは、がん細胞に有利な免疫環境が準備されます。

• 骨髄由来抑制細胞（MDSC） の集積
• マクロファージのM2型極性化
• 免疫抑制性サイトカイン（IL-10, TGF-β） の分泌

4. 血管・リンパ管の改造

がん細胞が生着するためには栄養と酸素が必要です。

• VEGFによる新生血管形成
• リンパ管新生による転移ルートの確保

前転移ニッチと臓器特異性

がんはしばしば特定の臓器に転移しやすい性質を持ちます（例：乳がん→骨・肺、結腸がん→肝臓）。
これは「シードとソイル（種と土壌）仮説」として知られていましたが、前転移ニッチの概念によって、がん細胞が自ら望ましい土壌を準備するという分子基盤が裏付けられました。

臨床的意義

前転移ニッチの理解は、がん治療に新しい視点を与えています。

• 早期診断：がん由来エクソソームや循環因子をバイオマーカーとして検出
• 治療標的：LOXやエクソソーム形成経路を阻害し、転移を未然に防ぐ
• 免疫療法の強化：ニッチがもたらす免疫抑制を解除する戦略

まとめ

前転移ニッチは、がんが転移を成立させるための「先回りした戦略」です。

• 腫瘍由来因子やエクソソームが臓器を改造
• 免疫抑制や血管新生が誘導される
• 臓器特異的な転移の背景を説明する

大学院生の皆さんは、転移研究を考える際に**「がん細胞そのもの」ではなく、「転移先をどう作るか」という観点**を持つと、研究の見え方が大きく変わるはずです。

はじめに

「がんニッチ（cancer niche）」とは、がん細胞が生存・維持・進展するために必要な局所的な微小環境（niche）を指す概念です。もともと「ニッチ」は幹細胞研究の分野で使われ、幹細胞の自己複製や分化を支える特殊な環境を意味します。この考え方ががん研究に応用され、「がん幹細胞（cancer stem cell, CSC）」を支える環境としてのがんニッチが注目されるようになりました。

がんニッチと腫瘍微小環境の違い

似た概念に「腫瘍微小環境（tumor microenvironment, TME）」があります。両者は重なり合う部分が多いですが、ニュアンスに違いがあります。

• 腫瘍微小環境（TME）
  腫瘍全体を取り巻く環境を広く指す。免疫細胞、線維芽細胞、血管内皮細胞、細胞外基質など。
• がんニッチ（cancer niche）
  特にがん幹細胞や腫瘍の「持続的な増殖・再発・転移」を支える、より限定的・機能的な環境を強調した概念。

つまり、がんニッチはTMEの中でも「がんの根源的な部分を守る温床」として理解すると分かりやすいです。

がんニッチを構成する要素

がんニッチは単一のものではなく、複数の因子が組み合わさって形成されています。

1. 細胞要素
   • がん関連線維芽細胞（CAF）
   • 免疫細胞（マクロファージ、T細胞、骨髄由来抑制細胞）
   • 血管内皮細胞
2. 非細胞要素
   • 細胞外基質（ECM）
   • サイトカインや成長因子（TGF-β, VEGF, IL-6など）
   • 低酸素環境
3. 物理的要素
   • 血流や酸素供給の不均一性
   • 硬さや弾性といった組織力学的特徴

がんニッチの機能

がんニッチは単に「がん細胞を囲む環境」ではなく、がんの性質を積極的に変化させます。

• がん幹細胞性の維持
  ニッチはがん幹細胞の自己複製能を支え、治療抵抗性や再発の原因になる。
• 転移の準備と定着
  原発巣のがん細胞は、血行性に散らばる前に「前転移ニッチ（pre-metastatic niche）」を遠隔臓器に準備し、そこに根付く。
• 免疫抑制
  ニッチは免疫細胞の機能を抑制し、免疫チェックポイント阻害薬の効果を低下させる要因になる。

臨床研究への広がり

がんニッチの理解は、治療戦略にもつながっています。

• ニッチ阻害療法：CAFや免疫抑制因子を標的とする
• 抗血管新生療法：がん血管ニッチを壊す
• 免疫療法との併用：ニッチの免疫抑制作用を取り除くことでICIの効果を高める

特に近年は、がん幹細胞を狙う治療とニッチ環境を破壊する治療を組み合わせる試みが盛んに行われています。

まとめ

がんニッチは、腫瘍の成長や治療抵抗性、転移を理解するうえで不可欠な概念です。単に「がん細胞」だけを研究するのではなく、それを支える環境との相互作用に目を向けることで、より実践的な研究や治療開発につながります。

大学院生や若手研究者にとって、「がん細胞＝主体」ではなく、「がんとニッチの共進化」という視点を持つことが今後ますます重要になるでしょう。

はじめに

RNA-seq（RNA sequencing）は、次世代シーケンサー（NGS）を用いて細胞内の転写産物（RNA）の全体像を網羅的に解析する技術です。これにより、遺伝子の発現量、スプライシングのパターン、融合遺伝子、非コードRNA まで幅広く調べることが可能です。従来のマイクロアレイを超える解像度と柔軟性を持ち、基礎研究から臨床応用まで広く利用されています。

RNA-seqの実験原理

RNA-seqの基本的な考え方はシンプルで、細胞内のRNAをcDNAに変換し、断片化したDNAライブラリとしてシーケンサーに読み込ませることです。大きく以下の流れで進みます。

1. RNA抽出

細胞や組織から全RNAを抽出します。このとき、解析目的に応じて以下の選択が行われます：

• poly(A)選択：mRNAのみを濃縮（真核生物の遺伝子発現解析に多い）
• rRNA除去：リボソームRNAを取り除き、残りの転写産物を解析
• total RNA解析：非コードRNAを含め、幅広いRNA種を対象に

2. cDNA合成と断片化

RNAはそのままでは不安定でシーケンスもできないため、逆転写酵素でcDNA（相補的DNA）に変換します。
次に、シーケンサーが読み取りやすいサイズ（100–300 bp程度）に断片化します。

3. ライブラリ調製

断片化したcDNAに、アダプター配列を付加します。

• アダプターはシーケンサーがDNA断片を認識する「タグ」の役割を果たします。
• ここでサンプルごとに異なるバーコード配列を導入することで、多数の試料を同時にシーケンス可能になります。

4. シーケンス（次世代シーケンサー）

完成したライブラリをシーケンサーにかけ、数千万〜数億リードを取得します。

• Illuminaのシーケンサーが主流（短鎖リード、高精度）。
• PacBioやOxford Nanoporeなどのロングリードシーケンサーでは、アイソフォーム解析やスプライシングの直接検出が可能。

5. データ解析

得られた膨大なリードをバイオインフォマティクスで処理します。

• マッピング：リードをリファレンスゲノムやトランスクリプトームに割り当てる
• 定量化：各遺伝子のリード数をカウントし、発現量を推定
• 差次的発現解析：条件間で発現変動を統計的に評価
• スプライシングや融合遺伝子解析も可能

RNA-seqの強みと限界

強み

• 網羅的な発現解析が可能
• 新規転写産物やスプライシングイベントを検出できる
• 定量性が高い（マイクロアレイよりも精度良く発現差を捉えられる）

限界

• 実験バイアス（ライブラリ調製、逆転写効率の差）
• 高コスト、大容量データ解析の負担
• 生物学的解釈には追加実験（qPCR, ウエスタンブロットなど）が必須

まとめ

RNA-seqは、細胞の遺伝子発現を網羅的に、かつ高解像度で理解するための強力なツールです。原理をしっかり理解することで、実験計画の立案や得られたデータの解釈が格段にスムーズになります。

大学院生の皆さんは、単に「シーケンサーにかけるとデータが出てくる」ではなく、RNA抽出からデータ解析までの流れを一貫してイメージできることが重要です。

t-SNE mapとは？

シングルセルRNA-seq解析では、数千〜数万の遺伝子発現データを1細胞ごとに取得します。しかし、そのままでは「次元数が多すぎて」直感的な解釈ができません。

そこで用いられるのが 次元削減法。t-SNE（t-distributed Stochastic Neighbor Embedding）は、その代表的な可視化手法であり、細胞集団を2次元平面上にプロットして直感的に理解できるようにするものです。

シングルセル解析におけるt-SNEの流れ

1. 前処理
   • QC（低品質細胞の除去）
   • 正規化（遺伝子発現値のスケーリング）
   • 高変動遺伝子の選定
2. 次元削減（PCA）
   • まずPCAで数千遺伝子を数十次元に圧縮
   • t-SNEはこのPCAの出力を基に計算されることが多い
3. t-SNEマッピング
   • 各細胞を2Dマップ上に配置
   • 似た発現パターンを持つ細胞は近くに、異なる細胞は離れて配置される
4. クラスタリング
   • Louvain法やLeiden法などでクラスタを同定し、t-SNE map上に色分け表示

t-SNE mapでできること

• 細胞集団の同定
  マップ上に現れるクラスタは、細胞型やサブタイプを反映していることが多い。
• 新規細胞群の発見
  既知のマーカー遺伝子と照合することで、新しい細胞集団を見つけられる。
• 治療や刺激による変化の可視化
  薬剤処理や病態条件下で細胞集団の分布がどう変わるかを直感的に把握できる。

注意点

1. クラスタ間の距離は必ずしも意味しない
   t-SNEは局所的な構造を重視するため、クラスタ間が近くても「似ている」とは限らない。
2. 再現性が低い
   ランダム初期化に依存するため、実行ごとに異なる配置になることがある。
3. パラメータ依存性
   perplexity や learning rate の設定でマップの形が変わるため、結果解釈には注意が必要。

t-SNEとUMAPの比較（シングルセル解析において）

• t-SNE：クラスタの分離を強調。細胞群が「存在すること」を示すのに有効。
• UMAP：クラスタ間の関係や分化の連続性を表現。発生や可塑性研究に適する。

多くのscRNA-seq研究では、t-SNEとUMAPの両方を併用し、細胞集団の特徴を多角的に解析しています。

まとめ

• t-SNE mapはシングルセルRNA-seq解析の「標準的な可視化ツール」。
• 細胞集団を直感的に把握できるが、解釈には注意点がある。
• UMAPとの補完的な利用が推奨される。

大学院生にとって、t-SNEは論文を理解する上で必須の知識です。仕組みを理解しておけば、scRNA-seq研究をより深く読み解くことができるでしょう。

👉 本記事は教育目的の解説です。実際の解析では使用するソフトウェア（Seurat, Scanpy など）のマニュアルや最新の論文を必ず参照してください。

はじめに

シングルセルRNA-seq解析をはじめとする多次元データ解析では、数千〜数万の特徴量を「2次元マップ」に落とし込む次元削減が不可欠です。その代表的手法が t-SNE と UMAP。両者はしばしば同じ図に使われますが、原理や特徴には違いがあり、研究の結論に影響することもあります。

t-SNEの特徴

• 正式名称：t-distributed Stochastic Neighbor Embedding
• 強み：局所的な構造（近いデータ点同士の関係）を非常にうまく表現する。
• 弱み：
  • クラスタ間の「遠さ」は必ずしも意味がない。
  • ランダム初期化に依存するため再現性が低い。
  • 計算コストが高く、大規模データでは時間がかかる。
• 典型的な利用場面：クラスタがどのように分かれているかを直感的に見せたいとき。

UMAPの特徴

• 正式名称：Uniform Manifold Approximation and Projection
• 強み：
  • 大域的な構造（クラスタ間の相対関係）もある程度保持できる。
  • 計算速度が速く、大規模データにも適している。
  • 再現性が比較的高い。
• 弱み：ハイパーパラメータ（n_neighbors, min_dist）の設定次第でクラスタの見え方が変化する。
• 典型的な利用場面：クラスタ間の関係や連続性（発生分化経路など）を見たいとき。

t-SNEとUMAPの比較表

シングルセル解析での使い分け

• t-SNE
  • 「どの細胞集団が存在するか」を可視化したいときに有効。
  • クラスタごとの違いを強調したい場合に便利。
• UMAP
  • 「細胞集団がどうつながっているか」を示したいときに有効。
  • 発生やがんの分化軌跡を調べる研究ではUMAPがよく用いられる。

実際の論文では、t-SNEとUMAPの両方を併用して補完的に解釈する例も多く見られます。

まとめ

• t-SNE：クラスタの存在を強調。
• UMAP：クラスタ間の関係や連続性を保持。
• 研究目的に応じて両者を使い分けることが重要。
• シングルセル解析では「まずUMAPで全体像、次にt-SNEでクラスタを強調」という流れも有効です。

👉 本記事は教育目的の解説であり、実際の研究では使用するソフトウェア（Seurat, Scanpy など）のマニュアルや最新論文を参照してください。