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적정 구성 배양 HCT-8 기반 대장암 스페로이드의 암 줄기세포능 및 항암제 내성 평가의 비교 평가 연구
Comparative Evaluation of Colon Cancer Stemness and Chemoresistance in Optimally Constituted HCT-8 cell-based Spheroids 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.26 no.11 = no.199, 2016년, pp.1313 - 1319  

이승준 (부산대학교 의학전문대학원 의과학과) ,  김형갑 (경남과학기술대학교 환경공학과) ,  이향범 (전남대학교 농식품생명화학부) ,  문유석 (부산대학교 의학전문대학원 의과학과)

초록
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암은 비균질적으로 구성된 세포집합체로 간질세포 및 세포 외 기질로 구성된 미세환경과 상호작용에 의해 발병, 전이, 심화되는 복잡한 질병이다. 하지만, 기존의 2차원 배양 세포 기반 플랫폼이 3차원적 생체 환경과 암의 비균질성을 대표하기 힘든 한계를 극복하기 위해 스페로이드 배양 세포를 비롯한 다양한 플랫폼 개발이 활발해지고 있다. 본 연구에서는 특히 감염, 염증 및 식이적 환경성 영향력에 민감한 HCT-8 대장암 세포주를 기반으로 하여 3차원 스페로이드 배양법을 보다 효과적인 방법으로 개선하고, 대장암 스페로이드 세포를 기반으로 암의 비균질적인 특질과 항암내성 연구의 간단하고 개선된 플랫폼을 제시고자 하였다. 3차원 배양법 최적화를 위해 물리적 배양환경 조성과 배양배지 구성에 따른 스페로이드 형태형성을 비교 분석하고 암 줄기세포군의 증가 양상을 확인한 결과, 필수요소로 구성된 제한 배지와 균일한 형태의 비부착성 표면 배양접시에서 배양된 스페로이드가 균일한 형태의 구형을 형성하고 암 줄기세포군이 증가함을 확인하였다. 대장암 스페로이드 세포를 기반으로 대장암 치료제인 5-Fluorouracil (5-FU)에 대한 화학적 감응성 변화를 측정한 결과, 암 줄기세포가 5-FU에 대한 화학적 감수성 저해의 원인이 되며, 최적배양 조건에서 암 줄기세포의 약제 내성의 표현이 증대되었다. 이는 암줄기세포의 항암제 내성에 대한 잠재적 위험성을 내포하는 것으로, 이 방법론은 감염, 염증 및 식이적 요인과 연관된 대장암 스페로이드 세포 기반 항암제 약물반응을 검증하기 위해 효과적이면서 간소한 시험법으로 활용될 수 있을 것이다.

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Cancer is a complex disease heterogeneously composed of various types of cells including cancer stem-like cells responsible for relapse and chemoresistance in the tumor microenvironment. The conventional two-dimensional cell culture-based platform has critical limitations for representing the hetero...

주제어

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문제 정의

  • 이 세포를 기반으로 비균질적인 암의 특질을 ex vivo에서 구현하고 암 줄기세포의 효과를 확인하기 위해[4], 검증된 기존의 다양한 세포 활용 스페로이드 배양 방법으로부터 보다 경제적이면서 간소화된 최적의 스페로이드 배양방법을 확립하고자 부유형태의 스페로이드 배양법을 개선하는 데 중점을 두었다. 대장암 세포의 스페로이드 배양기법을 최적함으로써 대장암 줄기세포가 존재하는 고형암의 비균질적인 특질을 재현하고, 간소화된 암 줄기세포 기반 항암제 내성 모니터링 플랫폼을 확립하고자 하였다(Fig. 1). 우선 agarose로 도포된 배양접시에서 정상배지(complete RPMI, cRPMI, FBS 기반 배지) 및 B27 supplement와 성장인자(bFGF, EGF)가 포함된 줄기세포 배양 배지에서 배양한 스페로이드의 형태변화를 관찰하였다.
  • 본 연구에서는 5-FU에 대한 암 세포의 항암제 내성 효과가 대장암 줄기세포에 기인한 것임을 확인하고 이 검증실험을 통해, 암 줄기세포를 매개로 한 고형암의 항암제 감수성 및 항암 내성을 연구하는 방법론으로 유용하게 활용될 수 있음을 제시하였다. 간단한 방법으로 최적화한 대장암 스페로이드 배양법과 이를 기반으로 한 항암제 내성 검증 시험 플랫폼으로 쉽게 활용될 수 있다는 점에서 그 의의가 있다고 하겠다.
  • 이를 개선하기 위해 다양한 방법으로3차원 배양 플랫폼 기반 약물 시험법 및 암 모델링 방법들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 경제적이고 최적화된 대장암 스페로이드 세포 배양방법에 기초하여 대장암 줄기세포가 항암제에 대한 감수성 변화의 주요 원인이 됨을 검증하였다. 스페로이드 배양세포의 특성변화를 살펴보면, 배아줄기세포 및 장 상피 줄기세포 표지인자로 활용되는 SSEA-1의 발현과 장 상피 줄기세포 표지인자인 Rnf43의 발현에는 큰 변화가 없었다.
  • 다양한 대장암 세포주 가운데 HCT-8 세포는 염증성 및 감염성 환경에 대하여 다른 대장암세포보다 민감성이 매우 강한 것으로 알려져 있다[6, 9, 10]. 이 세포를 기반으로 비균질적인 암의 특질을 ex vivo에서 구현하고 암 줄기세포의 효과를 확인하기 위해[4], 검증된 기존의 다양한 세포 활용 스페로이드 배양 방법으로부터 보다 경제적이면서 간소화된 최적의 스페로이드 배양방법을 확립하고자 부유형태의 스페로이드 배양법을 개선하는 데 중점을 두었다. 대장암 세포의 스페로이드 배양기법을 최적함으로써 대장암 줄기세포가 존재하는 고형암의 비균질적인 특질을 재현하고, 간소화된 암 줄기세포 기반 항암제 내성 모니터링 플랫폼을 확립하고자 하였다(Fig.
  • 이 연구에서는 대장암 세포주의 3차원 스페로이드 배양법을 간단하고 경제적인 방법으로 최적화하기 위해, 물리적 배양환경과 배양배지 구성에 따른 스페로이드 형태형성 및 암 줄기세포군의 증가 양상을 비교하였다. 특히, 3차원 스페로이드 배양배지의 경제성을 고려하여 일반적인 소 배아 혈청(FBS) 기반 배지를 이용하여 약물스크리닝이 광범위하게 시도되고 있으나, 그 효율성 측면에서 좀더 정밀한 진단이 요구 된다[4, 22, 23] 본 연구는 최근의 FBS 기반 배지를 활용한 검증법과 줄기세포 배양배지를 비교하고 대장암 치료에 널리 쓰이는 5-Fluorouracil (5-FU)에 대한 화학적 감응성 변화를 비교 분석함으로써 암 줄기세포가 5-FU에 대한 화학적 감수성 저해의 원인이 되고 항암제 내성의 잠재적 위험성을 내포하고 있음을 검증하였다.
  • 대장암은 유전적 요인 외에 점막 내의 식이, 염증 및 감염 환경성 질환의 측면이 타 종양보다 강하기 때문에 본 연구는 다양한 대장암 세포주 중 감염, 염증 및 식이 반응성이 가장 큰 HCT-8세포주를 기반으로 평가를 진행하였다[6, 9, 10]. 이를 기반으로 하여 대장암 스페로이드 세포 기반 항암제 약물반응을 검증하기 위한 효과적 시험법으로 쉽게 활용하고자 한다.
  • 줄기세포 배양배지에 의해 배양된 세포들이 보다 균질된 구형의 스페로이드 형태를 갖추는 것과 실제 생체 내 암의 비균질적인 특질인 암 줄기세포군의 변화양상과 직접적인 관련성이 존재하는 지 검증하였다. CD44 및 CD133은 세포막 단백질로서 대장암 줄기세포를 포함한 다양한 암 줄기세포의 표지인자로 이용된다.
  • 이 연구에서는 대장암 세포주의 3차원 스페로이드 배양법을 간단하고 경제적인 방법으로 최적화하기 위해, 물리적 배양환경과 배양배지 구성에 따른 스페로이드 형태형성 및 암 줄기세포군의 증가 양상을 비교하였다. 특히, 3차원 스페로이드 배양배지의 경제성을 고려하여 일반적인 소 배아 혈청(FBS) 기반 배지를 이용하여 약물스크리닝이 광범위하게 시도되고 있으나, 그 효율성 측면에서 좀더 정밀한 진단이 요구 된다[4, 22, 23] 본 연구는 최근의 FBS 기반 배지를 활용한 검증법과 줄기세포 배양배지를 비교하고 대장암 치료에 널리 쓰이는 5-Fluorouracil (5-FU)에 대한 화학적 감응성 변화를 비교 분석함으로써 암 줄기세포가 5-FU에 대한 화학적 감수성 저해의 원인이 되고 항암제 내성의 잠재적 위험성을 내포하고 있음을 검증하였다. 대장암은 유전적 요인 외에 점막 내의 식이, 염증 및 감염 환경성 질환의 측면이 타 종양보다 강하기 때문에 본 연구는 다양한 대장암 세포주 중 감염, 염증 및 식이 반응성이 가장 큰 HCT-8세포주를 기반으로 평가를 진행하였다[6, 9, 10].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
암은 어떤 질병인가? 암은 간질세포, 신호전달 물질, 다양한 세포 외 기질로 구성된 비균질적 미세환경과의 상호작용에 의해 발병되는 복잡한 질병이다[2]. 고형암은 암세포뿐만 아니라 혈관, 염증세포, 섬유아세포로 구성되어 있고 비정상적인 조직 발생과정과 비슷하다[19].
스페로이드 세포는 무엇으로 구성되어있는가? 그 중 가장 간단하고 대표적인 방법이 스페로이드(Spheroid) 배양세포인데, 비부착성 scaffold 및 matrix 표면 위에서나 포매 상태로 또 부유 상태와 같이 다양한 물리적 환경에서 3차원 배양하는 방법들이 개발되었다[8]. 스페로이드 세포는 proliferating, quiescent, apoptotic, hypoxic, necrotic 세포 등 다양한 세포들로 구성되어 있어, 생체 내 존재하는 세포의 비균질성을 효과적으로 대표할 수 있다[14]. 현재, 필요 성장인자 및 필수 영양분 등의 다양한 배양배지 조성에 따른 다양한 생체 유사 스페로이드 배양세포들이 보고되어 있다.
화학 항암치료에 대한 내성이 암치료의 주요 걸림돌이 되는 것은 무엇과 관련이 있는가? 외과적 수술, 방사선 치료, 화학 항암치료 등은 여전히 일반적인 항암치료로 널리 처치되고 있지만, 화학 항암치료에 대한 내성은 효과적인 암 치료의 주요 걸림돌이 되고 있다. 이는 고형암의 비균질적인 특질과 암 미세환경과의 상호작용에 대한 이해의 부족과 이를 대변할 수 있는 시스템의 부적합성과 관련이 있다. 악성종양은 종양개시세포(tumor-initiating cell)로써 자가재생(self-renewal) 능력이 있는 암 줄기세포를 비균질적으로 구성하고 있고, 이는 암의 발병과 전이, 항암내성의 주요 원인으로 작용한다[1, 5, 15].
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참고문헌 (23)

  1. Abdullah, L. N. and Chow, E. K. 2013. Mechanisms of chemoresistance in cancer stem cells. Clin. Transl. Med. 2, 3. 

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  4. Breslin, S. and O'Driscoll, L. 2013. Three-dimensional cell culture: the missing link in drug discovery. Drug Discov. Today 18, 240-249. 

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  11. Huang, E. H., Hynes, M. J., Zhang, T., Ginestier, C., Dontu, G., Appelman, H., Fields, J. Z., Wicha, M. S. and Boman, B. M. 2009. Aldehyde dehydrogenase 1 is a marker for normal and malignant human colonic stem cells (SC) and tracks SC overpopulation during colon tumorigenesis. Cancer Res. 69, 3382-3389. 

  12. Jin, K., Gao, W., Lu, Y., Lan, H., Teng, L. and Cao, F. 2012. Mechanisms regulating colorectal cancer cell metastasis into liver (Review). Oncol. Lett. 3, 11-15. 

  13. Keysar, S. B. and Jimeno, A. 2010. More than markers: biological significance of cancer stem cell-defining molecules. Mol. Cancer Ther. 9, 2450-2457. 

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  15. Kozovska, Z., Gabrisova, V. and Kucerova, L. 2014. Colon cancer: cancer stem cells markers, drug resistance and treatment. Biomed. Pharmacother. 68, 911-916. 

  16. Manfredi, S., Lepage, C., Hatem, C., Coatmeur, O., Faivre, J. and Bouvier, A. M. 2006. Epidemiology and management of liver metastases from colorectal cancer. Ann. Surg. 244, 254-259. 

  17. O'Brien, C. A., Pollett, A., Gallinger, S. and Dick, J. E. 2007. A human colon cancer cell capable of initiating tumour growth in immunodeficient mice. Nature 445, 106-110. 

  18. Ong, C. W., Kim, L. G., Kong, H. H., Low, L. Y., Iacopetta, B., Soong, R. and Salto-Tellez, M. 2010. CD133 expression predicts for non-response to chemotherapy in colorectal cancer. Mod. Pathol. 23, 450-457. 

  19. Reya, T., Morrison, S. J., Clarke, M. F. and Weissman, I. L. 2001. Stem cells, cancer, and cancer stem cells. Nature 414, 105-111. 

  20. Ricci-Vitiani, L., Lombardi, D. G., Pilozzi, E., Biffoni, M., Todaro, M., Peschle, C. and De Maria, R. 2007. Identification and expansion of human colon-cancer-initiating cells. Nature 445, 111-115. 

  21. Shackleton, M. 2010. Normal stem cells and cancer stem cells: similar and different. Semin. Cancer Biol. 20, 85-92. 

  22. Weiswald, L. B., Bellet, D. and Dangles-Marie, V. 2015. Spherical cancer models in tumor biology. Neoplasia 17, 1-15. 

  23. Yang, Z., Wang, Z., Fan, Y. and Zheng, Q. 2012. Expression of CD133 in SW620 colorectal cancer cells is modulated by the microenvironment. Oncol. Lett. 4, 75-79. 

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