[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

생명과학 분야에서 종양 미세환경을 연구하는 데 주로 사용되는 동물 모델은 종양의 성장 및 전이 과정을 이해하는 데 기여해왔으나, 인간의 조직 및 장기 미세환경을 정밀하게 재현하기에는 한계가 존재한다. 이를 보완하고자 개발된 3차원 종양 스페로이드 배양 시스템은 종양의 입체적 구조를 모사하는 데 효과적이지만, 기존 대부분의 시스템은 폐쇄형 구조로 설계되어 있어 세포의 선택적 회수 및 유연한 조작이 어렵고, 특히 혈관 내피세포와의 동시 배양 및 상호작용 분석에는 제한이 많았다.

특히 종양은 빠른 성장과 생존을 위해 주변 혈관세포와 신호물질을 주고받으며 새로운 혈관을 유도하고, 이를 통해 산소와 영양분을 공급받는다. 이 과정은 종양의 전이뿐만 아니라 약물 내성 획득에도 깊이 관여한다. 따라서 종양과 혈관세포 간의 상호작용을 인체와 유사한 조건에서 실시간으로 관찰하고 분석할 수 있는 플랫폼의 필요성이 대두되었다.

이에 본 연구팀은 종양 스페로이드와 혈관 내피세포를 동시에 배양하고, 각 스페로이드를 독립적으로 추적 및 회수해 분자생물학적 분석까지 가능한 새로운 개방형 미세유체장치를 개발하고자 했다.

2.연구내용

연구팀은 종양 스페로이드와 혈관 내피세포 간의 정밀한 상호작용 분석을 위해 'ODSEI 칩(Open 3D Microfluidic Platform for Studying Tumor Spheroid‐Endothelial Interactions)'을 개발했다. 이 칩은 이중층 다공성막 구조로, 상부에는 종양 스페로이드가, 하부에는 혈관 내피세포가 각각 배양된다. 물리적으로는 분리된 공간이지만, 신호물질은 자유롭게 교환될 수 있는 구조로, 실제 인체 내 세포 간 상호작용을 모사할 수 있다. 또한 각 스페로이드는 개별 웰(well)에 분리되어 배양되기 때문에 서로 간의 간섭 없이 독립적인 분석이 가능하다.

이 칩은 개방형 구조로 설계되어 원하는 시점에 특정 스페로이드를 선택적으로 회수할 수 있으며, 이를 통해 종양의 진화 과정이나 약물 내성 획득 경로를 시간 흐름에 따라 추적할 수 있다. 실제 실험에서는 1,000개 이상의 종양 스페로이드를 동시에 배양하고, 타목시펜 저항성 유방암 세포주와 혈관 내피세포를 함께 배양해 상호작용을 분석했다.

연구팀은 단일세포 RNA 시퀀싱과 단백질 분석을 통해, 혈관세포가 분비하는 IL-8, TIMP-1이 암세포의 생존 신호(mTOR, NF-κB 경로 등)를 활성화해 타목시펜에 대한 내성을 유도한다는 사실을 규명했다. 또한 이들 신호물질을 중화했을 때 타목시펜에 대한 반응성이 회복되는 것을 확인함으로써 내성 극복을 위한 잠재적 표적 가능성도 입증했다.

3. 기대효과

ODSEI 칩의 가장 큰 장점은 다수의 종양 스페로이드를 혈관 내피세포와 효율적으로 배양할 수 있으며, 개방형 구조로 인해 스페로이드 및 배지 등 원하는 샘플을 쉽게 회수할 수 있다는 점이다. 이는 약물 내성 유방암 치료를 위한 새로운 표적 발굴뿐만 아니라, 환자 유래 오가노이드를 이용한 맞춤형 항암제 개발 및 효능 평가에도 활용될 수 있다.

궁극적으로 이 연구는 암세포와 주변 환경의 상호작용에 대한 이해를 높이고, 개인 맞춤형 암 치료법 개발을 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.종양 미세환경

암세포를 둘러싼 다양한 비암성 세포(혈관세포, 면역세포, 섬유아세포 등), 사이토카인, 세포외기질 등이 복잡하게 얽혀 있는 환경. 종양 미세환경은 암세포의 성장, 전이, 약물 반응에 직접적인 영향을 미친다. 이 환경에서는 암세포가 혈관세포를 자극해 새로운 혈관을 만드는 신생혈관 생성(angiogenesis)이 활발하게 일어나고, 동시에 불규칙한 혈관 구조로 인해 '산소 부족(hypoxia)' 상태도 자주 발생한다. 이러한 요인들이 암세포의 약물 내성, 침습성, 생존 능력을 강화하는 주요 원인으로 작용한다.

2.미세유체장치 (Microfluidic device)

미세유체 장치는 마이크로 채널을 통하여 소량의 유체를 처리하고 조작하는 초소형 시스템이다. 미세유체 기술은 분석 목적뿐만 아니라 장기-칩 (Organ-on-a-chip) 분야에서도 활용되며, 의료 진단, 약제 반응 연구, 바이오센서 등 다양한 활용도를 갖고 있다. 이번에 개발된 칩은 미세유체장치를 기반으로 한다.

3.종양 스페로이드 (Tumor spheroids)

종양 스페로이드는 실제 종양의 특성을 모방한 3차원 세포 집합체이다. 이 모델은 종양의 미세환경을 더 정확하게 재현하여 암 연구와 약물 스크리닝에 널리 사용된다. 종양 스페로이드는 세포 간 상호작용, 영양소 흡수 및 전달, 약물 침투 등을 연구할 수 있어 전통적인 2차원 세포 배양보다 실제 종양 행동을 더 잘 반영하는 특징이 있다.

4.타목시펜

유방암 중 호르몬 수용체 양성(ER⁺) 유형 치료에 사용되는 대표적인 호르몬 치료제. 이 유형의 암은 여성호르몬(에스트로겐)을 일종의 ‘먹이’처럼 활용해 성장하는데, 타목시펜은 암세포가 에스트로겐을 받아들이지 못하도록 수용체를 차단하는 방식으로 작용한다. 약물 내성의 발생이 주요한 임상 과제로 꼽힌다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 암세포 덩어리를 둘러싼 복합적 환경을 모방할 수 있는 ODSEI 칩의 개발. 유방암의 종양 미세환경을 모사할 수 있는 개방형 미세유체 장치를 통하여, 3차원 스페로이드와 혈관내피세포간의 상호작용 및 약물 반응성을 확인함

그림 2. ODSEI 칩에서 회수된 스페로이드 단일세포 분석을 통한 약물 내성 규명 (A) ODSEI 칩에서 암세포와 혈관내피세포를 함께 배양한 후, 특정 스페로이드를 선택적으로 회수하고 단일세포 수준으로 분리해 전사체 분석(scRNA-seq)을 수행하는 과정. (B) 분석 결과, 스페로이드 내 다양한 세포 클러스터가 확인되었으며, 일부는 저산소 상태, 전이성 특성, 내성 특성을 가진 세포군으로 구분됨. (C) 클러스터별 주요 신호경로 분석 결과, 내성 관련 경로(mTOR, NF-κB, Wnt 등)가 특정 세포군에서 활성화되어 있음.(D) 내성 특성이 강한 것으로 확인된 클러스터의 유전자 발현 패턴 비교. 혈관내피세포(HUVEC) 유무에 따라 발현 차이가 뚜렷하게 나타남. (E) 동일 클러스터에 대한 경로 분석 결과, 혈관내피세포가 존재할 때 내성과 관련된 여러 생존 신호 경로가 유의미하게 활성화됨.

그림 3. 발굴된 바이오마커(TIMP-1, IL-8)를 억제했을 때의 약물 효과 검증 (A-B) 다양한 농도의 약물 처리 조건에서의 스페로이드 생존율 분석. 혈관내피세포가 있는 경우(C+F+E), 죽은 암세포(빨간색)가 적음을 확인할 수 있다. (C) 암세포 단독, 섬유아세포와의 공동배양, 그리고 혈관내피세포까지 포함한 조건에서 스페로이드의 단백질 발현 차이를 비교 (D-E) TIMP-1과 IL-8 단백질을 선택적으로 억제했을 때, 암세포가 다시 약물에 잘 반응하는 것을 확인함.