세포외기질 강성과 암세포 전이간의 연관성에 관한 세포거동 연구

Abstract

암세포 전이(metastasis)는 암으로 인한 사망의 주요 원인이다. 그러나 현재까지 암 전이를 획기적으로 막을 수 있는 효과적인 치료법이나 치료 약물은 법은 없는 실정이다. 암 치료에 대한 기존 연구는 주로 화학이나 생물학적 관점에서 많이 이루어졌으며, 본 연구에서는 암세포와 암세포를 둘러싸고 있는 기계적인 요소에 초점을 두는 새로운 관점으로 암 전이의 메커니즘(mechanism)에 대하여 이해하고자 하였다. 이전 임상연구(clinical study)에서 보고된 바에 의하면 암세포를 둘러싸고 있는 세포외기질(extracellular matrix)의 강성(stiffness)이 세포의 특성을 변화시킬 수 있으며, 특히, 단단한 세포외기질 환경이 암전이를 더 쉽게 유발할 수 있다고 알려져 있다. 이에 따라 세포외기질의 강성변화가 암세포의 이동(migration)이나 세포 모양(morphology) 등 역학적(dynamics) 변화에 어떤 영향을 주는지 알아보는 것은 중요하다. 세포외기질의 강성과 암전이 사이에 어떤 관련이 있는지를 연구하기 위하여 다양하게 강성을 변화시킬 수 있는 폴리아크릴아마이드 젤(polyacrylamide gel)로 세포외기질을 만들고 콜라겐(collagen)으로 코팅하여 두 종류(A549, PC-3)의 암세포를 배양하였다. 세포를 관찰하기 전, 세포배양기(incubator)에서 24 시간 동안 배양 한 후 현미경을 통해 세포의 이동을 5분마다 24시간 동안 관찰하였다. 이렇게 현미경을 통하여 이미징한 결과를 통하여 세포의 이동과 모양 변화를 측정하였다. 약한 강성을 지닌 세포외기질(0.3 kPa)에서 키운 세포보다 단단한 강성을 지닌 세포외기질(19.2 kPa & 153.6 kPa)에서 키운 세포의 이동속도가 더 빠르다는 경향을 확인하였으며, 단단한 강성의 기질에서는 세포들이 뭉쳐서 군집 형태로 존재하지 않고 서로 떨어져 바닥에 넓게 퍼져있는(spreading) 형태로 있는 것을 확인하였다. 이러한 경향성은 두 종류의 세포에 모두 일관되게 나타났다. 다음으로는 암세포가 침투(invasion)한 후 주변환경이 2D에서 3D로 변경되는 점을 고려하여 3D환경에서도 세포외기질의 강성이 2D에서와 동일하게 세포에 영향을 주는지 확인하기 위하여 세포 주변에 3D로 콜라겐 기질(collagen matrix)을 형성하여 실험을 진행하였다. 관찰한 결과 3D환경에서도 2D와 같이 세포외기질의 강성이 암세포 운동 특성 및 형상에 영향을 미칠 수 있으며 전이성(metastatic) 표현형(phenotype)으로 변화를 촉진하는 역할을 하는 것을 확인하였다. 이 연구를 통해 기존의 세포를 직접 사멸시키는 항암제와 같은 독성이 있는 약물 외에도 세포외기질의 특성을 변화시키는 간접적인 방법을 통하여 암 전이를 억제 하는 수 있는 새로운 치료방법을 제안해 볼 수 있을 것이라 기대한다.; Cancer metastasis is one of the leading causes of cancer death. But so far there is no effective drugs or treatment developed to inhibit cancer metastasis. The majority of previous studies were carried out on the basis of chemistry or biology, but it remained unclear on the basis of cancer metastasis mechanism. Therefore, in this study, we tried to study about the mechanism of cancer metastasis in a mechanistic framework. Previous studies have shown that stiff extracellular matrix (ECM) may promote cancer progression and metastasis. Based on this notion, it is necessary to investigate the correlation between cellular dynamics and matrix stiffness. We cultured two types of cancer cells on collagen coated polyacrylamide gel with various stiffnesses and observed by microscope every 5 minutes for 24 hours. Mechanical factors such as cell motility and morphology were analyzed to explore the correlation between ECM stiffness and cell properties. We found that cells on stiffer ECM (19.2 kPa and 153.6 kPa) got more elongate, spread more and dispersedly, and migrated more than cells on soft ECM (0.3 kPa). In addition, when cancer metastasize, the environment surrounded may change from 2D into 3D during cancer cell invasion. In order to investigate what will happen in 3D environment, we added collagen cap to make 3D matrix. We found that in 3D ECM stiffness also could affect cellular properties like 2D. Based upon this study, we hope that it could be helpful to create a new therapeutic strategy to inhibit the cancer metastasis through extracellular matrix.