고분자 하이드로젤을 이용한 인공 종양 모델 개발 기술
Date 2017-04-01 17:12:42 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 1,923
박경민
교수
인천대학교 생명공학부
kmpark@inu.ac.kr

1. 종양 진단·치료 기술 개발을 위한 종양 모델의 국내외 연구동향


암은 전 세계적으로 심혈관계 질환에 이어 주요 사망원인으로 여겨지고 있다. 최근의학 과학 기술의 엄청난 발전에도 불구하고 효과적인 암의 조기 진단 및 치료 요법의 개발은 여전히 풀어야할 과제로 남아 있다. 매년 새로운 암 환자의 발생 사례가 급증하고 있는 추세로 인해 암 진단 및 치료법 개발을 위한 연구의 시급함과 중요성이 더욱 강조되고 있는 실정이다. 실제로, 미국에서만 약 14.5만 명의 암 환자가 존재하는 것으로 알려져 있으며, 2014년도 기준으로 그중 약 58만여 명이 암으로 사망한 것으로 조사되었다[1]. 세계적으로 암으로 사망자 수는 2012년 82만 명에서 2035년에는 약 1,460만 명으로 크게 증가할 것으로 예측되고 있다. 인구의 증가와 고령화로 인하여 암 환자의 수는 더욱 증가할 것으로 예측되며, 효과적인 암 진단 및 치료를 위한 사회경제적 부담이 더욱 증가할 것으로 예상된다[2]. 오늘날까지 암의 조기 발견 및 치료를 위해 다양한 진단·치료 기술들이 개발되어 있지만, 현재까지의 기술은 암 진단 후 생존율은 향상시키고 있으나 여러 가지 부작용과 더불어 근본적인 종양 치료에는 한계점을 보이고 있는 실정이다. 따라서 보다 효과적인 항암 요법을 위해서는 새로운 약물 및 환자 맞춤형 치료법을 개발할 수 있는 혁신적인 플랫폼 개발이 필수적으로 여겨지고 있다. 최근 암 연구의 새로운 패러다임은 광범위한 암 환자의 효과적인 치료를 위해 임상 시험을 정확하게 예측할 수 있는 전임상 모델을 개발하는 것이다. 전임상모델을 이용한 새로운 암 치료법의 개발은 환자 맞춤형 치료법 개발로 인해 부작용의 최소화는 물론 치료 효율 극대화를 통한 환자의 편의와 치료 비용의 절감을 도모할 수 있다.
전임상 모델 개발에서의 가장 보편적인 접근 방법 중 하나는 복잡한 인체 내 종양미세 환경(tumor microenvironments)을 모사하는 방법이다. 최근 보고된 연구 결과에 따르면 종양 미세 환경은 종양의 증식, 발전, 전이에 중요한 역할을 하며, 이로 인해 환자에게 좋지 않은 임상 결과를 나타내고 있다고 알려져 있다[3]. 특히, 종양 세포 외 기질(tumor xtracellular matrix), 기계적 강도, 산소·영양분의 구배, 비정상 신생 혈관 등은 종양의 발생과 전이 과정에서 중요한 인자로 알려져 있다[4, 5]. 종양 세포 외 기질에서 일어나는 일련의 과정들은 아직 정확하게 규명되어 있지는 않지만, 앞서 거론된 종양 미세 환경의 물리·화학·생물학적 특성은 암 환자에 있어 종양의 발전이나 전이 잠재력을 예측할 수 있는 가장 중요한 예측 인자로 인식되고 있다. 더욱 중요한 것은 이러한 과정에 대한 메커니즘 규명과 암 전이 과정의 이해를 통해 새로운 종양 진단 및 치료 기술을 개발할 수 있다는 것이다.
기존의 암 연구를 위한 초기 전임상 모델은 2차원 암세포 배양에 의해 이루어지고 있었다. 하지만, 이러한 전통적인 배양 방법으로는 실제 체내에 존재하는 복잡한 종양 미세 환경을 정확히 모사하는데 그 한계를 드러내고 있다. 실제로, 체내 종양 미세환경에서의 세포 거동은 화학적 신호(chemotactic signaling), 세포-세포(cell-to-cell) 혹은 세포-매트릭스(cell-to-matrix)의 상호작용에 의해 조절되며 이러한 요소들은 종양의 진행 및 전이에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다[3]. 기존 2차원 배양 시스템은 기본 종양 생물학에 있어 중요한 지표를 제공할 수 있지만, 이러한 방법으로는 복잡한 체내 미세 환경을 정확히 모사하지 못하고 정확한 임상 결과를 예측할 수 없는 한계점을 보이고 있다. 따라서, 최근 암 연구는 3차원 체내 종양 미세 환경을 보다 정확하게 모방할 수 있는 전임상 모델을 개발하여 암의 진행이나 전이 관련 메커니즘을 규명하고 이를 활용한 새로운 종양 진단·치료 기술을 개발하는데 중점을 두고 있다(그림 1).

 

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그림 1. 인체 내 종양 미세환경 모사를 통한 인공 종양 모델 개념도 (출처: (6))

 

고분자 하이드로젤(polymeric hydrogels)은 다량의 수분을 함유할 수 있는 친수성 고분자 네트워크 구조를 가지고있으며, 생체 미세 환경과의 구조적 유사성을 기반으로 3차원 인공 종양 미세 환경을 제공하기 위한 물질로 널리 사용되고 있다. 고분자 하이드로젤은 천연(natural), 합성(synthetic) 및 반합성(semi-synthetic) 고분자를 이용하여 다양한 물리·화학적 가교 방법을 통해 제조되며, 우수한 생체적합성은 물론 3차원 매트릭스의 물리·화학적 성질을 쉽게 조절할 수 있어 약물 전달 시스템과 조직재생의학과 같은 생의학적 응용에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 고분자 하이드로젤 물질은 3차원 인공 종양 모델로도 널리 활용되고 있으며, 이를 이용하여 기초 종양 생물학 연구와 신약 물질의 스크리닝 및 효능 검증을 통해 보다 효과적인 종양 진단·치료법을 개발할 수 있는 전임상 모델로 활용되고 있다[7-9]. 최근, 많은 연구자들은 고분자 하이드로젤 소재를 3D 바이오 프린팅 기술 혹은 마이크로/나노 제조 공정 기술과 접목하여 보다 진보된 형태의 전임상 모델을 개발하는데 노력을 기울이고 있다.

 

2. 고분자 하이드로젤을 이용한 인공 종양 모델


고분자 하이드로젤은 다양한 물리적 화학적 가교 방법을 통해 형성된 친수성 고분자 네트워크로 구성되며 궁극적으로 체내 세포 외 기질을 모사하는 3차원 구조적 지지체를 제공한다[10, 11]. 고분자 하이드로젤의 물리·화학적 특성(예: 기계적 강도, 함수율, 분해 거동, 3차원 구조, 생체활성 등)은 다양하게 조절될 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한,하이드로젤은 3차원 세포 성장에 중요한 역할을 하는 세포 활성 인자(예: 세포 부착 펩타이드, 단백질 분해성 펩타이드 등)을 포함하여 궁극적으로 3차원 세포 성장을 지지하는 인공 미세 환경을 제공할 수 있다. 이러한 고분자 하이드로젤은 조직 재생 및 치료 의학을 위한 성체 세포나 줄기세포의 배양 뿐만 아니라 최근에는 3차원 인공 종양 모델을 위한 종양 세포나 조직을 담지 할 수 있는 3차원 세포 배양 템플레이트로 활용되고 있다. 전 세계적으로 많은 연구자들이 고분자 하이드로젤을 이용하여 임상 결과를 보다 정확하게 예측할 수 있는 개선된 종양 전임상 모델 개발을 시작하고 있는 실정이다. 이 장에서는 고분자 하이드로젤을 이용한 3차원 인공 종양 모델의 설계 및 제조 방법을 설명하고 이를 활용한 암 연구에 대해 설명하고자 한다. 특히, 가장 최근에 보고된 고분자 하이드로젤을 이용한 전임상 종양 모델을 논의할 것이다.
콜라겐은 우리 인체에서 가장 풍부한 삼중 나선형 단백질이다[12]. 체내 종양 미세 환경에서 콜라겐은 암 세포의 부착이나 이동을 촉진하여 암의 발전과 전이에 결정적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 연구 결과에 따르면, 종양 조직에서의 콜라겐 변형이나 세포 외 기질 리모델링은 암 세포의 침투나 전이를 향상시키는 중추적인 역할을 하는 것으로 보고되어 있다[13, 14]. 따라서 콜라겐 기반의 하이드로젤은 암 연구를 위한 3차원 인공 종양 세포 외 기질로 가장 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 미국 보스턴 대학의 Grinstaff 교수 연구팀은 콜라겐 하이드로젤을 이용하여 3차원 인공 종양 모델을 개발하였으며, 이를 이용하여 하이드로젤의 기계적 강도에 따른 골육종 세포(osteosarcoma, U2OS)와 유방암 세포(Breast cancer cells, MDA-MB-231)의 형상 변화와 항암 약물에 대한 저항성을 평가하는 연구를 수행하였다[7]. 흥미롭게도, 유방암 세포의 경우에는 기계적 강도가 낮은 하이드로젤(10 kPa)에서 더 큰 암세포 응집체가 관찰되었으며, 골육종 세포의 경우 단단한 하이드로젤(200 kPa)에서 더 큰 응집체가 관찰되는 것을 확인하였다. 이 연구 결과는 서로 다른 종양 세포의 증식을 향상시키기 위한 특정 기계적 환경이 있음을 입증하고 있다. 또한, Grinstaff 교수 연구팀은 콜라겐 기반 전임상 모델을 이용하여 나노 사이즈의 약물 전달체의 사용이 항암제 전달 효과에 어떠한 영향을 미치는지를 입증하는 연구를 수행하였다. 3차원 종양 조직에 널리 사용되고 있는 항암제인 파클리탁셀 (paclitaxel, PTX)를 나노입자에 담지하여 나노 입자를 사용하지 않은 실험군과 항암효과를 비교하는 실험을 진행하였다. 실험 결과, 나노입자를 사용한 경우 대조군에 비하여 암세포의 증식을 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다.
Grinstaff 교수 연구팀은 3차원 생체 모방 종양 모델을 이용하여 종양의 유형에 따라 매트릭스의 특정 기계적 강도가 암세포의 성장에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈으며, 개발된 전임상 모델을 활용하여 약물의 전달 기술의 유효성을 평가하는 기술로 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
폴리에틸렌글라이콜(poly(ethylene glycol), PEG) 기반 하이드로젤은 우수한 생체적합성과 쉽게 물리·화학적 특성조절이 가능한 장점으로 인해 조직 재생의학 및 질병 모델링에 널리 활용되고 있는 합성 고분자 매트릭스이다. 다양한 형태의 PEG 기반 하이드로젤은 일반적으로 생체 불활성으로 알려져 있으며, 3차원 세포 성장을 위해 세포 부착 단백질 및 단백질 분해성 펩타이드와 같은 세포 활성 물질과 함께 3차원 인공 세포 외 기질로 사용되고 있다. 예로 들면, 미국 Duke 대학의 West 교수 연구팀은 PEG 기반의 하이드로젤을 이용하여 매트릭스의 기계적 강도(21-55 kPa)와 세포 부착 리간드의 농도(1-7 mmol/L)가 폐 종양 세포의 성장 및 형태 변화에 미치는 영향을 연구하였다[15]. 연구팀은 세포 부착 펩타이드(Arg-Gly-Asp, RGD)와 단백질 분해 펩타이드(GGGPQGIWGQGK)를 이용하여 PEG 기반의 광가교형 인공 세포 외 기질을 합성하였다. West 연구팀은 매트릭스의 기계적 강도와 세포 부착 리간드의 농도에 따라 폐암 세포의 상피 형태 형성에 유의한 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 합성 고분자 기반의 인공 종양 모델을 활용하여 기초 종양 생물학 연구를 통해 새로운 암 진단 및 치료기술을 개발할 수 있는 가능성을 제시하였다.
본 연구팀에서는 젤라틴 기반의 반합성 고분자 하이드로젤(semi-synthetic hydrogels)을 이용한 하이폭시아(저산소증) 유도 3차원 인공 종양 모델을 개발하였다[16, 17]. 하이폭시아는 종양 조직의 무분별한 세포 증식으로 발생하여 하이폭시아 유도 인자(hypoxia inducible factors, HIFs)를 활성화시키게 된다. 이러한 HIFs 단백질은 종양의 증식, 침투, 종양 세포 외 기질의 리모델링, 종양 신생혈관 유도 등 종양의 발전과 전이에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하이드로젤 형성 시 산소 소모 반응을 이용하여 하이폭시아 유도 고분자 하이드로젤을 합성하였으며, 하이드로젤 형성 시 종양 세포 혹은 조직을 담지 하여 산소 농도 조절 가능 3차원 인공 종양 모델을 개발하였다. 또한, 이를 이용하여 산소 농도가 종양 조직의 이동, 침투, 세포 외 기질의 변화에 미치는 영향을 연구하였으며, 항암제 후보군의 유효성 평가하는 플랫폼으로 이용하였다. 연구 결과, 하이폭시아 유도 조건(산소 분압 < 5%)에서 종양 조직의 이동과 침투가 대조군(산소 분압 > 5%)에 비하여 활발한 것을 확인하였으며, 종양 세포의 콜라겐 생성이 향상된 것을 확인하였다. 또한, 콜라겐 변형을 억제하는 항암 후보 물질인 minoxidil의 항암 유효성을 확인하였다. 본 연구결과는 종양의 발전과 전이에 산소의 농도가 매우 중요한 역할을 하며, 보다 더 정교하게 체내 종양 미세 환경을 모사할 수 있는 진보된 인공 종양 모델로 향후 하이폭시아 관련 기초 종양학 연구뿐만 아니라 신약 후보물질의 유효성을 평가할 수 있는 차세대 플랫폼으로서의 가능성을 제시해 주었다.

 

3. 마이크로 제조 및 3D 바이오 프린팅 기술을 활용한 차세대 인공 종양 모델


최근에는 고분자 하이드로젤과 3D 바이오 프린팅 기술과 나노/마이크로 미세 제조 공정 기술을 활용하여 보다 체내종양 환경을 정교하게 모사할 수 있는 전임상 모델들이 개발되고 있다(그림 2).

 

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그림 2. 암 연구를 위한 최근 인공 종양 모델 개발 동향. (a) 마이크로 제조 기술, (b) 3D 바이오 프린 팅 활용 기술 (출처: (18; 19))


미국 보스턴 대학의 Chen 교수 연구팀은 PEG 기반 하이드로젤과 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 관류 가능한 혈관 네트워크를 제조하였으며, 이를 활용하여 종양 세포의 이동에 관한 연구를 진행하였다[20, 21]. 특히 혈관의 직경 크기가 종양세포의 이동에 미치는 영향을 연구하였으며, 그 결과 혈관의 직경이 작아질수록 종양세포의 이동이 빨라지는 것을 확인하였다. 이 연구 결과는 실제 체내의 혈관 직경이 종양세포의 이동 속도에 중요한 영향을 미친다는 것을 설명하고 있다.
미국 MIT의 Kamm 교수 연구팀은 마이크로 유체 칩을 이용하여 유방암의 뼈 조직으로의 전이 특이성을 연구하였다. 연구팀은 마이크로 스케일 플랫폼을 이용하여 인간 골 분화 된 골수 유래 줄기세포(human osteo-differentiated bone marrow-derived stem cells)와 혈관 내피세포(endothelial cells, ECs)를 이용하여 혈관 유사체를 포함하는 3차원 골조직체 공배양 시스템을 제작하였다[18]. 이를 이용하여 유방암 세포가 인공혈관체를 통해 뼈조직으로 전이되는 과정을 분석하였으며, 그 원인을 분석하였다. 흥미롭게도, 유방암 세포의 뼈조직으로의 침투가 77.5%로 대조군(콜라겐 하이드로젤)에 비하여 높은 것으로 확인되었으며 그 이유는 종양 세포 리셉터 CXCR2와 뼈 유래 케모카인 CXXL5의 향상된 상호작용에 의한 것으로 밝혀졌다. 또한, 인공 뼈조직에서 배양된 종양세포가 콜라겐 하이드로젤(대조군)에 배양된 암 세포에 비하여 증식 속도와 세포 응집체 형성 속도가 더 빠른 것으로 관찰되었다. 이 결과는 세포와 매트릭스의 상호 작용이 종양 세포의 활성과 침투에 중요한 역할을 한다는 것을 설명하고 있다.

 

4. 결론과 앞으로의 전망


다양한 고분자 하이드로젤 소재가 암 연구를 위한 3차원 인공 종양 모델로 이용되고 있다. 이러한 고분자 소재는 종양세포의 3차원 배양을 위한 지지체를 제공할 뿐 아니라 체내 종양 미세 환경이 가지고 있는 물리·화학·생물학적 특징을 모사할 수 있는 플랫폼으로 응용되고 있다. 보다 정교하게 체내 종양 환경을 모사하기 위해 간단한 3차원 세포 담지 기술부터 공배양 시스템, 마이크로 미세 제조 공정 기술 및 바이오 프린팅 기술에 이르기까지 다양한 유형의 인공종양 모델이 현재 개발되고 있다. 이러한 최신 기술은 보다 나은 종양 생물학의 이해와 이를 통한 차세대 암 진단·치료법 개발에 활용될 수 있는 플랫폼을 제공해 줄 것으로 기대된다. 향후 보다 더 정교한 종양 모델 개발을 위해 종양 미세 환경의 이종성을 보다 더 이해하고 이를 반영한 다중 세포 모델의 개발이 필요할 것으로 예상된다. 이를 통해 보다 더 정교한 암 진단 및 환자 맞춤형 치료법의 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

 

참고문헌
1. Arteaga CL, Adamson PC, Engelman JA, Foti M, Gaynor RB, et al. 2014. AACR Cancer Progress Report 2014. Clin Cancer Res20:S1-S112
2. Yabroff KR, Lund J, Kepka D, Mariotto A. 2011. Economic burden of cancer in the United States: estimates, projections, and future research. Cancer epidemiology, biomarkers & prevention : a publication of the American Association for Cancer Research,cosponsored by the American Society of Preventive Oncology 20:2006-14
3. Quail DF, Joyce JA. 2013. Microenvironmental regulation of tumor progression and metastasis. Nature medicine 19:1423-37
4. Keith B, Johnson RS, Simon MC. 2012. HIF1alpha and HIF2alpha: sibling rivalry in hypoxic tumour growth and progression. Nature reviews. Cancer 12:9-22
5. Weis SM, Cheresh DA. 2011. Tumor angiogenesis: molecular pathways and therapeutic targets. Nature medicine 17:1359-70
6. Gu L, Mooney DJ. 2016. Biomaterials and emerging anticancer therapeutics: engineering the microenvironment. Nature reviews.Cancer 16:56-66
7. Charoen KM, Fallica B, Colson YL, Zaman MH, Grinstaff MW. 2014. Embedded multicellular spheroids as a biomimetic 3D cancer model for evaluating drug and drug-device combinations. Biomaterials 35:2264-71
8. Shen YI, Abaci HE, Krupsi Y, Weng LC, Burdick JA, Gerecht S. 2014. Hyaluronic acid hydrogel stiffness and oxygen tension affect cancer cell fate and endothelial sprouting. Biomaterials science 2:655-65
9. Tokuda EY, Leight JL, Anseth KS. 2014. Modulation of matrix elasticity with PEG hydrogels to study melanoma drug responsiveness. Biomaterials 35:4310-8
10. Seliktar D. 2012. Designing cell-compatible hydrogels for biomedical applications. Science 336:1124-8
11. Rice JJ, Martino MM, De Laporte L, Tortelli F, Briquez PS, Hubbell JA. 2013. Engineering the regenerative microenvironment with biomaterials. Advanced healthcare materials 2:57-71
12. Kadler KE, Baldock C, Bella J, Boot-Handford RP. 2007. Collagens at a glance. J Cell Sci 120:1955-8
13. Gilkes DM, Chaturvedi P, Bajpai S, Wong CC, Wei H, et al. 2013. Collagen prolyl hydroxylases are essential for breast cancer metastasis. Cancer research 73:3285-96
14. Seewaldt V. 2014. ECM stiffness paves the way for tumor cells. Nature medicine 20:332-3
15. Gill BJ, Gibbons DL, Roudsari LC, Saik JE, Rizvi ZH, et al. 2012. A synthetic matrix with independently tunable biochemistry and mechanical properties to study epithelial morphogenesis and EMT in a lung adenocarcinoma model. Cancer research 72:6013-23
16. Park KM, Gerecht S. 2014. Hypoxia-inducible hydrogels. Nat Commun 5:4075
17. Lewis DM, Park KM, Tang V, Xu Y, Pak K, et al. 2016. Intratumoral oxygen gradients mediate sarcoma cell invasion. Proc Natl Acad Sci U S A 113:9292-7
18. Bersini S, Jeon JS, Dubini G, Arrigoni C, Chung S, et al. 2014. A microfluidic 3D in vitro model for specificity of breast cancer
metastasis to bone. Biomaterials 35:2454-61
19. Zhao Y, Yao R, Ouyang L, Ding H, Zhang T, et al. 2014. Three-dimensional printing of Hela cells for cervical tumor model in vitro.Biofabrication 6:035001
20. Huang TQ, Qu X, Liu J, Chen S. 2014. 3D printing of biomimetic microstructures for cancer cell migration. Biomedical microdevices 16:127-32
21. Miller JS, Stevens KR, Yang MT, Baker BM, Nguyen DH, et al. 2012. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nat Mater 11:768-74