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지방세포의 지방산, 암세포를 움직이게 한다
생명과학 한국연구재단 (2021-01-11)

서울대학교 전양숙 교수, 서지은

<서울대학교 전양숙 교수, 서지은>


암 주위 지방세포에서 분비되는 유리지방산*이 암세포의 전이를 심화시킨다는 연구결과가 나왔다. 비만이 암을 악화시키는 요인의 하나로 지목되는 가운데 암세포와 지방세포와의 상관관계에 대한 새로운 단서가 될 것으로 기대된다.
    ※ 유리지방산(Free fatty acids, FFA) : 지방세포에서 지방질 분해로 생성, 분비되는 지방산. 세포의 에너지원 또는 대사 및 성장을 위한 신호전달물질로 쓰인다. 암세포의 증식을 촉진시킨다는 연구도 이뤄지고 있다.

한국연구재단은 전양숙 교수(서울대학교) 연구팀(제1저자 서지은)이 요코하마국립대 연구팀과 함께 지방세포의 지방산이 인접한 암세포를 자극하는 암전이 유발기전을 규명했다고 밝혔다.

연구팀은 유리지방산이 암세포의 HIF-1α를 활성, 종양의 악성화를 유도할 수 있음을 보고(Communications Biology, 2020)한 데 이어 암세포에 지방산을 유입시키는 공급원이 무엇인지 알아내고자 하였다.
     ※ HIF-1α(Hypoxia-inducible factor-1α) : 상피세포인 암세포가 이동성과 침윤성을 지닌 중간엽 성격의 세포로 변하는 현상(EMT)에 관여하는 다양한 유전자의 발현을 유도하는 전사인자. HIF-1α 발현이 증가하면 예후가 나쁘다고 여러 암에서 보고됨.

암세포와 다른 세포와의 상호관계를 알아보기 위해 기존에는 다른 종류의 세포로부터 획득한 배양액을 배양 시 혼합하거나 상하로 구획이 나뉜 배양칩에 세포를 함께 배양하는 간접적인 방식으로 접근하였다. 

반면 연구팀은 지방세포와 암세포가 직접 접촉하여 자라도록 산소투과율이 높은 실리콘 소재(PDMS)를 이용, 세포가 3차원의 원형 구조를 가지며 서로 붙어 자랄 수 있는 3차원 배양칩을 제작하고 암세포와 지방세포를 적정 비율로 함께 배양함으로써 실제 생체환경과 유사한 암 미세환경을 구현해냈다.

3차원 배양칩에서 세포를 함께 배양, 지방세포에서 분비되는 지방산이 인접한 암세포의 HIF-1α를 활성화시키는 자극원임을 밝혔다.

1,700여개 구획(각 500㎛)으로 된 칩에 여러 조합의 세포를 공배양 하여 타원체(spheroids)로 자라는 세포군집의 조밀한 정도를 비교한 결과, 암세포와 지방세포를 함께 배양할시 조밀도가 30% 가량 낮아졌다. 암세포가 활발히 움직인 것이다.

실제 유리된 지방산을 화학적으로 제거한 경우 암세포의 전이능 에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.

나아가 형광표지 된 암세포를 지닌 생쥐모델의 복강(결장)에 지방산을 주입하고, 형광신호를 통해 암세포의 이동을 추적한 결과 암세포가 결장에서 간 및 두부까지 퍼져나간 것을 확인하였다. 

반면 HIF-1α를 억제하는 간섭 RNA 조각을 지방산과 함께 주입한 경우, 암세포의 이동이 절반으로 줄어들었다. 지방산에서 HIF-1α 로 이어지는 신호가 암세포의 전이능 조절에 관여함을 동물모델을 통해 검증한 것이다.

구축된 3차원 배양칩은 지방세포 외에도 여러 종류의 기질세포와 암세포간의 상호관계 규명에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 선도연구센터, 한일협력연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 생체재료 분야 국제학술지 바이오머티리얼스(Biomaterials)에  2020년 12월 29일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 서울대학교 의대 전양숙 교수>

논문명
Metastasis-on-a-chip reveals adipocyte-derived lipids trigger cancer cell migration via HIF-1a activation in cancer cells
저널명
Biomaterials
키워드

3D co-culture (3차원 공배양), Tumor microenvironment (종양미세환경), Cancer cell migration (암세포 이동), Fatty acids (지방산), HIF-1a
DOI
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120622
저  자
전양숙 교수(교신저자/서울대학교), 서지은 박사과정 (제1저자/서울대학교), 김경석 대학원생 (공저자/서울대학교), 박종완 교수 (공저자/서울대학교), 조주연 교수 (공저자/서울대학교), 장학 교수 (공저자/서울대학교병원), 준지후쿠다 교수 (Junji Fukuda/공저자/요코하마국립대), 홍기용 조교수(공저자/동국대일산병원)


1. 연구의 필요성
 ○ 암 미세환경은 암세포 및 암세포와 인접하는 다양한 기질세포들에 의해서 이루어짐. 최근 암을 악화시키는 주요원인으로 비만이 주목을 받고 있어, 기질세포들 중 암주위에 있는 지방세포(Cancer-associated adipocytes, CAAs)와 암세포와의 상관관계를 밝히는 것이 중요해짐. 
 ○ 지방세포에서 분비된 염증촉진인자 혹은 아디포카인에 의해 암세포의 성장 및 전이가 촉진된다고 밝혀지고 있으나, 암 주위의 지방세포에서 분비되는 지방산에 의한 영향에 대해서는 연구가 미진함.
 ○ 암세포와 함께 공존하여 영향을 주고받는 암세포-지방세포 상호 관계를 연구하기 위해, 기존에는 주로 트랜스웰 시스템과 세포 배양액(culture supernatant)을 주입하는 실험들을 수행하였음. 그러나  지방세포에 의한 암 미세환경을 대변하지 못한다는 한계점이 제기됨. 
 ○ 따라서 본 연구에서는 암주위의 지방세포로부터 분비되는 지방산이 암세포의 전이에 미치는 영향을 암세포-지방세포의 3차원 공배양 시스템을 이용하여 규명하였음.

2. 연구내용
 ○ 연구팀은 암세포와 지방세포를 3차원 공배양 시키기 위해, 산소 투과율이 높은 PDMS (Polydimethylsiloxane) 기반의 3차원 배양칩(3D PDMS chip)을 이용하였음. 다양한 종류의 암세포들(대장암, 전립선암, 유방암)과 Adipocyte derived stem cells(ADSCs)를 공배양하여 암 미세환경을 구축함. 그 결과 ADSC와 공배양된 암세포는 암세포 배양 그룹에 비하여 암세포의 이동이 증가하여 분산됨을 발견함.
 ○ 암세포가 3차원적으로 이동이 증가하는 것은 증가된 암세포 전이능 (metastatic potential)과 잘 일치되는 현상임을 기존의 암세포 이동 실험 (in vitro migration assays)과 분자생물학적 기법으로 규명함.  
 ○ 암 인접 지방세포에서 분비된 지방산은 암세포의 HIF-1a 발현을 증가시켜 Epithelial-mesenchymal transition(EMT)들의 발현을 유도 하였음.
 ○ Xenograft 백서모델에서 지방산을 복강 내 주입하면 암 전이가 증가 되며 이러한 증가는 HIF-1a에 의존적임을 재확인함. 
 ○ 지질프로파일링(Lipid profiling)을 통해 암세포-ADSCs 공배양시, 분비가 증가되는 지방산들(팔미트산, 스테아르산, 올레산, 리놀레산)을 규명함.

3. 기대효과
 ○ 본 연구는 Metastasis-on-a-chip을 이용하여 암 미세환경을 구현할 수 있는 in vitro 모델로서 3차원 PDMS 칩을 제시함. 지방세포뿐만 아니라 다양한 이종세포들의 공배양을 통해 이종세포 간의  상호관계를 밝히는데 활용이 가능함. 
 ○ 암 인접 지방세포로부터 분비된 지방산이 직접 암세포에 작용하여 전이를 촉진시키는 분자기작을 규명함으로서, 암 전이 억제를 위한 새로운 표적으로서의 지방산–HIF-1 alpha 신호전달 경로를 제시함.

지방산-저산소유도인자 신호전달 체계 개념도 및 3차원 암미세환경 모델

(그림1) 지방산-저산소유도인자 신호전달 체계 개념도 및 3차원 암미세환경 모델
PDMS 기반 3차원 배양칩을 이용하여, 암세포(붉은색)와 지방세포(노란색)가 인접해 있는 종양미세환경을 구축하였음. 이 시스템을 통해 종양인접 지방세포가 암세포에 지방산을 제공하여 암세포의 전이능을 증가시키는 지방산-저산소적응 유도인자 경로를 밝힘. 
출처 : 서울대학교 전양숙/서지은

지방세포에 의한 암세포 이동현상

(그림 2) 지방세포에 의한 암세포 이동현상
다양한 암세포(대장암, 전립선암, 유방암 세포주)를 지방세포와 함께 3차원 PDMS 칩에서 공배양(그림 가운데 및 오른쪽)하면, 암세포만 단일배양한 경우(그림 왼쪽)와 달리 암세포들이 이동하여 퍼져버리는 현상이 나타남.
출처 : 서울대학교 전양숙/서지은

 

연구 이야기

<작성 : 서울대학교 의대 전양숙 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2017년 연구년 겸 안식년을 맞아 일본 요코하마 국립대학에서 1년을 지냈다. 친구인 요코하마국립대 와타나베 교수의 소개로 후쿠다 교수팀을 만나게 되어 PDMS를 이용한 3차원 세포배양법을 배웠음. 약 25년간 HIF-1 alpha를 통한 세포의 저산소적응 기전을 연구해왔던 터라, 3차원 배양은 암 미세환경을 연구할 수 있는 좋은 시스템이라 생각되었다. 특히 “Metastasis-on-a-chip”시스템은 2차원적 세포배양과 동물/임상시험과의 중간단계를 대변할 수 있는 좋은 시스템이 될 수 있으리라 생각하여, 귀국 후에 3차원 공배양 시스템을 이용하여 암 미세환경에 대한 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

박사과정인 서지은 학생도 서울의대 BK-Plus의 파견연구 지원을 받아 함께 요코하마 대학에서 칩 제작을 직접 배웠다. 이후에도 연구재단의 국제공동연구 지원을 받아서 한 달에 한 번씩 후쿠다 교수팀이 본 연구실을 방문하여 공동 세미나를 개최하였다. 지속적이고 빈번한 교류를 통해 연구진행이 더욱 빨랐고 좋은 결과를 얻어, 이 시스템을 이용하여 세 편의 좋은 논문들을 완성할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

3차원 공배양 시스템을 만들기 위해서는 고가의 장비가 필요하다. 현재 연구실에는 장비를 살 수 있는 연구비가 없어 일본에 가서 직접 만들거나 일본 팀에 부탁을 하여 방문 시에 공급을 받고 있다. 특히 플레이트 모듈을 만들기 위해서 대학생과 대학원생들 틈에 끼여서 함께 농담도 하고 밥도 사주면서 학생들이 사용하지 않는 시간들을 이용하여 만들며 지냈던 시간들이 즐거운 추억으로 남아 있다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

암세포와 지방세포가 직접적으로 인접하고 있는 생체유사도가 높은 스페로이드를 만들고, 이를 이용하여 암세포를 악성화시키는 암미세환경을 밝혔으며, 특히 암인접 지방세포에서 분비한 유리지방산에 의한 암전이 기전을 밝혔다는 것이 성과임. 이러한 연결고리를 끊기 위한 주요 타겟으로 지방산에 의한 HIF-1alpha 활성 관계를 제시하였으며, 이 신호전달 과정은 암전이를 억제할 수 있는 이론적 근거가 될 수 있을 것으로 사료됨.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

생체유사도가 높은 암조직을 in vitro에서 만들 수 있으므로 항암제 스크리닝과 작용 기작 연구에 이용할 수 있음. 기존의 단일 세포 또는 2차원 상에서 이뤄지던 in vitro 스크리닝은 동물실험이나 임상시험의 결과를 대변할 수 없다는 문제점이 제기되어 왔음. 또한, scaffold 구조물 등을 이용한 기존의 3차원 배양법들은 스페로이드를 수집하기가 어렵기 때문에, 차후의 분자생물학적 방법(형광면역법, 웨스턴블랏, RT-qPCR 등)을 이용한 신호 기작 연구의 큰 방해되었음. 본 연구에서 이용한 PDMS 칩은 non-scaffold 유형의 배양법이며 세포살포와 동시에 빠르게 3차원 구조물이 형성됨. 따라서 PDMS칩에서 배양한 3차원 종양구조물에 항암제를 처리한다면 종양의 생리학적 현상뿐만 아니라, 항암제의 작용 기작 연구까지 가능하다는 장점이 있음. 그러나 항암제 스크리닝은 다양한 조건에서 동시에 실험을 할 수 있는 규모가 필요함. 한 실험 조건에서 가능한 많은 스페로이드의 현상을 관찰하고 그 이후의 분자생물학적 분석을 위해 이번 연구에서는 60㎟ 플레이트에, 약 1700개의 웰(well)을 가지고 있는 것을 이용하였음 (즉, 1700개의 세포-세포 응집체 가 형성). 기존 항암제 스크리닝에서 이용되고 있는 시판의 96웰(well) 사이즈의 PDMS 칩도 제작이 가능하기 때문에, 3차원 PDMS 칩을 이용한 항암제 스크리닝도 가능하다고 사료됨.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

3차원적 공배양 기법을 이용하여 다양한 세포들과 암세포들로 이루어진 암조직을 in vitro에서 구현하여 암미세환경에 미치는 세포 간의 영향을 밝히고 그 분자기전을 밝히는 것임. 나아가 이 시스템을 이용하여 항암제 개발의 새로운 표적을 발굴하고 암전이를 예방할 수 있는 이론적 근거를 제시하고자 함.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

일본 공동연구팀이 방문하여 한일 공동 세미나를 개최하였고 이를 바탕으로 미국  UCSD 교수이자 NASA팀의 책임연구원인 Hargens 교수를 함께 초빙하여 서울의대 허혈/저산소 질환연구소와 공동으로 “From Bench to Space” 라는 타이틀로 국제심포지움을 개최하였다. Hargens 교수는 작년 NASA팀이 Science 에 발표한 TWIN study에 지대한 공헌을 하신 분이다. 이 국제심포지움을 통해서 지구와 우주에서의 생명현상의 차이와 저산소 적응에 대한 차이를 이해할 수 있어 저산소연구의 지평을 확장한 참으로 흥분된 기회를 가질 수 있었다. 이러한 모든 연구들이 연구재단의 지원이 없었다면 불가능하다는 것을 잘 인식하고 있기에 지면을 빌려 감사드리며, 아울러 기초의학에 대한 국가의 연구비 지원이 더욱 확장되기를 열망하며 글을 마치고자 합니다.

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