KR20190059864A - Multicellular tumor spheroid for hepatocellular carcinoma therapy and drug screening method using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a multicellular tumor spheroid for hepatocellular carcinoma therapy and a drug screening method using the same. The multicellular tumor spheroid of the present invention makes it possible to construct a three-dimensional tumor microenvironment platform and to screen for a patient-specific hepatocellular carcinoma therapeutic agent capable of alleviating side effects caused by nonspecific drugs.

Description

간암 치료를 위한 다세포성 종양 구상체 및 이를 이용한 약물 스크리닝 방법{Multicellular tumor spheroid for hepatocellular carcinoma therapy and drug screening method using the same}[0001] The present invention relates to a multicellular tumor spheroid for the treatment of liver cancer, and a drug screening method using the same. [0002]

본 발명은 간암 치료를 위한 다세포성 종양 구상체 및 이를 이용한 약물 스크리닝 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 간암세포 및 기질세포를 특정 비율로 포함하는 다세포성 종양 구상체를 형성시키고, 이를 이용하여 환자 맞춤형 치료제를 스크리닝하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a multicellular tumor spheroid for the treatment of liver cancer and a drug screening method using the same. More particularly, the present invention relates to a method of screening a patient-customized therapeutic agent using a multicellular tumor scaffold comprising liver cancer cells and stromal cells at a specific ratio and using the same.

암은 여전히 인간의 사망의 주요 원인이며, 간세포 암 (Hepatocellular carcinoma cells; HCC)은 이들 암 중 가장 심각한 암 중 하나이다. 간세포 암의 전형적인 1차 치료는 종양의 외과적 절제를 포함하며, 2차 요법은 전이성 또는 절제 불가능한 HCC에 대한 다중 티로신 단백질 키나아제 억제제인 소라페닙을 사용하여 수행된다. 그러나 두 치료법 모두 환자 치료에 효과적이지 않은 경우가 많다. B형 및 C형 간염과 알코올 중독으로 인한 만성 감염은 신체 다른 부위 종양으로부터의 전이와 함께 간세포 암의 주요 원인이다. 절제술 후 누적 3년 재발률은 약 80%이며, 절제 후 재발하는 경우 사망률이 매우 높다. 임상적 관점에서 치료 중 환자의 임상 양상에 대한 인식은 매우 중요하다. 연구자들은 간세포 암종의 진단과 치료를 위해 표적 유전자와 약제 후보 물질을 밝혀 내려고 노력하였다. 그러나 목표 약물의 개발은 아직 예후를 크게 향상시키지 못하였다.Cancer is still the leading cause of human death, and hepatocellular carcinoma cells (HCC) is one of the most serious of these cancers. A typical primary treatment of hepatocellular carcinoma involves surgical resection of the tumor, and the secondary therapy is performed using sorafenib, a multiple tyrosine protein kinase inhibitor for metastatic or unresectable HCC. However, both therapies are often not effective in treating patients. Chronic infections due to hepatitis B and C and alcohol intoxication are the main causes of hepatocellular carcinoma with metastasis from other areas of the body. The recurrence rate after 3 years of resection is about 80%, and mortality rate is high when recurrence occurs after resection. From a clinical point of view, awareness of clinical aspects of patients during treatment is very important. The researchers sought to identify target genes and drug candidates for the diagnosis and treatment of hepatocellular carcinoma. However, the development of targeted drugs has not yet significantly improved the prognosis.

이러한 어려움은 시험관 내에서 암의 생체 조건과 관련이 있기 때문에, 본 발명자들은 관련 생물학적 맥락에서 약물을 스크리닝하는 새로운 모델을 개발하였다. 종양미세환경 (TME)은 세포 분화, 종양 형성, 전이 및 치료 효능에 중요한 생리학적 역할을 한다. 임상 종양 조건을 고려하지 않고 TME의 형성에 관한 관련 결과를 얻는 것은 어렵다. 현재 전임상 암 약물 발견을 위한 노력은 주로 2차원 (2D)의 세포 기반 검정 모델을 사용하여 이루어지고 있다. 그러나 2D 세포 기반 모델은 생체 내 유효성을 예측하지 못하여 임상 사용을 위한 신약 개발 성공률이 낮은 상황이다. 따라서 2D 분석 시스템은 결과 데이터가 번역(translation) 연구에 활용 될 수 없으므로 유용하지 않을 수 있다. 반면에, 복잡한 차원 (3D) 세포 배양 시스템은 3D 세포 컨텍스트, pH 및 산소 구배, 성장 인자의 침투 및 증식/괴사 세포의 분포와 같은 생체 내 종양의 치료학적으로 관련된 매개 변수를 보다 잘 구축하여, 이 시스템을 이용하면 보다 효과적인 시뮬레이션이 가능하다. 특히 3D 배양 시스템에서 간세포는 2D 배양 시스템과 비교하여 알부민 및 요소 합성, 담즙 분비 및 세포 분극을 포함한 수많은 간 기능을 보다 잘 수행한다. 2D 시스템과 비교하여 3D 세포 배양에서의 장점은, 3D 시스템의 경우 세포가 다중층을 형성하는 반면, 2D 시스템의 세포는 플라스틱 표면 위에 얇게 퍼진 단일 층을 형성한다는 것이다. 2D 모델에서 약물을 시험할 때, 약물은 단지 목표물에 도달하기 위해 세포막을 가로 질러 짧은 거리만큼 확산될 필요가 있다. 반면에, 3D 시스템에서의 상황은 생체 내 종양을 더 잘 표현하며, 약물은 여러 층의 세포로 확산되어 표적에 도달해야 하다. Because this difficulty is related to the in vivo condition of cancer in vitro, the inventors have developed a new model for drug screening in the relevant biological context. Tumor microenvironment (TME) plays an important physiological role in cell differentiation, tumorigenesis, metastasis and therapeutic efficacy. It is difficult to obtain relevant results regarding the formation of TME without considering clinical tumor conditions. Efforts to discover preclinical cancer drugs are currently being made using a two-dimensional (2D) cell-based assay model. However, 2D cell-based models do not predict in vivo efficacy and the success rate of new drug development for clinical use is low. Therefore, the 2D analysis system may not be useful because the result data can not be used for translation studies. On the other hand, complex 3D (3D) cell culture systems have better established therapeutically relevant parameters of in vivo tumors such as 3D cell context, pH and oxygen gradient, infiltration of growth factors and distribution of proliferating / necrotic cells, With this system, more effective simulation is possible. Especially in 3D culture systems, hepatocytes perform a number of liver functions better than 2D culture systems, including albumin and urea synthesis, bile secretion and cell polarization. The advantage of 3D cell culture compared to 2D systems is that in the 3D system the cells form multiple layers whereas the cells in the 2D system form a thin layer spread over the plastic surface. When testing a drug in a 2D model, the drug only needs to spread a short distance across the cell membrane to reach the target. On the other hand, situations in a 3D system are better able to express a tumor in vivo, and the drug has to spread to several layers of cells to reach the target.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다. Numerous references are referenced throughout the specification and are cited therein. The disclosure of the cited document is incorporated herein by reference in its entirety to more clearly describe the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0077549호Korean Patent Publication No. 10-2011-0077549

최근 과학자들은 종양의 생체 내 특성을 모방한 다세포 종양 구상체 (MCTS) 모델을 발표하였다. 이는 항암 연구 및 생체 내 약물 효능 예측을 위한 종양 복잡성을 재현하는 강력한 방법이 되었다.Recently, scientists have published a multicellular tumor model (MCTS) model that mimics the in vivo characteristics of tumors. This has become a powerful way to reproduce tumor complexity for anticancer studies and in vivo drug efficacy predictions.

본 발명자들은 이러한 고려 사항을 바탕으로 간암 특이적 약물 스크리닝을 위한 3D 종양 미세 환경을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 종양의 생체 내 특성 및 미세 환경을 모방하고, 다세포 HCC 약물 스크리닝을 위한 재현성 높은 MCTS 기반 고효율 스크리닝 (HTS) 시스템을 구축하고 검증해 냄으로써, 발명을 완성하게 되었다. Based on these considerations, the present inventors have made efforts to develop 3D tumor microenvironment for liver cancer-specific drug screening. As a result, the invention was completed by mimicking the in vivo characteristics and microenvironment of the tumor, constructing and verifying a highly reproducible MCTS-based high-throughput screening (HTS) system for multicellular HCC drug screening.

따라서 본 발명의 목적은 간암세포 및 기질세포를 포함하는 다세포성 종양 구상체를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a multicellular tumor spherical body comprising liver cancer cells and stromal cells.

본 발명의 다른 목적은 상기 다세포성 종양 구상체를 이용하여 간암 치료제를 스크리닝 하는 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for screening a therapeutic agent for liver cancer using the multicellular tumor globule.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 다세포성 종양 구상체; 및 고속 3차원 형광 이미지 기기를 포함하는 간암 특이적 치료제 스크리닝 플랫폼을 제공하는데 있다.Yet another object of the present invention is to provide a method for producing a tumor comprising the multicellular tumor spherical body; And a high-speed three-dimensional fluorescence imaging device.

본 발명의 또 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다. Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 하나의 관점은 간암세포 및 기질세포를 포함하는 다세포성 종양 구상체를 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide multicellular tumor spheroids comprising liver cancer cells and stromal cells.

본 발명자들은 구상체 모델 시스템에서 종양과 간질 세포 (stromal cells; 섬유아세포, 내피세포, 간성상세포 및 면역세포를 포함) 간의 상호 작용을 보고한 바 있다. 종양세포와 기질세포 사이의 상호작용은, MCTS 모델에서 세포 외 기질 분자 및 상피 간엽 전이 (EMT) 관련 단백질의 발현을 변화시킬 수 있다. 따라서 MCTS 모델은 EMT의 행동과 암세포의 생체 내 전파를 모방한다.The present inventors have reported interactions between tumors and stromal cells (including fibroblasts, endothelial cells, hepatic stellate cells and immune cells) in a spherical model system. Interaction between tumor cells and stromal cells can alter the expression of extracellular matrix molecules and epithelial mesotransfer (EMT) -related proteins in the MCTS model. Thus, the MCTS model mimics EMT behavior and in vivo propagation of cancer cells.

본 연구에서는 암세포의 배양 조건을 개선하고, MCTS 모델이 TME를 생체 내에서 밀접하게 복제했는지를 결정하기 위한 개념 증명을 제공하였다. 또한, MCTS 모델을 고효율 스크리닝 시스템에 적용하기 위해 3D 구상체 형성이 비용이 많이 들고 번거롭고 복잡한 과정이므로, 3D 구상체를 생산하는 가장 효율적인 방법을 최초로 개발하였다. 이러한 어려움에도 불구하고 본 발명자들은 HCC에 대한 가능한 약물을 성공적으로 스크리닝하기 위해 균일벽 크기 및 동일 구성의 단일 구상체를 다중 벽 플레이트를 사용하여 HCC 약물 스크리닝을 위한 재현성 높은 MCTS 기반 고효율 스크리닝 (HTS) 시스템을 구축하고 검증하였다. 따라서 MCTS 기반 HTS 시스템은 HCC 치료를 위한 신약 확인의 효율성과 신뢰성을 크게 향상시키는 항암제 스크리닝을 위한 새로운 모델을 제공한다.In this study, we improved the culture conditions of cancer cells and provided proof of concept to determine whether the MCTS model closely replicated TME in vivo. In addition, since 3D spherical body formation is a costly, cumbersome, and complex process for applying the MCTS model to a high-efficiency screening system, we have developed the most efficient method for producing 3D spherical bodies. Despite these difficulties, the present inventors have found that a single spherical body of uniform wall size and the same composition can be used as a highly reproducible MCTS-based high-throughput screening (HTS) for HCC drug screening using multi-wall plates to successfully screen possible drugs for HCC. System was built and verified. Thus, the MCTS-based HTS system provides a new model for anticancer drug screening that greatly improves the efficacy and reliability of drug identification for HCC treatment.

본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 다세포성 종양 구상체에 포함되는 간암세포: 기질세포의 세포수 비율은 49:51 내지 30:70인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the ratio of the number of liver cancer cells: stromal cells contained in the multicellular tumor globule is 49:51 to 30:70.

간암조직에 있어서 간암세포가 가장 중요한 주요구성요소이기에, 종양 구상체의 주요 구성요소도 어디까지나 간암세포가 되어야 한다고 여겨져 왔다. 그리하여 기존에 MCTS 내 간암세포: 기질세포의 비율을 7:3 정도로 구성하였고, 최대 1:1의 비율로 구성한 바 있다.Since hepatocellular carcinoma cells are the most important key components in hepatocarcinoma tissues, it has been suggested that hepatocellular carcinomas should be the main constituents of tumor cells. Thus, the ratio of hepatocellular: stromal cells in MCTS was 7: 3 and the maximum ratio was 1: 1.

더욱이 간암세포로 이루어진 구상체(Huh7 구상체)와 간질 세포를 함께 포함하는 MCTS를 배양해 보면, Huh7 구상체가 MCTS 보다 훨씬 빠른 종양 성장을 나타내기 때문에(도 11), 종양 구상체의 50% 이상을 종양 세포로 구성해야 하는 것은 당연하게 여겨져 왔다.Furthermore, when cultured MCTS containing both spherical bodies (Huh7 spheres) composed of hepatocarcinoma cells and stromal cells, Huh7 spherical bodies exhibited tumor growth much faster than MCTS (Fig. 11), and more than 50% It has been assumed that it should be composed of tumor cells.

그러나, 본 발명자들의 연구결과 간질 세포수의 비율이 50%를 초과하는 경우에 항암제에 대한 더욱 큰 저항성을 나타내는 것으로 확인되었으며, 이는 기존 예상과 다른 놀라운 결과였다.However, the inventors of the present invention have found that when the ratio of the number of epileptic cells exceeds 50%, they show greater resistance to the anticancer agent, which is surprising result.

따라서, 항암제에 대한 더욱 큰 저항성을 갖는 약물 스크리닝 모델을 제공하기 위해서는, 본 발명의 MCTS에 있어서 간암 세포수가 50% 미만, 간질 세포수가 50% 초과로 포함되어 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 간암세포: 기질세포의 세포수 비율이 49:51 내지 30:70의 범위, 가장 바람직하게는 간암세포: 기질세포의 세포수 비율이 40:60인 것이 좋다.Therefore, in order to provide a drug screening model with greater resistance to an anticancer drug, it is preferable that the MCTC of the present invention contains less than 50% of liver cancer cells and more than 50% of interstitial cell counts, more preferably, It is preferable that the ratio of cell number of cell: stromal cell is in the range of 49:51 to 30:70, and most preferably the ratio of cell number of liver cancer cell: stromal cell is 40:60.

본 발명의 MCTS에 있어서, 상기 기질세포는 간성상세포(hepatic stellate cell), 섬유아세포(fibroblast) 및 내피세포(endothelial cell)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the MCTS of the present invention, the stromal cells are characterized by comprising at least one selected from the group consisting of hepatic stellate cells, fibroblasts, and endothelial cells.

간성상세포(HSC)는 간 주위의 perisinusoidal 공간에서 발견되는 pericytes로서, 간 손상에 반응하여 발생하여 흉터 조직이 형성되는 간 섬유증과 관련된 주요 세포 유형 중의 하나이다. 간성상세포는 만성적인 간손상에 의하여 활성화되며, 안정 상태의 지방을 저장하는 세포로부터 저 장된 지방을 소실하고 세포골격단백인 α-SMA (smooth muscle α-actin)와 조면소포체가 증가하는 형태를 가지는 근섬유모세포로 활성화된 후 다량의 세포외 기질들을 생성하여 간섬유화를 진행시킬 수 있다. 간성상세포를 활성화시키고 이를 지속 시키는 데에는 다양한 수용체들 및 세포 내 신호전달체계가 작동하게 된다.Hepatic stellate cells (HSCs) are pericytes found in the perisinusoidal space around the liver and are one of the major cell types associated with hepatic fibrosis, which occurs in response to liver damage and forms scar tissue. The hepatic stellate cells are activated by chronic liver injury and lose the fat stored from the cells that store the steady state fat, and form the cytoskeletal protein α-SMA (smooth muscle α-actin) and the rough endoplasmic reticulum After activation with myofibroblasts, a large amount of extracellular matrix can be generated to promote hepatic fibrosis. Various receptors and intracellular signaling systems work to activate and sustain hepatic stellate cells.

섬유아세포는 동물 조직을 위한 스트로마인 세포외기질과 콜라겐을 합성하는 세포의 일종으로, 상처 치유에 중요한 역할을 한다. 섬유아세포는 동물의 결합 조직에서 가장 흔한 세포에 속하며, 동물 조직의 구조적 골대를 형성하고, 세포 외 기질과 사이토카인에서 발견되는 글리코프로테인, 탄성섬유, 콜라겐 및 글리코스아미노글리칸을 만드는 세포로 알려져 있다.Fibroblasts are a type of cell that synthesizes collagen and extracellular matrix, a stroma for animal tissue, and plays an important role in wound healing. Fibroblasts are known to be the most common cells in animal connective tissues, forming structural frameworks in animal tissues, producing glycoproteins, elastic fibers, collagen and glycosaminoglycans found in extracellular matrix and cytokines have.

내피세포(endothelial cells)는 혈관벽을 이루는 세포로서, 여러 가지 혈관활성 물질들(vasoactive substances)을 생성할 뿐만 아니라 이미 이렇게 생성 분비된 물질들의 기능을 조절함으로써 기본적으로는 혈액 성분의 구성에 중요한 영향을 미치고 혈관벽에 분포하고 있는 평활근 세포, 섬유질 세포 및 탄력소 (elastin) 등의 여러 세포와의 상호작용에 결정적인 역할을 하는 세포이다. 내피세포는 고정되고 변화되지 않는 단순기능을 갖고 있지 않고, 상황의 변화에 따라서 다양하게 대처할 수 있는 역동적 기능(dynamic function)을 가지고 있다.Endothelial cells are vascular wall cells that not only produce vasoactive substances but also control the function of substances that are already produced and secreted. It is a cell that plays a crucial role in the interaction with various cells such as smooth muscle cells, fibrous cells and elastin which are distributed in the blood vessel walls. Endothelial cells do not have fixed and unchanging simple functions, and they have dynamic functions that can cope with various situations.

또한, 본 발명의 다세포성 종양 구상체는 간암 줄기 세포를 더 포함할 수 있으며, 일 구현예에 따르면 간암세포, 간성상세포, 섬유아세포, 내피세포 및 간암 줄기 세포를 포함하는 것일 수 있다.In addition, the multicellular tumor spheroids of the present invention may further include liver cancer stem cells, and may include liver cancer cells, hepatic stellate cells, fibroblasts, endothelial cells, and liver cancer stem cells according to an embodiment.

줄기세포는 자신과 동일한 세포를 무제한 만들어내는 자기 재생(self-renewal) 능력과 다양한 세포로 분화(differentiation) 하는 능력을 가진 세포를 말하는데, 암 줄기세포는 줄기세포의 자기 재생 및 분화 능력에 더하여 암 시작, 전이, 재발, 항암제에 대한 저항능력을 갖춘 세포를 말한다. 암 줄기 세포는 정상 줄기세포의 유전적 및 후생학적 변화에 의해 전환되거나 분화된 세포의 역분화로 생길 수 있다.Stem cells refer to cells that have self-renewal ability and ability to differentiate into various cells to produce unlimited numbers of the same cells as themselves. In addition to the ability of stem cells to self-renew and differentiate, It refers to a cell capable of resistance to initiation, metastasis, recurrence, and anticancer drugs. Cancer stem cells can be generated by the degeneration of cells that have been transformed or differentiated by genetic and eugenic changes in normal stem cells.

간세포암은 간암 줄기세포를 기점으로 생긴다. 간 계통(hepatic lineage)에 있는 다양한 세포들이 간암 줄기세포로 재설정(reprogramming)될 수 있으며, 그 외 다른 세포들로부터도 기원할 수도 있다.Hepatocellular carcinoma originates from liver cancer stem cells. Various cells in the hepatic lineage can be reprogrammed into hepatoma stem cells and may originate from other cells.

바람직한 구현예에서, 본 발명의 다세포성 종양 구상체는 간암환자로부터 유래한 간암세포를 3차원 입체 배양하여 형성시킨 것일 수 있으며, 이와 같이 간암환자유래 일차배양 간암세포를 이용하는 경우, 환자 맞춤형 치료를 위한 3차원 종양 미세 환경 플랫폼 구축하고, 환자별 맞춤 진료지침을 제공함으로써 비특이적 약물에 의한 부작용을 경감할 수 있는 장점이 있다.In a preferred embodiment, the multicellular tumor spheroids of the present invention may be formed by three-dimensional stereochemistry of hepatocarcinoma cells derived from hepatocarcinoma patients. When such primary hepatocarcinoma-derived hepatocellular carcinoma cells are used, And to provide a guideline for personalized care for each patient, thereby reducing side effects caused by nonspecific drugs.

상기 배양은 줄기세포 배양배지를 포함하는 배지를 사용하여 간암 줄기 세포를 포함하는 환자 맞춤형 다세포성 종양 구상체를 형성시킬 수 있다. 줄기세포 배양배지는 당업계에서 통상적으로 사용하는 것을 사용할 수 있고, 예를 들어 기본배지에 배아줄기세포 유래, 태아 뇌조직 유래, 또는 인간 성인 뇌조직 유래 성장인자를 첨가하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 줄기세포 배양배지는 상업적으로 판매하는 것을 구매하여 사용할 수도 있으며, 예를 들어 Invitrogen사의 B27 supplement, Cellvento? 배지, Gibco사의 줄기세포 배양배지 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 관점은 본 발명에 따른 다세포성 종양 구상체를 이용하여 간암 치료제를 스크리닝 하는 방법을 제공하는 것이다. The culture can be performed using a medium containing stem cell culture medium to form a patient-customized multicellular tumor sphere containing liver cancer stem cells. The stem cell culture medium may be those conventionally used in the art. For example, growth factors derived from embryonic stem cells, fetal brain tissue, or human adult brain tissue may be added to the basic medium, It is not. The stem cell culture medium may also be purchased commercially, for example, B27 supplement from Invitrogen, Cellvento? Medium, a stem cell culture medium from Gibco, and the like, but the present invention is not limited thereto. Another aspect of the present invention is to provide a method for screening a therapeutic agent for liver cancer using the multicellular tumor globule according to the present invention.

본 발명의 또 다른 관점은 (a) 간암환자로부터 유래한 간암세포를 3차원 입체 배양하여 간암세포 및 기질세포를 포함하는 다세포성 종양 구상체를 형성시키는 단계; (b) 후보 물질을 상기 다세포성 종양 구상체에 처리하는 단계; 및 (c) 상기 다세포성 종양 구상체의 크기 변화를 측정하는 단계를 포함하는 환자 맞춤형 간암 치료제를 스크리닝 하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 물질 처리에 의하여 다세포성 종양 구상체의 크기가 감소하는 경우, 상기 물질은 상기 환자 맞춤형 간암 치료제로 판정된다.Another aspect of the present invention is a method for preparing a tumor cell, comprising: (a) forming a multicellular tumor spheroid comprising liver cancer cells and stromal cells by three-dimensionally culturing liver cancer cells derived from a patient suffering from a liver cancer; (b) treating the candidate substance with the multicellular tumor scaffold; And (c) measuring a change in the size of the multicellular tumor spheroid. When the size of the multicellular tumor spheroid decreases due to the treatment of the tumor, The material is judged to be the patient-customized liver cancer treatment agent.

본 발명의 스크리닝 방법은 다양한 방식으로 실시할 수 있으며, 특히 당업계에 공지된 다양한 결합 분석(binding assay)에 따라 고속(high throughput) 방식으로 실시할 수 있다.The screening method of the present invention can be carried out in various ways, and can be carried out in a high throughput manner according to various binding assays known in the art.

본 발명의 스크리닝 방법에 있어서, 상기 구상체의 크기 변화는 간암세포 또는 다른 시험물질을 검출가능한 표지(detectable label)로 레이블링하고, 고속 3차원 형광 이미지 기기, 바람직하게는 공초점(confocal) 이미지 기기를 사용하여 얻은 구상체 이미지를 분석하여 측정하는 것에 의하여 수행될 수 있다.In the screening method of the present invention, the change in the size of the spheroids is detected by labeling hepatocarcinoma cells or other test substances with a detectable label and measuring the fluorescence intensity of a high-speed three-dimensional fluorescence imaging device, preferably a confocal imaging device And analyzing and measuring the spherical image obtained by using the spherical body.

상기 검출가능한 표지(detectable label)는, 화학적 표지(예컨대, 바이오틴), 효소 표지(예컨대, 호스래디쉬 퍼옥시다아제, 알칼린 포스파타아제, 퍼옥시다아제, 루시퍼라아제, β-갈락토시다아제 및 β-글루코시다아제), 방사능 표지(예컨대, C14, I125, P32 및 S35), 형광 표지[예컨대, 쿠마린, 플루오레세인, FITC(fluoresein Isothiocyanate), 로다민 6G(rhodamine 6G), 로다민 B(rhodamine B), TAMRA(6-carboxy-tetramethyl-rhodamine), Cy-3, Cy-5, Texas Red, Alexa Fluor, DAPI(4,6-diamidino-2-phenylindole), HEX, TET, Dabsyl 및 FAM], 발광 표지, 화학발광(chemiluminescent) 표지, FRET(fluorescence resonance energy transfer) 표지 또는 금속 표지(예컨대, 금 및 은) 등을 포함하며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The detectable label may be a chemical label (e.g., biotin), an enzyme label (such as horseradish peroxidase, alkaline phosphatase, peroxidase, luciferase,? -Galactosidase and? - glucosidase), a radiolabel (e. g., C 14, I 125, P 32 and S 35), fluorescent labels [e.g., coumarin, fluorescein, FITC (fluoresein Isothiocyanate), rhodamine 6G (rhodamine 6G), Roda Rhodamine B, TAMRA, Cy-3, Cy-5, Texas Red, Alexa Fluor, DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole), HEX, TET, Dabsyl And FAM, luminescent markers, chemiluminescent markers, fluorescence resonance energy transfer (FRET) markers or metal markers (e.g., gold and silver), and the like.

본 발명의 스크리닝 방법에 의해 분석되는 상기 후보 물질은 단일 화합물 또는 화합물들의 혼합물(예컨대, 천연 추출물 또는 세포 또는 조직 배양물)이다. 후보 물질은 바람직하게는 화합물 라이브러리이다. 이러한 화합물의 라이브러리를 얻는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 합성 화합물 라이브러리는 Maybridge Chemical Co.(UK), Comgenex(USA), Brandon Associates(USA), Microsource(USA) 및 Sigma-Aldrich(USA)에서 상업적으로 구입 가능하며, 천연 화합물의 라이브러리는 Pan Laboratories(USA) 및 MycoSearch(USA)에서 상업적으로 구입 가능하다. The candidate substance analyzed by the screening method of the present invention is a single compound or a mixture of compounds (e.g., a natural extract or a cell or tissue culture). The candidate substance is preferably a compound library. Methods for obtaining libraries of such compounds are known in the art. Synthetic compound libraries are commercially available from Maybridge Chemical Co., Comgenex (USA), Brandon Associates (USA), Microsource (USA) and Sigma-Aldrich (USA) ) And MycoSearch (USA).

시험되는 후보 물질은 당업계에 공지된 다양한 조합 라이브러리 방법에 의해 얻을 수 있으며, 예를 들어, 생물학적 라이브러리, 공간 어드레서블 패러럴 고상 또는 액상 라이브러리(spatially addressable parallel solid phase or solution phase libraries), 디컨볼루션이 요구되는 합성 라이브러리 방법, "1-비드 1-화합물" 라이브러리 방법, 그리고 친화성 크로마토그래피 선별을 이용하는 합성 라이브러리 방법에 의해 얻을 수 있다. 분자 라이브러리의 합성 방법은, DeWitt et al., Proc. Natl . Acad . Sci . U.S.A . 90, 6909, 1993; Erb et al. Proc . Natl . Acad . Sci. U.S.A . 91, 11422, 1994; Zuckermann et al., J. Med . Chem . 37, 2678, 1994; Cho et al., Science 261, 1303, 1993; Carell et al., Angew . Chem . Int . Ed. Engl. 33, 2059, 1994; Carell et al., Angew . Chem . Int . Ed. Engl . 33, 2061; Gallop et al., J. Med . Chem . 37, 1233, 1994 등에 개시되어 있다.Candidate materials to be tested can be obtained by various combinatorial library methods known in the art and include, for example, biological libraries, spatially addressable parallel solid phase or solution phase libraries, 1-compound 1 " library method, and synthetic library methods using affinity chromatography screening. Methods for synthesis of molecular libraries are described in DeWitt et al., Proc. Natl . Acad . Sci . USA . 90, 6909, 1993; Erb et al. Proc . Natl . Acad . Sci. USA . 91, 11422, 1994; Zuckermann et al., J. Med . Chem . 37, 2678, 1994; Cho et al., Science 261, 1303, 1993; Carell et al., Angew . Chem . Int . Ed. Engl. 33,2059,1994; Carell et al., Angew . Chem . Int . Ed. Engl . 33, 2061; Gallop et al., J. Med . Chem . 37, 1233, 1994, and the like.

본 발명의 또 다른 관점은 상술한 본 발명에 따른 다세포성 종양 구상체; 및 고속 3차원 형광 이미지 기기를 포함하는 간암 특이적 치료제 스크리닝 장치를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention relates to the above-described multicellular tumor spherical body according to the present invention; And a high-speed three-dimensional fluorescence image device.

이와 같은 본 발명의 간암 특이적 치료제 스크리닝 장치는 in vivo와 in vitro에서 약물 효능의 불일치를 극복할 수 있는 새로운 형태의 약물 스크리닝 플랫폼을 제시하며, 이는 간암을 포함한 다양한 암종에 확대 적용 가능할 것으로 기대된다.The liver cancer-specific therapeutic screening apparatus of the present invention provides a new type of drug screening platform that can overcome discrepancy in drug efficacy in vivo and in vitro, and is expected to be applicable to various types of cancer including liver cancer .

본 발명의 다세포성 종양 구상체는 새로운 항암 약물은 물론, 새로운 종양 미세 환경 내의 치료 표적까지 제시하는 일석 이조의 효과를 얻을 수 있다. 이러한, 환자 맞춤형 치료를 위한 3차원 종양 미세 환경 플랫폼 구축은 표준화된 환자별 맞춤 진료지침을 제공함으로써 비특이적 약물에 의한 부작용을 경감 할 수 있다. The multicellular tumor spheroids of the present invention can obtain the effect of a one-to-one mutation which not only presents new therapeutic agents but also therapeutic targets in new tumor microenvironment. Such a three-dimensional tumor microenvironment platform for patient-tailored treatment can reduce side effects caused by nonspecific drugs by providing standardized patient-specific care guidelines.

도 1: 간세포 암 ( HCC ) 환자 조직의 환경을 모방한 다세포 종양 구상체 (MCTS) 모델의 확립
도 1a는 HCC 세포주 (Huh7, SNU449, PLC / PRF / 5 및 Hep3B)를 사용한 종양 구상체에 있어서, 96시간 동안 10 μM의 소라페닙에 대한 약물 감수성을 나타낸 것이다.
도 1b는 환자 조직 유래 종양 구상체에 있어서, 96시간 동안 10 μM의 소라페닙에 대한 약물 감수성을 나타낸 것이다.
도 1c는 간암 환자에서 유래한 조직 내 핵을 Hoechst 33342 염색한 후의 CD31 (녹색), p75 (황색) 및 FAP (적색) 발현의 대표적인 조직 화학적 이미지를 나타낸 것이다.
도 1d는 HCC 및 stromal 세포 (간장 성상 세포, 섬유 아세포 및 혈관 내피 세포)의 비율이 다른 구성 MCTS 모델의 10 μM 소라페닙에 대한 약물 감수성을 나타낸 것이다.
도 1e는 resazurin 분석을 사용하여 HCC 및 기질세포의 다른 조성을 가진 MCTS 모델에서 소라페닙의 지시된 농도로 처리한 후의 상이한 세포 생존 가능성을 나타낸 것이다.
도 1f는 콜라겐 코팅 플레이트에 재부착 후 HCC 및 기질세포 (HUVEC의 경우 녹색, WI38의 경우 파란색, LX2의 경우 빨간색)의 조성이 다른 MCTS 모델에서 HCC 세포 이동을 나타낸 것이다.
모든 이미지는 Operetta® High Content 검색 시스템을 사용하여 얻었고, 데이터는 3회 실험의 평균 및 표준 편차(SD)로 표시하였다(스케일 바: 200 μm).
도 2: 생체 내 종양 미세 환경을 모방하는 모델 시스템으로서의 다세포 종양 구상체 ( MCTS ) 모델
도 2a는 MCTS 모델 대 종양 구상체의 배율 변화 비율을 나타내는 유전자 발현 지도를 나타낸 것이다.
도 2b는 MCTS 모델 대 정상 간 (GSE64041)의 상향 조절된 유전자 (왼쪽 패널) 또는 하향 조절된 유전자 (오른쪽 패널)의 유전자 집합 농축 분석 플롯을 나타낸 것이다.
도 2c는 Huh7 (청색) 및 MCTS (오렌지) lysates의 고도로 풍부한 유전자에서 과장되게 나타난 분자 기능 및 생물학적 과정의 수평 막대 그래프를 나타낸 것이다.
도 3: 마우스 모델에서 인간 간세포 암종의 성장을 위한 새롭고 효과적인 도구로서의 다세포 종양 구상체 ( MCTS ) 유래 이종 이식 모델
도 3a는 누드 마우스에 Huh7.5 세포, Huh7.5 구상체 또는 MCTS를 피하 주사하여 제조한 MCTS 유래된 이종 이식 모델을 나타낸 것이다.
도 3b는 종양 크기가 2,000 mm3에 도달할 때까지 동물 체중 및 종양 체적을 주당 2회 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3c는 Huh7.5, Huh7.5 구상체, 또는 MCTS 파생 xenografts에서 hematoxylin 및 eosin- 또는 Masson의 트리크롬-염색된 종양의 대표 이미지를 나타낸 것이다. Inset은 해당 종양 샘플의 macroscopic 이미지를 나타낸 것이다(스케일 바: 100 μm).
도 3d는 Huh7.5, Huh7.5 구상체 또는 MCTS 모델 유래 이종 이식편의 종양 절편에서 CD31 및 Ki-67 발현 및 핵의 면역 형광 염색을 나타낸 것이다. Inset은 혈관을 포함하는 상세한 영역을 보여준다(스케일 바: 100 μm).
도 4: 간세포암 치료제 발견을 위한 다세포 종양 구상체 ( MCTS ) 모델 기반 phenomic screening의 개발
도 4a는 Huh7, LX2, WI38 및 인간 제대정맥 내피세포(human umbilical vail endothelial cells)와 함께 균질하게 구성된 MCTS 모델을 나타낸 것이다.
도 4b는 종양 구상체 및 MCTS 모델의 항암제 (cisplatin, 5-FU 및 doxorubicin)에 대한 약물 감수성을 나타낸 것이다.
도 4c는 MCTS 기반 검정법을 이용한 표현형 스크리닝의 검증을 나타낸 것이다. 구상체 이미지는 Operetta® High Content 영상 장비를 사용하여 96-웰 및 384- 웰 플레이트에서 얻었다. 획득된 이미지는 크기와 강도를 측정하여 분석되었다.
도 4d는 MCTS 기반 검정법을 이용한 표현형 스크리닝의 검증을 나타낸 것인데, 10 일에 low control로서 sorafenib IC50 및 high control로서 0.5% DMSO (v/v) 처리한 경우 구상체의 브라이트 필드 및 RFP-표현 이미지를 나타낸 것이다(배율: 10 배).
도 4e는 10 일에 96- 및 384-웰 플레이트에서의 Huh7 구상체의 RFP 강도를 나타낸 것이다. 모든 이미지는 Operetta® High Content 검색 시스템을 사용하여 얻었다(스케일 바: 200 μm. DMSO = 다이메틸설폭사이드; 5-FU = 5-플루오로 우라실; RFP = 적색 형광 단백질).
도 5: 히트 화합물
도 5a는 수평축을 따라 다세포 종양 구상체 차단 화합물의 약리 작용을 보여주는 막대 그래프를 나타낸 것이다. 수직축은 특정 약리학적 작용을 갖는 화합물의 수를 로그 스케일로 표현한 것이다. 파란색 막대는 특정 약리 작용 (All)을 포함한 모든 화합물의 수를 나타낸다. 빨간색 막대는 각각의 약리학적 작용에 대한 1차 스크리닝(1차)으로부터 히트로 동정된 화합물의 수를 나타낸다. 녹색 막대는 약리 작용으로 확인된 주요 히트 화합물의 수를 나타낸다(확인됨).
도 5b는 파일럿 화면 결과를 나타낸 것이다. 산점도 분석은 검증 플레이트 중 양성(적색; sorafenib IC50) 및 음성(흑색; 0.5% dimethylsulfoxide) 대조군을 보여준다. 점들은 테스트된 각각의 웰을 나타낸다.
도 5c는 파일럿 화면 결과를 나타낸 것이다. 총 4,763 개의 화합물을 10e 검증 플레이트의 농도로 스크리닝 하였다. 점들은 단일 테스트 웰을 나타낸다. 도트는 sorafenib 대조군으로부터의 히트이다. 얻어진 최적 성분 수를 이용하여 상관 계수(r2 = 0.8)를 산출하였다.
도 6: 농도에 따른 다세포 종양 구상체 ( MCTS ), 정상 간세포 및 간세포 암종 ( HCC ) 세포주의 1차 스크리닝으로 인한 히트 약물 민감도.
도 6a는 표시된 농도의 ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D 또는 digitoxigenin으로 치료한 후 MCTS 모델의 구상체 크기와 적색 형광 단백질 (RFP) 신호 강도를 나타낸 것이다.
도 6b는 ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D 또는 digitoxigenin으로 치료한 후 MCTS 모델의 RFP 신호 강도의 용량-반응 곡선을 나타낸 것이다.
도 6c는 48시간의 치료 후 2차원 (2D) 배양 조건에서 지시된 농도의 정상 간세포 (Fa2N-4) 및 Huh7 세포에 대한 5가지 히트 화합물의 독성을 나타낸 것이다.
도 6d는 ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D 또는 digitoxigenin으로 48시간 동안 처리한 후 2D 배양 조건에서 HCC 세포주 (Huh7, Hep3B, Huh6, PLC/PRF/5, SNU449 및 SNU475)의 세포 생존 능력의 용량-반응 커브를 나타낸 것이다. 모든 이미지는 Operetta® High Content 검색 시스템을 사용하여 얻었다. 데이터는 3회의 실험의 평균 및 표준 편차 (SD)로 표시하였다(스케일 바: 200 μm).
도 7: 도 7은 막대 차트에 표시된 다세포 종양 구상체 (오렌지)와 비교하여, Huh7 종양 구상체 (파란색)의 secretomes에서 현저하게 과발현된 생물학적 과정을 나타낸 것이다.
도 8: 도 8은 다세포 종양 구상체와 비교하여 Huh7 종양 구상체의 lysates에서 강화되거나 고갈된 분자 기능을 나타낸 것이다.
도 9: 도 9는 다세포 종양 구상체와 비교하여 Huh7 종양 구상체의 lysates에서 강화되거나 고갈된 생물학적 과정을 나타낸 것이다.
도 10: 도 10은 다세포 종양 구상체와 비교하여 Huh7 종양 구상체의 lysates에서 강화되거나 고갈된 생물학적 경로를 나타낸 것이다.
도 11: 도 11은 대표적인 세포 독성 화합물 및 항암제에 대한 Huh7 종양 구상체 및 다세포 종양 구상체의 약물 감수성을 나타낸 것이다. 모든 이미지는 Operetta® High Content 검색 시스템을 사용하여 얻었다(스케일 바: 200 μm).
도 12: 화합물 처리 후 구상체 크기 및 RFP 신호 강도
도 12a는 지시된 농도에서 선택된 일차 히트 (57 가지 화합물) 처리 후 구상체 크기 및 RFP 신호 강도를 나타낸 것이다.
도 12b는 도 12a의 계속.
도 12c는 도 12b의 계속
모든 이미지는 Operetta® High Content 검색 시스템을 사용하여 얻었다(스케일 바: 200 μm; RFP = 적색 형광 단백질).
도 13: 일차 HCC 세포의 특성 분석
도 13a는 단층 배양 조건에서 AMC-H1과 AMC-H2 HCC 세포의 형태를 나타낸 것이다.
도 13b는 AMC-H1과 AMC-H2 세포를 AFP, 알부민 및 HepPar-1으로 면역 염색하여 일차 HCC 세포의 세포 기원을 조사한 결과를 나타낸 것이다.
도 13c는 AMC-H1과 AMC-H2에서의 AFP 및 알부민 mRNA 발현 정도를 나타낸 것이다.
도 13d는 AMC-H1과 AMC-H2 내 EGFR, β-카드헤린, p53, PTEN, ERK 및 Akt의 발현 정도를 웨스턴 블랏을 통해 측정한 결과를 나타낸 것이다. 신호 전달 경로의 활성화는 ERK 와 Akt의 인산화 정도를 측정하여 확인했다.
도 13e는 5일간 줄기세포 permissive medium에서 AMC-H1과 AMC-H2의 spheroid 배양한 결과를 나타낸 것이다. 각각의 분자의 발현 정도는 농도 분석에 의해 정량하였다.
도 13f는 AMC-H1과 AMC-H2 세포의 CD133 면역 염색 결과를 나타낸 것이다.
도 13g는 단층 배양 조건에서 48시간동안 지정된 농도의 5-FU, 시스플라틴, 소라페닙을 처리한 AMC-H1과 AMC-H2의 투여 반응 곡선을 나타낸 것이다. 밝은 필드 이미지는 Zeiss 현미경을 사용하여 획득했다. 형광 이미지는 Operetta® High Content Screening (HCS) 시스템을 사용하여 얻고 분석하였다. 데이터는 3회 실험의 평균 ± SD로 나타내었다. 스케일 바 = 200 μm
도 14: 일차 HCC 세포로부터 얻은 종양구상체의 약물 민감성과 시간에 따른 구상체 형성능
도 14a는 표시된 시간에 AMC-H1과 AMC-H2의 종양구상체의 형성능을 나타낸 것이다. 세포는 96-well ultra-low attachment (ULA) 플레이트에 96시간동안 배양했다.
도 14b는 AMC-H1과 AMC-H2의 종양구상체에 대한 약물 민감성을 나타낸 것이다. 세포는 96-well ULA 플레이트에 3일동안 배양한 후, 표시된 농도로 7일 동안 5-FU, 시스플라틴, 소라페닙을 처리하였다. 그 후, 종양구상체를 ethidium homodimer-1 (EthD-1; 왼쪽 패널)으로 염색하고, 염색 강도를 분석하였다(오른쪽 패널). 모든 이미지는 HCS 시스템을 사용하여 얻고 분석하였다. 데이터는 3번의 실험의 평균 ± SD로 나타내었다. 스케일 바 = 200μm. *p<0.05, **p<0.005
15: 3 일차 HCC 세포의 다세포성 구상체 형성과 약물 민감성
도 15a는 생체 미세환경을 나타내는 다세포성 구상체 모델의 도식을 나타낸 것이다.
도 15b는 AMC-H1과 AMC-H2 세포의 종양구상체 및 다세포성 구상체 형태를 나타낸 것이다.
도 15c는 간 성상 세포 (HSC; LX2), 섬유아세포 (WI38), 및 내피 세포 (HUVECs)과 함께 자란 AMC-H1과 AMC-H2 MCTS 형태의 세포의 약물 민감성을 나타낸 것이다. 세포는 3일동안 96-well ULA 플레이트에서 배양한 후, 표시된 농도로 7일간 5-FU, 시스플라틴 및 소라페닙을 처리하였다. 그런 다음, MCTS는 EthD-1(상부 패널)로 염색하고, 염색 강도를 분석하였다(하부 패널).
도 15d는 표시된 약물로 처리한 종양구상체 및 다세포성 구상체로 구성된 AMC-1과 AMC-H2의 EthD-1 강도를 나타낸 것이다. 모든 이미지는 HCS 시스템을 사용하여 얻고 분석하였다. 데이터는 3번의 실험의 평균 ± SD 로 나타냈다. 스케일 바 = 200 μm *p < 0.05, **p < 0.005
도 16: 원발성 HCC 세포의 상처 치료 분석. 상처 치료 분석
도 16a는 세포가 80-90 %의 합류에 도달 한 후에 상처가 도입된 결과를 나타낸 것이다. 지시된 시간 동안 현미경 하에서 세포 이동을 모니터링 하였다. 스케일 바 = 500 μm.
도 16b는 세포 성장을 7 일 동안 모니터링하고, 대조군의 %로 나타내는 이동 속도를 정량한 결과를 나타낸 것이다.
도 17: AMC -H1 및 AMC -H2의 Karyoviews .
파란색 막대는 이득(gain)을 나타내고 빨간색 막대는 손실을 나타내고 자주색 막대는 LOH를 나타낸다.
도 18: 여러 가지 기본 HCC 세포의 특성 분석.
도 18a는 종양 회전 타원체 및 MCTS를 형성하는 다양한 원발성 HCC의 용량을 나타낸다.
도 18b는 알부민과 HepPar-1 면역 염색으로 원발성 간세포의 세포 기원을 조사한 결과를 나타낸 것이다.
도 18c는 원발성 HCC 세포에서의 AFP 및 알부민 mRNA 발현 수준을 나타낸 것이다(PDF 790kb).
도 19는 AMC-H1 및 AMC-H2에서의 HBV DNA 및 HBsAg의 정량화 결과를 나타낸 것이다(DOCX 25 kb).
도 20은 AMC-H1과 AMC-H2에서 SNP 어레이에 의해 검출 된 염색체 손실을 나타낸 것이다(DOCX 26 kb).
도 21: SNP 어레이 결과
도 21a는 AMC-H1과 AMC-H2에서 SNP 어레이에 의해 검출된 염색체 이득을 나타낸 것이다(DOCX 26 kb).
도 21b는 도 21a의 계속.
Figure 1: hepatocellular carcinoma (HCC) multicellular tumor spheroids (MCTS) that mimics the tissues of patients with established environmental model
Figure 1A shows drug susceptibility to sorapenib at 10 [mu] M for 96 hours in tumor spheres using HCC cell lines (Huh7, SNU449, PLC / PRF / 5 and Hep3B).
Figure 1B shows drug susceptibility to sorapenib at 10 [mu] M for 96 hours in tumor tissue derived from a patient tissue.
Fig. 1c shows representative histochemical images of CD31 (green), p75 (yellow) and FAP (red) expression after Hoechst 33342 staining of tissue nuclei from liver cancer patients.
Figure 1d shows drug susceptibility to 10 μM sorapenib in the constituent MCTS model in which the ratio of HCC and stromal cells (hepatic stellate cells, fibroblasts and vascular endothelial cells) is different.
Figure 1e shows the different cell viability after treatment with indicated concentrations of sorapenib in MCTS models with different compositions of HCC and stromal cells using resazurin assay.
Figure 1f shows HCC cell migration in MCTC models with different compositions of HCC and stromal cells (green for HUVEC, blue for WI38, red for LX2) after reattachment to the collagen coated plate.
All images were obtained using the Operetta® High Content search system, and the data were expressed as mean and standard deviation (SD) of three experiments (scale bar: 200 μm).
Figure 2: Multicellular tumor spheroid ( MCTS ) model as a model system to mimic the in vivo tumor microenvironment
FIG. 2A shows a gene expression map showing the magnification change ratio of MCTS model versus tumor spheroid.
Figure 2B shows a plot of gene cluster enrichment analysis of the upregulated gene (left panel) or downregulated gene (right panel) of the MCTS model versus normal liver (GSE64041).
Figure 2c shows a horizontal bar graph of molecular functions and biological processes exaggerated in a highly abundant gene of Huh7 (blue) and MCTS (orange) lysates.
Figure 3: Xenotransplantation model from multicellular tumor spheroids ( MCTS ) as a new and effective tool for the growth of human hepatocellular carcinoma in a mouse model
3A shows a xenograft model derived from MCTS prepared by subcutaneous injection of Huh7.5 cells, Huh7.5 spheroids or MCTS into nude mice.
Figure 3b shows the results of two measurements per week of animal body weight and tumor volume until the tumor size reached 2,000 mm < 3 &gt;.
Figure 3c shows a representative image of a trichrome-stained tumor of hematoxylin and eosin- or Masson in Huh7.5, Huh7.5 spheroids, or MCTS-derived xenografts. Inset is the macroscopic image of the tumor sample (scale bar: 100 μm).
Figure 3d shows the expression of CD31 and Ki-67 and immunofluorescence staining of nuclei in tumor sections of xenografts derived from Huh7.5, Huh7.5 spheroids or MCTS models. Inset shows a detailed area containing the blood vessel (scale bar: 100 μm).
Figure 4: HCC development of multicellular tumor spheroids (MCTS) model based phenomic screening for drug discovery
Figure 4a shows a MCTS model homogenously constructed with Huh7, LX2, WI38 and human umbilical vail endothelial cells.
FIG. 4B shows the drug susceptibility to tumor antigens (cisplatin, 5-FU and doxorubicin) of tumor spheroids and MCTS models.
Figure 4c shows the validation of phenotypic screening using the MCTS-based assay. Spherical images were obtained on 96-well and 384-well plates using Operetta® High Content imaging equipment. The obtained images were analyzed by measuring the size and intensity.
FIG. 4d shows the phenotype screening test using the MCTS-based assay. In the case of sorafenib IC 50 as a low control and 0.5% DMSO (v / v) as a high control at 10 days, the brightfield and RFP- (Magnification: 10 times).
Figure 4e shows RFP intensities of Huh7 spheres in 96- and 384-well plates at 10 days. All images were obtained using the Operetta® High Content search system (scale bar: 200 μm, DMSO = dimethyl sulfoxide, 5-FU = 5-fluorouracil, RFP = red fluorescent protein).
5: Heat compound
5A is a bar graph showing the pharmacological action of the multicellular tumor complex blocking compound along the horizontal axis. The vertical axis represents the logarithm of the number of compounds having a specific pharmacological action. The blue bars represent the total number of compounds, including certain pharmacological actions (All). The red bars represent the number of compounds identified by heat from the primary screening (primary) for each pharmacological action. The green bars indicate the number of major heat compounds identified by pharmacological action (identified).
FIG. 5B shows a pilot screen result. Acid scatter analysis showed positive (red; sorafenib IC 50 ) and negative (black; 0.5% dimethylsulfoxide) controls in the assay plate. Points represent each well tested.
FIG. 5C shows a pilot screen result. A total of 4,763 compounds were screened at a concentration of 10e validation plate. Points represent a single test well. Dots are a hit from the sorafenib control. The correlation coefficient (r2 = 0.8) was calculated using the obtained optimum number of components.
Figure 6: multicellular tumor spheroids (MCTS), normal liver, and hepatocellular carcinoma (HCC) heat drug sensitivity caused by the primary screening of a cell line according to the concentration.
Figure 6a shows the sphere size and red fluorescent protein (RFP) signal intensity of the MCTS model after treatment with the indicated concentrations of ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D or digitoxigenin.
Figure 6b shows the dose-response curve of the RFP signal intensity of the MCTS model after treatment with ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D or digitoxigenin.
Figure 6c shows the toxicity of five heat compounds to normal hepatocytes (Fa2N-4) and Huh7 cells at indicated concentrations in two-dimensional (2D) culture conditions after 48 hours of treatment.
6d shows the cell viability of HCC cell lines (Huh7, Hep3B, Huh6, PLC / PRF / 5, SNU449 and SNU475) under 2D culture conditions after 48 hours treatment with ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D or digitoxigenin. Reaction curve. All images were obtained using the Operetta® High Content search system. Data were expressed as mean and standard deviation (SD) of three experiments (scale bar: 200 μm).
Figure 7: Figure 7 shows the biological process that is significantly overexpressed in the secretomes of the Huh7 tumor spheroid (blue) compared to the multicellular tumor spheroids (orange) shown on the bar chart.
Figure 8: Molecular function enhanced or depleted in lysates of Huh7 tumor spheroid compared to multicellular tumor spheres.
Figure 9: Figure 9 shows the biological process enhanced or depleted in lysates of Huh7 tumor spheroid compared to multicellular tumor spheres.
Figure 10: Biological pathways enhanced or depleted in lysates of Huh7 tumor spheroid compared to multicellular tumor spheroids.
Figure 11 shows the drug susceptibility of Huh7 tumor spheroids and multicellular tumor spheroids to typical cytotoxic compounds and anticancer drugs. All images were obtained using the Operetta® High Content search system (scale bar: 200 μm).
Figure 12: Sphere size and RFP signal intensity after compound treatment
Figure 12a shows the sphere size and RFP signal intensity after treatment of the primary heat (57 compounds) selected at the indicated concentrations.
12B is a continuation of Fig.
Fig. 12C is a flowchart
All images were obtained using the Operetta® High Content search system (scale bar: 200 μm; RFP = red fluorescent protein).
Figure 13: Characterization of primary HCC cells
13A shows the morphology of AMC-H1 and AMC-H2 HCC cells under monolayer culture conditions.
FIG. 13B shows the results of examining the cell origin of primary HCC cells by immunostaining AMC-H1 and AMC-H2 cells with AFP, albumin and HepPar-1.
13C shows the AFP and albumin mRNA expression levels in AMC-H1 and AMC-H2.
FIG. 13d shows the results of Western blotting of the expression levels of EGFR, β-carderine, p53, PTEN, ERK and Akt in AMC-H1 and AMC-H2. Activation of the signaling pathway was confirmed by measuring the degree of phosphorylation of ERK and Akt.
FIG. 13E shows the spheroid culture of AMC-H1 and AMC-H2 in a stem cell permissive medium for 5 days. The degree of expression of each molecule was quantified by concentration analysis.
FIG. 13f shows the CD133 immunostaining results of AMC-H1 and AMC-H2 cells.
FIG. 13g shows the dose-response curves of AMC-H1 and AMC-H2 treated with 5-FU, cisplatin and sorapenib at a designated concentration for 48 hours under monolayer culture conditions. Bright field images were acquired using a Zeiss microscope. Fluorescence images were acquired and analyzed using the Operetta® High Content Screening (HCS) system. Data are presented as the mean ± SD of three experiments. Scale bar = 200 μm
Figure 14: Drug sensitivity of tumor spheroids obtained from primary HCC cells and time-dependent spheroid- forming ability
Figure 14a shows the ability to form tumor spheroids of AMC-H1 and AMC-H2 at the indicated time. Cells were cultured on 96-well ultra-low attachment (ULA) plates for 96 hours.
FIG. 14B shows drug sensitivity to tumor spheres of AMC-H1 and AMC-H2. Cells were cultured on 96-well ULA plates for 3 days and then treated with 5-FU, cisplatin and sorafenib for 7 days at the indicated concentrations. Tumor spheroids were then stained with ethidium homodimer-1 (EthD-1; left panel) and analyzed for staining intensity (right panel). All images were acquired and analyzed using the HCS system. Data are presented as the mean ± SD of three experiments. Scale bar = 200 μm. * p < 0.05, ** p < 0.005
Figure 15: Multicellular spheroid formation and drug sensitivity of the third day HCC cells
15A is a schematic diagram of a multicellular spherical body model showing a biological microenvironment.
Fig. 15B shows tumor morphology and multicellular spherical morphology of AMC-H1 and AMC-H2 cells.
Figure 15c shows the drug sensitivity of AMC-H1 and AMC-H2 MCTS-type cells grown with hepatic stellate cells (HSC; LX2), fibroblasts (WI38), and endothelial cells (HUVECs). Cells were cultured in 96-well ULA plates for 3 days and then treated with 5-FU, cisplatin and sorafenib for 7 days at the indicated concentrations. MCTS was then stained with EthD-1 (upper panel) and analyzed for staining intensity (bottom panel).
FIG. 15d shows the EthD-1 intensity of AMC-1 and AMC-H2 composed of the tumor-treated spheroids and multicellular spheroids treated with the indicated drugs. All images were acquired and analyzed using the HCS system. Data were expressed as the mean ± SD of three experiments. Scale bar = 200 μm * p <0.05, ** p <0.005
Figure 16: Analysis of wound healing of primary HCC cells. Wound healing analysis
Figure 16a shows the results of introducing wound after cells reached 80-90% confluence. Cell migration was monitored under the microscope for the indicated times. Scale bar = 500 μm.
FIG. 16B shows the result of quantifying the migration rate expressed as% of the control group by monitoring the cell growth for 7 days.
Figure 17: AMC -H1 and AMC -H2 Karyoviews of.
The blue bar represents the gain, the red bar represents loss, and the purple bar represents LOH.
Figure 18: Characterization of various basic HCC cells.
Figure 18A shows the capacity of various primary HCCs forming tumoral spheroids and MCTS.
FIG. 18B shows the result of examining the cell origin of primary hepatocytes by albumin and HepPar-1 immunostaining.
Figure 18c shows AFP and albumin mRNA expression levels in primary HCC cells (PDF 790 kb).
Figure 19 shows the quantification results of HBV DNA and HBsAg in AMC-H1 and AMC-H2 (DOCX 25 kb).
Figure 20 shows chromosome loss detected by SNP arrays in AMC-H1 and AMC-H2 (DOCX 26 kb).
21: SNP array results
Figure 21a shows the chromosomal gains detected by SNP arrays in AMC-H1 and AMC-H2 (DOCX 26 kb).
Fig. 21B is a continuation of Fig.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention more specifically and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

실시예Example

I. I. 실시예Example 1 One

1. 실험재료 및 방법1. Materials and Methods

세포주 및 배양 조건Cell lines and culture conditions

인간 세포주인 Huh7, Hep3B, PLC/PRF/5 및 SNU449는 한국 세포주 은행 (China Cell Line Bank)에서, 인간의 불멸화된 간세포주 세포 Fa2N-4 세포는 Xenotech (Lenexa, KS, 미국)에서 구입하였다. Huh7.5-적색 형광 단백질-(RFP)-NLS-IPS 리포터 세포주는 Marc Windisch 박사 (한국 파스퇴르 연구소)가 제공해주었다. 기질세포(stromal cells)인 WI38 (human lung fibroblast), LX2 (human hepatic stellate cell) 및 HUVECs (인간 제대 정맥 내피 세포)는 ATCC (Manassas, VA, USA), Merck Millipore (Darmstadt, Germany) 및 Lonza (바젤, 스위스)로부터 각각 구입하였다. Fa2N-4 (인간 불사화 간 세포주)는 Xenotech에서 구입하였다. 모든 세포는 5 % CO2의 가습 분위기에서 37℃로 유지되었다.Human immortalized hepatocyte stem cell Fa2N-4 cells were purchased from Xenotech (Lenexa, KS, USA) at the China Cell Line Bank, Huh7, Hep3B, PLC / PRF / 5 and SNU449. The Huh7.5-red fluorescent protein- (RFP) -NLS-IPS reporter cell line was provided by Dr. Marc Windisch (Korea Pasteur Institute). Stromal cells such as human lung fibroblast (WI38), human hepatic stellate cell (LX2) and HUVECs (human umbilical vein endothelial cells) were purchased from ATCC (Manassas, Va., USA), Merck Millipore (Darmstadt, Germany) and Lonza Basel, Switzerland). Fa2N-4 (human immortal liver cell line) was purchased from Xenotech. All cells were maintained at 37 ° C in a humidified atmosphere of 5% CO 2 .

HCC 세포주는 열-불활성화된 10% 소태아혈청 (FBS, Gibco, Grand Island, NY, USA)과 1 Х 페니실린-스트렙토 마이신 (Gibco)으로 보충된 Dulbecco 's Modified Eagle 's Medium (DMEM; Welgene, Daegu, 대한민국)에서 배양하였다. WI38 세포는 열-불활성화된 10% FBS 및 1 Х 페니실린-스트렙토 마이신이 보충 된 최소필수배지 (Welgene)에서 배양하였다. LX2 세포는 열-불활성화된 2% FBS 및 1 Х 페니실린-스트렙토 마이신으로 보충된 DMEM에서 배양하였다. HUVEC 배양을 위하여 내피 기저 배지는 PromoCells (Heidelberg, Germany)로부터 구입 하였다. Fa2N-4 세포를 콜라겐 코팅판에 도말하였다. 세포 부착 후 (약 3 ~ 6 시간), 혈청 함유 플레이팅 배지 (XenoTech)를 지지 배양 배지 (XenoTech)로 대체 하였다.HCC cell lines were cultured in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM; Welgene) supplemented with heat-inactivated 10% fetal bovine serum (FBS, Gibco, Grand Island, NY, USA) and 1 페 penicillin-streptomycin , Daegu, Korea). WI38 cells were cultured in a minimal essential medium (Welgene) supplemented with heat-inactivated 10% FBS and 1X penicillin-streptomycin. LX2 cells were cultured in DMEM supplemented with heat-inactivated 2% FBS and 1X penicillin-streptomycin. Endothelial basal medium was purchased from PromoCells (Heidelberg, Germany) for HUVEC culture. Fa2N-4 cells were plated on collagen coated plates. Serum-containing plating medium (XenoTech) was replaced with support culture medium (XenoTech) after cell attachment (about 3 to 6 hours).

간세포 암의Hepatocarcinoma 일차 배양 Primary culture

수술 직후 종양의 한 부분을 Hank's balanced salt 용액 (HBSS; Gibco)에 담그고 0℃의 수술실에서 실험실로 옮겼다. 검체를 무균 조건에서 수집하고 혈액을 제거하기 위해 칼슘과 마그네슘이 없는 HBSS로 2-3회 헹구었다. 혈액을 제거한 후, 간 샘플을 절제하고, 작은 조각으로 절단하고, 부드럽게 분산시키고 0.03%의 pronase, 0.05% IV형 콜라게나제 및 0.01% deoxyribonuclease (DNase 소췌장)를 함유하는 HBSS에 37℃에서 20분간 두었다. 생성된 현탁액을 100 μm 나일론 필터 (BD Falcon, Franklin Lakes, NJ, USA)를 통해 여과하고 50℃에서 2분간 4℃에서 원심 분리하여 간세포를 얻었다. 펠렛을 0.005% DNase를 함유하는 HBSS에서 2회 세척하였다. 최종 세포 현탁액은 20% FBS, 1% NEAA (Gibco), 1% 글루타민 및 1% P/S가 보충된 F12/DMEM (Gibco)에서 콜라겐 코팅된 T25 플라스크 (BD Falcon)를 사용하여, 가습된 5% CO2의 인큐베이터 내에서 배양하였다. 배양 후 24시간 후에 배지를 교체하여 죽은 세포와 잔해물을 제거하였다. Confluency가 70%~80%에 이르면 DMEM 배지와 F12/DMEM의 1:1 혼합물을 보충제로 사용하여 세포를 재구성하였다. 5회의 계대 후, 세포를 10% FBS 및 1% P/S가 보충된 DMEM 배지에서 성장시켰다. 합류 세포를 트립신 처리하고, 계수하고, 모든 계대에서 1:3-1:5로 나누었다. 세포주를 30계대 이상 유지한 후, 수집하여 액체 질소에 저장하였다.Immediately after surgery, a portion of the tumor was immersed in Hank's balanced salt solution (HBSS; Gibco) and transferred from the operating room to the laboratory at 0 ° C. Samples were collected under sterile conditions and rinsed 2-3 times with calcium and magnesium-free HBSS to remove blood. After removal of blood, liver samples were resected, cut into small pieces, and gently dispersed in HBSS containing 0.03% pronase, 0.05% IV collagenase, and 0.01% deoxyribonuclease (DNase small pancreas) Respectively. The resulting suspension was filtered through a 100 μm nylon filter (BD Falcon, Franklin Lakes, NJ, USA) and centrifuged at 50 ° C for 2 minutes at 4 ° C to obtain hepatocytes. The pellet was washed twice in HBSS containing 0.005% DNase. The final cell suspension was incubated in a humidified 5 &lt; RTI ID = 0.0 &gt; (5%) &lt; / RTI &gt; medium using collagen-coated T25 flasks (BD Falcon) in F12 / DMEM (Gibco) supplemented with 20% FBS, 1% NEAA (Gibco), 1% glutamine and 1% P / They were cultured in the incubator% CO 2. After 24 hours of incubation, the medium was changed to remove dead cells and debris. When confluency reached 70% to 80%, cells were reconstituted using a 1: 1 mixture of DMEM medium and F12 / DMEM as a supplement. After 5 passages, cells were grown in DMEM medium supplemented with 10% FBS and 1% P / S. The confluent cells were trypsinized, counted, and divided into 1: 3-1: 5 in all passages. The cell lines were maintained over 30 passages, collected and stored in liquid nitrogen.

윤리 승인 및 환자 동의Ethical approvals and patient agreements

본 연구는 헬싱키 선언에 따라 수행되었다. 그것은 아산 병원의 인간 연구 윤리위원회 (Human Research Ethics Committee)의 승인을 받았다. 아산 병원 의료기관 심사위원회는 ICH, KGCP, 생명 윤리 및 안전 관련 법규를 준수하였다. 연구를 위한 조직의 사용에 대한 문서로 된 동의는 종양 표본을 조달할 당시 환자로부터 얻었다.This study was conducted according to the Helsinki Declaration. It was approved by the Human Research Ethics Committee of Asan Medical Center. Asan Hospital Medical Institutions Screening Committee has complied with ICH, KGCP, bioethics and safety regulations. A written agreement on the use of the tissue for research was obtained from the patient at the time of procurement of the tumor specimen.

면역 조직 화학Immunohistochemistry

포르말린 고정되고 파라핀 임베드된 조직의 간암 조직을 AccuMax ? Array 시스템 (Petagen, Seoul, Korea)에서 분석하고, CD31 (Abcam, Cambridge, UK), p75 (Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA, USA) 및 섬유 아세포 활성화 단백질 (FAP; Abcam)의 항체 면역 염색을 위해 배열된 슬라이드를 사용하였다. 탈파라핀 및 재수화는 각각 자일렌 및 에탄올 (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)을 사용하여 수행하였고, 전처리된 슬라이드를 3% H2O2 (Sigma-Aldrich)에서 13분 동안 배양하여 내인성 퍼옥시다아제 활성을 제거하였다. 조직을 항-CD31, 항-p75 및 항-FAP와 함께 4℃에서 16시간 동안 인큐베이션하고, 인산 완충 식염수 (PBS)로 10분 동안 세척한 후, 실온에서 2시간 동안 염소 항 토끼 Alexa® Fluor 633 (Invitrogen, Eugene, OR, USA) 및 염소 항 마우스 Alexa Fluor 488 (Invitrogen) 2차 항체와 함께 배양하였다. PBS로 3번 세척 한 후, 4', 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) (Vector Laboratories, Burlingame, CA, USA)을 포함한 VECTASHIELD 장착 배지를 사용하여 coverslip을 현미경 슬라이드에 장착하였다. Operetta® 고함량 스크리닝 시스템 (Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)을 사용하여 슬라이드를 분석 하였다.Liver cancer tissues of formalin-fixed and paraffin-embedded tissues were analyzed by AccuMax? (Abacam, Cambridge, UK), p75 (Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA, USA) and fibroblast activation protein (FAP; Abcam) We used slides arranged for. Deparaffin and rehydration were performed using xylene and ethanol (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA), and the pretreated slides were incubated in 3% H 2 O 2 (Sigma-Aldrich) To remove endogenous peroxidase activity. Tissues were incubated with anti-CD31, anti-p75 and anti-FAP for 16 h at 4 째 C, washed with phosphate buffered saline (PBS) for 10 min and then incubated with goat anti rabbit Alexa Fluor 633 (Invitrogen, Eugene, OR, USA) and goat anti-mouse Alexa Fluor 488 (Invitrogen) secondary antibody. After washing three times with PBS, the coverslip was mounted on a microscope slide using a VECTASHIELD mounting medium containing 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) (Vector Laboratories, Burlingame, CA, USA). Slides were analyzed using Operetta® high-content screening system (Perkin Elmer, Waltham, Mass., USA).

종양 tumor 구상체Spherical body (spheroids) 및 약물 치료법의 생성(spheroids) and the creation of medications

종양의 구상체와 다세포 종양의 구상체를 생성하기 위해 완전 배지에 현탁된 세포를 384 또는 96-well 둥근 바닥의 극저 부착(ULA) 마이크로 플레이트 (Corning Life Sciences, Amsterdam, The Netherlands)에서, 암 및 간질 세포의 비율에 따라 6 Х 103 세포/웰의 밀도로 파종하였다. 플레이트를 5% CO2의 가습 분위기에서 37℃에서 3일 동안 배양하였다. 3일 후 10μM의 세포 독성 또는 항암제를 첨가하고 추가로 7일간 배양 하였다. 0.5% 디메틸 설폭시드 (DMSO)의 용액을 음성 대조군으로 사용하였다. 모든 이미지는 Operetta® Harmony 소프트웨어 (Perkin Elmer)를 사용하여 세포 파종 10일 후에 얻었다.Cells suspended in complete medium to produce spheroids and multicellular tumor squamous epithelium were cultured in 384- or 96-well round bottom ULA microplates (Corning Life Sciences, Amsterdam, The Netherlands) And seeded at a density of 6 × 10 3 cells / well depending on the ratio of stromal cells. The plate was incubated in humidified atmosphere of 5% CO 2 at 37 3 days. After 3 days, 10 [mu] M of cytotoxic or anticancer agent was added and further cultured for 7 days. A solution of 0.5% dimethyl sulfoxide (DMSO) was used as negative control. All images were obtained 10 days after cell seeding using Operetta® Harmony software (Perkin Elmer).

약물들(Methotrexate, roscovitine, prinixic acid, cycloheximide, aminopterin, etoposide, salinomycin, cisplatin, 5- fluorouracil (5-FU) 및 doxorubicin)은 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. 다른 약물들(Scriptaid, vinblastine 및 gefitinib)는 Tocris (Bristol, UK)에서 구입하였다. Cyclosporin (일본 오사카 Wako), Simvastatin (일본 도쿄), ALLN (Millipore, Billerica, MA, USA), 소라페닙 (Santa Cruz Biotechnology) 등도 사용하여 시험하였다.Drugs (methotrexate, roscovitine, prinixic acid, cycloheximide, aminopterin, etoposide, salinomycin, cisplatin, 5-fluorouracil (5-FU) and doxorubicin) were purchased from Sigma-Aldrich. Other drugs (Scriptaid, vinblastine and gefitinib) were purchased from Tocris (Bristol, UK). Cyclosporin (Japan Wako), Simvastatin (Tokyo, Japan), ALLN (Millipore, Billerica, MA, USA), and Santa Cruz Biotechnology.

ResazurinResazurin 분석 analysis

구상체(Spheroids)는 전술한 바와 같이 생성되었으며 1, 5 또는 10 μM의 소라페닙으로 처리하였다. 구상체를 50 μM resazurin (Sigma-Aldrich)의 존재 하에 5시간 동안 배양하고 Resazurin의 환원을 EnSpire 플레이트 리더기 (Perkin Elmer)를 사용하여 비색계 (570/600 nm)로 측정하였다.Spheroids were generated as described above and treated with sorafenib at 1, 5 or 10 μM. The spheres were incubated for 5 hours in the presence of 50 μM resazurin (Sigma-Aldrich) and the reduction of Resazurin was measured by colorimetry (570/600 nm) using an EnSpire plate reader (Perkin Elmer).

구상체Spherical body 이동 분석 Movement analysis

구상체(Spheroids)를 생성하기 전에, 37℃ 배양기 중의 완전 배지에서, DiD (633 nm), DiI (546 nm) 또는 Dio (488 nm) (Invitrogen)를 사용하여 20분 동안 1:500의 비율로 LX2, WI38 세포 및 HUVEC를 염색하였다. DPBS (Welgene)로 세척한 후, 3일에 걸쳐 구상체를 형성하고 각 구상체를 콜라겐 I-코팅된 384-웰 플레이트 (Greiner Bio-one, Monroe, NC, USA)에 옮기고 4시간 동안 완전 배지에서 배양하였다. 배지는 옮긴 후 2일에 한 번 교환하였다. 4일 후, 세포를 실온에서 30 분 동안 4% 파라포름알데히드 (PFA)로 고정시키고 DPBS로 2회 세척하였다. 핵 염색을 위해, 세포를 실온에서 10분 동안 DBPS 중 1:500의 비율로 Hoechst 33342 (Invitrogen)와 함께 인큐베이션 하였다. DPBS로 2번 세척한 후, 각 프로브의 최적 여기 및 방출 파장에 따라 형광 이미지를 포착하였다. 전체 이미지를 캡처하기 위해 웰 중앙에서 시작하는 25개의 이미지 필드가 10x 대물 렌즈가 있는 HCS 시스템을 사용하여 각 웰에서 수집되었다.Prior to the generation of spheroids, the cells were cultured in complete medium in a 37 ° C incubator at a ratio of 1: 500 for 20 minutes using DiD (633 nm), DiI (546 nm) or Dio (488 nm) (Invitrogen) LX2, WI38 cells and HUVEC were stained. After washing with DPBS (Welgene), spheres were formed over 3 days and each spherical body was transferred to collagen I-coated 384-well plate (Greiner Bio-one, Monroe, NC, USA) Lt; / RTI &gt; The medium was replaced once every two days after transfer. Four days later, the cells were fixed with 4% paraformaldehyde (PFA) for 30 minutes at room temperature and washed twice with DPBS. For nuclear staining, cells were incubated with Hoechst 33342 (Invitrogen) at a ratio of 1: 500 in DBPS for 10 minutes at room temperature. After washing twice with DPBS, fluorescent images were captured according to the optimal excitation and emission wavelength of each probe. To capture the entire image, 25 image fields starting from the center of the well were collected in each well using an HCS system with a 10x objective.

이종 이식 연구Xenotransplantation studies

다세포 종양의 구상체를 생성하기 위해 Huh7.5-RFP 세포에 96-웰 둥근 바닥 ULA 마이크로 플레이트 (코닝)에서 1 x 104 세포/웰의 밀도로 간질 세포 (LX2 세포, WI38 세포 또는 HUVEC)를 접종하였다. 플레이트를 5% CO2의 가습 분위기에서 37℃에서 3일 동안 배양하였다. 5주령의 수컷 BALB/c 누드 마우스에 Matrigel (매트릭스 성장 인자가 감소된 BD Biosciences, San Jose, CA, USA) 0.1 mL가 포함된 2D 또는 3D 배양 시스템에서 총 1 x 106 세포를 피하 주사하였다. 동물의 체중을 측정하고 종양 크기를 캘리퍼스로 일주일에 두 번 측정하였다. 종양 체적 (mm3)은 다음 공식을 사용하여 계산되었다: 체적 = (폭) 2 Х 길이 / 2. 각 그룹에서 7 마리의 마우스가 연구되었다.(LX2 cells, WI38 cells or HUVEC) at a density of 1 x 10 4 cells / well in 96-well round bottom ULA microplate (Corning) to Huh7.5-RFP cells to generate spheroids of multicellular tumors Respectively. The plate was incubated in humidified atmosphere of 5% CO 2 at 37 3 days. A total of 1 x 106 cells were subcutaneously injected into a 5-week-old male BALB / c nude mouse in a 2D or 3D culture system containing 0.1 mL of Matrigel (BD Biosciences with reduced matrix growth factor, San Jose, CA, USA). Animals were weighed and tumor size was measured twice a week with calipers. Tumor volume (mm 3) was calculated using the following formula: Volume = (width) 2 Х length / 2. Seven mice in each group were studied.

조직학적 분석Histological analysis

종양 조직을 4 % PFA에 고정시키고, 4μm 파라핀 매입 단면으로 절단하고, 헤마톡실린과 에오신 (H & E) 및 마송 트리크롬으로 염색하였다. 면역조직화학 검사를 위해 종양 조직을 4% PFA에서 밤새 고정시키고 파라핀에 임베드하고 절편을 만들었다. 파라핀 제거 및 탈수 후 10 mM 구연산 완충액 (pH 6.0)에서 15분간 가열하여 항원 검색을 수행하였다. 면역조직화학에 사용된 항체는 항-CD31 (ab28364; Abcam) 및 Ki67 (ab15580; Abcam)에 대한 항체를 포함한다. 2차 항체는 Alexa Fluor 546 (Invitrogen)과 결합한 항-IgG이며 현미경 (Nikon, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다.Tumor tissues were fixed in 4% PFA, cut into 4 μm paraffin embedded sections and stained with hematoxylin and eosin (H & E) and Mars Trichrome. For immunohistochemistry, tumor tissue was fixed overnight in 4% PFA, embedded in paraffin, and sectioned. After paraffin removal and dehydration, antigen was searched by heating in 10 mM citrate buffer (pH 6.0) for 15 minutes. Antibodies used in immunohistochemistry include antibodies against anti-CD31 (ab28364; Abcam) and Ki67 (ab15580; Abcam). Secondary antibodies were anti-IgG conjugated with Alexa Fluor 546 (Invitrogen) and observed under a microscope (Nikon, Tokyo, Japan).

MicroarrayMicroarray 분석 analysis

글로벌 유전자 발현 분석은 Affymetrix GeneChip® Human Gene 2.0 ST 어레이를 사용하여 수행되었다. 샘플 준비는 제조업체가 제공한 지침 및 권장 사항에 따라 수행하였다. Huh7.5 구상체 및 다세포 종양 구상체의 총 RNA를 RNeasy Mini Kit 컬럼 (제조원: Qiagen, Hilden, Germany)을 사용하여 분리하였다. RNA 품질은 RNA 6000 Nano Chip (Agilent Technologies)을 사용하는 Agilent 2100 bioanalyzer를 사용하여 평가하였고, 양은 Nanodrop-1000 분광 광도계 (Thermo Scientific)를 사용하여 결정하였다. RNA 분석을 위해 300 ng를 프로토콜 (http://www.affymetrix.com)에서 권장하는 Affymetrix 절차를 사용하여 입력으로 사용하였다. 간단히, 각 샘플로부터의 총 RNA 300 ng을 T7 프로모터를 포함하는 무작위 헥사머 (random hexamer)를 사용하여 이중 가닥 cDNA로 전환시키고, 증폭 된 RNA를 시험관 전사 반응을 사용하여 이중 가닥 cDNA 주형으로부터 생성시킨 다음, Affymetrix 샘플 클린업 모듈을 사용하여 정제하였다. dUTP를 함유하는 dNTP 믹스를 사용하여 무작위로 프라이밍된 역전사에 의해 cDNA를 재생시켰다. 이어서, UDG 및 APE1 제한 엔도 뉴클레아제에 의해 cDNA를 단편화하고, 바이오틴 일화된 디데옥시 뉴클레오타이드가 도입된 말단 트랜스퍼라제 반응을 사용하여 말단 표지하였다. 단편화된 최종 단편화 cDNA를 Gene Chip 전체 대물 센스 표적 라벨링 분석 매뉴얼 (Affymetrix)에 기술된 바와 같이, GeneChip® Human Gene 2.0 ST 어레이에 45℃, 60 rpm으로 17시간 동안 혼성화하였다. 혼성화 후, 칩을 염색하고 Genechip Fluidics Station 450 (Affymetrix)에서 세척하고 Genechip Array 3000 7G 스캐너 (Affymetrix)를 사용하여 스캔하였다. Affymetrix Command Console 소프트웨어 버전 1.1을 사용하여 스캔한 이미지에서 발현 강도 데이터를 추출하고 CEL 파일로 저장하였다.Global gene expression analysis was performed using an Affymetrix GeneChip® Human Gene 2.0 ST array. Sample preparation was carried out in accordance with the manufacturer's instructions and recommendations. The total RNA of Huh7.5 globular and multicellular tumor spheres was isolated using an RNeasy Mini Kit column (Qiagen, Hilden, Germany). RNA quality was assessed using an Agilent 2100 bioanalyzer using RNA 6000 Nano Chip (Agilent Technologies), and the amount was determined using a Nanodrop-1000 spectrophotometer (Thermo Scientific). For RNA analysis, 300 ng was used as input using the Affymetrix procedure recommended in the protocol (http://www.affymetrix.com). Briefly, 300 ng of total RNA from each sample was converted to double-stranded cDNA using a random hexamer containing the T7 promoter and the amplified RNA was generated from double-stranded cDNA templates using in vitro transcription reactions Next, purified using the Affymetrix sample cleanup module. cDNA was regenerated by randomly primed reverse transcription using a dNTP mix containing dUTP. The cDNA was then fragmented by UDG and APE1 restriction endonuclease and end-labeled using a terminal transferase reaction with biotinylated dideoxynucleotide introduced. The fragmented, final fragmented cDNA was hybridized to a GeneChip (R) Human Gene 2.0 ST array at 45 DEG C, 60 rpm for 17 hours as described in the Gene Chip Entire Sense Sensitive Target Labeling Analysis Manual (Affymetrix). After hybridization, the chips were stained, washed in Genechip Fluidics Station 450 (Affymetrix) and scanned using a Genechip Array 3000 7G scanner (Affymetrix). Expression intensity data was extracted from scanned images using Affymetrix Command Console software version 1.1 and saved as a CEL file.

데이터 분석Data Analysis

Affymetrix Expression Console 소프트웨어, 버전 1.3.1에 구현 된 Robust Multi-array Average 알고리즘을 사용하여 CEL 파일 데이터의 강도 값을 정규화하여 어레이 간의 바이어스를 제거했다 (http://www.affymetrix.com). 표준화된 전체 데이터를 프로그래밍 환경 R, 3.0.2 버전으로 가져와서, 적절한 정규화를 확인하기 위하여 Bioconductor Project (http://www.bioconductor.org) (M2)를 사용하여 플로팅하는 것에 의하여 각 어레이의 전반적인 신호 분포를 비교하였다. 데이터가 적절히 표준화되었는지 여부를 확인한 후, 대조군과 치료군의 평균 신호 값 사이의 2 배 이상의 차이를 나타내는 차별적으로 발현된 유전자 (DEG)가 수동으로 선택되었다. 또한 선택된 DEGs의 정규화된 데이터는 t-테스트의 경우 프로그래밍 환경 R로 가져오고, p <0.05의 값을 가진 유전자는 이후 연구를 위해 유의한 DEG로 추출되었다. 유사한 발현 패턴을 가진 동시 발현 유전자 그룹을 분류하기 위해 Multi Experiment Viewer 소프트웨어 버전 4.4 (http://www.tm4.org)를 사용하여 계층형 클러스터링 분석을 수행하였다. 마지막으로 웹 기반 도구인 Annotation, Visualization 및 Integrated Discovery를 위한 DEG를 기능적으로 주석 처리하고, http://david.abcc.ncifcrf.gov를 사용하고 OMIM 질병, Gene Ontology, KEGG 경로 및 BioCarta 데이터베이스와 같은 유전자 기능 정보를 기반으로 분류하여 그들이 관련된 조절 네트워크를 밝혀내었다.The robust Multi-array Average algorithm implemented in the Affymetrix Expression Console software, version 1.3.1, was used to normalize the intensity values of the CEL file data to eliminate bias between the arrays (http://www.affymetrix.com). By importing the entire standardized data into the programming environment R, version 3.0.2, and using the Bioconductor Project (http://www.bioconductor.org) (M2) to verify proper normalization, Signal distributions were compared. After confirming whether the data were properly standardized, a differentially expressed gene (DEG) was manually selected which showed a difference of more than 2 times between the mean signal value of the control and the treatment group. Also, the normalized data of the selected DEGs were brought to the programming environment R for the t-test, and the genes with values of p <0.05 were extracted with DEG for later study. Hierarchical clustering analysis was performed using Multi Experiment Viewer software version 4.4 (http://www.tm4.org) to classify co-expressing gene groups with similar expression patterns. Finally, DEG is functionally annotated for web-based tools Annotation, Visualization, and Integrated Discovery, and used with http://david.abcc.ncifcrf.gov and includes genes such as OMIM disease, Gene Ontology, KEGG pathway and BioCarta database Based on functional information and identified the regulatory networks they are associated with.

생물 및 화학 정보학 분석Analysis of biological and chemical informatics

Funrich 소프트웨어를 사용하여 > 2 배의 변화 (절대값)를 갖는 유전자의 기능적 풍부 분석을 수행하였다. 본 발명자들은 Huh7 종양 구상체 및 MCTS 모델의 분비물에 대한 마이크로 어레이 분석으로부터 어느 유전자가 분자 기능, 생물학적 과정 및 생물학적 경로가 상당히 풍부해 졌는지 또는 고갈되었는지 평가하였다. DEG는 과잉 표현된 분자 기능, 생물학적 과정 및 생물학적 경로를 설명하기 위하여 기능적으로 분류되었다. (Pathan M, Keerthikumar S, Ang CS, Gangoda L, Quek CY, Williamson NA, Mouradov D, Sieber OM, Simpson RJ, Salim A, Bacic A, Hill AF, Stroud DA, Ryan MT, Agbinya JI, Mariadason JM, Burgess AW, Mathivanan S. FunRich: 개방형 액세스 독립형 기능 강화 및 상호 작용 네트워크 분석 도구 Proteomics, 2015 Aug; 15 (15) : 2597-601.)Functional abundance analysis of genes with> 2-fold change (absolute value) was performed using Funrich software. We evaluated microarray analysis of secretions of Huh7 tumor globules and MCTS models to determine which genes were enriched or depleted of molecular functions, biological processes and biological pathways. DEG was functionally classified to account for overexpressed molecular functions, biological processes, and biological pathways. (Pathan M, Keerthikumar S, Ang CS, Gangoda L, Quek CY, Williamson NA, Mouradov D, Sieber OM, Simpson RJ, Salima, Bacica, Hill AF, Stroudde, Ryan MT, Agnina JI, Mariadason JM, Burgess AW, Mathivanan S. FunRich: Open Access Standalone Enhancement and Interaction Network Analysis Tool Proteomics, 2015 Aug; 15 (15): 2597-601.)

ChemIDPlus, MESH 및 SciFinder 데이터베이스뿐만 아니라 공급업체로부터 제공된 정보를 통해 각 화합물의 약리 작용에 대한 정보가 결합되었다. 모든 약리학적 작용이 설명되었으며 주요 작용에 국한되지 않았다. 일단 관련 정보가 수집되면, 약리학적 작용을 수동으로 재평가하여 모든 화합물을 69 가지 약리학적 행동으로 분류하였다.Information on the pharmacokinetics of each compound was combined with information provided by the supplier, as well as the ChemIDPlus, MESH and SciFinder databases. All pharmacological actions have been described and not limited to the main action. Once relevant information was collected, the pharmacological action was manually reevaluated to classify all compounds into 69 pharmacological behaviors.

높은 처리량 스크리닝High Throughput Screening

4,763 가지 화합물의 라이브러리를 다양한 공급품 (Tocris, Selleck, LOPAC 및 Prestwick)에서 조립하여 0.5 % DMSO (v / v)에 최종 농도 10μM의 항 HCC MTCS 모델에서 스크리닝하였다.Libraries of 4,763 compounds were assembled in various supplies (Tocris, Selleck, LOPAC and Prestwick) and screened in 0.5% DMSO (v / v) in an anti-HCC MTCS model at a final concentration of 10 μM.

비 부착성 구상체를 생산하기 위해 4개의 세포주를 6 Х 103 세포/웰의 밀도로 낮은 부착 U-바닥 96-웰 플레이트 (Corning Life Sciences, Corning, NY, USA)에 접종하였다. 세포 응집을 용이하게 하기 위해, 세포 현탁액을 갖는 플레이트를 배양 전에 1분 동안 1,000 rpm으로 원심 분리하였다. 그 후 플레이트를 5% CO2의 가습된 배양기에서 37℃에서 3 일간 배양하였다.Four cell lines were inoculated into low attachment U-bottom 96-well plates (Corning Life Sciences, Corning, NY, USA) at a density of 6 x 10 3 cells / well to produce unattached spheroids. To facilitate cell aggregation, the plate with the cell suspension was centrifuged at 1,000 rpm for 1 minute before incubation. After that the plate at 37 ℃ in a humidified incubator of 5% CO 2 and incubated for 3 days.

화합물 테스트를 위해 액체 처리기 (Apricot Personal Pipettor; Apricot Design, Covina, CA, USA)를 사용하여 2 μL의 각 화합물을 중간 384-웰 폴리프로필렌 플레이트 (Greiner)로 옮겼다. 상기 화합물을 완전 배지 78 ㎕/웰과 혼합하였다. 이어서, 화합물 20 ㎕를 96-웰 분석 플레이트의 각 웰에 3일 동안 분배하였다. 플레이트를 5 % CO2의 가습된 배양기에서 37℃에서 7 일간 배양 하였다.For compound testing, 2 μL of each compound was transferred to an intermediate 384-well polypropylene plate (Greiner) using a liquid processor (Apricot Personal Pipettor; Apricot Design, Covina, CA, USA). The compound was mixed with 78 [mu] l / well of complete medium. Subsequently, 20 [mu] l of compound was dispensed into each well of a 96-well assay plate for 3 days. The plates at 37 ℃ in a humidified incubator of 5% CO 2 and incubated for 7 days.

대조군은 IC50 농도가 낮은 대조군 및 0.5% DMSO (v/v)가 높은 대조군인 소라페닙을 각 분석 플레이트에 첨가하였다. 7일 후, 높은 콘텐트 이미징 기기 (Operetta®, PerkinElmer)를 사용하여 구상체 이미지를 획득하였다.Control groups were added to each assay plate with low IC 50 control and sorafenib high control with 0.5% DMSO (v / v). Seven days later, spheroid images were acquired using a high-content imaging device (Operetta®, PerkinElmer).

구상체의 크기와 강도는 자기 개발 알고리즘을 사용하여 측정되었다. 히트 화합물은 소라페닙의 IC50으로부터 3σ (표준 편차)에 기초한 임계값을 사용하여 선택되었다.The size and intensity of the spheres were measured using self - developed algorithms. The heat compound was selected using a threshold based on 3 s (standard deviation) from the IC 50 of sorapenib.

통계 분석Statistical analysis

모든 실험은 적어도 세 번 수행되었다. 결과는 평균 ± 표준 편차 (SD)로 표현하였다. 통계 분석은 Student's t-test를 사용하여 수행되었다.All experiments were performed at least three times. Results were expressed as mean ± SD. Statistical analysis was performed using Student's t-test.

2. 실험결과2. Experimental results

간세포와 간질 세포 사이의 상호 작용은 The interactions between hepatocytes and stromal cells MCTSMCTS 모델에서  In the model 소라페닙Sorapanib 저항성과 HCC 이동을  Resistance and HCC movement 촉진시킨다Promote ..

이전 연구에서 본 발명자들은 HCC 세포주와 LX2 [인간 간세포 세포 (HSCs)], WI38 (인간 섬유 아세포) 및 HUVEC를 포함한 간단한 형태의 간질 세포를 가진 간단한 MCTS 모델을 제작하여 시험관 내에서 종양의 복잡성과 이질성을 모델링하였다. 각 유형의 간질 세포와 간세포 암 사이의 상호 작용은 종양 구상체의 간결성을 촉진하고 항암 화학 요법 및 간세포 암 이동을 증가시켰다. 그러나 이전의 MCTS 모델은 간세포 암종, 섬유 아세포, 및 혈관 내피 세포 모두와 HCC 세포의 혼합으로부터 유래된 것이 아니었다.In a previous study, we constructed a simple MCTS model with simple forms of epileptic cells including HCC cell line and LX2 [human hepatocyte (HSCs)], WI38 (human fibroblast) and HUVEC to determine tumor complexity and heterogeneity Respectively. Interaction between each type of stromal cells and hepatocellular carcinoma promoted the simplicity of tumor mass and increased chemotherapy and hepatocellular carcinoma migration. However, the previous MCTS model was not derived from a mixture of HCC cells with both hepatocellular carcinoma, fibroblasts, and vascular endothelial cells.

본 연구에서는 간세포 암이 광범위한 염증과 섬유화를 동반하기 때문에 간세포의 생체 내 종양 미세 환경을 재현하기 위해 HSC, 섬유 아세포 및 혈관 내피 세포 모두와 HCC 세포의 혼합물에서 유래된, 보다 복잡한 MCTS 모델을 개발하였다. MCTS 모델을 개발하기 전에 10 μM 소라페닙 치료 후 종양 구상체와 HCC 환자 조직 유래 종양 타원체 사이의 약물 감도를 비교 연구하였다.In this study, a more complex MCTS model derived from a mixture of HSC, fibroblast and vascular endothelial cells and HCC cells was developed to reproduce the in vivo tumor microenvironment of hepatocytes because hepatocellular carcinoma is accompanied by extensive inflammation and fibrosis . Before developing the MCTS model, we compared the drug sensitivity between tumor spheroids and tumor - derived ellipsoids of HCC patients after treatment with 10 μM sorafenib.

HCC 세포주에서 유래된 구상체의 크기는 소라페닙 치료에 의해 유의하게 감소되었다 [도 1a]. 그러나 HCC 환자 조직 유래 종양 구상체의 크기는 HCC 세포주 유래의 구상체와 비교하여 소라페닙 치료에 의해 변화되지 않았다 [도 1b]. 소라페닙에 대한 다른 민감도가 두 구상체로부터 관찰되었기 때문에, CD31 (혈관 내피 세포 마커), p75 (HSC 마커) 및 FAP (섬유 아세포 마커)에 대한 면역 조직 화학 프로브를 사용하여 간암 환자의 조직 구성을 분석하였다. 그 결과, 간암 환자의 조직은 HSC, 섬유 아세포, 혈관 내피 세포 및 HCC와 같은 간질 세포의 특정 비율로 구성되었다는 것을 보여주었다 [도 1c]. 이러한 결과는 TME(종양미세환경)와 HCC 세포의 성분 사이의 혼선이 HCC 환자 조직 유래 종양 타원체에서 항암 화학 요법을 유도할 가능성을 시사하였다. 이 가능성을 확인하기 위해 본 발명자들은 간질 세포와 간세포 간의 상호작용이 화학 저항과 세포 이동에 미치는 영향을 결정하기 위해 HCC 세포와 간질 세포 (HSC, 섬유 아세포, 혈관 내피 세포)의 비율이 다른 여러 MCTS 모델을 제작하였다. The size of spheroids derived from HCC cell lines was significantly reduced by treatment with sorapenib (Fig. 1a). However, the size of tumor cells derived from HCC patient tissue was not changed by sorapenib treatment compared to spheres derived from HCC cell line (Fig. 1b). Since different sensitivities to sorafenib have been observed from both spheres, immunohistochemical probes for CD31 (vascular endothelial cell marker), p75 (HSC marker) and FAP (fibroblast marker) Respectively. As a result, the tissues of patients with liver cancer were composed of specific ratios of interstitial cells such as HSC, fibroblasts, vascular endothelial cells and HCC (Fig. 1c). These results suggest that cross-talk between TME (tumor microenvironment) and HCC cell components may induce chemotherapy in HCC tumor-derived tumor ellipsoid. In order to confirm this possibility, the inventors of the present invention examined the effects of intercellular interactions between hepatocytes and hepatocytes on chemical resistance and cell migration, in order to determine the effect of various MCTSs (HCCs, fibroblasts, vascular endothelial cells) The model was constructed.

본 발명자들은 구상체 크기 측정과 resazurin 분석을 통해 소라페닙에 대한 민감도를 특성화함으로써 HCC 약물 스크리닝에 가장 적합한 MCTS 모델을 선택하였다. 간질 세포 및 간세포 암으로 성장한 MCTS 모델은 MCTS 모델의 간질 세포 비율에 따라 소라페닙에 대한 저항성이 더 큰 것으로 확인되었다 [도 1d]. 반면에 HCC 구상체의 크기는 소라페닙으로 치료한 후에 극적으로 감소하였다. 구상체 크기와 일치하여, 소라페닙으로 치료한 후의 세포 생존력은 MCTS 모델에서 간질 세포의 비율에 비례하여 실질적으로 상승하였다 [도 1e].The present inventors selected the MCTS model best suited for HCC drug screening by characterizing susceptibility to sorapenib through spheroid size measurements and resazurin analysis. The MCTS model, which grew into epidermal and hepatocellular carcinomas, was found to be more resistant to sorapenib according to the percentage of stromal cells in the MCTS model (Fig. 1d). On the other hand, the size of HCC spheroids decreased dramatically after treatment with sorapenib. Consistent with spheroid size, cell viability after treatment with sorapenib was substantially increased in proportion to the proportion of stromal cells in the MCTS model (Fig. 1e).

HCC 세포와 그들의 종양 미세 환경 사이의 상호작용이 암세포의 특징인 세포 이동의 촉진에 중요하다고 간주되기 때문에, HCC 세포와 간질 세포의 비율을 갖는 MCTS 모델을 종양 구상체 기반 이동 분석을 사용하여 시험하여, MCTS 모델의 중심으로부터 이동하는 HCC 세포의 앞쪽 가장자리까지의 거리를 측정하였다. 이 분석은 MTCS 모델에서 간질 세포와 HCC 세포 사이의 상호작용이 간세포 이식 능력의 중요한 결정 인자임을 보여주었다 [도 1f].Since the interaction between HCC cells and their tumor microenvironment is considered to be important for promoting cell migration characteristic of cancer cells, the MCTS model with a ratio of HCC cells to stroma cells was tested using tumor spheroid-based migration assay , And the distance from the center of the MCTS model to the leading edge of moving HCC cells was measured. This analysis showed that the interaction between stromal cells and HCC cells in the MTCS model is an important determinant of hepatocyte transplantation capacity (Fig. 1f).

MCTS는MCTS 생체 내 종양 미세 환경을 모방한 모델 시스템이다 A model system that mimics the in vivo tumor microenvironment ..

MCTS 모델은 종양 조직의 복잡성과 이질성을 모방하고 3D 세포 구조를 포함하며 생체 내 종양의 병태 생리학적 구배를 포함하기 때문에 항암 연구를 위한 강력한 도구이다. 그러나 MCTS 모델을 임상 종양 상태를 고려하지 않고 사용하면 가치 있는 결과를 얻는 것이 어렵다. 본 발명자들은 따라서 해당 모델이 생체 내 종양 미세 환경을 밀접하게 복제하는지를 결정하였다.The MCTS model is a powerful tool for anticancer studies because it mimics the complexity and heterogeneity of tumor tissue, includes 3D cellular structures, and includes the pathophysiological gradient of in vivo tumors. However, it is difficult to obtain valuable results using the MCTS model without considering clinical tumor status. The inventors thus determined whether the model closely replicates the in vivo tumor microenvironment.

MCTS 모델 시스템에서 종양 구상체의 프로파일에 대해 정상화하기 위해 유전자 발현 프로파일링을 수행하였다. 본 발명자들은 MCTS와 종양 구상체 사이에서 1,596 DEGs를 확인하였으며 > 2 배의 차이와 P <0.01의 값을 보였다 [도 2a]. 환자 유래 HCC 조직의 표현형과 관련이 있는 MCTS 모델 특정 시그니처를 입증하기 위해 두 개의 독립적인 HCC 코호트 (GSE64041)의 Gene Expression Omnibus (GEO) 데이터 세트를 사용하여 유전자 세트 농축 분석 (GSEA)을 수행하였다. 그 결과 비종양 조직과 비교할 때 HCC 종양 조직에서 MCTS-특이적 시그니처가 풍부해지는 것으로 나타났는데, 이는 MCTS 모델이 생체 내 HCC 미세 환경을 모방하기 위한 효과적인 도구임을 시사하는 것이다 [도 2b].Gene expression profiling was performed to normalize the profile of tumor spheroids in the MCTS model system. We identified 1,596 DEGs between the MCTS and tumor spheroids and found a> 2-fold difference and a P <0.01 value (Fig. 2a). Gene set enrichment analysis (GSEA) was performed using the Gene Expression Omnibus (GEO) data set of two independent HCC cohorts (GSE64041) to demonstrate the MCTS model specific signature associated with the phenotype of patient-derived HCC tissue. As a result, the MCTS-specific signature was enriched in HCC tumor tissues when compared to non-tumor tissues suggesting that the MCTS model is an effective tool for mimicking the HCC microenvironment in vivo [Fig. 2b].

단층 배양된 Huh7과 MCTS 모델 사이의 분자 기능의 수를 비교한 기능적 농축 분석에 따르면, 구성 세포외 기질 구조 기능, 세포 골격의 구조적 구성 요소, 사이토카인 활성, 전사 인자 활성 및 DNA 결합에 관여하는 유전자가, Huh7 세포보다 MCTS 모델에서 훨씬 높게 과발현되었다 [도 2c]. 생물학적 과정에서 핵 염기, 뉴클레오시드, 뉴클레오타이드, 핵산 대사, 세포 성장, 면역 반응, 항-세포 사멸 반응의 조절과 관련된 유전자가 MCTS 모델에서 더욱 풍부해졌다 [도 2d]. 또한, 세포 표면 상호 작용에 관여하는 인테그린과 관련된 유전자는 MCTS 모델에서 더욱 풍부해졌다 [도 7; 하기 표 1].Functional enrichment analysis comparing the number of molecular functions between monolayer cultured Huh7 and MCTS models showed that the constitutive extracellular matrix structural function, structural components of the cytoskeleton, cytokine activity, transcription factor activity and genes involved in DNA binding Was overexpressed much more in MCTS models than Huh7 cells (Fig. 2c). Genes involved in the regulation of nucleobases, nucleosides, nucleotides, nucleic acid metabolism, cell growth, immune responses and anti-apoptotic responses in the biological process were enriched in the MCTS model (Fig. 2d). In addition, integrin-related genes involved in cell surface interactions became more abundant in the MCTS model (Fig. 7; Table 1].

[표 1]: MCTS 모델 및 Huh7 세포의 마이크로어레이 분석으로부터의 현저하게 풍부해진 분자 기능, 생물학 과정 및 생물학적 경로 요약 [Table 1] Summary of remarkably enriched molecular functions, biologic processes and biological pathways from microarray analysis of MCTS models and Huh7 cells

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배수량 기반 분석에서 생물학적 과정과 생물학적 경로는 보다 상세하고 수량 기반이다. MCTS 모델에서, 보조 인자 결합, 사이토카인 활성, 핵산 결합 및 세포 외 기질 구조 성분에 관여하는 유전자가 풍부해졌다. 주목할만하게, 글루코시다 제 활성에 관여하는 유전자는 크게 고갈되었으며 (-15 배 변화), 이에 대해서는 추가 연구가 필요할 것이다 [도 8]. 생물학적 과정과 관련하여 펩타이드 대사, 엔도 사이토시스 조절, 항-세포 사멸, 근육 수축, 세포-세포 부착 및 특정 신호 전달 경로에 관여하는 유전자는 2 배 이상 농축되었다 [도 9]. 간 병리에 관여하는 생물학적 경로, 그리고 Gli 단백질, Ghrelin의 합성, 분비 및 탈아 실화, 장 세포에서의 비타민 A 섭취가 매개하는 Hedgehog 신호 전달과 같은 기능은 MCTS 모델에서 고갈되었다 [도 10].In displacement-based analysis, biological processes and biological pathways are more detailed and quantity-based. In the MCTS model, genes involved in cofactor binding, cytokine activity, nucleic acid binding and extracellular matrix structural components became enriched. Notably, the genes involved in glucosidase activity are largely depleted (-15-fold changes) and further work will be required [8]. Regarding biological processes, genes involved in peptide metabolism, endocytosis regulation, anti-apoptosis, muscle contraction, cell-cell adhesion and specific signaling pathways were more than doubled [Figure 9]. Functions such as the biological pathways involved in hepatic pathology, and the synthesis and secretion and deacylation of the Gli protein, Ghrelin, and Hedgehog signaling mediated by vitamin A uptake in intestinal cells, were depleted in the MCTS model (Fig. 10).

MTCSMTCS 유래 이종 이식 마우스 모델은 인간 간세포의 재현을 특성화하기 위한 효과적인 도구이다 Derived xenograft mouse model is an effective tool for characterizing the reproduction of human hepatocytes ..

MCTS 모델이 종양의 미세 환경을 모방했음을 보여주기 위해 본 발명자들은 누드 마우스에서 Huh7 세포, Huh7 구상체 또는 MCTS 모델 시스템의 단층 배양으로 피하 이종 이식편을 만들었다. 단일층 배양으로부터 수확된 세포인 일반적인 이종 이식 모델은 비교적 백색 및 포도와 같은 응집된 종양을 형성하였다. 대조적으로, 구상체 유래 이종 이식 모델은 진한 적색이며 부드럽게 응축된 글로브 유형 종양을 형성하였다 [도 3a]. 본 발명자들이 Huh7 세포, Huh7 구상체(spheroids) 및 MCTS 시스템 사이의 종양 성장의 비교 분석을 수행할 때, 이종 이식 모델 모두 동물의 체중을 변화시키지 않으면서 Huh7 세포 > Huh7 구상체 > MCTS 순서로 종양 부피를 증가시켰다 [도 11]. Huh7 구상체 및 MCTS 모델보다 Huh7 세포에서 종양 형성이 더 빠르지만 종양 성장은 종양 형성 후 구상체 배양 시스템에서 더 빨랐다 [도 3b].To demonstrate that the MCTS model mimics the microenvironment of the tumor, the inventors made subcutaneous xenografts in monolayer cultures of Huh7 cells, Huh7 spheroids or MCTS model systems in nude mice. The general xenotransplantation model, a cell harvested from a monolayer culture, produced relatively white and graphene-like aggregated tumors. In contrast, the spheroid-derived xenotransplantation model formed a deep red, smoothly condensed glob-type tumor (Fig. 3a). When we performed comparative analysis of tumor growth between Huh7 cells, Huh7 spheroids and MCTS system, all of the xenotransplantation models did not change the body weight of the Huh7 cells> Huh7 spheroids> Thereby increasing the volume (Fig. 11). Tumor formation was faster in Huh7 cells than in Huh7 spheroids and MCTS models, but tumor growth was faster in spheroid culture systems after tumor formation (Fig. 3b).

본 발명자들은 단층 배양된 Huh7 세포, Huh7 구상체 또는 MCTS-이종 이식 마우스로부터 3종의 종양 조직을 해부한 다음 H & E 염색을 수행하였다. 염색 결과 세 종류의 조직은 각각 다른 형태, 구조 및 혈관 분포를 보였다(도 3c, 왼쪽). Masson의 트리크롬 염색법을 사용하여 단층 배양된 Huh7 세포, Huh7 구상체 또는 MCTS-이종 이식 마우스에서 종양 조직의 3 가지 종류 사이의 섬유성 정도에도 차이가 있었다. MCTS-이종 이식 마우스의 조직에서 후기 말기 섬유화가 관찰되었다 [도 3c, 오른쪽].We performed H & E staining following dissection of three tumor tissues from monolayer cultured Huh7 cells, Huh7 spheroids or MCTS-xenografted mice. Three different tissues showed different morphology, structure and vascular distribution as a result of staining (Fig. 3c, left). There was also a difference in the degree of fibrosis between the three types of tumor tissue in monolayer cultured Huh7 cells, Huh7 spheroids, or MCTS-xenografted mice using Masson's trichrome staining method. Late late fibrosis was observed in the tissues of MCTS-xenografted mice (Fig. 3c, right).

CD31에 대한 항체는 주로 조직 절편에서 혈관 내피 세포의 존재를 확인하는데 사용되었다. CD31은 단일층 배양된 Huh7 이종 이식 마우스의 종양 조직에서 비교적 넓은 영역에 불규칙적으로 분포하는 반면, Huh7 구상체 또는 MCTS 이종 이식 마우스의 종양 조직은 CD31이 구획화된 형태로 발현되었다는 것을 보여주었다 [도 3d, 왼쪽]. 혈관 주위의 종양 세포 증식을 측정하기 위해 종양 조직에서 Ki67에 대한 면역 조직 화학 분석을 수행하였다. 특히, MCTS 이종 이식 마우스의 종양 조직은 세 조직 중 가장 높은 발현을 보였다 (도 4c, 오른쪽). 종합하여 볼 때, 이식을 위한 세포 배양 방법, 특히 생체 내 HCC와 매우 유사한 MCTS 유래 이종 이식 모델에 따라 종양 조직의 모양과 구성이 달랐다.Antibodies to CD31 were used primarily to confirm the presence of vascular endothelial cells in tissue sections. Tumor tissue of Huh7 spheroids or MCTS xenografted mice showed that CD31 was expressed in a compartmentalized form, while CD31 was irregularly distributed in tumor tissue of monolayer cultured Huh7 xenografted mice in a relatively large area , left]. Immunohistochemical analysis of Ki67 was performed in tumor tissues to measure tumor cell proliferation around the blood vessels. In particular, tumor tissue of MCTS xenografted mice showed the highest expression among the three tissues (Fig. 4c, right). Taken together, the morphology and composition of tumor tissues differed according to cell culture methods for transplantation, especially the xenograft model derived from MCTS, which is very similar to in vivo HCC.

HCCHCC 치료제 발굴을 위한  For the discovery of therapeutic agents MCTSMCTS 기반  base phenomicphenomic 스크리닝 Screening

전술한 바와 같이 본 발명자들은 HCC 조직 구성 분석에 따라 HCC 종양 미세 환경을 모방하기 위하여, Huh7-RFP 세포, WI38 세포, LX2 세포 및 HUVEC로 구성된 항암제 스크리닝을 위한 가장 적절한 MCTS 모델을 확립하였다. Huh7-RFP 세포가 형광으로 표지되었기 때문에 균일하게 구성된 MCTS 및 스크리닝 과정에서 HCC에 대한 특이적인 효과를 관찰할 수 있었다 [도 4a]. 본 발명자들은 cisplatin, 5-FU 및 doxorubicin과 같은 항암제의 효과가 Huh7 단독으로 구성된 구상체 또는 MCTS 모델의 성장에 미치는 영향을 확인하여 임상적 중요성을 확인하였다. 결과는 항암제가 Huh7 구상체와 비교하여 MCTS 모델에서 덜 효과적이었음을 보여주었고, 이는 HCC와 종양의 미세 환경 사이의 상호작용이 MCTS 모델의 화학 저항에 기여한다는 것을 시사한다 [도 4b]. 본 발명자들은 또한 Huh7 단독 또는 MCTS 모델로 구성된 구상체의 성장에 다양한 세포 독성 화합물과 항암제의 효과를 특성화하여 유사한 결과를 보였다 [도 12].As described above, the present inventors have established the most appropriate MCTS model for anticancer screening consisting of Huh7-RFP cells, WI38 cells, LX2 cells, and HUVECs in order to mimic the HCC tumor microenvironment in accordance with HCC histological analysis. Since Huh7-RFP cells were labeled with fluorescence, a uniformly configured MCTS and a specific effect on HCC were observed in the screening process (Fig. 4a). The present inventors confirmed the clinical significance of the effects of anticancer drugs such as cisplatin, 5-FU and doxorubicin on the growth of spherical bodies or MCTS models composed of Huh7 alone. The results showed that the chemotherapeutic agent was less effective in the MCTS model compared to the Huh7 spheroid suggesting that the interaction between the HCC and the tumor microenvironment contributes to the chemical resistance of the MCTS model (Fig. 4b). The present inventors also showed similar results by characterizing the effects of various cytotoxic compounds and anticancer agents on the growth of spheres composed of Huh7 alone or MCTS model (Fig. 12).

다음으로 본 발명자들은 HCC 약물 발견을 위한 MCTS 기반 스크리닝 플랫폼 개발에 중점을 두었다. HTS/HCS를 위한 MCTS 기반 phenomic screening 플랫폼을 구축하기 위해 본 발명자들은 3D 구상체를 생성하는 효율적인 방법을 개발하였다. 본 발명자들은 성공적으로 96-웰 또는 384-웰 플레이트에 균질한 크기, 구성, 단일 구상체를 생성하였다. 구상체 이미지는 Operetta? HTS 시스템을 사용하여 단 30분만에 획득되었다. 따라서 본 발명자들은 고속 이미지 획득과 관련하여 매우 재현성있는 (<10 % 크기 변화) 구상체를 확립하기 위한 간단한 방법을 확립하였다 [도 4c]. 본 발명자들은 또한 구상체 크기와 HCC에 대한 세포 독성 효과를 결정하기 위한 Huh7-RFP의 강도를 검출하기 위해 적절한 이미지 분석 소프트웨어를 개발하였다 [도 4d]. 암세포의 생체 내 생장을 모방하기 위해 Huh7-RFP의 RFP 신호 강도를 측정하여 다중 웰 플레이트를 사용하여 종양 성장을 특성화하였다. RFP 신호의 강도에 따라, MCT 세포가 멀티 웰 플레이트에서 성장함에 따라 HCC 개체군이 지속적으로 증가하였다 [도 4e].Next, the present inventors focused on developing an MCTS-based screening platform for HCC drug discovery. To construct an MCTS-based phenomic screening platform for HTS / HCS, the inventors have developed an efficient method for generating 3D spheres. We have successfully generated homogeneous size, composition, and single spheroids in 96-well or 384-well plates. The spherical image is Operetta? It was obtained in only 30 minutes using the HTS system. The inventors therefore established a simple method for establishing highly reproducible (< 10% size change) spheres with respect to high speed image acquisition [Fig. 4c]. We also developed appropriate image analysis software to detect the intensity of Huh7-RFP to determine the size of the globe and the cytotoxic effect on HCC (Fig. 4d). RFP signal intensity of Huh7-RFP was measured to mimic the in vivo growth of cancer cells and tumor growth was characterized using multiple well plates. Depending on the intensity of the RFP signal, the HCC population grew steadily as MCT cells grew on multiwell plates (Fig. 4e).

MTCSMTCS 기반  base phenomicphenomic screening을 이용한 간암 치료제의 동정 Identification of therapeutic agents for liver cancer using screening

분자 표적이 알려진 FDA 승인 의약품으로 구성된 4,763 개의 화합물을 수집하여 HCC 치료를 위한 새로운 약제를 확인하였다. 각 화합물의 약리학적 작용은 ChemIDPlus 데이터베이스 (https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/), MESH 데이터베이스 (https://meshb.nlm.nih.gov/search) 및 SciFinder, 버전 2017과 공급 업체가 제공한 정보를 참조하였다. 알려진 약제의 주요 약리학적 작용을 정의하기가 어렵기 때문에 모든 약리학적 작용이 설명되었고 주요 약리에 국한되지 않았다 [도 5a].We collected 4,763 compounds consisting of FDA-approved drugs with known molecular targets and identified new drugs for HCC treatment. The pharmacological action of each compound is provided by the ChemIDPlus database (https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/), the MESH database (https://meshb.nlm.nih.gov/search) and SciFinder, version 2017 I refer to the information provided by the vendor. Since it is difficult to define the main pharmacological actions of known drugs, all pharmacological actions have been described and are not confined to the main pharmacology (Fig. 5a).

그런 다음 MTCS 모델에서 Huh7-RFP 세포 신호의 강도를 특이적으로 변화시킨 화합물을 확인하기 위한 스크리닝을 수행하고 이들 모델의 크기를 확인하였다. 화합물은 RFP 신호의 감소된 강도를 결정하거나 MTCS의 크기를 결정하기 위해 10 μM의 초기 농도에서 스크리닝 되었다. 양성 및 음성 대조군은 각각 10 μM 소라페닙 및 0.5% DMSO였다 [도 5b]. 본 발명자들은 관찰된 효과의 재현성을 확인하기 위해 모든 화합물을 두 번 스크리닝 하였다. 복제 화면에 대한 Z'인자 0.46과 상관 계수 0.89는 검정이 신뢰성 있다고 나타내었다 [도 5-C]. 87 개의 화합물은 MTCS의 크기와 RFP 신호의 강도를 크게 저해하였다. 1차적인 명중은 49개의 종류를 포함하였고, 명중은 39개의 종류를 포함하였다. 이 39개 범주의 대부분은 티로신 키나아제 억제제와 같은 항암 요법과 관련이 있었다 (도 5a).Screening was then performed to identify compounds that specifically altered the intensity of the Huh7-RFP cell signal in the MTCS model and the size of these models was determined. Compounds were screened at an initial concentration of 10 [mu] M to determine the reduced intensity of the RFP signal or to determine the magnitude of the MTCS. Positive and negative controls were 10 μM sorapenib and 0.5% DMSO, respectively [FIG. 5 b]. We screened all compounds twice to confirm the reproducibility of the observed effects. The Z 'factor 0.46 and the correlation coefficient 0.89 for duplicate images indicated that the test was reliable [Figure 5-C]. 87 compounds significantly inhibited the size of MTCS and the intensity of RFP signal. The primary hit included 49 categories, and the hit contained 39 categories. Most of these 39 categories were associated with anticancer therapies such as tyrosine kinase inhibitors (Fig. 5A).

1차 스크리닝의 히트를 검증하기 위해, MCTS 모델을 사용하여 선택된 히트의 효능을 정량화하기 위해 용량 반응 연구를 수행하였다. 5 가지 화합물 (ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D 및 digitoxigenin)은 RFP 신호를 60% 이상 충분히 억제하였고, 10 μM의 소라페닙과 비교하여 1μM에서 MCTS 크기를 감소시켰다 [도 6a; 하기 표 2]. To verify the heat of the primary screening, a dose response study was performed to quantify the efficacy of the selected heat using the MCTS model. Five compounds (ponatinib, ouabain, camptothecin, actinomycin D and digitoxigenin) sufficiently inhibited the RFP signal by more than 60% and reduced the MCTS size at 1 μM compared to 10 μM sorapenib (Fig. Table 2].

[표 2]: HCC-다세포 종양 구상체의 RFP 강도에 대한 IC50 [Table 2] IC 50 values for RFP intensity of HCC-multicellular tumor sphere

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투여량-반응 곡선은 또한 Huh7 세포와 정상 간세포 세포 (Fa2N-4 세포)에서 50% (EC50)의 증식을 감소시키는데 필요한 효과적인 농도를 결정하는데 사용되었다 [도 6c]. 히트 화합물이 인간 HCC 세포에 미치는 영향을 확인하기 위해 다양한 HCC 세포주의 성장에 대한 히트 화합물의 IC50 값을 측정하였다. 투여량-반응 곡선은 충돌 화합물이 HCC 세포에서 세포 사멸을 충분히 유도한다는 것을 보여 주었다 [도 6d; 하기 표 3].The dose-response curve was also used to determine the effective concentration required to reduce the growth of 50% (EC 50) in Huh7 cells and normal liver cells (Fa2N-4 cells) [Fig. 6c]. To determine the effect of heat compounds on human HCC cells, the IC 50 values of the heat compounds for growth of various HCC cell lines were determined. The dose-response curve showed that the impinging compound fully induces apoptosis in HCC cells (Fig. 6d; Table 3].

[표 3]: 다양한 HCC 세포주의 성장에 대한 HIT 화합물의 IC50 Table 3: IC 50 values of HIT compounds for growth of various HCC cell lines

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3. 논의3. Discussion

HCC는 여섯 번째로 가장 흔한 악성 종양이며 세계에서 암 관련 사망의 두 번째 주요 원인이다. 가장 높은 발생률은 동부 아시아와 사하라 사막 이남의 아프리카에서 발생하다. 또한 한국의 간암 발병률과 사망률은 세계에서 18위로 가장 높다.HCC is the sixth most common malignancy and the second leading cause of cancer-related deaths in the world. The highest incidence occurs in eastern Asia and sub-Saharan Africa. In addition, the incidence and mortality rate of liver cancer in Korea is the 18th highest in the world.

HCC의 1차 요법은 종양의 외과적 절제이며, 2차 요법은 키나아제 억제제인 소라페닙 치료이다. 그러나 두 가지 요법 모두 간암 환자에게만 효과적이다. 또한 HCC는 빠르게 소라페닙에 저항성이 있다. 치료 옵션을 개선하기 위해 소라페닙 작용 방식을 통해 추가 약물이 개발되었다. 그러나 이러한 노력은 여전히 더 나은 효능을 가져오지 못하였다. 임상적 고려를 바탕으로, 본 발명자들은 종양의 복잡성과 이질성을 모방하는 새롭고 효과적인 방법인 HCC 약물 스크리닝을 위한 MCTS 모델을 개발하였다.The first regimen of HCC is surgical resection of the tumor, and the second regimen is the treatment with sorafenib, a kinase inhibitor. However, both therapies are effective only for patients with liver cancer. In addition, HCC is rapidly resistant to sorafenib. To improve treatment options, additional drugs have been developed via the sorafenib method. However, these efforts still did not lead to better efficacy. Based on clinical considerations, the inventors have developed an MCTS model for HCC drug screening, a new and effective method of mimicking tumor complexity and heterogeneity.

단세포 종양 타원체와 간세포 암종 환자 조직 유래 종양 사이의 소라페닙에 대한 민감도의 차이는 간세포 암 환자 조직 유래 구상체에서 항암 화학 요법의 결정을 위해 TME와 HCC 사이의 상호작용의 중요성을 강조했다 [도 1a-1c]. 본 발명자들은 또한 Huh7 단세포 구상체 또는 HCC 세포, 섬유 아세포, HSC, 암 줄기 세포 및 혈관 내피 세포로 구성된 MCTS 구상체의 성장에 대한 소라페닙의 영향을 특성화하였다. 이 시스템은 HCC 조직 구성의 분석을 기반으로 HCC 종양의 미세 환경을 모방하고, Huh7 구상체에 대한 효과와 비교할 때 소라페닙이 MCTS에서 덜 효과적이라는 것을 보여주었다 [도 1d, 1e]. 본 발명자들은 또한 HCC 구상체 및 MCTS 모델을 사용하여 다양한 항암제 및 세포 독성 약물의 효능을 확인하였다. 예상대로 MCTS는 HCC 구상체와 비교했을 때 세포 독성 약물에 대해 더 강한 내성을 보였다 [도 12]. 종합하여, 이러한 결과는 3D 배양 시스템에서 HCC와 TME 간의 상호작용이 효과적인 약물 스크리닝 과정의 개발에서 중요한 고려 사항임을 시사한다.Differences in susceptibility to sorapenib between single-cell tumor ellipsoid and hepatocellular carcinoma tissue-derived tumors emphasized the importance of the interaction between TME and HCC for the determination of chemotherapy chemotherapy in tissue-derived tissues from hepatocellular carcinoma patients -1c]. The present inventors have also characterized the effect of sorapenib on the growth of MCT spheres composed of Huh7 monocyte spheroids or HCC cells, fibroblasts, HSCs, cancer stem cells and vascular endothelial cells. This system mimics the microenvironment of HCC tumors based on analysis of HCC histology and shows that sorapenib is less effective in MCTS when compared to the effect on Huh7 spheroids (Fig. 1d, 1e). The present inventors also confirmed the efficacy of various anti-cancer drugs and cytotoxic drugs using HCC spheroids and MCTS models. As expected, MCTS showed a stronger tolerance to cytotoxic drugs compared to HCC spheroids (Fig. 12). Taken together, these results suggest that interaction between HCC and TME in 3D culture systems is an important consideration in the development of an effective drug screening process.

MCTS 모델의 다양한 유형은 종양과 간질 세포 사이의 상호작용을 특성화하기 위해 사용되었다. heterocellular 3D 시스템에서 HUVEC과 hepatocytes의 공동 문화는 암 angiogenesis을 모니터링하는 데 사용되었다. 3D 조건에서 전립선 암 상피 세포와 간질 세포의 공동 배양은 E - cadherin 23의 분비에 영향을 미쳤다. 3D의 공동 문화 시스템 복제된 암세포와 간질 섬유 아세포는 3D 복제 암세포 단독보다 강한 침윤성 표현형을 나타내었다. HCC MCTS 형성의 동적 분석은 세포 응집 및 다세포 종양 구상체 압축에서 E-cadherin 및 β1-인테그린의 기본적인 역할을 보여 주었다. 연구 결과에 따르면 간세포 암과 간질 세포의 공동 배양은 특정 신호 경로의 활성화를 통한 암 진행의 증가와 사이토카인 발현 프로파일의 변화를 보고하였다.Various types of MCTS models have been used to characterize interactions between tumors and stromal cells. The co-culture of HUVEC and hepatocytes in the heterocellular 3D system was used to monitor cancer angiogenesis. Co - culture of prostate cancer epithelial cells and stromal cells in 3D conditions affected the secretion of E - cadherin 23. 3D co-culture system Cloned cancer cells and interstitial fibroblasts showed stronger invasive phenotype than 3D clone cancer cells alone. Dynamic analysis of HCC MCTS formation showed a fundamental role of E-cadherin and β1-integrin in cell aggregation and multicellular tumor compaction. According to the results, co-culture of hepatocellular carcinoma and stromal cells reported an increase in cancer progression and a change in cytokine expression profile through activation of specific signal pathways.

TME와 관련된 약물 내성의 원인을 규명하기 위해서는 TME를 반영하기 위해 정교한 방법론의 개발이 필요하다. 본 연구에서 본 발명자들은 MTCS 모델이 생체 내 종양 미세 환경을 가깝게 모방함을 보였다. 첫째, 유전자 발현 측정과 GSEA는 비종양 조직과 비교했을 때 MCTS 특이적 신호가 HCC 종양 조직에서 풍부해졌음을 보여주었다. 둘째, 본 발명자들은 MCTS 유래 이종 이식 모델을 수립하였다. 거시적으로, 간암은 결절성 또는 침윤성 종양으로 나타난다. 결절성 종양 유형은 독방 (대량) 또는 다중 (간경화의 합병증으로 발전한 경우)일 수 있다. 종양 결절은 원형 타원형이며 외각이 있다. 확산 결절형은 경계가 부족하여 포털 또는 간정맥에 침투하다. MCTS 유래 이종 이식 모델은 단세포 세포 유래 이종 이식 모델과 비교했을 때 생체 내 결절형 간세포 암종과 더 유사하다 [도 3].In order to identify the cause of TME-related drug resistance, it is necessary to develop a sophisticated methodology to reflect the TME. In this study, the inventors have shown that the MTCS model closely mimics the in vivo tumor microenvironment. First, gene expression measurements and GSEA showed that MCTS-specific signals were enriched in HCC tumor tissue when compared to non-tumor tissues. Second, the present inventors have established a xenotransplantation model derived from MCTS. Macroscopically, liver cancer appears as a nodular or invasive tumor. The nodular tumor type may be solitary (large) or multiple (when developing into complications of cirrhosis). Tumor nodules are circular oval and have an external angle. Diffuse nodular type penetrates portal or hepatic vein because of lack of boundary. The MCTS-derived xenograft model is more like nodular hepatocellular carcinoma in vivo as compared to the single cell-derived xenograft model (Fig. 3).

그러나 종양 유형, 신호 및 세포 상태와 관련하여 간암 환자에서 제거되고 시험 관내에서 증식 된 세포가 생체 내에서와 동일한 특성을 갖는지는 알려지지 않았다. 따라서 환자 조직 내에서 TME의 동적 변화에 대한 지속적인 연구뿐만 아니라 기초 연구자 및 임상 병리학 자와의 광범위한 협력이 필수적이라고 할 것이다.However, it is not known whether cells removed in patients with liver cancer and proliferated in vitro in terms of tumor type, signal and cellular status have the same characteristics as in vivo. Thus, extensive collaboration with basic researchers and clinicopathologists is essential, as well as ongoing research into the dynamic changes in TME in patient tissues.

II. II. 실시예Example 2 2

1. 실험방법1. Experimental Method

세포주와 배양조건Cell lines and culture conditions

기질세포인 WI38(인간 섬유아세포), LX2(인간 간성상세포), HUVECs(인간 제대 정맥 내피세포)를 각각 ATCC (Manassas, VA, USA), Merck Millipore (Darmstadt, Germany) 와 PromoCells (Heidelberg, Germany)에서 구입하였다. 모든 세포는 37℃, 5% CO2 인큐베이터에서 배양하였다. Cells of WI38 (human fibroblast), LX2 (human hepatic stellate cells) and HUVECs (human umbilical vein endothelial cells), which are stromal cells, were obtained from ATCC (Manassas, VA, USA), Merck Millipore (Darmstadt, Germany) and PromoCells ). All cells were incubated in a 5% CO 2 incubator at 37 ° C.

WI38세포는 최소필수영양배지(MEM; Welgene, Daegu, Korea)에 10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS; Gibco, Grand Island, NY, USA) 와 1x penicillin-streptomycin (P/S; Gibco)를 첨가하여 배양하였다. LX2세포는 Dulbecco's Modified Eagle's Medium(DMEM; Welgene)에 2% heat-inactivated FBS 와 P/S를 첨가하여 배양하였다. HUVECs는 PromoCell사로부터 구매한 내피 기저 배지 (EBM)에서 배양하였다.WI38 cells were treated with 10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS; Gibco, Grand Island, NY, USA) and 1x penicillin-streptomycin (P / S; Gibco) in a minimum essential nutrient medium (MEM; Welgene, Daegu, Korea) And cultured. LX2 cells were cultured in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM; Welgene) supplemented with 2% heat-inactivated FBS and P / S. HUVECs were cultured in endothelial basal medium (EBM) purchased from PromoCell.

환자유래Patient origin 간암세포 배양 Liver cancer cell culture

수술직후 절제된 종양의 일부분은 Hanks balanced salt solution (HBSS; Gibco)에 담근 후 0℃의 수술실에서 실험실로 옮겨졌다. 검체는 무균 조건에서 채취하고 혈액을 제거하기 위해 칼슘과 마그네슘이 없는 HBSS로 2-3회 세척하였다. 혈액을 제거한 후, 간 샘플은 잘게 절단하였고, 부드럽게 분산시킨 후 샘플을0.03% pronase (Gibco), 0.05% type IV 콜라게나제(Gibco), 0.01% 데옥시리보뉴클레아제(Dnase, from bovine pancreas, Gibco)가 함유된 HBSS에 37℃에서 20분간 반응시켰다. 얻어낸 현탁액에서 100-μm-나일론 필터(BD Falcon, Franklin Lakes, NJ, USA)에서 여과시킨 후 50 x g 에서 2분간 4℃에서 원심분리하여 간세포를 얻었다. 펠렛을 0.005% DNase가 함유된 HBSS로 2번 세척하였다. 최종 세포 현탁액을 10% 열-불활성화된 FBS, 1 ng/ml 간세포 성장인자(HGF, Prospec, Rehovot, Israel)와 1x 항생 물질(HBM 배지같은antimycotic (Gibco))이 첨가된 간세포 기저 배지(Lonza, Basal, Switzerland)가 들어있는 콜라겐으로 코팅된 T25 플라스크 (BD Falcon)에서 37℃, 5% CO2 인큐베이터에서 배양하였다. 배양 후 24시간동안 배지를 교체하여 죽은 세포와 잔해물을 제거하였다. 세포가 70-80% confluence에 도달했을때, 세포를 보충물을 첨가한 HBM 배지에 옮겨 놓았다. Confluent 세포를 트립신 처리하고, 수를 세고, 매 passage마다 1:3 -1:5 비율로 희석하여 배양하였다. 세포주를 30회 이상 배양하면, 세포를 동결보존하였다.Immediately after surgery, a portion of the resected tumor was transferred to the laboratory from the operating room at 0 ° C after soaking in Hanks balanced salt solution (HBSS; Gibco). Specimens were collected under aseptic conditions and washed 2-3 times with calcium and magnesium free HBSS to remove blood. After removal of blood, the liver samples were finely sectioned and gently dispersed and the samples were incubated with 0.03% pronase (Gibco), 0.05% type IV collagenase (Gibco), 0.01% deoxyribonuclease (Dnase, from bovine pancreas , Gibco) at 37 &lt; 0 &gt; C for 20 minutes. The resulting suspension was filtered through a 100-μm-nylon filter (BD Falcon, Franklin Lakes, NJ, USA) and centrifuged at 50 xg for 2 minutes at 4 ° C to obtain hepatocytes. The pellet was washed twice with HBSS containing 0.005% DNase. The final cell suspension was suspended in hepatocellular basal medium supplemented with 10% heat-inactivated FBS, 1 ng / ml hepatocyte growth factor (HGF, Prospec, Rehovot, Israel) and 1x antibiotic (antimycotic (HBc) , Basal, Switzerland) in a T25 flask (BD Falcon) coated with collagen at 37 ° C in a 5% CO 2 incubator. After the incubation, the medium was changed for 24 hours to remove dead cells and debris. When the cells reached 70-80% confluence, the cells were transferred to supplemented HBM medium. Confluent cells were trypsinized, counted, diluted 1: 3-1: 5 for each passage and cultured. When the cell line was cultured 30 times or more, the cells were cryopreserved.

윤리적 승리 및 Ethical Victory and 참여에 대한 동의Consent to participation

이 연구는 헬싱키 선언의 원칙에 따라 수행되었다. 이 연구는 아산 병원 인간 연구 윤리 위원회(허가번호: 2007-0332)의 승인을 받았다. 아산 병원의 기관 검토 위원회는 ICH, KGCP, 생명윤리 및 안전법 등 모든 지침을 준수하였다. 연구를 위해 쓰일 조직에 대한 동의서는 환자로부터 종양 표본을 조달할 때 받았다. AMC-H1이라 명명되는 것은 55세의 여성환자로부터 얻었고, AMC-H2는 51세의 남성 환자로부터 얻었다. 두 환자의 간암 발병의 원인은 모두 HBV 감염이었다.This study was conducted in accordance with the principle of the Helsinki Declaration. The study was approved by the Asan Medical Center Human Research Ethics Committee (license number: 2007-0332). The Asan Hospital's Institutional Review Board abided by all the guidelines including the ICH, KGCP, Bioethics and Safety Act. Consent for the tissue to be used for the study was obtained when procuring a tumor sample from the patient. AMC-H1 was obtained from a 55-year-old female patient, and AMC-H2 was from a 51-year-old male patient. All of the causes of hepatocellular carcinoma were HBV infection.

면역세포화학Immune cell chemistry

환자 유래 간암세포를 확인하기 위해, 세포를 실온에서 10분간 4% 파라포름알데하이드(PFA; Sigma, St Louis, MO, USA)로 고정하였고, 실온에서 30분간 Triton X-100(Sigma)가 들어간 Dulbecco's phosphate-buffered saline(DPBS; Welgene)로 처리 후에 DPBS로 3번 세척하였다. 다음과 같은 항체가 사용되었다: 마우스 단일 클론성 항 인간 혈청 알부민 (ALB; 15C7, ab10241, 1:500; Abcam, Cambridge, UK), 마우스 단일 클론성 항 인간 Hep par-1 (Clone OCH1E5, M7158, 1:100; Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) 와 마우스 단일 클론성 항 인간 CD133/1 (AC133, 130-090-422, 1:100; Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany). 샘플은 항체와 함께 4℃에서 16시간동안 처리한 후에 DPBS로 10분씩 3회 세척하였다. 염색을 위해 사용한 이차 항체로는 Alexa® Fluor 488 (Invitrogen, Eugene, OR, USA)와 결합된 염소 항-마우스 IgG, Alexa® Fluor 488 와 결합된 염소 항-토끼 IgG가 사용되었다. 그 후 실온에서 샘플을 이차 항체와 함께 1시간동안 처리하였고, DPBS로 10분씩 5회 세척하였다. 핵 염색을 위해 실온에서 Hoechst 33342 (Invitrogen)를 10분 동안 처리하였고, PBS로 2회 신속하게 세척하였다. 모든 형광 이미지는 Operetta® High Content Screening(HCS) System (Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)를 사용하여 얻었다.Cells were fixed with 4% paraformaldehyde (PFA; Sigma, St. Louis, Mo., USA) for 10 min at room temperature and incubated for 30 min at room temperature with Triton X-100 (Sigma) washed with phosphate-buffered saline (DPBS; Welgene) and then washed three times with DPBS. The following antibodies were used: mouse monoclonal anti-human serum albumin (ALB; 15C7, ab10241, 1: 500; Abcam, Cambridge, UK), mouse monoclonal anti-human Hep par-1 (Clone OCH1E5, M7158, 1: 100; Agilent Technologies, Santa Clara, Calif., USA) and mouse monoclonal anti-human CD133 / 1 (AC133, 130-090-422, 1: 100; Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany). Samples were treated with antibodies at 4 ° C for 16 hours and then with DPBS for 10 minutes three times. A secondary antibody used for staining is Alexa Fluor ® 488 is combined with (Invitrogen, Eugene, OR, USA ) goat anti-mouse IgG and goat anti bond, Alexa Fluor ® 488-rabbit IgG were used. The sample was then treated with the secondary antibody for 1 hour at room temperature and then washed five times with DPBS for 10 minutes each. For nuclear staining, Hoechst 33342 (Invitrogen) was treated at room temperature for 10 minutes and washed rapidly twice with PBS. All fluorescence images were obtained using the Operetta ® High Content Screening (HCS) System (Perkin Elmer, Waltham, Mass., USA).

AMCAMC -H1과 -H1 and AMCAMC -H2의 성장 특성Growth characteristics of -H2

96-well 플레이트의 well마다 1x103 개의AMC-H1, AMC-H2 세포주를 seeding 후, 1-7일 키웠다. 세포 생존력은 표시된 시간에 MTS assay (Promega, Madison, WI, USA)를 통해 측정하였다. 1x10 3 AMC-H1 and AMC-H2 cell lines were seeded in 96-well plate wells and grown for 1-7 days. Cell viability was measured via the MTS assay (Promega, Madison, WI, USA) at indicated times.

간암줄기세포Stem cell of liver cancer (( LCSCLCSC ) spheroid 형성) spheroid formation

AMC-H1과 AMC-H2 세포를 6-well ultra-low attachment(ULA) 플레이트 (Corning Life Sciences, Amsterdam, The Netherlands)에 seeding하여, 간암줄기세포 배지 (1x B27 (Invitrogen), 20ng/ml basic fibroblast 성장인자 (bFGF; Invitrogen), 20ng/ml epidermal 성장인자 (EGF; Invitrogen), 25μg/ml 인슐린(Sigma-Aldrich)가 첨가된 DMEM/F12(Gibco))로 5-7일 배양하여 간암줄기세포 spheroid 형성을 측정하였다.AMC-H1 and AMC-H2 cells were seeded in 6-well ultra-low attachment (ULA) plates (Corning Life Sciences, Amsterdam, The Netherlands) and cultured in liver cancer stem cell medium (1x B27 (Invitrogen), 20 ng / ml basic fibroblast The cells were incubated with DMEM / F12 (Gibco) supplemented with growth factor (bFGF; Invitrogen), 20 ng / ml epidermal growth factor (EGF; Invitrogen) and 25 ug / ml insulin (Sigma- Aldrich) Formation.

상처 치유 분석(wound healing assay)Wound healing assay

전이 가능성을 확인하기 위해 wound healing assay가 수행되었다. 세포를 6 well 플레이트에 옮겨담고, 80-90% confluence를 보일때까지 배양하였다. 세포가 적절한 면적을 차지하게 되면, 피펫 팁을 사용하여 세포를 긁어 스크레치를 만들었다. 세포의 가장자리에서 세포의 이동이 관찰되었다. 시간 경과 이미지는 Nikon 3 카메라가 장착된 현미경을 사용하여 캡쳐하였다.A wound healing assay was performed to confirm the possibility of metastasis. Cells were transferred to 6-well plates and cultured until they showed 80-90% confluence. Once the cells reached the appropriate area, they scraped the cells using a pipette tip. Cell migration was observed at the edge of the cell. Time-lapse images were captured using a microscope equipped with a Nikon 3 camera.

웨스턴블랏Western blot

분자 프로파일은 웨스턴 블랏 분석을 통해 확인하였다. 세포를 수집하고 1000rpm에서 3분간 원심분리하였다. 펠렛을 수집하고 RIPA 버퍼 (InTron, Junwon-gu, South Korea)를 사용하여 4℃에서 30분간 강하게 볼텍싱하면서 용해시켰다. 생성된 용해물을 4℃에서 20분간 12,500rpm으로 원심분리한 후 상층액을 수집하였다. 단백질 농도는 BCA assay (Promega)로 측정하였다. SDS-PAGE 및 transfer 후, 맴브레인은 상피 성장 인자 수용체 (EGFR, Cell Signaling, Danvers, MA, USA), β-카테닌 (Cell Signaling), N-카드헤린 (Cell Signaling), ERK (Cell Signaling), pAkt (Cell Signaling), Akt (Cell Signaling)에 대한 항체로 블랏팅하였다. 적절한 2차항체를 붙인 후, ECL 시약(GE, Fairfield, CT, USA)를 사용하여 검출하였다.Molecular profiles were confirmed by Western blot analysis. The cells were harvested and centrifuged at 1000 rpm for 3 minutes. The pellet was collected and dissolved vigorously vortexing for 30 min at 4 &lt; 0 &gt; C using RIPA buffer (InTron, Junwon-gu, South Korea). The resulting lysate was centrifuged at 12,500 rpm for 20 minutes at 4 ° C, and the supernatant was collected. Protein concentration was measured by BCA assay (Promega). After SDS-PAGE and transfer, the membranes were incubated with Epithelial Growth Factor Receptor (EGFR, Cell Signaling, Danvers, MA, USA), beta -catenin, N-cardinal, ERK (Cell Signaling), and Akt (Cell Signaling). Appropriate secondary antibodies were attached and detected using ECL reagent (GE, Fairfield, CT, USA).

단일염기 다형성 (SNP) Single nucleotide polymorphism (SNP) 마이크로어레이Microarray

AMC-H1 및AMC-H2세포에 대한 유전자 변이를 조사하기 위해서 Affymetrix CytoScanTM 750K (Affymetrix, Santa Clara, CA, USA)를 사용하여 SNP array 분석을 수행하였다. AMC-H1와 AMC-H2로부터 AxyPrep Multisource 게놈 DNA 키트 (Axygen, Union City, CA, USA)를 사용하여 DNA를 분리하였다. SNP 마이크로어레이는 제조자가 공급한 표준화된 프로토콜에 따라 수행되었다. Raw 데이터는 Chromosome Analysis Suite 2.0 소프트웨어 (Affymetrix)를 사용하여 복제개수(CN) 변화와 이형 접합체(LOH)의 손실을 검출하였다.SNP array analysis was performed using Affymetrix CytoScan ™ 750K (Affymetrix, Santa Clara, Calif., USA) to investigate gene mutations in AMC-H1 and AMC-H2 cells. DNA was isolated from AMC-H1 and AMC-H2 using the AxyPrep Multisource genomic DNA kit (Axygen, Union City, CA, USA). SNP microarrays were performed according to standardized protocols supplied by the manufacturer. Raw data was analyzed using Chromosome Analysis Suite 2.0 software (Affymetrix) to detect changes in copy number (CN) and loss of heterozygotes (LOH).

종양구상체Tumor spheroid , 다세포성 , Multicellular 종양구상체Tumor spheroid (( MCTSMCTS ) 형성 및 ) Formation and 약물 치료medication

종양구상체를 만들기 위해서, HBM 배지에 현탁 된 세포를 96-well U bottom ULA 마이크로 플레이트(Corning Life Science)에 6 x 103 세포 / well 밀도로 seeding하였다. 이 플레이트는 5% CO2가 유지되는 인큐베이터 안에서 37℃로 3일간 배양하였다. MCTS를 만들기 위해서, HBM 배지에 현탁 된 세포를 96-well U bottom ULA 마이크로 플레이트에 6 x 103 세포 / well 밀도로 심었다. 이 플레이트 또한 5% CO2가 유지되는 인큐베이터 안에서 37℃로 3일간 배양하였다. 3일 후, 5-플루오로 우라실(5-FU; Sigma-Aldrich), 시스플라틴 (Sigma-Aldrich), 와 소라페닙 (Santa Cruz Biotechnology)를 첨가하고, 추가적으로 7일동안 배양하였다. 0.5% dimethylsulfoxide (DMSO; Sigma-Aldrich)용액을 음성 대조군으로 사용하였다.To construct tumor spheroids, the cells suspended in HBM medium were seeded in 96-well U bottom ULA microplate (Corning Life Science) at a density of 6 x 10 3 cells / well. The plate was incubated at 37 [deg.] C for 3 days in an incubator maintained at 5% CO2. To make the MCTS, 6 x the cells suspended in HBM medium in 96-well U bottom ULA microplates 10 were planted in 3 cell / well density. This plate was also incubated at 37 [deg.] C for 3 days in an incubator maintained at 5% CO2. After 3 days, 5-fluorouracil (5-FU; Sigma-Aldrich), cisplatin (Sigma-Aldrich), and sorafenib (Santa Cruz Biotechnology) were added and incubated for an additional 7 days. 0.5% dimethylsulfoxide (DMSO; Sigma-Aldrich) solution was used as a negative control.

단층 배양 조건에서 약물 민감성In single layer culture conditions, drug sensitivity

환자간암세포를 384-well 플레이트 (Greiner Bio-One, Monroe, NC, USA)에 2.5 x 103 세포 / well 밀도로 seeding하였다. 16시간 배양한 후, 5-FU, 시스플라틴, 소라페닙을 48시간 동안 처리하였다. 48시간 후, 세포를 실온에서 4% PFA로 10분간 고정시키고, DPBS로 두차례 세척하였다. 핵 염색을 위해 Hoechst 33,342가 사용되었다. 분석을 위해 충분한 세포(> 1000)를 분석하기 위해서 well의 중앙을 시작으로하여 각 well 당 5개 이미지 필드를 수집하였다. 모든 이미지 분석은 HCS 시스템 와 Harmony 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 세포 수를 계산하고 대조군 (0.5% DMSO)으로 표준화 하였다.A patient of liver cancer cells in 384-well plates (Greiner Bio-One, Monroe, NC, USA) 2.5 x 10 3 were seeding the cells / well density. After 16 hours of incubation, 5-FU, cisplatin and sorapenib were treated for 48 hours. After 48 hours, the cells were fixed with 4% PFA for 10 minutes at room temperature and washed twice with DPBS. Hoechst 33,342 was used for nuclear staining. Five image fields were collected for each well starting from the center of the wells in order to analyze enough cells (> 1000) for analysis. All image analysis was performed using HCS system and Harmony software. Cell numbers were calculated and normalized to control (0.5% DMSO).

구상체에서의In the sphere 세포사Cell death 검출 detection

구상체의 세포사는 세포-불투과성 생존력 지표인 ethidium homodimer-1 (EthD-1; Invitrogen)을 사용하여 검출했다. EthD-1은 DNA에 결합할 때까지 약하게 형광을 내고 적색 형광을 발하는 핵산 친화성 염료이다. Spheroid는 EthD-1이 4μM 들어있는 HBM 배지에서 37℃에서 30분간 배양하고, HCS 시스템을 사용하여 EthD-1의 이미지를 얻어 분석하였다.Cells of spheroids were detected using ethidium homodimer-1 (EthD-1; Invitrogen), a cell-impermeable viability indicator. EthD-1 is a nucleic acid-affinity dye that produces weak fluorescence and emits red fluorescence until it binds to DNA. Spheroid was cultured in HBM medium containing 4 μM of EthD-1 for 30 minutes at 37 ° C, and the image of EthD-1 was analyzed using HCS system.

RealtimeRealtime PCRPCR

전체 RNA는 제조사의 설명서에 따라 TRIzol® (Invitrogen)을 사용하여 세포로부터 분리하였다. 반응 혼합물은 RT 완충액 (Bio Basic, Amherst, NY, USA), dNTP 용액 (Bio Basic), RNasin® inhibitor (Promega), oligo (dT)15 프라이머 (Bioneer, Daejeon, Korea), Total RNA, 와 M-MLV 역전사효소 (Invitrogen)이 포함되어있다. 반응 혼합물은 1시간동안 37℃에서 배양하고, 혼합물을 5분간 95℃에서 가열한 다음 얼음 위에서 빠르게 냉각시켜 전사 반응을 종결하였다. PCR 반응은 cDNA, SYBR Green master mix(Applied Biosystems, Waltham, MA, USA), 프라이머 및 StepOnePlus real-time PCR system (Applied Biosystems)을 사용하는 DEPC으로 구성된 혼합물이 들어있는 96-well 플레이트에서 수행되었다. 반응 조건은 10분간 95℃였고, 95℃에서 15초 60℃에서 1분 사이클로 40사이클로 수행되었다. 임계 주기 (CT)는 형광이 고정된 임계값을 통과하는 분수 사이클 수로 정의되었다. CT 값은 수학적 모델 R = 2 - ΔΔCT로 계산되었고, 값은 다음과 같다(ΔCT =CT target gene -CTGAPDH, ΔΔCT=ΔCT test - ΔCT control). CT값은 GAPDH 발현에 따라 정규화(normalized)되었다. 모든 실시간 PCR은 3회 실시하였고, 데이터는 평균 ± 표준편차(SD)로 나타내었다. 모든 프라이머는 Bioneer로부터 디자인하고 구매하였다.The total RNA was prepared according to the manufacturer &apos; s instructions,   (Invitrogen). &Lt; / RTI &gt; The reaction mixture contained RT buffer (Bio Basic, Amherst, NY, USA), dNTP solution (Bio Basic), RNasin ® inhibitor (Promega), oligo (dT) 15 primer (Bioneer, Daejeon, Korea) MLV reverse transcriptase (Invitrogen) is included. The reaction mixture was incubated at 37 [deg.] C for 1 hour and the mixture was heated at 95 [deg.] C for 5 minutes and then rapidly cooled on ice to terminate the transcription reaction. PCR reactions were carried out in 96-well plates containing cDNA, SYBR Green master mix (Applied Biosystems, Waltham, Mass., USA), primers and DEPC using a StepOnePlus real-time PCR system (Applied Biosystems). The reaction conditions were 95 ° C for 10 minutes and 40 cycles at 95 ° C for 15 seconds and 60 ° C for 1 minute. The critical period (CT) is defined as the number of fractional cycles through which fluorescence passes through a fixed threshold. The CT value was calculated as the mathematical model R = 2 - ΔΔCT, and the values are (ΔCT = CT target gene - CT GAPDH , ΔCT = ΔCT test - ΔCT control ). CT values were normalized according to GAPDH expression. All real-time PCR was performed 3 times and data were expressed as mean ± SD. All primers were designed and purchased from Bioneer.

통계적 분석Statistical analysis

모든 실험은 적어도 3회 수행되었다. 결과는 평균 ± SD로 나타내었다. 통계적 분석은 Student's t-test를 사용하여 수행되었다.All experiments were performed at least three times. Results are expressed as means ± SD. Statistical analysis was performed using Student's t-test.

2. 실험결과2. Experimental results

본래 간암세포의 특성을 유지하는 일차 간암세포의 특성분석Characterization of Primary Hepatocarcinoma Cells Maintaining the Nature of Liver Cancer Cells

본 연구진은 임상 약물 적용을 위해 쓰일 유익한 정보를 공급하여 최적의 항암제를 선택할 수 있는 플랫폼을 개발하기위해 간암 환자의 간 절제 샘플로부터 primary HCC 종양을 분리하였다. 이를 바탕으로 우리는 HBV에 감염된 한국인 HCC환자로부터 2개의 HCC 세포주(AMC-H1, AMC-H2)를 선택하였다. 두 환자에 대한 특징들은 하기 표 4에 요약하였다.We have isolated primary HCC tumors from hepatocarcinoma liver resection samples to develop a platform for selecting the best anticancer drug by providing useful information for clinical drug applications. Based on this, we selected two HCC cell lines (AMC-H1, AMC-H2) from HBV-infected Korean HCC patients. The characteristics of the two patients are summarized in Table 4 below.

[표 [table 4] HCC4] HCC 절제 시점의 공여자 특징 Donor characteristics at the time of ablation

Figure pat00004
Figure pat00004

절제 후 전체 종양의 일차배양 초기에, 간세포가 다른 세포군으로부터 펴져나가는 것이 관찰되었다. 2~3회 계대 배양 후, 세포들은 거의 모든 부분 간세포로 구성되어 있었다. 세포는 10% FBS가 첨가된 DMEM에서 50세대 이상 유지되었다. 만들어진 세포주가 간세포인지 확인하기 위해, AMC-H1와AMC-H2의 형태를 관찰했다. AMC-H1 세포는 EPITHELIA-LIKE 혹은 다각형의 모양으로 균질의 세포 집단을 나타냈고, 여러 인을 지닌 clear nuclei를 나타냈다. 세포는 단층과 같은 구별되는 경계면을 지닌 도로와 같은 배열로 자랐다. AMC-H2세포는 대조적으로 다각형이라기 보단 방추형의 모양을 보였다. 두 일차 HCC 세포주가 original HCC 특징들을 유지하고 있는지에 대해 확인하기 위해, 간세포 특이적 항원 (Hep Par-1), 알파 페토단백질(AFP)과 알부민에 대해 간세포 특이적 마커를 이용하여 면역 염색법을 실시하였다. HEP Par-1는 환자로부터 얻은 두 세포주에서 모두 발현되었고, AFP 발현은 AMC-H1보다 AMC-H2에서 더 높게 발현되었다. 알부민은 두 세포주에서 모두 발현되었지만, AMC-H1에서 더 높게 발현되었다(도 13b). 이러한 결과는 AMC-H1, AMC-H2 모두 간세포의 특성을 가지고 있지만 AFP와 알부민의 발현의 정도가 다름을 유추할 수 있다. 간기능에 대한 능력을 평가하기 위해 AFP와 알부민 mRNA의 발현 정도를 실시간 PCR으로 분석하였다. AMC-H1, AMC-H2 사이에 AFP와 알부민의 mRNA발현은 차이가 있었다. AFP mRNA의 경우는 AMC-H1에선 약하게 발현하는 반면 AMC-H2에선 강하게 발현하였다. AFP 와 알부민 모두 mRNA발현 양상은 면역 염색법 결과와 일치하였다(도 13c)At the beginning of primary culture of all tumors after resection, hepatocytes were observed to spread out from other cell groups. After subculturing 2-3 times, the cells consisted of almost all hepatic cells. Cells were maintained for more than 50 generations in DMEM supplemented with 10% FBS. To determine if the cell line was hepatocytes, we observed the morphology of AMC-H1 and AMC-H2. AMC-H1 cells exhibited homogeneous cell populations in the form of EPITHELIA-LIKE or polygons and showed clear nuclei with multiple phosphorus. The cells grew into an array of roads with distinct interfaces such as faults. AMC-H2 cells, in contrast, showed a fusiform shape rather than a polygonal shape. Immunostaining was performed using hepatocyte-specific markers for hepatocyte-specific antigens (Hep Par-1), alpha-fetoprotein (AFP) and albumin in order to confirm whether the two primary HCC cell lines retained their original HCC characteristics Respectively. HEP Par-1 was expressed in both cell lines from patients and AFP expression was higher in AMC-H2 than in AMC-H1. Albumin was expressed in both cell lines but higher in AMC-H1 (Figure 13b). These results suggest that both AMC-H1 and AMC-H2 have hepatocyte characteristics, but the degree of expression of AFP and albumin is different. To assess the ability of liver function, the expression level of AFP and albumin mRNA was analyzed by real time PCR. There was a difference in mRNA expression of AFP and albumin between AMC-H1 and AMC-H2. AFP mRNA was weakly expressed in AMC-H1 while strongly expressed in AMC-H2. The mRNA expression patterns of both AFP and albumin were consistent with those of immunostaining (Figure 13c)

만들어진 세포주의 두 환자 모두 절제할 당시 그들의 혈중 HBV DNA가 검출 가능했다. 두 세포주가 안정한 HBV 감염을 유지하고 있는지 확인하기 위해 Culture 상층액 안에 HBV DNA와 B형 간염 표면 항원 (HBsAg)을 측정했다. 도 19에 나타난 바와 같이, 비록 복제개수(CN)은 감소하고 있지만, 계대 배양에 오랜 시간이 지난 후에도 두 세포주에서 모두 HBV DNA가 여전히 검출되었다. 우리는 세포주의 세포 용해물 안에 전체 게놈 HBV DNA의 존재를 확인하기 위해 시도했지만 성공하지 못했다. 그럼에도 불구하고 본 연구진의 데이터는 AMC-H1와 AMC-H2가HBV DNA S 유전자 영역의 적어도 일부가 게놈을 안정적으로 통합하고 오랜기간 계대배양에도 불구하고 HDV DNA를 지속적으로 분비한다는 것을 시사한다. 대조적으로 두 세포주로부터 얻은 배양상층액 안에 HBsAg를 검출 할 수 없었다(도 19). 이런 결과는 적어도 게놈 안에 일부의 HBV DNA가 게놈에 통합되었음에도 불구하고, AMC-H1와AMC-H2가 감염성을 가진 완전한 바이러스를 생성하지 못함을 시사한다. Wound healing assay 에서 상처 가장자리로부터의 세포의 이동은 AMC-H1에서 보다 AMC-H2에서 더 빠르고 컸다(AMC-H1 vs AMC-H2; 100 vs 250 μm in 24 h; (도 16)). 종합해보면, 이 결과들은 두 세포주가 증식 능력, HBV DNA및 HBsAg 분비, AFP와 알부민 발현이 유사하지만 형태, 전이능력, 그리고 간암 줄기세포(LCSCs)의 개체군이 다름을 나타내며, 이는 AMC-H1 보다 AMC-H2가 더 침습적임을 시사한다.Both patients in the cell line were able to detect HBV DNA in their blood at the time of resection. HBV DNA and hepatitis B surface antigen (HBsAg) were measured in culture supernatants to determine if two cell lines were maintaining stable HBV infection. As shown in Fig. 19, although the number of copies (CN) decreased, HBV DNA was still detected in both cell lines after a long time in the subculture. We attempted to confirm the presence of whole genomic HBV DNA in the cell lysate of the cell line but were not successful. Nevertheless, our data suggest that AMC-H1 and AMC-H2 secrete at least a portion of the HBV DNA S gene region, which stably integrates the genome and continuously secretes HDV DNA despite long-term subculture. In contrast, HBsAg could not be detected in the culture supernatants from both cell lines (Fig. 19). These results suggest that AMC-H1 and AMC-H2 do not produce a complete virus with infectivity, at least in spite of the fact that some HBV DNA is integrated into the genome, at least in the genome. Cell migration from the wound edge in the Wound healing assay was faster and larger in AMC-H2 than in AMC-H1 (AMC-H1 vs. AMC-H2; 100 vs 250 μm in 24 h; In summary, these results indicate that the two cell lines have similar proliferative capacity, HBV DNA and HBsAg secretion, and AFP and albumin expression but differ in morphology, metastatic capacity, and population of liver cancer stem cells (LCSCs) Suggesting that -H2 is more invasive.

AMCAMC -- H1및H1 and AMCAMC -H2에서의 종양 관련 특성 프로파일Tumor-related characteristic profiles in -H2

EGFR, β-카테닌, p53 및 PTEN는 간암세포에서 제 기능을 못함이 널리 알려져있다. 본 연구진은 몇몇 다른 간암세포 세포주(Huh7, SNU398, SNU449와 SNU475)뿐만 아니라 새로운 세포주 안에서 앞서 말한 요인들의 발현 정도를 확인했다. EGFR은 AMC-H1와 AMC-H2 모두 비슷한 수준으로 발현했다. β-카테닌은 다른 간암세포 세포주와 비교해서 새로운 두 세포주에서는 과발현되지 않았다. 종양 억제자 p53및 PTEN은 두 세포주 모두에서 낮은 양 발현하여 잠재적으로 높은 생존율을 시사했다. 또한 상피-간엽 간 전환 및 전이와 연관된 N-카드헤린 발현도 확인하였는데, AMC-H1보다 AMC-H2에서 높은 N-카드헤린 발현을 보였다. 이러한 발견은 AMC-H1보다 AMC-H2에서 높은 이동 잠재력을 보인wound healing assay와 일치했다. 또한, 관련 유전자 발현뿐만 아니라 어떤 신호 경로가 우세하게 활성화되었는지 확인했다. 특히, 두 주요 수용체 매개 활성 경로인 RAS/RAF/MEK/ERK와 PI3K/Akt 경로를 검사하였다. RAS/RAF/MEK/ERK 경로에 대해선 두 새로운 세포주 모두 활성을 보이지 않았고 PI3K/Akt 경로에는 AMC-H2에서만 활성을 보였다. 그러므로 AMC-H1와 AMC-H2는 종양유전자와 종양 억제자의 발현은 유사하지만, 활성화된 신호 전달 경로와 침습 능력은 다르다는 것을 시사한다(도 13d). 간암에서 유전적 변형과 불안정은 중요한 역할을 할 수 있다. 유전자 불균형을 측정하기 위해서, Affymetrix CytoScanTM 750K를 사용하여 SNP array를 수행했고, 초소형 염색체 이상을 각 염색체의 CN 변화(CNVs)로 분석했다. CNV는 특정 유전자에서 결실되거나 복제되어 결과적으로 증감하는 게놈의 상대적으로 큰 부분을 포함한다. 핵형 분석 (도 17)에 나타난 바와 같이 AMC-H1와 AMC-H2의 대부분의 염색체에서 수많은 유전적 변형이 관찰되었다(도 20, 도 21). 이전 연구에서, 일차 HCC의 CSCs의 특성을 통해 CSC 표면 마커로써 CD133을 확인하였고 CD133+ 일차 HCC 세포가 더 큰 종양 spheroid-형성 능력과 CD133- 일차 HCC 세포보다 화학적 내성을 갖는 것을 발견하였다. 새로운 일차 HCC 세포주의 특성 분석을 위해, CSCs가 유방암, 대장암 및 간암 세포의 비 점착성 spheroid에서 풍부해졌기 때문에 현탁 배양 안 세포에서 spheroid-형성 능력을 평가했다. AMC-H2 세포는 spheroid를 잘 형성하는 반면 AMC-H1은 spheroid를 형성하지 못했다 (도 13e). 다음으로, 본 연구진은 AMC-H1과AMC-H2 HCC세포 안 CD133의 발현을 검출했다. 면역조직화학검사를 통해, AMC-H2 HCC세포의 막에서 CD133의 발현이 우세하게 나타났고 반면 AMC-H1 HCC 세포 spheroid는 세포질에서만 CD133이 발현했다(도 13f).It is well known that EGFR, beta -catenin, p53 and PTEN do not function in liver cancer cells. We have identified the expression levels of the aforementioned factors in a number of different cancer cell lines (Huh7, SNU398, SNU449 and SNU475) as well as new cell lines. EGFR was expressed at similar levels in both AMC-H1 and AMC-H2. β- catenin was not overexpressed in the two new cell lines compared to other hepatoma cell lines. The tumor suppressor p53 and PTEN were expressed at low levels in both cell lines suggesting a potentially high survival rate. In addition, N-carderine expression associated with epithelial-mesenchymal transition and metastasis was also observed, which showed higher N-carderine expression in AMC-H2 than in AMC-H1. This finding was consistent with the wound healing assay, which showed higher migration potential in AMC-H2 than AMC-H1. In addition, we identified which signaling pathway was predominantly activated as well as related gene expression. In particular, we examined the two major receptor mediated pathways, RAS / RAF / MEK / ERK and PI3K / Akt pathways. Both RAS / RAF / MEK / ERK pathways did not show activity in both new cell lines and only the AMC-H2 was active in the PI3K / Akt pathway. Thus, AMC-H1 and AMC-H2 suggest that tumor genes and tumor suppressors are similar in expression but different in activated signaling pathways and invasive capacities (Fig. 13d). Genetic modification and instability in liver cancer can play an important role. To measure gene imbalance, SNP arrays were run using Affymetrix CytoScan ™ 750K and microsomal chromosome aberrations were analyzed for CN changes (CNVs) on each chromosome. CNV contains a relatively large portion of the genome that is deleted or replicated in a particular gene and consequently increases or decreases. As shown in the karyotypic analysis (FIG. 17), numerous genetic modifications were observed in most chromosomes of AMC-H1 and AMC-H2 (FIGS. 20 and 21). Previous studies have identified CD133 as a CSC surface marker through the characterization of CSCs in the primary HCC and found that CD133 + primary HCC cells have greater tumoroid-forming ability and are more chemically resistant than CD133-primary HCC cells. For characterization of new primary HCC cell lines, spheroid-forming ability was assessed in suspension cultured oocyte cells since CSCs were enriched in non-adherent spheroids of breast, colon and liver cancer cells. AMC-H2 cells formed spheroids well, whereas AMC-H1 did not form spheroids (Fig. 13e). Next, we detected the expression of CD133 in AMC-H1 and AMC-H2 HCC cells. Immunohistochemistry revealed that CD133 expression was predominant in the membrane of AMC-H2 HCC cells whereas CD133 was expressed only in the cytoplasm of AMC-H1 HCC cell spheroids (FIG. 13f).

단층 배양된 Monolayer AMCAMC -- H1와AMCH1 and AMC -- H2세포에서In H2 cells 항암제에 대한 민감성 비교 Comparison of Sensitivity to Anticancer Drugs

두 세포주 사이에 CD133 발현, 유전적 변형과 활성화된 신호 전달 경로의 차이를 관찰했기 때문에, 단층 배양 시스템에서 AMC-H1과 AMC-H2 HCC 세포주의 화학 요법에 대한 민감성을 평가했다. 한국에 진행성 HCC 환자에 대해 표준적인 치료제인 소라페닙, 5-FU와 시스플라틴을 두 세포주에 넣어 배양하였다. AMC-H1과 AMC-H2 HCC세포는 5-FU, 시스플라틴, 탁솔에 대해선 유사한 반 최고치 억제 농도 (IC50)를 나타내었고, 소라페닙의 IC50 값은 약간 차이가 있었다(도 13g 및 하기 표 5 참조).We assessed the sensitivity of AMC-H1 and AMC-H2 HCC cell lines to chemotherapy in a monolayer culture system, as we observed differences in CD133 expression, genetic modification and activated signal transduction pathways between the two cell lines. Sorapenib, 5-FU and cisplatin, which are standard treatments for advanced HCC patients in Korea, were cultured in two cell lines. AMC-H1 and AMC-H2 HCC cells exhibited similar half-maximal inhibitory concentrations (IC 50 ) for 5-FU, cisplatin, and taxol, with slightly different IC 50 values for sorapenib (FIG. Reference).

[표 5] AMC-H1 및 AMC-H2 일차 HCC에서 항암제의 반 최대치 억제 농도 (IC50) [Table 5] Half maximal inhibitory concentration (IC 50 ) of anticancer drugs in AMC-H1 and AMC-H2 primary HCC

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AMCAMC -H1과 -H1 and AMCAMC -H2 세포의 -H2 cells 종양구상체에서In the tumor sphere 항암제에 대한 민감성 비교 Comparison of Sensitivity to Anticancer Drugs

기존 단층 배양된 세포보다 3D 종양 spheroid가 생체 내 종양 특징을 더 잘 반영할 수 있어서, 종양구상체가 간세포 암종 환자에게 최적화된 치료법 개발에 크게 이바지할 것이라 기대한다. 구상체 형성능은AMC-H2 세포는 단시일에 강한 응집력을 얻는것에 비하면 AMC-H1 세포는 구상체 형성능에 있어 제한된 능력을 보였다. 구상체에 대한 약물 처리 시험에서, 다중-well 플레이트에서 환자의 균질한 크기의 단일 구상체 생성은 다양한 화합물 및 농도 조건에서의 반응 비교에 필수적이다. 이러한 제약 조건들의 실현 가능성을 판단하기 위해서 멀티-well 플레이트 안에 균질한 크기의 단일 구상체를 성공적으로 만들었다. Operetta HTS 시스템으로 단 10분 만에 이미지를 얻을 수 있었다. 이처럼, 본 연구진은 높은 재현성을 갖는 (<10% 크기 변화) 구상체와 고속 이미지를 얻는 간단한 방법을 확립하였다. 구상체 내 죽은 세포를 검출하기 위해 죽은 세포의 DNA에 결합하고 형광을 방출하는 EthD-1을 사용했다. 세포 손상의 정도를 정량화하기 위해 EthD-1 염색의 강도를 분석했다. 흥미롭게도, AMC-H1 및 AMC-H2 세포의 종양 구상체는 단층 배양조건에서 다른 약물 민감성을 나타냈다(도 14b). AMC-H2 세포의 구상체는 소라페닙, 5-FU, 시스플라틴에 대해 강한 저항성을 보인 반면 AMC-H1 세포의 구상체는 앞서 말한 약물들에 대한 세포 생존율이 상당히 감소하였다. 단층 배양 조건에서는 명백하지 않던 AMC-H1과 AMC-H2 간에 시스플라틴 및 5-FU의 약물 반응성 차이가 3D 배양 조건에서는 관찰되었다. 일반적으로, 단층 배양 조건으로 실험할 땐 오직 표적에 도달하기 위해 세포막을 짧게 거리를 가로질러 확산해야만 하는 반면, 3D 배양 조건 하에선 약물이 표적에 도달하기 위해 세포의 여러 층을 가로질러 퍼져야만 하므로 더 현실적이다. 따라서, 단층 배양에서보다 3D 배양 조건에서 화학 저항성이 더 클 것으로 생각된다. 하지만 생각과는 다르게 HCC 세포주에 대한 단층 배양 조건에서보다 3D 배양 조건에서 약물 반응성이 더 민감했다. 이러한 결과는 소라페닙이 AMC-H1 세포에 대해 효과적인 항암 효과를 보이고 AMC-H2 세포에 대해선 어떤 약물도 효과적인 치료제가 아님을 확인할 수 있었다.3D tumor spheroids may better reflect tumor features in vivo than conventional monolayer cultured cells, and it is expected that tumor somatosensitivity will contribute to the development of optimized therapies for patients with hepatocellular carcinoma. The AMC-H1 cells showed limited ability to form spheroids, compared to AMC-H2 cells having strong cohesive power in a short period of time. In drug treatment studies on spheroids, homogenous size generation of single spheres of patients in multi-well plates is essential for the comparison of reactions at various compound and concentration conditions. To determine the feasibility of these constraints, we successfully created a single spherical body of uniform size in a multi-well plate. The Operetta HTS system was able to get images in just 10 minutes. In this way, we have established a simple method for obtaining high-speed images with high reproducibility (<10% size change) spheres. EthD-1 was used to bind dead DNA and detect fluorescence to detect dead cells in the globes. The intensity of EthD-1 staining was analyzed to quantify the degree of cell damage. Interestingly, tumor spheres of AMC-H1 and AMC-H2 cells exhibited different drug sensitivities under monolayer culture conditions (Fig. 14B). The spheres of AMC-H2 cells showed a strong resistance to sorapenib, 5-FU and cisplatin whereas the spheres of AMC-H1 cells significantly decreased cell survival rates for the aforementioned drugs. Differences in drug reactivity of cisplatin and 5-FU between AMC-H1 and AMC-H2, which were not apparent under monolayer culture conditions, were observed under 3D culture conditions. In general, when experimenting with monolayer culture conditions, the cell membrane must be diffused across the distance to reach the target only, whereas under 3D culture conditions the drug must spread across several layers of the cell to reach the target It is more realistic. Therefore, it is considered that the chemical resistance is larger in the 3D culture condition than in the single layer culture. However, unlike the idea, drug reactivity was more sensitive in 3D culturing conditions than monolayer culture condition for HCC cell line. These results indicate that sorapenib has an effective anticancer effect on AMC-H1 cells and that no drug is an effective treatment for AMC-H2 cells.

다세포성 Multicellular 종양구상체Tumor spheroid 의 형성과And 일차  Primary HCCHCC 세포에서의 항암제에 대한 민감성 Sensitivity to anticancer drugs in cells

3D 종양 spheroid는 생체 내 조직과 유사하게 약물 침투뿐만 아니라 산소, 대사물질과 영양소의 분포와 관련하여 종양의 미세환경을 나타낸다. ; 하지만 이러한 구조는 종양 조직의 다른 핵심 요소들이 부족하다. 특히 종양 미세환경은 상피세포, 섬유아세포, 활성화된 간 성상세포, 침윤성 면역세포, 내피 혈관 세포 및 콜라겐과 인테그린같은 ECM 분자들을 포함한다. 이러한 간극을 줄이기 위해, 우리는 이전에 생체 내에서 관찰된 종양 이질성을 모방하기 위해 HCC 세포주를 LX2 (사람 간 성상 세포), WI38 (사람 섬유세포) 혹은 HUVEC (혈관 내피세포) 간질 세포와 1:1 비율로 사용하여 간단한 다세포성 종양구상체 모델을 만들었다. 이 시스템은 HCC 세포와 간질 세포 중 하나의 종류와 혼합되었기 때문에 제한적이다. 이 연구에서, 약물 민감성 조사하기 위해 임상 적용을 위한 모델로서 환자 세포를 이용한 다세포성 종양구상체를 만들고자 했다. 이를 위해, AMC-H1 세포와 AMC-H2 세포는 3D 배양 조건에서 세종류의 간질 세포 (LX2, WI38, HUVEC)와 함께 배양했다. AMC-H1 및 AMC-H2 MCTS 는 종양구상체보다 단단하고 날카로운 형태를 나타냈다. 그밖에 표시된 농도에서 5-FU, 시프플라틴, 소라페닙 처리 후 EthD-1 염색의 강도를 분석했다. 흥미롭게도, 종양구상체 및 다세포성 구상체에 3가지 화학치료 물질과의 반응성에 대해 유사한 결과를 얻었다. 특히, AMC-H1 세포에 대해 소라페닙이 항암효과가 효과적이었고, AMC-H2 세포에 대해선 시험 된 어떠한 약물도 효과적이지 않았다. 약물 민감성에 관련하여, AMC-H1 다세포성 구상체 및 AMC-H2 다세포성 구상체는 간단한 종양구상체보다 더 민감했다. 특히, AMC-H2 구상체에서는 관찰되지 않던 소라페닙에 대한 민감성이 AMC-H2 다세포성 구상체에선 관찰되었으며, 소라페닙이 AMC-H2 세포에 대한 가장 좋은 화학 치료법임을 확인할 수 있었다(도 15d). 이러한 결과는 일차 HCC세포에서 관찰된 약물 민감성에도 불구하고 배양 방법에 따라 약물치료의 민감성이 바뀔 수 있음을 나타낸다. 더욱이 이러한 발견은 3D 구조 종양 미세환경과 종양과 간질 세포 간 상호작용이 화학 요법에 대한 민감성에 영향을 미친다는 것을 시사한다.3D tumor spheroids are similar to in vivo tissues and represent the microenvironment of the tumor in relation to the distribution of oxygen, metabolites and nutrients as well as drug penetration. ; However, this structure lacks other key elements of tumor tissue. In particular, the tumor microenvironment includes epithelial cells, fibroblasts, activated hepatic stellate cells, invasive immune cells, endothelial cells, and ECM molecules such as collagen and integrins. In order to reduce this gap, we used HCC cell lines to mimic the previously observed tumor heterogeneity in vivo with LX2 (human hepatic stellate cells), WI38 (human fibroblasts) or HUVEC (vascular endothelial cell) 1 ratio to create a simple multicellular tumor spheroid model. This system is limited because it is mixed with one type of HCC cells and epileptic cells. In this study, we aimed to construct multicellular tumor cells using patient cells as a model for clinical application to investigate drug sensitivity. For this, AMC-H1 cells and AMC-H2 cells were incubated with three types of stromal cells (LX2, WI38, HUVEC) under 3D culture conditions. AMC-H1 and AMC-H2 MCTS showed a firmer and more sharp shape than tumor spheroids. In addition, the intensity of EthD-1 staining after treatment with 5-FU, sipflatin and sorafenib was analyzed at the indicated concentrations. Interestingly, similar results were obtained for the reactivity of the tumor spheroids and multicellular spheres with the three chemotherapeutic agents. In particular, sorapenib was effective against AMC-H1 cells and no drugs tested against AMC-H2 cells were effective. Regarding drug sensitivity, AMC-H1 multicellular globules and AMC-H2 multicellular globules were more sensitive than simple tumor spheres. In particular, the sensitivity to sorapenib, which was not observed in the AMC-H2 spheres, was observed in AMC-H2 multicellular spheres, and it was confirmed that sorapenib was the best chemotherapeutic method for AMC-H2 cells (FIG. These results indicate that despite the drug sensitivity observed in primary HCC cells, the sensitivities of drug therapy may change depending on the culture method. Furthermore, this finding suggests that 3D structure tumor microenvironment and the interaction between tumor and epileptic cells affect sensitivity to chemotherapy.

일차 Primary HCCHCC 세포의 단층 배양된 세포, 종양 spheroid 및  Monolayer cultured cells, tumor spheroids and MCTS에To MCTS 대한 약물 민감성 비교 Comparison of Drug Sensitivity

AMC-H1 및 AMC-H2 HCC세포는 간 환자 표본으로부터 획득한 후, 암 세포주로써 안정화했다. 그러므로 본 연구진은 오직 3-6회만을 계대 배양하고, 간 환자로부터 얻어낸 단층 배양 세포, 종양구상체 및 다세포성 구상체의8개 일차 HCC 세포에 약물 민감성을 조사했다. 일차 HCC를 배양했을 때, 여러 세포 종류가 함께 배양되었지만, 간세포는 오직 간세포 특이 배양 조건에서 3-6회 계대 배양 후 기질 세포가 없는 배양에서만 생존했다. 이러한 세포 조건의 약물 민감성을 조사하기 이전에, 이런 세포들의 종양구상체 및 다세포성 구상체 형성능을 확인했다(도 18A). 실험한 8개의 일차 HCC 세포 중 6개는 단단히 압축된 종양구상체를 형성했다; 하지만, 8513B와 51532B는 느슨한 응집체 형태의 구상체의 형태를 보였다. 기질 세포의 혼합 배양으로 인해 세포 간 상호작용을 도움으로써, 모든 일차 HCC 세포가 종양구상체에 비해 더 단단하고 날카로운 형태의 다세포성 종양구상체를 형성하였다. 또한, 간 혹은 간암 마커의 발현은 일차 HCC 세포 간에서의 차이의 정도는 보일지라도AFP와 알부민 mRNA 발현(도 18C)만큼 세포질(도 18B)에서 알부민과 HepPar-1의 발현을 보였다. 본 연구진이 만든 단층 배양 세포 시스템, 종양구상체 및 다세포성 구상체를 사용하여 약물 민감성을 조사하고, 다양한 일차 HCC세포를 비교했다(하기 표 6 참조).AMC-H1 and AMC-H2 HCC cells were obtained from liver patient specimens and stabilized with cancer cell lines. Therefore, we investigated drug sensitivity to 8 primary HCC cells of monolayer culture cells, tumor spheroids and multicellular spheroids obtained from liver patients only 3-6 times subculture. When primary HCC was cultured, several cell types were cultured together, but hepatocytes survived only in stromal cell-free cultures after subculture 3-6 times in hepatocyte-specific culture conditions. Prior to investigating drug sensitivity of these cell conditions, tumor cells and multicellular globular bodies were determined for their ability to form (Figs. 18A). Six of the eight primary HCC cells tested formed tightly packed tumor spheroids; However, 8513B and 51532B showed spherical forms of loose agglomerates. All primary HCC cells formed solid and multicolored multicellular tumor morphology compared to tumor spheroids, with intercellular interactions helped by mixed cultures of stromal cells. In addition, the expression of liver or liver cancer markers showed albumin and HepPar-1 expression in the cytoplasm (Fig. 18B) as much as the AFP and albumin mRNA expression (Fig. 18C), even though the degree of difference between primary HCC cells was seen. We investigated drug sensitivity using a monolayer culture system, tumor spheroids and multicellular spheroids, and compared various primary HCC cells (see Table 6, below).

[표 6] 환자로부터 얻은 세포의 단층 배양 시스템, 종양구항체 및 다세포성 구상체(MCTSs)에서의 약물 민감성 [Table 6] Drug sensitivity in monolayer culture system, tumor globule antibody and multicellular spheroids (MCTSs) obtained from patients

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분석방법은2D와 3D 배양 시스템에 따라 달랐다. 단층 배양 시스템에서 핵을 염색하고, 세포 수를 결정하며, 생존율을 대조군 (0.1%DMSO)에 대해 나타내었다. 반면, 종양구상체 및 다세포성 구상체는 죽은 세포를 검출하기 위해 EthD-1으로 염색되었으며, 세포 사망률은 대조군(0.1%DMSO)에 비교해 나타내었다. 이러한 차이 때문에, 항암제에 대한 민감성은 IC50와 같은 특정 억제 농도로 비교되지 않았다. 대신에, 약물 민감성은 다음과 같은 분류 되었다: "-"는 단층 배양에서 90% 이상의 세포 생존율과 종양구상체 및 다세포성 구상체에서 10% 미만의 세포 사멸을 의미하며, "+"는 단층 배양에서 70% 이상 90% 미만의 세포 생존율과 종양구상체 및 다세포성 구상체에서 30% 미만 10% 이상의 세포 사멸을 의미하며, "++"는 단층 배양에서 50% 미만 30% 이상 세포 생존율과 종양 구상체 및 다세포성 구상체에서 50% 미만 30% 이상의 세포 사멸을 의미한다 ("-" X>90% 및 Y<10%, "+" 70%<X<90% 및 10%<Y<30%, "++" 30%<X<50% 및30%<Y<50%, X = 단층 배양에서의 생존율 Y = 구상체 및 다세포성 구상체에서의 세포 사멸). 표 6에 따르면, 단층 배양에서 모든 일차 HCC는 5-FU에 대해 민감하게 반응하는 반면, 종양 구상체 및 다세포성 구상체 시스템에서는 5-FU에 대해 일차 HCC 중 오직 절반만 약하게 반응한다. 5-FU의 선택적인 반응은 다세포성 구상체 배양 시스템에서 가장 두드러졌다. 시스플라틴에 대한 반응은 2D와 3D 배양 시스템 사이에서 완전히 다른 양상을 보였고, 시스플라틴에 대해 어떠한 일차 HCCs 다세포성 구상체도 민감하게 나타나지 않았다. 이처럼, 일차 HCCs MCTS는 세 가지 배양 시스템 사이에서 가장 강한 시스플라틴 저항성을 보였다. 대조적으로, 일차 HCCs MCTS는 소라페닙에 대해 가장 민감한 것으로 보였다. 단층 배양 시스템에서 일차 HCC는 소라페닙 처리에 대해 반응하지 않았지만, 일차 HCC 종양구상체는 소라페닙에서 약하게 반응을 보였다. 다음과 같은 자료를 통해, 본 연구진은 배양 방법에 따라 각각의 일차 HCC 세포 배양은 약물 민감성이 달라진다는 결론을 얻었다. 단층 배양에 대한 분석 시스템을 단순화하는 것은 결과 데이터가 번역 연구에 활용될 수 없으므로 HCC의 간암 환자에게 최적화된 치료법으로 유용하지 않을 것이다. 종합해보면, 종양구상체는 3D 세포 환경과 병리학적인 농도기울기 및 생체 내 이질성을 반영하기 때문에 다세포성 종양구상체 배양 시스템이 간암 환자에게 최적화된 치료법을 선별할 수 있는 가장 좋은 방법이라 제안한다.The method of analysis varied depending on the 2D and 3D culture systems. Nuclei were stained in the monolayer culture system, the number of cells was determined, and the survival rate was shown for the control (0.1% DMSO). On the other hand, tumor spheroids and multicellular spheroids were stained with EthD-1 to detect dead cells and cell death rates were compared to the control (0.1% DMSO). Because of this difference, the sensitivity to anticancer drugs was not compared to specific inhibitory concentrations such as IC50. Instead, drug sensitivity was classified as: " - " means a cell survival rate of 90% or more in monolayer cultures and less than 10% of cell death in tumor spheres and multicellular spheres, " + " Of tumor cells, and less than 30% and more than 10% of cell deaths in tumor cells and multicellular spheroids, while " ++ " means cell survival rates of less than 50% and 30% (X &gt; 90% and Y &lt; 10%, &quot; + &quot; 70% &lt; X &lt; 90% and 10% < Y < 30 %, "++" 30% <X <50% and 30% <Y <50%, X = survival rate in monolayer culture Y = cell death in spheroids and multicellular spheroids). According to Table 6, all primary HCCs respond sensitively to 5-FU in monolayer cultures, whereas only half of the primary HCCs respond to 5-FU in tumor spheres and multicellular globular systems. The selective response of 5-FU was most prominent in the multicellular spheroid culture system. The response to cisplatin was completely different between 2D and 3D culture systems, and no primary HCCs multicellular congeners were sensitive to cisplatin. Thus, primary HCCs MCTS showed the strongest cisplatin resistance among the three culture systems. In contrast, primary HCCs MCTS appeared to be the most sensitive to sorafenib. In the monolayer culture system, the primary HCC did not respond to sorafenib treatment, but the primary HCC tumor supernatant showed a mild response in sorapenib. Based on the following data, we concluded that primary HCC cell cultures differ in drug sensitivity depending on the culture method. Simplifying the assay system for monolayer cultures will not be useful as an optimized treatment for HCC patients with HCC because the results data can not be used for translation studies. Taken together, the tumor cell population reflects the 3D cellular environment, pathological gradients and in vivo heterogeneity, suggesting that the multicellular tumor sphere culture system is the best way to select an optimal treatment for patients with liver cancer.

Claims (13)

간암세포(hepatocellular carcinoma cells) 및 기질세포(stromal cells)를 포함하는 다세포성 종양 구상체(multicellular tumor spheroid; MCTS).A multicellular tumor spheroid (MCTS) containing hepatocellular carcinoma cells and stromal cells. 제1항에 있어서, 상기 간암세포: 기질세포의 세포수 비율은 49:51 내지 30:70인 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체.The multicellular tumor spherical body according to claim 1, wherein the ratio of the number of cells of the liver cancer cell: stromal cell is from 49:51 to 30:70. 제1항에 있어서, 상기 기질세포는 간성상세포, 섬유아세포 및 내피세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체.The multicellular tumor complex according to claim 1, wherein the stromal cell comprises at least one selected from the group consisting of hepatic stellate cells, fibroblasts and endothelial cells. 제1항에 있어서, 상기 다세포성 종양 구상체는 간암 줄기 세포를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체.The multicellular tumor spherical body according to claim 1, wherein the multicellular tumor spherical body further comprises liver cancer stem cells. 제1항에 있어서, 상기 다세포성 종양 구상체는 간암세포, 간성상세포, 섬유아세포, 내피세포 및 간암 줄기 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체.[Claim 3] The multicellular tumor spherical body according to claim 1, wherein the multicellular tumor spherical body comprises liver cancer cells, hepatic stellate cells, fibroblasts, endothelial cells and liver cancer stem cells. 제1항에 있어서, 상기 다세포성 종양 구상체는 간암환자로부터 유래한 간암세포를 3차원 입체 배양하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체.[Claim 2] The multicellular tumor spherical body according to claim 1, wherein the multicellular tumor spherical body is formed by three-dimensional stereochemistry of liver cancer cells derived from a patient suffering from liver cancer. 제6항에 있어서, 상기 배양은 줄기세포 배양배지를 포함하는 배지를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다세포성 종양 구상체7. The multicellular tumor spherical body according to claim 6, wherein the culture is carried out using a culture medium containing stem cell culture medium 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 다세포성 종양 구상체를 이용하여 간암 치료제를 스크리닝 하는 방법.A method for screening a therapeutic agent for liver cancer using the multicellular tumor spherical body according to any one of claims 1 to 7. 제8항에 있어서, 상기 간암 치료제는 환자 맞춤형 치료제인 것을 특징으로 하는 방법.9. The method of claim 8, wherein the liver cancer therapeutic agent is a patient-customized therapeutic agent. 다음의 단계를 포함하는 환자 맞춤형 간암 치료제를 스크리닝 하는 방법:
(a) 간암환자로부터 유래한 간암세포를 3차원 입체 배양하여 간암세포 및 기질세포를 포함하는 다세포성 종양 구상체를 형성시키는 단계;
(b) 후보 물질을 상기 다세포성 종양 구상체에 처리하는 단계; 및
(c) 상기 다세포성 종양 구상체의 크기 변화를 측정하는 단계,
여기서 상기 물질 처리에 의하여 다세포성 종양 구상체의 크기가 감소하는 경우, 상기 물질은 상기 환자 맞춤형 간암 치료제로 판정된다.
A method for screening a patient-customized liver cancer therapeutic comprising the steps of:
(a) culturing hepatocarcinoma cells derived from liver cancer patients in a three-dimensional stereochemistry to form multicellular tumor spheroids including liver cancer cells and stromal cells;
(b) treating the candidate substance with the multicellular tumor scaffold; And
(c) measuring a change in size of the multicellular tumor spheroid,
Here, when the size of the multicellular tumor spheroid decreases due to the treatment of the substance, the substance is determined to be the patient-customized liver cancer treatment agent.
제10항에 있어서, 상기 구상체의 크기 변화는 고속 3차원 형광 이미지 기기를 사용하여 얻은 구상체 이미지를 분석하여 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the change in size of the spherical body is measured by analyzing a spherical image obtained using a high-speed three-dimensional fluorescence imaging apparatus. 제11항에 있어서, 상기 고속 3차원 형광 이미지 기기는 공초점(confocal) 이미지 기기인 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein the fast three-dimensional fluorescent imaging device is a confocal imaging device. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 다세포성 종양 구상체; 및 고속 3차원 형광 이미지 기기를 포함하는 간암 특이적 치료제 스크리닝 장치.A multicellular tumor spherical body according to any one of claims 1 to 7; And a high-speed three-dimensional fluorescence imaging device.
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