KR20230106074A - Manufacturing method of cancer organoid using 3d printing - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액을 포함하는 매트릭스 잉크를 압출시키는 단계 및 상기 매트릭스 잉크 위에 세포, 히알루론산 및 젤라틴을 포함하는 바이오 잉크를 압출시키는 단계를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법에 관한 것이다. The present invention is a cancer organoid using 3D printing comprising extruding matrix ink containing a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution, and extruding bioink containing cells, hyaluronic acid, and gelatin on the matrix ink. It's about manufacturing methods.

Description

3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CANCER ORGANOID USING 3D PRINTING}Cancer organoid manufacturing method using 3D printing {MANUFACTURING METHOD OF CANCER ORGANOID USING 3D PRINTING}

본 발명은 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액을 포함하는 매트릭스 잉크를 압출시키는 단계 및 상기 매트릭스 잉크 위에 세포, 히알루론산 및 젤라틴을 포함하는 바이오 잉크를 압출시키는 단계를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a cancer organoid using 3D printing comprising extruding matrix ink containing a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution, and extruding bioink containing cells, hyaluronic acid, and gelatin on the matrix ink. It's about manufacturing methods.

유방암은 서양 여성들 사이에서 발병률이 가장 높으며 유방 보존 수술, 방사선 치료, 화학요법 등 다양한 표준 치료법이 유방암 환자에게 적용되고 있다. 그러나 이러한 치료는 각 환자의 특이적 다양성을 반영하지 않으므로 치료 효과를 제한한다. 이러한 측면에서 개인 맞춤형 의약품은 유방암 환자 치료의 새로운 패러다임으로 떠오르고 있다. Breast cancer has the highest incidence among Western women, and various standard treatments such as breast-conserving surgery, radiation therapy, and chemotherapy are applied to breast cancer patients. However, these treatments do not reflect the specific variability of each patient, limiting their effectiveness. In this respect, personalized medicine is emerging as a new paradigm for breast cancer patient treatment.

개인화된 의약품은 환자의 치료 반응을 예측하도록 하며, 효과적인 치료 결과를 위한 맞춤형 약물들을 제공한다. 개인화된 의약품에서, 환자 특이적 암 모델은 약물 반응을 시뮬레이션하기 위한 필수 도구이며, 가장 널리 사용되는 유방암 모델은 환자-유도된 이종 이식(PDX) 이다. Personalized medicine predicts the patient's treatment response and provides customized drugs for effective treatment results. In personalized medicine, a patient-specific cancer model is an essential tool for simulating drug response, and the most widely used breast cancer model is patient-derived xenotransplantation (PDX).

상기 PDX 모델은 환자-유도된 유방암 조직을 자연암과 유사한 유전적 및 형태학적 특징을 재현하는 장점을 가진 동물에 이식함으로써 생산된다. 그러나 이 모델에는 약 3-18개월의 긴 준비 시간이 필요하며 비용이 많이 든다. 또한, 그것의 접목 성공률(약 18%의 성공률)과 재현성이 낮다.The PDX model is produced by implanting patient-derived breast cancer tissue into an animal that has the advantage of reproducing genetic and morphological characteristics similar to natural cancer. However, this model requires a long preparation time of about 3-18 months and is expensive. Also, its grafting success rate (approximately 18% success rate) and reproducibility are low.

PDX 모델의 한계를 극복하기 위해, 많은 연구자들은 환자-특이적 체외 유방암 모델을 개발하기 위해 노력하고 있다. 환자-유도된 유방암 세포로 생체 모방 미세 구조를 생성하는 다양한 오르가노이드 기술이 개발되고 있다. 이러한 오르가노이들은 형태학적 미세 구조와 약물 반응 사이의 강한 상관관계를 보여주고 있다. To overcome the limitations of the PDX model, many researchers are working to develop patient-specific in vitro breast cancer models. Various organoid technologies are being developed to generate biomimetic microstructures with patient-derived breast cancer cells. These organoids show a strong correlation between morphological microstructure and drug response.

그러나 오르가노이드는 암 세포의 자발적 형태 형성에 의해 만들어지기 때문에, 미세 구조와 크기를 조절하는 것이 어려워서, 낮은 재현성을 가져왔다. 미세 유체학 및 세포 응집체 기술에 기초한 체외 유방암 모델이 소개되고 있다.However, since organoids are produced by spontaneous morphogenesis of cancer cells, it is difficult to control the microstructure and size, resulting in low reproducibility. In vitro breast cancer models based on microfluidics and cell aggregate technology are being introduced.

미세 유체 기술은 도관 및 고형 형태학과 같은 고유 유방암과 닮은 다양한 조직 미세 구조를 재현할 수 있다. 유방암 조직은 덜 공격적인 도관에서 고침습적인 고형 조직 미세 구조에 이르기까지 이질적인 형태학적 특성을 나타낸다. 이러한 조직 형태는 약물에 대한 다른 반응을 보여주고 있다. 예를 들어, 고형 조직 미세구조를 가진 체외 유방암 모델은 저산소증-활성화 프로드러그에 대한 민감도가 도관적 미세구조를 가진 모델보다 더 높아진 것으로 보여주고 있다. Microfluidic technology can reproduce various tissue microstructures resembling native breast cancer, such as ductal and solid morphologies. Breast cancer tissue exhibits heterogeneous morphological characteristics ranging from less aggressive ducts to highly invasive solid tissue microstructures. These tissue types show different responses to drugs. For example, in vitro breast cancer models with solid tissue microstructures show higher sensitivity to hypoxia-activated prodrugs than models with ductal microstructures.

세포 응집체-기반 유방암 모델을 사용한 연구에서, 연구자들은 암 세포의 유전자형 및 표현형 특징이, 세포 응집체의 크기가 증가함에 따라, 진행 단계 암과 유사한 특성으로 변형되는 것을 관찰하였다. 큰 응집체들은 비-이동 유방암 세포의 이동 행동을 활성화하는데 도움을 주고 약물 저항성을 높이는 데 도움을 주었다. 그러므로, 다양한 유형의 체외 유방암 모델이 개발되고 있다. 많은 연구자들은 이러한 모델의 세포의 미세 구조가 약물 반응에 상당한 영향을 미친다고 보고하고 있다. In a study using a cell aggregate-based breast cancer model, researchers observed that genotypic and phenotypic characteristics of cancer cells were transformed into advanced stage cancer-like characteristics as the size of cell aggregates increased. The large aggregates helped activate the migratory behavior of non-migrating breast cancer cells and helped increase drug resistance. Therefore, various types of in vitro breast cancer models are being developed. Many researchers report that the ultrastructure of these models' cells has a significant impact on drug response.

그러나 유방암에 대한 체외 모델 연구에서 단일 유형의 미세구조(도관 또는 고형 조직 미세구조)만 사용되고 있다. 많은 이종 암은 주어진 약물에 다르게 반응하는 다른 형태학적 구조들을 가지고 있기 때문에, 환자-특이적 치료법을 개발하기 위해 단일 조직 미세 구조를 모델로 사용하는 것은 효과가 없을 수 있다. 비록 유방암에 대한 수많은 기술이 개발되고 있지만, 체외에서 이러한 형태학적 이질성을 재현할 수 있는 기술은 없다.However, only a single type of microstructure (ductal or solid tissue microstructure) has been used in in vitro model studies of breast cancer. Because many heterogeneous cancers have different morphological structures that respond differently to a given drug, using a single tissue microstructure as a model to develop patient-specific therapies may not work. Although numerous techniques for breast cancer are being developed, none are capable of reproducing this morphological heterogeneity in vitro.

대한민국 등록특허 제10-2272551호Republic of Korea Patent No. 10-2272551

본 연구에서는 암 조직의 형태학적 이질성을 재현하는 체외 유방암 모델을 개발하도록 3D 바이오프린팅 기법이 사용되었다. 인간 유방암 세포(MCF7)를 사용하여 도관 및 고형 미세구조를 가진 세포 응집체(오르가노이드)를 위한 프린팅(printing) 공정이 확립되었다. 유방암 오르가노이들의 유전자형과 표현형 특징이 평가되었다. 또한, 본 발명자는 도관 및 고형 유방암 오르가노이들의 공동-프린팅를 통해 생성된 이종 암 모델을 사용하여 형태학적 이질성이 약물 반응에 미치는 영향을 조사하였다. 체내 세포 형태를 재현하는 이종 유방암 조직의 체외 모델을 생성하는 것은 유방암 환자를 위한 효과적인 치료법의 정확한 개발을 가능하게 할 것이다.In this study, a 3D bioprinting technique was used to develop an in vitro breast cancer model that reproduces the morphological heterogeneity of cancer tissue. A printing process for cell aggregates (organoids) with conduits and solid microstructures was established using human breast cancer cells (MCF7). Genotypic and phenotypic characteristics of breast cancer organoids were evaluated. In addition, the present inventors investigated the effect of morphological heterogeneity on drug response using a heterogeneous cancer model generated through co-printing of ductal and solid breast cancer organoids. Creating in vitro models of xenogeneic breast cancer tissue that recapitulates in vivo cellular morphology will enable precise development of effective therapies for breast cancer patients.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액을 포함하는 매트릭스 잉크를 압출시키는 단계 및 상기 매트릭스 잉크 위에 세포, 히알루론산 및 젤라틴을 포함하는 바이오 잉크를 압출시키는 단계를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, extruding a matrix ink containing a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution, and extruding bioink containing cells, hyaluronic acid and gelatin on the matrix ink, A method for manufacturing cancer organoids using 3D printing is provided.

상기 바이오 잉크는 콜라겐을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The bio-ink may further include collagen, but is not limited thereto.

상기 바이오 잉크 압출 단계 이후에, 칼슘 이온 용액을 처리하여 가교시키는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.After the bio-ink extrusion step, a step of crosslinking by treatment with a calcium ion solution may be further included, but is not limited thereto.

상기 콜라겐 용액은 염산 용액에 펩신 및 콜라겐을 용해시켜 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The collagen solution may be prepared by dissolving pepsin and collagen in a hydrochloric acid solution, but is not limited thereto.

상기 알지네이트-히알루론산 용액은 동물세포배양 배지에 알지네이트 및 히알루론산을 용해시켜 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The alginate-hyaluronic acid solution may be prepared by dissolving alginate and hyaluronic acid in an animal cell culture medium, but is not limited thereto.

상기 동물세포배양 배지는 MEM(Minimum Essential Media), DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM(without BPE), Keratinocyte-SFN(with BPE), KnockOut D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium 및 AmnioMAX-C100 Complete Medium 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The animal cell culture medium is MEM (Minimum Essential Media), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM (without BPE), Keratinocyte-SFN (with BPE), KnockOut It may be selected from D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium and AmnioMAX-C100 Complete Medium, but is not limited thereto.

상기 매트릭스 잉크는 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액이 1 ~ 5:1 중량비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The matrix ink may be a mixture of a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution in a weight ratio of 1 to 5:1, but is not limited thereto.

상기 세포는 1×107 ~ 20×107 cells/mL의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The cells may be mixed at a concentration of 1×10 7 to 20×10 7 cells/mL, but is not limited thereto.

상기 바이오잉크에서 히알루론산은 1 ~ 5 mg/mL의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the bioink, hyaluronic acid may be mixed at a concentration of 1 to 5 mg/mL, but is not limited thereto.

상기 바이오잉크에서 젤라틴은 15 ~ 25 %(w/v) 의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the bioink, gelatin may be mixed at a concentration of 15 to 25% (w/v), but is not limited thereto.

상기 매트릭스 잉크는 0.5 ~ 0.9 μL/s의 속도 및 100 ~ 300 mm/min의 프린팅 속도로 압출될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The matrix ink may be extruded at a speed of 0.5 to 0.9 μL/s and a printing speed of 100 to 300 mm/min, but is not limited thereto.

상기 바이오잉크는 0.005 ~ 0.02μL/s의 속도로 압출되어 도트(dot) 형태로 프린팅될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The bioink may be extruded at a rate of 0.005 to 0.02 μL/s and printed in a dot form, but is not limited thereto.

상기 세포는 암세포이고, 바람직하게는 유방암 세포다. The cells are cancer cells, preferably breast cancer cells.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제조방법에 의하여 제조된 암 오가노이드를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a cancer organoid prepared by the above production method is provided.

본 발명의 인간 유방암 세포(MCF7)로 바이오프린팅된(bioprinted) 도관암 및 고형암 오르가노이드들은 각각 초기 암과 진행 암의 유전자형 및 표현형 특성이 유사함을 보여주었다. 바이오프린팅된 고형암 오르가노이드들은, 바이오프린팅된 도관 오르노가이드들 보다 현저하게 높은 저산소증(>8배) 및 중간엽(>2-4배) 표지자 발현, 침입 활동(>15배), 및 약물 내성을 보였다. 도관 및 고형 오르가노이드들 공동 프린팅(printing)이 유방암 조직 형태학의 다른 단계를 재현한 이종 유방암 조직 모델을 생산하였다. 진행된 암 단계를 대표하는 바이오프린팅된 암 조직 오르가노이들은, 독소루비신(doxorubicin) (안트라사이클린 항생제)에 대한 내성이 더 높았고, 인간과 유사한 티라파자민(tirapazamine) (저산소증 활성화 프로드러그(prodrug))에 대한 내성은 더 낮았다. 우리의 결과는 모델이 동일한 암 단계를 재현했음에도 불구하고 암 오르가노이들의 공간 구조는 약물 반응에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이 연구는 인간 유방암의 형태학적 병리를 모방한 암 오가노이드를 바이오프린팅하여 환자의 임상 암 단계를 나타내는 체외 환자-특이적 유방암 조직을 생성할 수 있음을 입증한다.The ductal and solid organoids bioprinted with human breast cancer cells (MCF7) of the present invention showed similar genotypic and phenotypic characteristics of early and advanced cancers, respectively. Bioprinted solid organoids showed significantly higher hypoxic (>8-fold) and mesenchymal (>2-4-fold) marker expression, invasive activity (>15-fold), and drug resistance than bioprinted ductal organoguides. seemed Co-printing of conduit and solid organoids produced heterogeneous breast cancer tissue models that reproduced different stages of breast cancer histomorphology. Bioprinted cancer tissue organoids, representing advanced cancer stages, were more resistant to doxorubicin (an anthracycline antibiotic) and more resistant to human-like tirapazamine (a hypoxia-activating prodrug). tolerance was lower. Our results show that the spatial structure of cancer organoids has a significant effect on drug response, even though the model reproduces the same cancer stage. This study demonstrates that it is possible to bioprint cancer organoids that mimic the morphological pathology of human breast cancer to generate in vitro patient-specific breast cancer tissue representative of the patient's clinical cancer stage.

도 1은 본 발명의 암 오가노이드 제조를 위한 바이오프린터의 도식(a) 및 이미지(b)를 나타낸다.
도 2는 유방암 모델에 대한 도관암 및 고형암 오르가노이드 제작 개략도이다; (a) 암 오르가노이드를 프린팅한 이미지, (b) 인간의 유방 침습적 도관 상피성암의 대표적인 조직 이미지(H&E 염색), (c) 도관암 및 고형암 오르가노이드의 생산을 묘사한 삽화.
도 3은 4일차 생체-잉크 내에 다양한 MCF7 농도를 가진 바이오프린팅된 암 오르가노이드 의 형광 현미경 영상(스케일 바바, 200 μm)을 도시한다.
도 4는 고형암 오르가노이드의 유도에서의 콜라겐 농도의 영향을 나타내는 도면이다; (a) 4일차 생체-잉크 내 다양한 콜라겐 제1형 농도를 가진 바이오프린팅된 고형암 오르가노이드의 면역 및 H&E 염색 결과 (스케일 바, 200 μm). COL1 및 Hoechst로 면역항암을 실시하여 오르가노이들에서, 각각, 콜라겐 및 핵을 식별하였다. (b) 프린팅된 고형 오르가노이드들 안에서의 해당 세포 밀도 (n = 4; *P < 0.05).
도 5는 생체-잉크 내에 세포농도 및 존재(+)/부재(-) 콜라겐 타입 I(Col I)에 대한 SNAIL 유전자의 상대적 mRNA 발현양을 나타낸 그래프이다(n = 3; *P < 0.05, **P < 0.005, and ***P < 0.001).
도 6은 바이오프린팅된 도관암/고형암 오르가노이드를 도시한다; (a)  4일차에 바이오프린팅 및 염색된 도관암/고형암 오르가노이드의 명시 (Bright-field) 및 형광 현미경 이미지 (생체/사체 염색 (녹색, 생체; 적색, 사체 세포) 및 면역 억제(녹색, HIF-1a, 저산소 마커; 청색, DAPI) (스케일 바, 100μm (b)). (b) 프린팅 후 4일차에 세포 생존 가능성 (n = 5). (c) HIF1A 및 HIF2A 유전자의 상대적인 mRNA 발현 (n = 3). (d-f) 측정된 세포 면적 (d), 핵 면적 (e), 및 도관/고형 오르가노이드의 핵-세포질 비율 (n = 20). (*P < 0.05, ***P < 0.001)
도 7은 도관암/고형암 오르가노이드의 유전자(E-CAD, SNAIL, VIM, N-CAD, 및 SLUG)의 EMT의 상대적 mRNA 발현(상피조직에서 중간엽으로의 전이) 양을 나타내는 그래프이다(n = 3; *P < 0.05, **P < 0.005, ***P < 0.001).
도 8은 유방암 오가노이드를 이용한 3차원 침입 분석 결과를 도시한다; (a) 프린팅 후 1일차 및 10일차에 콜라겐/알진산염 하이드로겔 매트릭스에서 있는 도관/고형 유방암 오르가노이드의 명시(Bright-field) 현미경 영상 (스케일바, 200 μm). 흰색 화살촉은 집단 세포 침입을 가리킨다. (b) 10일째에 정량화된 침입 지역 (n = 4; *P < 0.05).
도 9는 유방암 오르가노이드의 약물 내성 측정 결과를 나타낸다; (a) 독소루비신 (doxorubicin)이용한 치료 후 도관/고형 유방암 오르가노이드의 상대적 세포 증식 (n = 4; ***P < 0.001). 데이터는 DMSO-치료된 대조군을 통해 정규화된다. (b) 특이적 ABC (ATP 결합 카세트 (cassette)) 전달체 유전자의 상대적 mRNA 발현 (ABCB1, ABCC1, ABCC2, and ABCG2) (n = 3; *P < 0.05; ***P < 0.001).
도 10은 고형 오가노이드에 대한 도관암 오가노이드의 비율 변화를 가진 유방암 모델의 약물 내성을 나타낸 실험 결과이다; (a,b) 명시 (Bright-field) 현미경 이미지 (a) 및 독소루비신(n = 4)으로 치료한 후 7일째에 도관암 및 고형암 오르가노이드로 구성된 유방암 모델의 상응하는 상대적 세포 증식 (b). 모델에서 도관 및 고형 오르가노이드의 비율은 바이오프린팅 공정을 통해 달라졌다. 증식데이터는 DMSO -치료된 대조군으로 정규화된다. 검은색과 흰색 화살촉은 각각 도관 오르가노이드 및 고형 오르가노이드를 나타낸다. (**P < 0.005; ***P < 0.001)
도 11은 형태학적 이질성을 가진 유방암 모델 및 그들의 약물 반응의 바이오프린팅. (a) 바이오프린팅 유방암 모델의 명시(Bright-field) 현미경 이미지 (스케일 바, 1 mm). 그룹 1, 2b 및 3은 각각 1등급, 2등급, 3등급을 가진 암의 형태를 재현한다. 그룹 2a는 그룹 2b와 동일한 도관/고형암 오르가노이드 비율을 갖고 있지만 패턴이 다른 모델이다. 검은색과 흰색 화살촉은 각각 도관 및 고형 오르가노이드를 나타낸다. (b,c) 독소루비신(doxorubicin) (b) 또는 티라파자민(tirapazamine) (c)으로 치료된 바이오프린팅 암 모델의 상대적 세포 증식 (n = 5, *P < 0.05, **P < 0.005, ***P < 0.001). 증식 데이터는 DMSO-치료된 대조군으로 정규화된다. (d) 이질적인 환자의 암의 형태를 가진 유방암 모델을 설계하고 프린팅하는 절차: (i) 인간의 유방(H&E 염색) 침습적 도관 상피성암의 조직학, (ii) 도관 및 고형 오가노이드의 위치 결정 결과, (iii) 바이오프린팅된 유방암 모델의 명시(bright-image) 이미지. 이미지 (ii)에서, 빨간색 선과 파란색 선의 원형들은 각각 고형 및 도관 오르가노이드를 나타낸다. 이미지 (iii)에서, 빨간색과 파란색 점선은 각각 바이오프린팅 된 고형 및 도관 오르가노이드를 나타낸다.
1 shows schematic (a) and image (b) of the bioprinter for preparing cancer organoids of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the production of ductal cancer and solid cancer organoids for breast cancer models; (a) Printed images of cancer organoids, (b) Representative tissue images of human breast invasive ductal epithelial carcinoma (H&E staining), (c) Illustration depicting production of ductal carcinoma and solid carcinoma organoids.
Figure 3 shows fluorescence microscopy images (scale bar, 200 μm) of bioprinted cancer organoids with various MCF7 concentrations in day 4 bio-ink.
Figure 4 is a diagram showing the effect of collagen concentration on the induction of solid tumor organoids; ( a ) Immuno and H&E staining results of bioprinted solid organoids with various collagen type 1 concentrations in day 4 bio-ink (scale bar, 200 μm). Immunotherapy was performed with COL1 and Hoechst to identify collagen and nuclei, respectively, in the organoids. ( b ) Corresponding cell density in printed solid organoids (n = 4; *P < 0.05).
5 is a graph showing the relative mRNA expression level of the SNAIL gene for cell concentration and presence (+)/absence (-) collagen type I (Col I) in bio-ink (n = 3; *P < 0.05, * *P < 0.005, and ***P < 0.001).
Figure 6 depicts bioprinted ductal carcinoma/solid carcinoma organoids; (a) Bright-field and fluorescence microscopy images of bioprinted and stained ductal carcinoma/solid carcinoma organoids at day 4 (live/cadaver stained (green, live; red, cadaveric cells) and immunosuppressed (green, HIF) -1a, hypoxic marker; blue, DAPI) (scale bar, 100 μm (b)) (b) Cell viability at day 4 after printing (n = 5) (c) Relative mRNA expression of HIF1A and HIF2A genes (n = 3) (df) Measured cell area (d), nuclear area (e), and nuclear-cytoplasmic ratio of ductal/solid organoids (n = 20).(*P < 0.05, ***P < 0.001 )
7 is a graph showing the relative mRNA expression (epithelial tissue to mesenchymal transition) amount of EMT genes (E-CAD, SNAIL, VIM, N-CAD, and SLUG) of ductal cancer/solid cancer organoids (n = 3; *P < 0.05, **P < 0.005, ***P < 0.001).
Figure 8 shows the results of three-dimensional invasion analysis using breast cancer organoids; (a) Bright-field microscopy images of ductal/solid breast cancer organoids in collagen/alginate hydrogel matrices at day 1 and day 10 after printing (scale bar, 200 μm). White arrowheads point to collective cell invasion. (b) Invaded area quantified at day 10 (n = 4; *P < 0.05).
Figure 9 shows the results of drug resistance measurement of breast cancer organoids; (A) Relative cell proliferation of ductal/solid breast cancer organoids after treatment with doxorubicin (n = 4; ***P < 0.001). Data are normalized across DMSO-treated controls. (b) Relative mRNA expression of specific ABC (ATP binding cassette) transporter genes (ABCB1, ABCC1, ABCC2, and ABCG2) (n = 3; *P <0.05; ***P < 0.001).
10 is an experimental result showing drug resistance of a breast cancer model having a change in the ratio of ductal carcinoma organoids to solid organoids; (a,b) Bright-field microscopy images (a) and corresponding relative cell proliferation of a breast cancer model consisting of ductal carcinoma and solid carcinoma organoids 7 days after treatment with doxorubicin (n = 4) (b). The proportion of ductal and solid organoids in the model was varied through the bioprinting process. Proliferation data are normalized to DMSO-treated control. Black and white arrowheads indicate ductal organoids and solid organoids, respectively. (**P <0.005; ***P < 0.001)
Figure 11 is a breast cancer model with morphological heterogeneity and bioprinting of their drug response. (a) Bright-field microscopic images of bioprinted breast cancer models (scale bar, 1 mm). Groups 1, 2b and 3 reproduced the morphology of cancer with grades 1, 2 and 3, respectively. Group 2a is a model with the same ductal/solid organoid ratio as group 2b, but with a different pattern. Black and white arrowheads indicate ductal and solid organoids, respectively. (b,c) Relative cell proliferation in bioprinted cancer models treated with doxorubicin (b) or tirapazamine (c) (n = 5, *P < 0.05, **P < 0.005, * **P < 0.001). Proliferation data are normalized to DMSO-treated control. (d) Procedures for designing and printing breast cancer models with heterogeneous patient cancer morphologies: (i) histology of human breast (H&E staining) invasive ductal epithelial carcinoma, (ii) localization results of ductal and solid organoids, (iii) bright-image of the bioprinted breast cancer model. In image (ii), circles in red and blue lines represent solid and ductal organoids, respectively. In image (iii), red and blue dotted lines represent bioprinted solid and ductal organoids, respectively.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액을 포함하는 매트릭스 잉크를 압출시키는 단계 및 상기 매트릭스 잉크 위에 세포, 히알루론산 및 젤라틴을 포함하는 바이오 잉크를 압출시키는 단계를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, extruding a matrix ink containing a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution, and extruding bioink containing cells, hyaluronic acid and gelatin on the matrix ink, A method for manufacturing cancer organoids using 3D printing is provided.

상기 방법에 의하여 제조된 암 오가노이드는 인간의 약물 반응과 유사한 약물반응을 생성하는 환자의 이질적인 암 조직의 세포 미세구조를 정밀하게 모방할 수 있다. 따라서 유방암 조직의 형태학적 재현을 반영하는 도관(ductal) 및 고형조직 미세구조로 암 응집체(오르가노이드)를 생성하기 위한 바이오프린팅 (bioprinted) 공정이 수립되어 유방암 모델을 개발하기 위해 적용되었다.Cancer organoids prepared by the above method can precisely mimic the cell microstructure of heterogeneous cancer tissue of a patient, which produces a drug response similar to that of a human. Therefore, a bioprinted process for generating cancer aggregates (organoids) with ductal and solid tissue microstructures reflecting the morphological reproduction of breast cancer tissue was established and applied to develop breast cancer models.

상기 바이오 잉크는 콜라겐을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 바이오 잉크의 콜라겐 농도는 0 ~ 1 %v/v 첨가될 수 있다. 상기 바이오 잉크의 콜라겐 농도가 증가함에 따라 오가노이드의 세포 밀도는 증가하였다가, 0.6 % v/v(3,600 cells/mm2)에서 정점을 찍은 후 감소하였다. 또한 바이오 잉크의 콜라겐 농도가 증가함에 따라 세포내 SNAIL의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. The bio-ink may further include collagen, but is not limited thereto. Collagen concentration of the bio-ink may be added in the range of 0 to 1% v/v. As the collagen concentration of the bioink increased, the organoid cell density increased, peaked at 0.6% v/v (3,600 cells/mm 2 ), and then decreased. In addition, it was confirmed that the expression of intracellular SNAIL increased as the concentration of collagen in the bioink increased.

상기 바이오 잉크 압출 단계 이후에, 칼슘 이온 용액을 처리하여 가교시키는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 칼슘 이온은 하이포아염소산칼슘(calcium hypochlorite), 과염소산칼슘(calcium perchlorate), 브로민화 칼슘(calcium bromide), 아이오딘화 칼슘(Calcium iodide), 질산칼슘(calcium nitrate), 염화칼슘(Calcium chloride) 아세트산칼슘(calcium acetate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. After the bio-ink extrusion step, a step of crosslinking by treatment with a calcium ion solution may be further included, but is not limited thereto. The calcium ion is calcium hypochlorite, calcium perchlorate, calcium bromide, calcium iodide, calcium nitrate, calcium chloride acetic acid It may be selected from the group consisting of calcium acetate and mixtures thereof, but is not limited thereto.

상기 콜라겐 용액은 염산 용액에 펩신 및 콜라겐을 용해시켜 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The collagen solution may be prepared by dissolving pepsin and collagen in a hydrochloric acid solution, but is not limited thereto.

상기 알지네이트-히알루론산 용액은 동물세포배양 배지에 알지네이트 및 히알루론산을 용해시켜 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The alginate-hyaluronic acid solution may be prepared by dissolving alginate and hyaluronic acid in an animal cell culture medium, but is not limited thereto.

상기 동물세포배양 배지는 MEM(Minimum Essential Media), DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM(without BPE), Keratinocyte-SFN(with BPE), KnockOut D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium 및 AmnioMAX-C100 Complete Medium 중에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The animal cell culture medium is MEM (Minimum Essential Media), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM (without BPE), Keratinocyte-SFN (with BPE), KnockOut It may be selected from D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium and AmnioMAX-C100 Complete Medium, but is not limited thereto.

상기 매트릭스 잉크는 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액이 1 ~ 5:1 중량비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The matrix ink may be a mixture of a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution in a weight ratio of 1 to 5:1, but is not limited thereto.

상기 세포는 1×107 ~ 20×107 cells/mL의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 세포의 농도가 낮을수록 도관 오가노이드가 형성되었으며, 세포의 농도가 증가할수록 고형 오가노이드가 형성되었다. 또한 상기 세포 농도가 증가함에 따라 세포내 SNAIL의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.The cells may be mixed at a concentration of 1×10 7 to 20×10 7 cells/mL, but is not limited thereto. As the concentration of the cells decreased, ductal organoids were formed, and as the concentration of cells increased, solid organoids were formed. In addition, it was confirmed that intracellular SNAIL expression increased as the cell concentration increased.

상기 바이오잉크에서 히알루론산은 1 ~ 5 mg/mL의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 히알루론산은 프린팅 도중에 세포가 homogeneous하게 분포 및 유지되도록 하기 위해 점성(viscosity)을 높이는 역할을 한다.In the bioink, hyaluronic acid may be mixed at a concentration of 1 to 5 mg/mL, but is not limited thereto. The hyaluronic acid serves to increase viscosity in order to homogeneously distribute and maintain cells during printing.

상기 바이오잉크에서 젤라틴은 15 ~ 25 %(w/v) 의 농도로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 젤라틴은 매트릭스 잉크 및 바이오잉크 모두에 포함되며, 잉크에 공통적으로 포함된 젤라틴은 프린팅 직후 비가역적 가교 전까지 프린팅된 구조를 일시적으로 열 가교(thermal crosslinking)하여 구조를 유지하기 위해 활용된다. 매트릭스 잉크 내 알지네이트(alginate)는 젤라틴의 일시적 가교에서 칼슘을 통한 영구적 가교를 하기 위해 첨가된다. 궁극적으로 젤라틴 및 알지네이트 모두 프린팅 구조 유지를 위해 첨가된다. 칼슘에 의하여 가교되지 않은 히알루론산 및 젤라틴은 37℃ 배양액 내에서 용해되는 성질을 가지므로, 자연스럽게 제거된다.In the bioink, gelatin may be mixed at a concentration of 15 to 25% (w/v), but is not limited thereto. Gelatin is included in both the matrix ink and the bioink, and the gelatin commonly included in the ink is used to temporarily thermally crosslink the printed structure until irreversible crosslinking immediately after printing to maintain the structure. Alginate in the matrix ink is added to permanent cross-linking through calcium in the temporary cross-linking of gelatin. Ultimately both gelatin and alginate are added to maintain the print structure. Hyaluronic acid and gelatin, which are not cross-linked by calcium, have the property of dissolving in a culture medium at 37° C., so they are naturally removed.

상기 매트릭스 잉크는 0.5 ~ 0.9 μL/s의 속도 및 100 ~ 300 mm/min의 프린팅 속도로 압출될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The matrix ink may be extruded at a speed of 0.5 to 0.9 μL/s and a printing speed of 100 to 300 mm/min, but is not limited thereto.

상기 바이오잉크는 0.005 ~ 0.02μL/s의 속도로 압출되어 도트(dot) 형태로 프린팅될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The bioink may be extruded at a rate of 0.005 to 0.02 μL/s and printed in a dot form, but is not limited thereto.

상기 세포는 암세포이고, 바람직하게는 유방암 세포이고, 구체적으로 상기 유방암 세포는 MCF7 세포이다. The cells are cancer cells, preferably breast cancer cells, specifically, the breast cancer cells are MCF7 cells.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제조방법에 의하여 제조된 암 오가노이드를 제공한다. 진행된 암 단계를 대표하는 바이오프린팅된 암 조직 오르가노이들은, 독소루비신(doxorubicin) (안트라사이클린 항생제)에 대한 내성이 더 높았고, 인간과 유사한 티라파자민(tirapazamine) (저산소증 활성화 프로드러그(prodrug))에 대한 내성은 더 낮았다.According to another embodiment of the present invention, a cancer organoid prepared by the above production method is provided. Bioprinted cancer tissue organoids, representing advanced cancer stages, were more resistant to doxorubicin (an anthracycline antibiotic) and more resistant to human-like tirapazamine (a hypoxia-activating prodrug). tolerance was lower.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical spirit of the present invention, various equivalents that can replace them at the time of this application It should be understood that there may be variations and examples.

<실시예><Example>

1. 세포 배양1. Cell culture

MCF7 세포(미국, VA, 머내서스, ATCC)는, 37℃ 및 5% CO2 로 유지되고 있는 인큐베이터 내부에서 태아 소 혈청(10% v/v, 독일, 헤네, 카프리콘) 및 페니실린-스트렙토마이신(1% v/v, P/S, 독일, 헤네, 카프리콘)와 함께 보충된 RPMI 1640(LM 0131-03, 대한민국, 경산, Welgene)로 배양되었다. 배양액은 2-3일마다 교환되었다. MCF7 세포는 0.25%의 트립신 EDTA 용액(미국, MA, 월섬, 테르모 피셔 사이언티픽)과의 분리에 의해 70%의 융합으로 하위 배양되었다.MCF7 cells (ATCC, Manassas, VA, USA) were grown in an incubator maintained at 37° C. and 5% CO 2 with fetal bovine serum (10% v/v, Henne, Germany, Capricorn) and penicillin-streptomycin ( 1% v/v, P/S, Capricorn, Henne, Germany) supplemented with RPMI 1640 (LM 0131-03, Welgene, Gyeongsan, Korea). Cultures were exchanged every 2-3 days. MCF7 cells were subcultured to 70% confluency by dissociation with 0.25% trypsin EDTA solution (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA).

2. 바이오프린팅을 위한 잉크 준비2. Ink preparation for bioprinting

체외 유방암 모델을 프린팅 하기 위해 도관암 및 고형암 오르가노이들에 대한 매트릭스 잉크 및 두개의 바이오-잉크가 준비되었다. 매트릭스 잉크는 콜라겐(대한민국, 서울, Dalim Tissen), 알지네이트(시그마, 미국, PA, 세인트루이스) 및 히알루론산(HA, 시그마)으로 구성되었다.A matrix ink and two bio-inks for ductal and solid organoids were prepared for printing an in vitro breast cancer model. The matrix ink consisted of collagen (Dalim Tissen, Seoul, Korea), alginate (Sigma, St. Louis, PA, USA) and hyaluronic acid (HA, Sigma).

콜라겐 용액(2% w/v)는, 18℃에서 72 시간 동안 펩신(2.27 mg/mL, 시그마)이 함께 보충된 0.01 N 염산 용액(인산염-완충식염수(PBS)에 희석한 것, 시그마)에 콜라겐을 용해시켜서 제조되었다. Collagen solution (2% w/v) was incubated in 0.01 N hydrochloric acid solution (diluted in phosphate-buffered saline (PBS), Sigma) supplemented with pepsin (2.27 mg/mL, Sigma) for 72 h at 18°C. prepared by dissolving collagen.

알지네이트-HA 용액은, 변형된 Eagle의 최소필수 배양액(MEM, 미국, MA, 윌섬, Gibco)에서 하룻밤 동안 37℃의 온도로 알지네이트(4% w/v) 및 HA(6 mg/mL)를 용해시켜서 제조되었다. Alginate-HA solution dissolved alginate (4% w/v) and HA (6 mg/mL) overnight at a temperature of 37°C in modified Eagle's minimum essential broth (MEM, Gibco, Wiltham, MA, USA). made by making

매트릭스 잉크는, 콜라겐과 알지네이트-HA 용액을 3:1의 중량 비율로 혼합하여 제조되었다. The matrix ink was prepared by mixing collagen and alginate-HA solution in a weight ratio of 3:1.

도관암(Ductal cancer) 및 고형암(Solid cancer) 오르가노이들에 대한 바이오-잉크는, 젤라틴, HA, MCF7 세포 또는 콜라겐으로 구성되었다. HA(3 mg/mL, 시그마)를 하루밤 동안 37℃ 온도로 MEM에 용해시켰다. 이어서, 젤라틴(도관 오르가노이드의 경우는 22.5 mg/mL, 고형 오르가노이드의 경우는 27.5 mg/mL, 시그마)을 37℃에서 2시간 동안 HA-MEM 용액에 용해시켰다. 이러한 재료들은 멸균-필터되었다(0.45 μm 필터, 미국, MA, 밀리포어, 댄버스). Bio-ink for ductal cancer and solid cancer organoids were composed of gelatin, HA, MCF7 cells or collagen. HA (3 mg/mL, Sigma) was dissolved in MEM overnight at 37°C. Gelatin (22.5 mg/mL for ductal organoids, 27.5 mg/mL for solid organoids, Sigma) was then dissolved in the HA-MEM solution at 37°C for 2 hours. These materials were sterile-filtered (0.45 μm filter, Millipore, Danvers, MA, USA).

도관 및 고형 오르가노이들에 대한 바이오-잉크를 제조하기 위해, 바이오프린팅 전에, 각 젤라틴-HA 혼합물은 [표 1]에 명시된 최종 농도로 세포 및/또는 콜라겐 용액과 균일하게 혼합시켰다.To prepare bio-inks for conduit and solid organoids, prior to bioprinting, each gelatin-HA mixture was mixed homogeneously with cell and/or collagen solutions to the final concentrations specified in Table 1.

유형category MCF7 세포MCF7 cells 콜라겐 유형 ⅠCollagen type I HAHA 젤라틴gelatin 도관암ductal cancer 3Х107 cells/mL3Х10 7 cells/mL 0% w/v0% w/v 3 mg/mL3 mg/mL 22.5% w/v22.5% w/v 고형암solid cancer 15Х107 cells/mL15Х10 7 cells/mL 0.6% w/v0.6% w/v 2.1 mg/mL2.1 mg/mL 19.3% w/v19.3% w/v

세포-가득한(laden) 바이오-잉크를 1 mL 주사기(독일 뉘르텐-하르텐베르크주 헨케 사스 울프)에 채워져 겔화를 위해 4℃ 냉장고에서 8분간 냉각시켰다. 이어서, 주사기는 매트릭스 잉크의 경우 내경 300 μm의 마이크로노즐(일본, 도쿄, 미쓰미 전기 주식회사)에 연결되었고, 바이오-잉크의 경우 내경 120 μm의 마이크로노즐에 연결되었다. 이렇게 준비된 바이오잉크를 바이오프린팅 시스템에 설치하였다(도 1).The cell-laden bio-ink was filled into a 1 mL syringe (Henke Sas Wolf, Nürten-Hartenberg, Germany) and cooled in a 4° C. refrigerator for 8 minutes for gelation. Then, the syringe was connected to a micronozzle with an inner diameter of 300 μm (Mitsumi Electric Co., Ltd., Tokyo, Japan) for matrix ink and a micronozzle with an inner diameter of 120 μm for bio-ink. The prepared bioink was installed in a bioprinting system (FIG. 1).

3. 유방암 모형 제작을 위한 3차원 바이오프린팅 시스템 및 공정 3. 3D bioprinting system and process for breast cancer model production

맞춤-설계된 바이오프린팅 시스템(Kang et al.)을, 유방암 모델 제작에 활용하였다. 상기 프린팅 시스템은, 3축 단계 시스템, 멀티-카트리지 분사 모듈, 및 온도, 습도 및 청결 유지에 도움이 되는 인클로저(enclosure)로 구성되어 있다.A custom-designed bioprinting system (Kang et al.) was utilized to create a breast cancer model. The printing system consists of a three-axis stage system, a multi-cartridge dispensing module, and an enclosure that helps maintain temperature, humidity and cleanliness.

암 오가노이드를 프린팅 하기 위해, 상기 이전에 보고된 회전타원체(spheroid) 프린팅 공정(Jeon et al.)을 적용하였다. 5 Х 5 Х 0.6 mm3 크기의 3D 하이드로겔 매트릭스는 18℃의 매트릭스 잉크를 사용하여 인쇄되었다(도 2). To print cancer organoids, the previously reported spheroid printing process (Jeon et al.) was applied. A 3D hydrogel matrix with a size of 5 Х 5 Х 0.6 mm 3 was printed using matrix ink at 18 °C (Fig. 2).

매트릭스 바이오-잉크를 0.69 μL/s의 속도 및 200 mm/min의 프린팅 속도로 압출시켰다. 그 이후, 도관 및 고형 오르가노이드들에 대한 바이오-잉크를 미리 정의된 패턴으로 매트릭스 잉크에 압출시켰다. 상기 오르가노이들은 5초 동안 0.01μL/s의 속도로 압출되어 도트(dot) 형태로 프린팅 되었다. 인쇄 공정 후, 상기 구조를 먼저 37℃ 인큐베이터내에서 30분간 상호 결합시킨 후, 40 mM CaCl2 용액(0.9% w/v 식염수로 용해되는 것, 시그마)과 함께 15분간 상호 결합시켰다. The matrix bio-ink was extruded at a speed of 0.69 μL/s and a printing speed of 200 mm/min. Thereafter, the bio-ink for ducts and solid organoids was extruded onto the matrix ink in a predefined pattern. The organoids were extruded at a rate of 0.01 μL/s for 5 seconds and printed in a dot form. After the printing process, the structures were first cross-linked in a 37° C. incubator for 30 minutes and then cross-linked with a 40 mM CaCl 2 solution (dissolved in 0.9% w/v saline, Sigma) for 15 minutes.

상기 상호 결합된 구조는 37℃ 및 5%의 CO2 에서의 배양액에서 배양되어 상기 프린트된 바이오-잉크로부터 희생용 HA와 젤라틴을 제거하였다.The interconnected structures were incubated in a culture medium at 37° C. and 5% CO 2 to remove sacrificial HA and gelatin from the printed bio-ink.

4. 세포 생존성 분석4. Cell viability assay

프린팅된 암 오르가노이들의 세포 생존 가능성을 측정하기 위해, 4일차에 생(live)염색 및 죽은(dead) 염색(L3224, Thermo Fisher Scientific)을 수행했다. 모델들은 실온에서 40분 동안 염색 용액(PBS에서 칼세인(calcein) AM 및 에티듐 호모다이머(ethidium homodimer)-1(2μM 및 4μM, Therm Fisher Scientific))에서 배양되었다. PBS로 세척한 후, FV-1000SPD 공초점(confocal) 레이저 주사선(scanning) 현미경(올림푸스; 일본 도쿄)을 사용하여 샘플을 촬영하였다. 살아있는 세포와 죽은 세포를 세어본 후, 살아있는 세포의 수를 전체 세포의 수로 나누어 세포 생존 가능성을 산출하였다.To measure the cell viability of the printed cancer organoids, live and dead staining (L3224, Thermo Fisher Scientific) was performed on day 4. Models were incubated in staining solution (calcein AM and ethidium homodimer-1 (2 μM and 4 μM, Therm Fisher Scientific) in PBS) for 40 minutes at room temperature. After washing with PBS, the samples were photographed using an FV-1000SPD confocal laser scanning microscope (Olympus; Tokyo, Japan). After counting live and dead cells, the cell viability was calculated by dividing the number of live cells by the total number of cells.

5. 조직학적 분석5. Histological analysis

프린팅된 유방암 모델의 조직학을 분석하기 위해서, 상기 모델들은 4일차에 4% v/v 포름알데히드 용액(PBS에 희석된 것; 일본 도쿄 준세이)에서 하룻밤 동안 고정되었다. 조직 처리 및 파라핀 내장 후에, 상기 모델들은 마이크로톰(microtome)을 사용하여 7μm 두께로 절단하였다. 각각의 절단된 슬라이드에 대해, 헤마톡실린(hematoxylin)과 에오신(H&E, Sigma)염색을 조직의 조직학적 분석에 대한 제조업체 매뉴얼에 따라 수행하였다. 슬라이드들은, 염색을 위해 헤마톡실린 용액에서 7분간 배양되었고 에오신 용액에서 2분간 배양한 다음 커버슬립(coverslips)(DURAN Group GmbH, 독일 Wertheim)에 의해 덮어졌다. 염색된 검체는 현미경(Leica Microsystems AG)을 통해 관찰되었다. 도관암 및 고형암 오르가노이드 내의 MCF7 세포의 핵 및 세포질 면적을 ImageJ 소프트웨어(NIH)를 사용하여 측정하였다. 핵-세포질 비율(N:C 비율)은 핵 면적을 전체 세포 면적으로 나누어 산출하였다.To analyze the histology of the printed breast cancer models, the models were fixed overnight in 4% v/v formaldehyde solution (diluted in PBS; Junsei, Tokyo, Japan) on day 4. After tissue processing and paraffin embedding, the models were cut to 7 μm thickness using a microtome. For each cut slide, hematoxylin and eosin (H&E, Sigma) staining was performed according to the manufacturer's manual for histological analysis of tissue. Slides were incubated for 7 minutes in hematoxylin solution and 2 minutes in eosin solution for staining and then covered with coverslips (DURAN Group GmbH, Wertheim, Germany). Stained specimens were observed through a microscope (Leica Microsystems AG). Nuclear and cytoplasmic areas of MCF7 cells in ductal carcinoma and solid carcinoma organoids were measured using ImageJ software (NIH). The nuclear-cytoplasmic ratio (N:C ratio) was calculated by dividing the nuclear area by the total cell area.

6. 면역 염색법6. Immunostaining

상기 절단된 슬라이드들은 MCF7 세포에서 저산소증-유도가능 인자 1 알파(HIF1A)의 발현을 관찰하도록 면역염료가 되었다. 간략하게, 상기 절단된 슬라이드를 크실렌(xylene)(Samchun chemical, 대한민국, 서울)에 2회 세척한 후 100, 90, 80, 70% v/v 농도의 PBS로 에탄올에 단계적으로 재수화하였다(rehydrated). 상기 재수화된 검체들는 1시간 동안 PBS에서 5% w/v 소혈청 알부민(시그마)으로 차단되었고, 4℃에서 하룻밤동안 PBS에서 HIF1A 항체(희석비 1:50, 미국, Novus Biologicals, Litten, CO)로 배양되었다. 세척한 다음, 상기 검체들은 PBS에서 Goat 항-마우스 lgG(H+L) Alexa Floor 488(희석비 1:500, Thermo Fisher Scientific)에서 배양되었다. 추가 세척 후, 상기 검체들은 PBS에서 Hoechst 33258(희석비 1:1000, Sigma)로 염색된다. 염색된 검체는 형광 현미경(Leica DM2500, Leica Microsystems AG)을 사용하여 관찰되었다.The cut slides were immunostained to observe the expression of hypoxia-inducible factor 1 alpha (HIF1A) in MCF7 cells. Briefly, the cut slides were washed twice in xylene (Samchun chemical, Seoul, Korea) and then rehydrated stepwise in ethanol with PBS at concentrations of 100, 90, 80, and 70% v/v. ). The rehydrated specimens were blocked with 5% w/v bovine serum albumin (Sigma) in PBS for 1 hour, followed by HIF1A antibody (1:50 dilution ratio, Novus Biologicals, Litten, CO, USA) in PBS overnight at 4°C. ) was cultured. After washing, the samples were incubated in Goat anti-mouse lgG(H+L) Alexa Floor 488 (1:500 dilution, Thermo Fisher Scientific) in PBS. After further washing, the samples are stained with Hoechst 33258 (1:1000 dilution, Sigma) in PBS. Stained specimens were observed using a fluorescence microscope (Leica DM2500, Leica Microsystems AG).

7. 3차원 침입 분석7. 3D invasion assay

3D 매트릭스에서 MCF7 세포의 침투를 평가하기 위해, 1일차 및 10일차에 프린팅된 도관암 및 고형암 오르가노이드를 현미경(Leica Microsystems AG)을 사용하여 관찰하였다. 세포 침투를 정량적으로 평가하기 위해, 1일차 및 10일차에 오르가노이드의 전체 면적을 ImageJ 소프트웨어(NIH)를 사용하여 측정하였다. 침입 면적(%)을 다음 [수학식 1]을 사용하여 산출하였다:To evaluate the invasion of MCF7 cells in the 3D matrix, ductal and solid organoids printed on days 1 and 10 were observed using a microscope (Leica Microsystems AG). To quantitatively assess cell invasion, the total area of organoids on day 1 and day 10 was measured using ImageJ software (NIH). The invasion area (%) was calculated using Equation 1:

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

8. 암 약물 반응의 측정8. Measurement of cancer drug response

유방암 모델의 약물 반응을 평가하기 위해서, 프린팅된 모델을 24개의 웰플레이트(well-plates)(Corning 주식회사, 미국, 코닝)에서 1일 동안 배양균 배양액으로 배양하였다. 약물 치료를 위해, 독소루비신(doxorubicin)(미국, NJ, HY-15142, MedChemExpress, Monmouth Junction) 및 티라파자민(tirapazamine)(시그마)은 디메틸 술폭시드(DMSO, Sigma)에서 용해되었다. 1일차에, 배양균 배양액은 용기들(wells)에서 제거시켰다. 검체의 대사 활성은 500 μL의 alamarBlue 용액(10% v/v, 성장 배양액에서 희석, Thermo Fisher Scientific)을 첨가하여 측정하였다. alamarBlue 염료(10% v/v)를 함유한 배양액을 빈 샘플로 사용하였다. alamarBlue 용액에서 3시간 배양한 후, 각 용기에서 100μL의 검사(assay) 용액을 채취하였다. 이들의 형광 강도는 마이크로플레이트 리더(microplate reader)(시너지 NEO2 하이브리드 멀티-모드 리더; 미국, VT, 바이오-텍, Winooski)를 사용하여 측정되었다. 각 용기에서 잔여 alamarBlue 용액을 제거한 후, 1 μM 독소루비신을 함유한 배양액을 첨가하였다. 대조 그룹을 동일한 양의 DMSO를 포함하는 배양액들을 함께 추가시켰다. 약물 치료 후 6일 후에, 상기에서 설명한 방법으로 암 모델의 대사 활성은 다시 측정되었다. 상대적 세포 증식은 다음의 [수학식 2]를 사용하여 산출되었다: To evaluate the drug response of the breast cancer model, the printed model was cultured in culture medium for 1 day in 24 well-plates (Corning, Inc., Corning, USA). For drug treatment, doxorubicin (HY-15142, NJ, USA, MedChemExpress, Monmouth Junction) and tirapazamine (Sigma) were dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO, Sigma). On day 1, cultures were removed from the wells. Metabolic activity of the specimen was measured by adding 500 μL of alamarBlue solution (10% v/v, diluted in growth medium, Thermo Fisher Scientific). Cultures containing alamarBlue dye (10% v/v) were used as blank samples. After incubation in the alamarBlue solution for 3 hours, 100 μL of the assay solution was taken from each container. Their fluorescence intensities were measured using a microplate reader (Synergy NEO2 hybrid multi-mode reader; Winooski, Bio-Tech, VT, USA). After removing the residual alamarBlue solution from each vessel, culture medium containing 1 μM doxorubicin was added. A control group was added together with the cultures containing the same amount of DMSO. Six days after drug treatment, the metabolic activity of the cancer model was measured again by the method described above. Relative cell proliferation was calculated using Equation 2:

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

독소루비신(doxorubicin) 치료와 마찬가지로, 100μM 티라파자민(tirapazamine) 치료 후 3일 동안 각 모델의 상대적 세포 증식량을 동일한 방식으로 산출하였다.Similar to doxorubicin treatment, the relative cell proliferation of each model was calculated in the same manner for 3 days after treatment with 100 μM tirapazamine.

9. RT-qPCR9. RT-qPCR

각각의 암 오르가노이드에서 저산소증, 상피-중간 전이(EMT) 및 약물 유출과 관련된 메신저(messenger) 리보핵산(mRNA) 발현을 측정하였다. 각각의 샘플은 바이오매셔(bioMasher)-II(일본 도쿄의 Optima)를 사용하여 분리되었다. 상기 검체들은 TriSure 용액(영국 런던 Bioline)에서 10분간 배양한 후 격렬하게 소용돌이를 일으켜 RNA를 분리시켰다. 각각의 RNA 검체에 해당하는 cDNA가 합성되도록 Helixcript?? Thermo Reversed Transcriptase(대한민국 대전 나노헬릭스)를 사용하였다. Biometra Professional TRIO Thermo-cycler(독일 예나 Analytik Jena AG)를 사용하여 cDNA를 합성하였다. 프라이머와 혼합된 cDNA(표 S2)는 라이트 사이클로(light cycler) 480 ±(Roche Diagnostics Gmbh)에서 Roche SYBR 라이트 사이클로 480 SYBR Green °(Roche Diagnostics Gmbh, Mannheim, 독일)로 증폭되었다. 각각의 mRNA 발현 수준은 △△Ct 방법을 사용하여 글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소(GAPDH)로 표준화되었다.In each cancer organoid, messenger ribonucleic acid (mRNA) expression associated with hypoxia, epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) and drug efflux was measured. Each sample was separated using a bioMasher-II (Optima, Tokyo, Japan). The samples were incubated in TriSure solution (Bioline, London, UK) for 10 minutes, and RNA was isolated by vigorous vortexing. Helixcript?? to synthesize cDNA corresponding to each RNA sample. Thermo Reversed Transcriptase (Nanohelix, Daejeon, Korea) was used. cDNA was synthesized using a Biometra Professional TRIO Thermo-cycler (Analytik Jena AG, Jena, Germany). cDNA mixed with primers (Table S2) was amplified in a light cycler 480 ± (Roche Diagnostics Gmbh) to 480 SYBR Green ° (Roche Diagnostics Gmbh, Mannheim, Germany) with a Roche SYBR light cycler. Each mRNA expression level was normalized to glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) using the ΔΔCt method.

10. 통계학적 분석 연구10. Statistical analysis studies

결과는 평균의 평균 ± 표준 오차로서 제시되었다. 통계 분석은 오리진(Origin)(2020 버전, 미국 MA, OriginLab Corp.)을 사용하여 수행되었다. 테스트 그룹 간의 다중 비교가, 일방적(one-way) 변화 분석에 이어 Tukey의 다중 비교 검정을 통해 수행되었다. 모든 분석에서, p <0.05는 통계적 유의성을 가리키고 있다.Results are presented as mean ± standard error of the mean. Statistical analysis was performed using Origin (2020 version, OriginLab Corp., MA, USA). Multiple comparisons between test groups were performed using one-way analysis of changes followed by Tukey's multiple comparison test. For all analyses, p < 0.05 indicates statistical significance.

<실험 결과><Experiment result>

3.1. 도관암 및 고형암 오르가노이드의 바이오프린팅3.1. Bioprinting of ductal and solid tumor organoids

암세포 농도가 도관/고형 미세구조 프린팅에 미치는 영향을 조사하였다. 3×107 cells/mL의 세포 농도에서, MCF7 세포들은 바이오-잉크 및 주변 매트릭스 사이의 인터페이스(interface)에 부착되어 도관 미세구조를 형성하였다(도 3). 바이오-잉크의 MCF7 세포 농도가 증가함에 따라, 암 오르가노이드의 도관 크기는 감소하였고, 고형 오르가노이드가 15Х107 cells/mL의 세포 농도로 형성되었다. The effect of cancer cell concentration on conduit/solid microstructure printing was investigated. At a cell concentration of 3×10 7 cells/mL, MCF7 cells adhered to the interface between the bio-ink and the surrounding matrix to form conduit microstructures (FIG. 3). As the concentration of MCF7 cells in the bio-ink increased, the ductal size of cancer organoids decreased, and solid organoids were formed at a cell concentration of 15Х10 7 cells/mL.

암 세포는 고유 고형암으로 빽빽하게 채워 있었다. 이와 관련하여, 콜라겐 농도가 프린팅된 고형암 오르가노이드의 세포 밀도에 미치는 영향을 평가했다. 콜라겐 섬유는 프린팅된 고형 오르가노이드에 고르게 분포되었다(도 4(a)). 바이오-잉크의 콜라겐 농도가 증가함에 따라, 오르가노이드의 세포밀도는 증가하였다가 정점을 찍은 후 감소하였다(도 4(b)). 가장 높은 세포밀도(약 3,600 cells/mm2)는 0% w/v 콜라겐 그룹보다 약 20% 높은 0.6% w/v의 콜라겐 농도에서 관찰되었다. 또한 본 발명자는, RT-qPCR을 통해 진행 중인 암의 대표적인 지표자들 중 하나인 SNAIL 발현에 대한 세포 및 콜라겐 농도 변화가 미치는 영향을 조사했다. 그 결과 바이오-잉크의 세포 및 콜라겐 농도 증가가 SNAIL의 발현 수준을 높인 것을 보여주었다(도 5). 콜라겐 농도가 0.6% v/v인 그룹의 SNAIL 발현은, 세포 농도와 관계없이, 콜라겐이 없는 그룹 보다 1.3 ~ 1.4배 높았다. 세포 농도가 15Х107 cells/mL인 그룹은 3Х107 cells/mL 그룹보다 SNAIL 발현이 1.4-1.5배 높았다. 이러한 결과를 바탕으로, 도관암 및 고형암 오르가노이드를 프린팅하기 위한 바이오-잉크의 조성을 결정하였다(도 1).Cancer cells were densely packed with native solid tumors. In this regard, the effect of collagen concentration on the cell density of printed solid tumor organoids was evaluated. Collagen fibers were evenly distributed in the printed solid organoids (Fig. 4(a)). As the collagen concentration of the bio-ink increased, the organoid cell density increased, peaked, and then decreased (Fig. 4(b)). The highest cell density (about 3,600 cells/mm 2 ) was observed at a collagen concentration of 0.6% w/v, which was about 20% higher than that of the 0% w/v collagen group. In addition, the present inventors investigated the effect of changes in cell and collagen concentration on the expression of SNAIL, one of the representative indicators of ongoing cancer, through RT-qPCR. As a result, it was shown that the increase in cell and collagen concentrations of bio-ink increased the expression level of SNAIL (FIG. 5). SNAIL expression in the group with 0.6% v/v collagen concentration was 1.3 to 1.4 times higher than that in the group without collagen, regardless of cell concentration. The group with a cell concentration of 15Х10 7 cells/mL showed 1.4-1.5 times higher SNAIL expression than the 3Х10 7 cells/mL group. Based on these results, the composition of bio-ink for printing ductal cancer and solid organoids was determined (FIG. 1).

도관암/고체암 오르가노이드들은 설계된 바이오-잉크로 바이오프린팅되었다. 상기 프린팅된 도관 오르가노이드에서 MCF7 세포의 1개층에서 3개의 층으로 둘러싸인 도관이 관찰되었고, 밀집된 코어가 고형 오르가노이드에서 나타났다(도 6(a)). 상기 프린팅된 오르가노이드에서 MCF7 세포의 생존 가능성은 95% 이상이었다(도 6(b)). 저산소 표지자(HIF1A)의 발현은 면역억제를 통해 조사되었다. 도관암 오르가노이드에서는 HIF1A 표지자의 발현이 거의 없었던 반면, 고형 오로나이드에서는 세포 구조 전체에 걸쳐서 강한 발현이 관찰되었다(도 6(a)). 이러한 경향은 RT-qPCR 결과에서 더 뚜렷하게 나타났다. 고형 오르가노이드의 HIF1A및 HIF2A mRNA 발현은 각각 도관 오로나이드의 발현보다, 각각, 약 10배 및 8배 높았으며, 통계적 유의성도 관찰되었다(도 6(c)).Conduit/solid organoids were bioprinted with engineered bio-ink. In the printed conduit organoids, conduits surrounded by one to three layers of MCF7 cells were observed, and dense cores appeared in the solid organoids (Fig. 6(a)). The viability of MCF7 cells in the printed organoids was over 95% (Fig. 6(b)). Expression of the hypoxic marker (HIF1A) was investigated via immunosuppression. In ductal carcinoma organoids, the HIF1A marker was hardly expressed, whereas in solid oronoids, strong expression was observed throughout the cell structure (Fig. 6(a)). This trend was more evident in the RT-qPCR results. The expression of HIF1A and HIF2A mRNA in solid organoids was about 10-fold and 8-fold higher than that of ductal organoids, respectively, and statistical significance was also observed (Fig. 6(c)).

암 오르가노이들의 세포 형태를 정량적으로 평가하기 위해서, 세포 및 핵 면적을 측정하였다. 도관 오르가노이드는 고형 오르가노이드 보다 평균 세포 면적이 약 64% 더 높았고, 평균 핵 면적은 약 17% 더 낮았다(도 6(d),(e)). 통계적 유의성은 세포 면적 데이터에서만 관찰되었다. 상기 측정한 결과를 바탕으로 산출된 N:C 비율에서, 고형 오르가노이드는 도관 오르가노이드보다 약 2배 더 높았다(도 6(f)). 흥미롭게도, 바이오프린팅된 암 오르가노이드들의 측정된 N:C 비율(도관/고형 오르가노이드의 경우 약 0.31/0.65)은 고유의 인간 유방암(약 0.4-0.8)의 비율과 유사했다. 이러한 결과로 고형암 오로가이드 프린팅이 저산소 환경을 유도하고 MCF7 세포의 N:C 비율을 증가시키는 것을 확인하였다.To quantitatively evaluate the cellular morphology of cancer organoids, cell and nuclear areas were measured. Conduit organoids had approximately 64% higher average cell area and approximately 17% lower average nuclear area than solid organoids (Fig. 6(d),(e)). Statistical significance was only observed for cell area data. In the N:C ratio calculated based on the above measured results, solid organoids were about 2 times higher than ductal organoids (Fig. 6(f)). Interestingly, the measured N:C ratio of bioprinted cancer organoids (approximately 0.31/0.65 for ductal/solid organoids) was similar to that of native human breast cancer (approximately 0.4-0.8). As a result, it was confirmed that Oroguided printing of solid tumors induced a hypoxic environment and increased the N:C ratio of MCF7 cells.

2. EMT-관련된 유전자 발현 및 3D 침입 분석2. EMT-related gene expression and 3D invasion assay

바이오프린팅된 암 오르가노이드의 EMT-관련된 유전자 발현은 RT-qPCR을 통해 조사되었다(도 7). 세포들은 같은 형태였지만, E-CAD 유전자 발현(상피 표지자)은 고형 오르가노이드와 비교하여 도관 오르가노이드에서 2배 이상 증가했다. 다른 한편으로, 중간엽 표지자인 SNAIL, VIM, N-CAD, SLUG 유전자들의 발현은 도관 오르가노이드보다 고형 오르가노이드에서 약 2-4배 높았다. 모든 차이점에 대한 통계적 유의성도 관찰되었다.EMT-related gene expression of bioprinted cancer organoids was investigated via RT-qPCR (FIG. 7). Although the cells had the same morphology, E-CAD gene expression (an epithelial marker) was more than doubled in ductal organoids compared to solid organoids. On the other hand, the expression of the mesenchymal markers SNAIL, VIM, N-CAD, and SLUG genes was about 2-4 times higher in solid organoids than in ductal organoids. Statistical significance was also observed for all differences.

암세포의 EMT는 세포-세포 유착을 약화시키고 침입과 전이를 촉진한다. 본 발명자는 3D 콜라겐/알지네이트 히드로겔(hydrogel) 매트릭스에 프린팅된 암 오르가노이드에 대한 3D 침입 분석을 수행하였다. 프린팅된 후 10일이 지난 후, 도관 오르가노이들에는 침입이 거의 일어나지 않는 반면, 반면에 고형 오르가노이들에서는 활성 집단적 세포 침입이 관찰되었다(도 8(b)). 고형 오르가노이들의 침입 면적은 도관 오르가노이보다 약 15배 높았다(도 8(b)). 이러한 결과로 고형암 오르가노이드가 도관암 오르가노이드보다 진행단계 암과 유사한 EMT 관련 유전자 발현 및 침입 특성이 더 높았음을 보여준다.EMT of cancer cells weakens cell-cell adhesion and promotes invasion and metastasis. We performed a 3D invasion assay on cancer organoids printed on a 3D collagen/alginate hydrogel matrix. Ten days after printing, little invasion occurred in ductal organoids, whereas active collective cell invasion was observed in solid organoids (Fig. 8(b)). The invasion area of solid organoids was about 15 times higher than that of ductal organoids (Fig. 8(b)). These results show that solid cancer organoids showed higher EMT-related gene expression and invasion characteristics similar to advanced stage cancers than ductal cancer organoids.

3. 암 오르가노이드의 약물 내성3. Drug Resistance of Cancer Organoids

대표적인 유방암 화학 치료제인 독소루비신(doxorubicin)에 대한 도관암/고형암 오르가노이드의 내성을 조사하였다. 이를 위해, 6일 동안 독소루비신을 이용한 치료 후 바이오프린팅된 오르가노이드의 상대적 세포 증식을 측정하였다. 고형 오르가노이드에서는 약 92%의 상대적 세포 증식을 보여준 반면에, 도관 오르가노이드는 약 10%에 불과했다(도 9(a)). 이러한 결과에서, 독소루비신에 의한 고형암 오르가노이드의 성장억제가 거의 없다는 것이 나타난다. RT-qPCR을 통해 측정된 약물-유출(efflux) 관련 유전자 발현 수준에 대해서도 유사한 결과가 관찰되었다. 고형 오르가노이드의 ATP-결합 카세트(ATP-binding cassette; ABC) 운반체 유전자(ABCB1, ABCC1, ABCC2 및 ABCG2; 약물-유출(efflux) 관련 유전자)의 mRNA 발현은 도관 오르가노이드의 발현 보다 약 6-60배 높았다(도 9(b))). 이 결과에서 고형암 오르가노이드가 도관암 오르가노이드보다 독소루비신 내성이 높아졌다는 것을 보여주었다. The resistance of ductal cancer/solid cancer organoids to doxorubicin, a representative breast cancer chemotherapy agent, was investigated. To this end, relative cell proliferation of bioprinted organoids was measured after treatment with doxorubicin for 6 days. Solid organoids showed about 92% relative cell proliferation, whereas ductal organoids only about 10% (Fig. 9(a)). These results indicate that there is little growth inhibition of solid tumor organoids by doxorubicin. Similar results were observed for drug-efflux related gene expression levels measured via RT-qPCR. The mRNA expression of ATP-binding cassette (ABC) transporter genes (ABCB1, ABCC1, ABCC2 and ABCG2; drug-efflux related genes) in solid organoids was about 6-60 times greater than that in ductal organoids. times higher (FIG. 9(b))). These results showed that solid organoids were more resistant to doxorubicin than ductal organoids.

4. 도관암 및 고형암 오르가노이드의 동시 프린팅이 약물 반응에 미치는 영향4. Effect of simultaneous printing of ductal and solid organoids on drug response

고유의 유방암이 진행됨에 따라 도관 미세구조의 비율은 감소하는 반면, 고형 미세구조의 비율은 증가한다. 본 연구에서는, 고유 유방암의 형태학적 특징을 고려하여, 도관암 및 고형암 오르가노이드 사이에 다양한 비율을 가진 유방암 모델을 준비하였다(도 10(a)). 그 후, 독소루비신에 대한 내성이 평가되었다. 고형 오르가노이드의 비율이 0%에서 100%로 증가함에 따라, 암 모델의 상대적 세포 증식도 9%에서 93%로 증가했다. 각각의 그룹 사이에는 통계적으로 중요한 차이가 있었다. 이 결과는 암 모델에서 고형 오르가노이드의 비율이 증가함에 따라 독소루비신 내성이 증가한 것을 확인하였다.As native breast cancer progresses, the proportion of ductal microstructures decreases, while the proportion of solid microstructures increases. In this study, considering the morphological characteristics of native breast cancer, breast cancer models with various ratios between ductal cancer and solid organoids were prepared (FIG. 10(a)). Then, resistance to doxorubicin was evaluated. As the proportion of solid organoids increased from 0% to 100%, the relative cell proliferation of the cancer model also increased from 9% to 93%. There were statistically significant differences between each group. This result confirmed that doxorubicin resistance increased as the proportion of solid organoids increased in cancer models.

5. 환자의 암 조직의 형태를 모방한 유방암 모델의 바이오프린팅5. Bioprinting of a breast cancer model that mimics the morphology of a patient's cancer tissue

본 발명자는 도관암과 고형암 오르가노이드를 공동-프린트하여 4개의 유방암 모델을 준비하였다(도 11(a)). 그룹 1, 2b, 3은 1등급, 2등급, 3등급의 유방암 조직에서 도관 미세구조의 중앙 비율을 고려하여 작성되었다. 그룹 1, 2b, 3의 고형 미세구조 비율은 각각 8%, 45%, 88% 이었다. 그룹 2a는 그룹 2b와 동일한 수의 도관/구형 오르가노이드를 가지고 있지만 다른 패턴을 갖도록 설계되었다. 6일간 독소루비신 치료를 한 결과, 도 10과 유사하게, 도관 오르가노이드의 비율이 증가함에 따라 상대적 세포 증식은 감소하였다(도 11(b)의 그룹 1, 2b, 3). 흥미롭게도, 혼합 패턴을 가진 그룹 2b는 분리된 패턴을 가진 그룹 2a보다 더 높은 상대적 세포 증식을 보여주었다(도 11(b)의 그룹 2a와 2b). 각각의 그룹 간에도 통계적 유의성도 관찰되었다. 다른한편으로, 티라파자민(tirapazamine) 실험에서는 반대 경향이 관찰되었다(도 11(c)). 상대적 세포 증식은 그룹 1, 2a, 2b, 3 순서으로 감소하였다. 이러한 결과는 도관 및 고형 미세구조와 형태학 사이의 비율이 암 모델의 약물 반응에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타내었다.The present inventors prepared four breast cancer models by co-printing ductal cancer and solid organoids (FIG. 11(a)). Groups 1, 2b, and 3 were created considering the median proportion of ductal microstructure in grade 1, 2, and 3 breast cancer tissues. The solid microstructure proportions of groups 1, 2b, and 3 were 8%, 45%, and 88%, respectively. Group 2a had the same number of ductal/spherical organoids as group 2b, but was designed to have a different pattern. As a result of doxorubicin treatment for 6 days, the relative cell proliferation decreased as the ratio of ductal organoids increased, similar to FIG. 10 (groups 1, 2b, and 3 in FIG. 11(b)). Interestingly, group 2b with a mixed pattern showed a higher relative cell proliferation than group 2a with a separate pattern (groups 2a and 2b in FIG. 11(b)). Statistical significance was also observed between each group. On the other hand, the opposite trend was observed in the tirapazamine experiment (FIG. 11(c)). Relative cell proliferation decreased in the order of groups 1, 2a, 2b, and 3. These results indicated that the ratio between ductal and solid microstructure and morphology has a significant impact on the drug response of cancer models.

마지막으로 본 발명자는, 이종 환자의 암 형태를 가진 암 모델이 개발된 프린팅 기술을 사용하여 생성될 수 있는지 여부를 조사하였다. 본 연구에서는, 유방암 조직 내의 도관/고형 미세구조물의 위치와 크기를 인간 유방암의 조직학 데이터를 기반으로하여 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 측정하였다(도 11(d)-(i)). 상기 측정 결과에 기반으로하여, 생체 모방 형태를 가진 암 모델을 설계하고 프린팅 하였다(도 11(d)-(ii),(iii)). 결과적으로, 개발된 기술이 환자-특이적 체외 유방암 모델을 생산할 수 있다는 것이 확인되었다. 본 연구에서는 설계가 수동으로 수행되었지만, 자동 설계 프로세스가 향후 작업의 일부로 계획되어 있다.Finally, the present inventors investigated whether a cancer model having a heterogeneous patient's cancer type could be created using the developed printing technology. In this study, the location and size of ducts/solid microstructures in breast cancer tissue were measured using ImageJ software based on histological data of human breast cancer (Fig. 11(d)-(i)). Based on the measurement results, a biomimetic cancer model was designed and printed (FIG. 11(d)-(ii),(iii)). As a result, it was confirmed that the developed technology could produce a patient-specific in vitro breast cancer model. Although design was performed manually in this study, an automated design process is planned as part of future work.

Claims (14)

콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액을 포함하는 매트릭스 잉크를 압출시키는 단계 및
상기 매트릭스 잉크 위에 세포, 히알루론산 및 젤라틴을 포함하는 바이오 잉크를 압출시키는 단계를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
extruding a matrix ink comprising a collagen solution and an alginate-hyaluronic acid solution; and
A method for producing cancer organoids using 3D printing, comprising extruding bioink containing cells, hyaluronic acid, and gelatin on the matrix ink.
제1항에 있어서,
상기 바이오 잉크는 콜라겐을 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing cancer organoids using 3D printing, wherein the bioink further comprises collagen.
제1항에 있어서,
상기 바이오 잉크 압출 단계 이후에, 칼슘 이온 용액을 처리하여 가교시키는 단계를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing cancer organoids using 3D printing, further comprising crosslinking by treating a calcium ion solution after the bioink extrusion step.
제1항에 있어서,
상기 콜라겐 용액은 염산 용액에 펩신 및 콜라겐을 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing cancer organoids using 3D printing, characterized in that the collagen solution is prepared by dissolving pepsin and collagen in a hydrochloric acid solution.
제1항에 있어서,
상기 알지네이트-히알루론산 용액은 동물세포배양 배지에 알지네이트 및 히알루론산을 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The alginate-hyaluronic acid solution is characterized in that prepared by dissolving alginate and hyaluronic acid in an animal cell culture medium, cancer organoid production method using 3D printing.
제5항에 있어서,
상기 동물세포배양 배지는 MEM(Minimum Essential Media), DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM(without BPE), Keratinocyte-SFN(with BPE), KnockOut D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium 및 AmnioMAX-C100 Complete Medium 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 5,
The animal cell culture medium is MEM (Minimum Essential Media), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Media), RPMI 1640, IMDM (Iscove's Modified Dulbecco's Media), Defined Keratinocyte-SFM (without BPE), Keratinocyte-SFN (with BPE), KnockOut A method for manufacturing cancer organoids using 3D printing, characterized in that selected from D-MEM, AmnioMAX-II Complete Medium and AmnioMAX-C100 Complete Medium.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스 잉크는 콜라겐 용액 및 알지네이트-히알루론산 용액이 1 ~ 5:1 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The matrix ink is a cancer organoid manufacturing method using 3D printing, characterized in that the collagen solution and the alginate-hyaluronic acid solution are mixed in a weight ratio of 1 to 5: 1.
제1항에 있어서,
상기 세포는 1×107 ~ 20×107 cells/mL의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing cancer organoids using 3D printing, characterized in that the cells are mixed at a concentration of 1×10 7 to 20×10 7 cells/mL.
제1항에 있어서,
상기 바이오잉크에서 히알루론산은 1 ~ 5 mg/mL의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
In the bioink, hyaluronic acid is mixed at a concentration of 1 to 5 mg / mL, characterized in that, cancer organoid manufacturing method using 3D printing.
제1항에 있어서,
상기 바이오잉크에서 젤라틴은 15 ~ 25 %(w/v) 의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
In the bioink, gelatin is mixed at a concentration of 15 to 25% (w / v), characterized in that, cancer organoid manufacturing method using 3D printing.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스 잉크는 0.5 ~ 0.9 μL/s의 속도 및 100 ~ 300 mm/min의 프린팅 속도로 압출되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing cancer organoids using 3D printing, characterized in that the matrix ink is extruded at a speed of 0.5 to 0.9 μL / s and a printing speed of 100 to 300 mm / min.
제1항에 있어서,
상기 바이오잉크는 0.005 ~ 0.02μL/s의 속도로 압출되어 도트(dot) 형태로 프린팅되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The bioink is extruded at a speed of 0.005 ~ 0.02 μL / s and printed in a dot form, characterized in that, cancer organoid manufacturing method using 3D printing.
제1항에 있어서,
상기 세포는 암세포인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 암 오가노이드 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing cancer organoids using 3D printing, characterized in that the cells are cancer cells.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 암 오가노이드.A cancer organoid prepared by the method of any one of claims 1 to 13.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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