Assessment of carcinogen exposure among cooks and modeling lung cancer initiation using human airway organoids = 조리 종사자의 발암물질 노출 평가 및 인간 기도 오가노이드를 이용한 폐암 초기 모델 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction: Although exposure to cooking oil fumes has been associated with an increased risk of lung cancer, research on the actual levels of carcinogen exposure among cooks is lack. This study aims to assess environmental exposure levels during occupational cooking among school meal workers in Seoul, Republic of Korea. Additionally, the study identifies the mechanism of initial lung oncogenesis utilizing genetically disturbed human lung organoids.

Method: This study employs molecular epidemiological approaches involving at least 252 school meal workers from 28 school cafeterias in Seoul. We measured several biomarkers, including, benzo[a]pyrene diol epoxide (BPDE) DNA adducts and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) metabolites with. Additionally, we knocked out TP53 and RB1 on human airway organoid to model small cell lung cancer and conducted single-cell RNA sequencing. Several oncogenes such as EML4-ALK fusion gene were overexpressed to induce non-small cell lung cancer.

Results: Cooks exposed to cooking fumes exhibited significantly higher levels of BPDE-DNA adducts compared to the control group. In addition to cooking fume exposure, factors such as consumption of leached tea, grilled foods, and time spent cooking at home were positively associated with BPDE-DNA adduct levels, while green tea consumption was inversely associated. We established tumor suppressor genes knock-out organoid model that revealed loss of TP53 and RB1 may induce deuterosome-independent multiciliogenesis, which was initial change in small cell lung cancer development. Additionally, we constructed oncogene overexpressing human airway organoid to model non-small cell lung cancer development.

Discussion: This study confirmed that school kitchen workers were significantly exposed to carcinogens. Dietary components such as polyphenols may influence PAH metabolism, suggesting potential intervention strategies. This study highlights an overlooked occupational group at risk for lung cancer. Future research should extend to other high-risk cooks, with a focus on protective policies and improved working conditions. This study utilized human lung airway organoids to model lung cancer initiation. From the analysis of single-cell RNA sequencing of TP53 and RB1 knock-out airway organoid atypical multiciliogenesis was identified. These genetic alterations may to aberrant centrosome formation and upregulation of microtubule-associated genes, possibly enhancing migratory and metastatic potential in small cell lung cancer.

Conclusions: Cooks are exposed to carcinogen that needs further monitoring. TP53 and RB1 loss affect differentiation of human airway organoids that could initiate lung cancer.

국문 초록 (Abstract)

서론: 조리 시 발생하는 기름 연기에 노출되면 폐암이 발생할 위험이 증가된다고 보고된 바 있으나, 조리사들의 발암물질 실제 노출 수준에 대한 연구는 제한적이다. 본 연구는 대한민국 서울시 내 학교 급식 종사자들의 체내 발암물질 노출 수준을 평가하고 한다. 또한 인간 폐 기도 유래 오가노이드를 활용한 실험을 통해 폐암 발생의 초기 분자적 변화를 규명하고 이를 차단할 수 있는 기전을 탐색하고자 한다.

방법: 본 연구는 서울시 소재 28개 학교 급식소에서 근무하는 최소 252명의 급식 종사자를 대상으로 분자역학적 접근법을 적용하였다. 설문조사를 통해 급식 종사자들의 직업적 환경을 평가하였으며, 주요 노출 물질인 조리 중 발생하는 유해 연기, 보호 장비 착용 여부, 환기 시스템의 상태 등을 파악하였다. 또한 PAH 부착체(BPDE-DNA adducts)를 포함한 다양한 생체표지자를 측정하였다. 이와 함께 인간 기도 오가노이드를 활용한 폐암 발생 초기 단계 모델링 실험을 병행하였다. 오가노이드 실험에서는 TP53 및 RB1 유전자가 결손된 기도 오가노이드를 이용하여 소세포 폐암 모델을 구축하고, 단일세포 RNA 시퀀싱을 수행하였다. 비소세포 폐암 모델 구축을 위해 EML4-ALK 융합유전자 등 주요 암유전자를 과발현시켰다.

결과: 조리 연기에 노출된 급식 종사자들은 대조군에 비해 BPDE-DNA 부착체 수준이 유의하게 높았다. 조리 연기 외에도 우려낸 차의 섭취, 구운 음식 섭취, 가정 내 조리 시간 등은 부착체 수준 증가와 양의 상관을 보였으며, 반면 녹차 섭취는 음의 상관을 나타냈다. 기도 오가노이드 실험에서는 TP53 및 RB1 유전자 결손이 비정상적인 다섬모 형성 분화에 영향을 줄 수 있고 이 것이 소세포폐암의 초기 분자적 변화임을 나타냈다. 아울러 비소세포 폐암 유전자 과발현 오가노이드 모델도 성공적으로 구축하였다.

고찰: 본 연구는 학교 급식 종사자들이 발암물질에 노출되어 있음을 BPDE-DNA 부착체 측정을 통해 확인하였다. 직업적 노출이 가정 내 조리보다 더 큰 영향을 미쳤으며, 양자가 결합될 경우 노출 수준은 더욱 상승하였다. 마스크 보급 확대 및 교육에도 불구하고 보호구 착용률이 낮아 노출 저감 효과는 미미하였다. 식이 내 폴리페놀 등 성분이 PAH 대사에 영향을 줄 수 있기 때문에 발암물질 고 노출군에 대한 중재 전략으로 고려될 수 있다. 본 연구는 그간 간과되었던 폐암 고위험 직업군을 조명하였으며, 분자 생체표지자를 활용한 조기 노출 평가의 가능성을 제시하였다. 향후, 발암 물질 노출 수준이 더 높을 것으로 예상되는 개인 사업장 조리업 종사자 집단에 대한 연구가 필요하다. 또한 본 연구는 인간 폐 줄기세포 유래 오가노이드를 활용하여 폐암 발생 초기 모델을 구축하였으며, TP53 및 RB1 유전자 손실은 비정상적 중심체 형성 및 미세소관 관련 유전자 발현 증가를 동반할 수 있어 소세포폐암의 이동성 및 전이 잠재력 증가와 연관될 가능성이 있다.

결론: 조리 종사자는 폐암 발생 위험을 증가시키는 발암물질에 노출되어 있다. 인간 기도 오가노이드에서 TP53 및 RB1의 결손은 인간 기도 오가노이드의 분화를 교란하여 폐암 발생을 개시할 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• 1. Introduction １
• 1.1. Lung cancer risk among cooks １
• 1.2. Updated systematic review and meta-analysis for lung cancer risk among cooks ２
• 1.2.2. Methods for systematic review and meta-analysis ２
• 1.2.3. Results of systematic review and meta-analysis ３
• 1.3. The first lung cancer case acknowledged as an occupational accident in Korea １３
• 1.4. Composition of COFs １３
• 1.5. Measurement of COF exposure １４
• 1.6. Previous epidemiologic studies for school cooks １５
• 1.7. Etiome study １５
• 1.8. Lung cancer histologic type by exposure to occupational carcinogen １５
• 1.9. Lung organoids １６
• 1.10 Lung stem cells: Origin of differentiation and cancer １７
• 1.11. Lung organoid’s types: In vitro stem cell culture ２１
• 1.11.1. ASC ２１
• 1.11.2. iPSC ２５
• 1.11.3. PDO ２５
• 1.12. Transformation from normal organoids ２５
• 1.12.1. LUAD ２６
• 1.12.2. LUSC ２８
• 1.12.3. SCLC ３１
• 1.12.4. Distinct susceptibility to transformation by cell types and mutation ３４
• 1.12.5. Role of inflammation in the susceptibility for tumorigenesis ３６
• 1.13. Cancer inducing methods ３６
• 1.14. Strengths of organoid compared with in vivo model ４０
• 1.15. Characterization of phenotype transition in-vitro and in silico ４１
• 2. Hypotheses and objectives ４４
• 3. Methods ４６
• 3.1. Epidemiological study design ４６
• 3.2. Sample size calculation ４７
• 3.3. Target population ４７
• 3.4. Exposure from home cooking ４８
• 3.5. The strategy for recruiting participants ４９
• 3.6. Measurements ４９
• 3.6.1. Basic demographic and lifestyle information ４９
• 3.6.2. Working environment in the kitchen ５０
• 3.6.3. Cooking habits at home ５０
• 3.6.4 Food and beverage consumption ５０
• 3.6.5 Bio-sampling, measurement of PAH substrates, and bio-banking ５１
• 3.6.6 Occupational environment measurement ５３
• 3.6.7 Review of ventilation and exhaust systems in the facilities ５４
• 3.6.8. Selection of biomarkers and review of validity and reliability ５４
• 3.7. Statistical analysis ５７
• 3.8. Human normal lung airway organoid culture ６０
• 3.9. Plasmid construction ６１
• 3.10. Transfection ６２
• 3.11. Estimation of knock-out efficiency ６３
• 3.12. Western blotting ６４
• 3.13. Real time quantitative PCR (RT-qPCR) ６５
• 3.14. Hematoxylin and Eosin (H & E) staining ６６
• 3.15. WST-1 Cell Viability Assay ６７
• 3.16. Single-cell cDNA library ６７
• 3.17. Single-cell RNA sequencing analysis ６８
• 3.18. Cell type annotation ６９
• 3.19. Cell cycle scores ６９
• 3.20. Trajectory analysis ７０
• 3.21. Ethical statement ７０
• 4. Results ７１
• 4.1. Recruitment of school kitchens and participants ７１
• 4.2. Characteristics of participants ７３
• 4.3. Biomarker results ７９
• 4.4. Exposure to occupational and household COF ８３
• 4.4.1. Occupational and household COF ８３
• 4.4.2. Interaction between household and occupational exposure ８３
• 4.5. Results of second survey ８７
• 4.5.1. BPDE-DNA adduct levels in the second survey: exposure vs. non-exposure Groups. ８７
• 4.5.2. Changes in DNA adduct levels between the first and second Surveys ８７
• 4.5.3. Effect of natural intervention ８７
• 4.6. Review of school kitchen environments and workplace monitoring results ９０
• 4.6.1. BPDE-DNA adduct levels by kitchen location ９０
• 4.6.2. Occupational environment monitoring results ９０
• 4.7. Dietary and environmental risk factors associated with BPDE-DNA adduct levels ９３
• 4.7.1. Direct flame-grilling (e.g., Barbecue, Charcoal Grilling) ９３
• 4.7.2. Deep-fried foods ９３
• 4.7.3. Leached tea consumption ９３
• 4.7.4. Green tea consumption ９４
• 4.7.5. Household COF Exposure ９４
• 4.7.6. Other factors ９５
• 4.8. TP53 and RB1 KO hAO １１８
• 4.9. scRNA-seq of TP53 and RB1 KO hAO １３０
• 4.10. Aberrant multiciliated cell differentiation trajectory in TP53/RB1-deficient airway organoids １３１
• 4.11. Effect of benzo[a]pyrene on metabolic activity １３７
• 4.12. Oncogene overexpression in hAO １４０
• 5. Discussion １４５
• 5.1. Summary of key findings １４５
• 5.2. Occupational vs. Domestic Exposure １４５
• 5.3. Lack of Natural Intervention Effects １４６
• 5.4. Potential Influence of Diet １４６
• 5.5. Public health significance １４６
• 5.6. Future research and policy １４７
• 5.7. Atypical multiciliogenesis １４７
• 5.8. Multiple centrosomes １４８
• 5.9. Hypothetical another origin of SCLC １４９
• 5.10. Limitations １４９
• 5.11. General limitations of organoid study １５２
• 5.11.1. Lung microenvironment １５２
• 5.11.2. Reproducibility １５２
• 5.12. Further application of hung organoids １５３
• 5.12.1. Co-culture １５３
• 5.12.2. Genetic engineering technology １５３
• 5.12.3. Sequencing technology １５４
• 5.12.4. Non-invasive early detection １５５
• 5.12.5. Future perspective １５６
• 6. Conclusions １５７
• Acknowledgement １５８
• References １５９
• 초록 １８７