종양 미세환경 모사를 이용한 암 동역학 연구, 2015 = Study of cancer dynamics at microfabricated artificial cancer cell niches R&D Report(2015)

국문 초록 (Abstract)

연구의 목적 및 내용 : 본 연구에서는 나노/마이크로 기술을 이용하여 생체 내 암 조직 주변의 미세 환경을 적절히 모사하고, 세포 군집과 세포 주변 환경의 동적 상호작용 분석이 가능한 새로운 플랫폼을 개발한다. 이를 통해 개별 세포를 통한 암의 전이에 영향을 미칠 수 있는 조직 환경의 물리적 특성을 연구한다.
연구개발성과
1) 본 연구에서 개발한 시스템은 최신 나노/마이크로기술을 활용하여 세포외 미세환경을 모사하고 이를 기반으로 세포 개체군과 조직 주변환경의 상호작용과 연관된 암 동역학을 연구하고자 하는 획기적인 플랫폼이다.
2) 본 연구에서는 자성 나노입자의 표면에 저분자 물질, 유전물질, 단백질 등의 생체 물질을 부착하여 세포외 기질의 기본 구성요소를 모사하고, 이러한 입자들의 자기조립 특성을 활용하여 고분자 기반의 3차원 공간에서 인공적인 미세 지형을 제작할 수 있으며, 이는 기존의 세포외 환경 모사 기술과는 다른 새로운 방법론을 제시한 것이다.
3) 본 연구에서 개발한 플랫폼을 활용하여 세포외 기질, 주변 정상 조직 등을 모사하고 세포를 배양하여 인공 미세지형의 물리적 특성이 세포의생장에 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였으며, 세포 동역학 연구에 활용될 수 있는 모델임을 학인하였다. 또한 기존의 모사 기술과는 다르게 동물 모델의 체내에서도 인공 미세지형을 제작할 수 있음을 확인하였다.
연구개발성과의 활용계획 (기대효과)
1) 본 연구에서 개발된 시스템은 최신 나노/마이크로기술을 활용하여 3차원 상에서 세포외 미세 환경을 인공적으로 형성할 수 있는 플랫폼이며, 개별 세포 및 세포 군집에 대한 세포외 미세 환경의 물리적 영향을 확인할 수 있었다. 그러므로 본 플랫폼을 종양 세포 개체군과 주변 미세 환경과의 상호작용을 기반으로 하는 암 동역학을 연구할 수 있는 시스템으로 확장 가능하다.
2) 본 연구에서 개발된 기술은 동물 모델의 조직 영역에서 인공 지형을 형성하는 것이 가능하므로, 암 전이에 있어 세포외 미세환경의 물리적 특성이 미치는 영향을 연구하는데 있어서 임상적으로 유의미한 의학적 지표를 연구하는데 더욱 용이하다고 할 수 있다. 그러므로 단순히 특정 유전자나 분자 신호 경로를 조절하는 기존의 암 치료제 사용에서 나아가, 조직 환경 또는 세포 군집간의 상호작용으로 인해 촉진되는 암조직 이질성, 항암제 내성 등을 제어하는 과정을 통해 기존의 치료법의 효과를 극대화 시키는 새로운 암 치료 패러다임을 제시할 수 있다.
3) 또한 이 연구를 통해 생체 분자 검색/진단이나 신약 검색에 주로 활용되던 나노/마이크로 기술 응용 영역의 외연을 다양한 생태학적 환경과 상호작용하는 질병 동역학 연구 및 생체 제어 기술로 확장할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose&Contents : This project aims at developing three-dimensional in-vitro platform to investigate the effect of physical parameters on cell behaviors at diverse environmental niches and discover the potential clinical indicator to regulate the malignant progression of tumor in the ecological and evolutionary perspective.
Results
1) We developed a platform that combines nano/microtechnology and cell biology to artificially mmic diverse physical aspecs of extracellular matrices in vivo in 3D using the self-assembly of engineered magnetic nanoparticles. Using this platform, it is shown that artificially engineered extracellular microenvironment can affect diverse cell behaviors. Therefore, this platform can be utilized to study the cancer dynamics arised from the active interaction between cancer cell groups and srrounding environments.
(2) We engineered the magnetic nanoparticles by conjugating diverse biological molecules to fabricate biochemical and physical building blocks of extracellular matrices. We constructed artificial topography in 3D polymer environment using the magnetic-field directed self-assembly of magnetic nano-building blocks.
(3) We confirmed that the artificially developed topography can affect the cellular morphology in 3D and also this method can be applied to develop artificial topography in vivo.
Expected Contribution
1) This technology allows us to develop engineered extraellular matrices in 3D, which can be extended to create delicate and heterogeneous environmental niches to interpret the evolutionary progression of tumor.
2) This technology provides plausible tools to develop artificial topographies in vivo as well as in vitro. Therefore, we expect that the proposed approach will open a new possibility to find a therapeutic intervention to prevent or regulate the dynamic progression of cancer by controlling the emergence of malignancy in the population.
3) This work builds on a methodological foundation in the field of microtechnology, thus is expected to expand the application boundary of microfabrication based platforms toward biological control of living things as well as capturing the emergent features in tumor dynamics.