Drug resistance of cancer on microfluidic galaxy chip

Abstract

In cancer therapy, drug resistance is one of the most serious challenges in treating cancer patients. Emergence of drug resistance through mutation and adaption of cancer cells under the selective pressure of drug is the direst scenario during cancer treatment. Through my thesis, I would like to understand how cancer cells evolve for their own survival under the selective pressure of nutrients and anticancer drug using microfabricated heterogeneous microhabitats which mimic the tumor ecosystem in vivo. In Chapter I, I overviewed the general status of cancer treatment, drug resistance and engineering approaches for recapitulating in vivo microecosystem of tissues in human. In the following chapter (Chapter II), I described a microfluidic static culture system, named as ‘Cancer Galaxy’ which is composed of hundreds of interconnected micro-scale chambers (chamber diameter: 173 µm, height: 40 µm) which mimic an in vivo niche of tumors under treatment of an anti-cancer drug. Laminar flow along the perimeter of cancer galaxy generated a continuous concentration gradient across the chambers. Brain tumor cells (U-87 MG) were cultured on cancer galaxy chip with DOX (doxorubicin), one of the most widely used chemoagents in various cancers including breast cancer. Resistant cells against DOX appeared in the chip within 7 days were about 17-fold more resistant than its wild type cells. Exome sequencing revealed that the resistant cells had a number of novel mutations, including a mutation in FLNA and CARD6 genes. This study is in consistent with the previous studies that DOX inhibits the enzyme topoisomerase II by intercalating between two base pairs of the DNA double helix. These results suggest that the cancer galaxy chip system is an outstanding platform for studying cancer resistance to chemotherapy. Since gradient of diffusible substances having chemoattractant or chemo repellent properties plays a significant role in biological pattern formation and morphogenesis, my interest went to use Cancer Galaxy under perfusion condition. The method and results are described in Chapter III, Cancer Galaxy chip was operated by a perfusion system which can control the flow rate of DOX pumped onto the chip, and also developed the microfluidic platform by long-term (10 days) culturing of metastatic glioblastoma cells in a constant-flow gradient. The results show that with a flow rate of 0.5 µl/min, difference in gradient profile and cell metabolism were observed in static chip. Here, changes in cell formation and cell morphology were observed due to the rapid emergence of resistance in perfusion system. The resistance may be achieved through the competition of cells for available resources when cell density increase and cell space decrease.;암 치료에 있어서 내성 극복이 중요하며, 암세포의 진화에 의한 약물 저항성 획득이 가장 중요한 특징이다. 1장에서는 암 치료의 현 상황, 특히 항암치료와 암의 약물 저항성에 대해 기술하였다. 또한, 세포 배양을 위한 미세유체공학 기술의 적용과 의학적 목적을 기술하였다. 2장에서는 항암제를 투여할 때 체내 종양의 상황을 모사한 수백 개의 마이크로 크기의 챔버(지름: 173 m, 높이: 40 m)로 이뤄진 Cancer Galaxy로 명명된 미세유체 정치 시스템을 사용하였다. 칩의 횡단면을 따라 흐르는 관류는 전체 챔버에 대해 연속적인 농도 구배를 만든다. 뇌종양 세포주, U-87 MG는 유방암을 포함한 다양한 암에서 항암제로 사용되는 독소루비신을 Cancer Galaxy 칩에서 배양하였다. 독소루비신 내성 세포가 7일 내에 나타났으며, 원래의 세포보다 독소루비신에 대한 내성이 17배 더 높았다. 이 때, 세포가 약물의 높은 농도로 이동하는 것은 세포 사멸로 인한 영양분에 대한 경쟁 감소가 하나의 원인으로 고려된다. 엑솜시퀀싱을 통해 내성 세포가 FLNA와 CARD6 유전자를 포함하는 새로운 돌연변이들을 가진다는 것을 발견했다. 이 연구는 독소루비신이 Topoisomerase II 를 억제함으로써 DNA 이중 나선 구조의 형성을 방해한다는 이전의 연구와 일치한다. 이 결과들은 Cancer Galaxy 칩 시스템이 암의 항암치료에 내성을 연구하는데 우수한 플랫폼이라는 것을 나타낸다. Chemoattractant 나 chemorepellent 특성을 가진 물질의 농도 구배가 생물학적 형태 형성에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서, 3장에서는 칩에 펌프를 부착하여 독소루비신의 일정한 유체 속도로 조절 가능한 관류 시스템을 적용하여 전이성 뇌종양 세포를 cancer galaxy 칩에서 10일간 배양하였다. 이 실험 결과로부터 칩내 정치배양과 비교해서 0.5 l/min 관류 배양했을 때 농도 구배 형성이 차이가 있고, 그에 따라 세포의 이동성이 달라진다는 것을 확인하였다. 그리고, 관류 배양 시스템에서 뇌종양 세포의 급속한 저항성 획득으로 인한 형태 변화도 발견하였다. 결론적으로, 독소루비신 저항성은 세포 성장 공간과 대사 산물에 대한 경쟁으로 인해 발생할 수 있다.