Engineered 3D Multicellular Tumor Models for Anti-Cancer Drug Screening

Abstract

Three-dimensional (3D) cell culture models are receiving a growing attention as promising biotechnology for drug screening. In cancer research, the 3D tumor spheroid model, unlike the conventional two-dimensional (2D) monolayer cell culture model, has physiological characteristics of cancer in vivo (i.e., cancer cell heterogeneity, gene expression, signal pathway activity, interaction between stromal and cancer cells and three-dimensional structure). It has the advantage of being able to more accurately evaluate the efficacy of anti-cancer drugs. Despite these technological advances, the 3D tumor model is not yet sophisticated enough to understand the tumor microenvironment associated with the resistance of anti-cancer drugs. In particular, to better evaluate and understand the resistance of anticancer drugs, a variety of 3D tumor models are needed that simulate the interaction between cancer cells and stromal cells in the tumor microenvironment. In this study, we designed three different types of 3D multicellular tumor models, co-culturing human Breast Cancer Cells (MDA-MB-231) with human Adipose-derived Stromal Cells (ASC), Bone Marrow Stromal cells (BMSC) or Human Dermal Fibroblast (HDF). We compared their physical and biochemical properties related to drug responses. Depending on the types of stromal cells, 3D multicellular tumor models showed distinct morphological features, which are the distribution of breast cancer cells, the surface and the ECM expression level of spheroids, leading to the difference in anti-cancer drug responses. We also demonstrated that ECM components secreted by stromal cells play a critical role in drug penetration to the spherical tumor. Especially, 3D multicellular tumor model co-cultured with ASC, induced the most drug-resistance tumor microenvironment compared to the other 3D tumor models, due to its physical barrier formed by much more secretion of ECM components. In addition, the efficacy of anti-cancer drugs against the three types of 3D tumor models showed a tendency to be opposite to 2D, demonstrating that structural characteristics in the 3D model led to completely different drug responses to 2D. Through this study, we presented the importance of the structural characteristics of the 3D tumor model. We also expect that this comparative study of three different types of 3D multicellular tumor models will provide a fine-tuning study platform to understand both tumor microenvironment and drug-efficacy and drug resistance for the development of a new anti-cancer drug.;3 차원 세포 배양은 약물 개발의 초기 단계에서 약물효능평가의 정확성을 높일 수 있는 유망한 생명 공학 기술로서 주목을 받고 있다. 3차원 세포 배양 기술을 기반으로 구축한 3차원 종양 모델은 기존의 2 차원 (2D) 세포 배양 모델과는 달리 생체 내 암의 생리학적 특징 (암세포의 이질성, 유전자 발현, 신호 활성경로, 기질 세포와 암 세포의 상호작용 및 3 차원 구조)들을 반영할 수 있다. 하지만 3D 종양 모델은 아직 항암제의 내성과 관련된 암 미세환경을 구현 할 만큼 정교하지는 않다. 특히 항암제의 내성을 보다 더 잘 평가하고 이해하기 위해서는 암 미세환경에 존재하는 암 세포와 기질 세포 간의 상호 작용을 시뮬레이션 한 다양한 3D 종양 모델이 필요하다. 본 연구에서는 유방암의 미세 환경에 존재한다고 알려진 기질세포들을 사용하여 폴리 헤마(Poly-HEMA) 고분자를 표면을 코팅 시킨 플레이트에서 세 가지 종류의 3D 유방암 모델을 형성하였고, 이들의 구조적인 특성 및 화학 항암제(독소루비신)에 대한 반응을 비교 분석 하였다. 인간 지방 유래 기질 세포 (ASC), 골수 기질 세포 (BMSC) 또는 인간 섬유아 세포 (HDF)를 인간 유방암 세포 (MDA-MB-231)와 공동 배양하여 만든 세 가지 유형의 3차원 다세포 유방암 모델은 물리적, 생화학적 특성 그리고 항암제에 대한 반응이 서로 달랐다. 공 배양 되는 기질 세포 유형에 따라 3차원 모델에서 유방암 세포와 기질 세포의 위치 분포, ECM 성분의 분비량과 위치에 영향을 미쳐 약물의 투과도 및 효능을 저하시켰다. 우리는 기질 세포에 의해 분비 된 ECM 성분 중 Collagen Type 1은 구형 종양으로의 약물 투과를 저해시키는 물리적 장벽 형성에 결정적인 역할을 한다는 것을 증명했다. 더불어 세 가지의 3차원 유방암 모델 사이에서의 항암제의 효능은 2차원에서와 정 반대의 경향성을 보였고, 이는 3차원 모델에서의 구조적인 특성이 2차원과는 전혀 다른 약물 반응을 이끌어 낸 다는 것을 증명했다. 본 연구를 통해, 우리는 3차원 종양 모델의 구조적 특성의 중요성을 제시했고, 서로 다른 유형의 3D 다세포 종양 모델들 사이의 비교 분석은 약물 효능 및 내성에 관련된 종양의 미세 환경에 대한 이해도를 높일 수 있는 플랫폼으로서 기여 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 약물 스크리닝을 위해 적합한 시험관 내 종양 모델을 찾는 데 유용한 정보를 제공 할 것을 기대한다.