Study on tumor spheroid for regulation of cancer stemness

Abstract

Cancer is the leading cause of death worldwide and the incidence of cancer increases every year. Despite various treatments, cancer mortality remains high. The high mortality rate results from cancer cells with stem cell-like properties (stemness), which causes anticancer drug resistance, metastasis, and recurrence, thereby preventing complete cure. In this study, we identified a strategy to control cancer stemness using tumor spheroid (TS) cells, which increase the proportion of cancer cells with stemness. In Part 1, we discovered a drug that can circumvent resistance to the current first-line treatment, temozolomide, in glioblastoma. Gossypol, a natural polyphenolic compound, has been studied as monotherapy or combined with other drugs to treat glioblastoma. However, it is unclear whether gossypol alone can suppress temozolomide-resistant glioblastoma. We found that gossypol suppresses the growth of temozolomide-resistant glioblastoma TS cells by targeting not only Bcl2 (B-cell lymphoma 2) family of proteins but also several dehydrogenases. Overall, this study demonstrates that gossypol inhibits temozolomide-resistant glioblastoma, and will be helpful for the refinement of gossypol treatments by elucidating some of the molecular mechanisms of gossypol in glioblastoma. In Part 2, we identified a new target that can prevent distant metastasis of lung cancer. For lung cancer cells to spread to other organs during treatment, they must survive drug treatment and survive as circulating tumor cells (CTCs) in blood vessels. Here, we showed that seizure-related 6 homolog-like 2 (SEZ6L2) was commonly upregulated in both drug-resistant cells and TS cells. The proportions of SEZ6L2 positive cells increased among both drug-resistant cells and TS cells. As SEZ6L2 is a transmembrane protein with an extracellular region, the function of SEZ6L2 was disrupted by treatment with an anti-SEZ6L2 antibody. Treatment with anti-SEZ6L2 antibody reduced drug resistance and TS formation. Overall, our data indicate that SEZ6L2 plays an important role in drug resistance and TS formation and may be a therapeutic target for reducing distant recurrence of lung adenocarcinoma. In Part 3, we identified signaling pathways that regulate the distant metastasis of breast cancer. To mimic the metastasis of primary breast cancer from CTCs to distant sites, we cultured breast cancer cells enriched their stemness using TS culture conditions, and then reattached them under 2D culture conditions. The reattached cells exhibited a significant increase in breast cancer stem cell (BCSC)-like populations and had improved TS formation and invasion capacity compared with the parental cells. Cholesterol synthesis was the most markedly increased pathway in the TS cultured and reattached cells compared with the parental cells. The pharmacological inhibition of the cholesterol synthesis pathway decreased the ability of the cancer cells to form TSs and invade. These results suggest that cholesterol synthesis may be important in maintaining cancer stemness and distant metastasis in breast cancer. Overall, our study suggests strategies to regulate cancer stemness in various types of cancer. These results will serve as a basis for the development of new cancer therapeutics that can dramatically improve the prognosis of patients by preventing anticancer drug resistance, metastasis, and recurrence. ;암은 전 세계적으로 주요한 사망 원인이며 암 발병률은 매년 증가하고 있다. 다양한 암 치료법이 개발되었지만 암 사망률은 여전히 높다. 높은 암 사망률은 줄기세포성을 가진 암세포가 항암제 내성, 전이, 재발을 일으켜 암 환자의 완전한 치료를 방해하기 때문이라고 여겨진다. 본 연구에서는 암세포와 줄기세포성 비율을 높이는 방법으로 알려진 tumor spheroid (TS) 세포를 이용하여 암 줄기세포를 조절하는 방법을 모색하고자 했다. Part 1에서는 교모세포종에서 현재 환자를 위한 1차 치료제인 테모졸로마이드에 대한 내성을 극복할 수 있는 약물을 발견하였다. 천연 폴리페놀 화합물인 고시폴은 교모세포종 치료를 위한 단독 요법 혹은 병용 요법으로 연구되었다. 그러나 고시폴 단독으로 테모졸로마이드 내성 교모세포종을 억제할 수 있는지는 아직 명확하지 않다. 본 연구에서는 고시폴이 Bcl2 (B- 세포 림프종 2) 계열의 단백질뿐만 아니라 여러 탈수소 효소를 표적으로 하여 테모졸로마이드 내성 교모세포종 TS 세포의 성장을 억제한다는 것을 발견했다. 전반적으로 이 연구는 고시폴이 테모졸로마이드 내성 교모세포종을 억제하고 교모세포종에서 고시폴의 분자 메커니즘 중 일부를 밝혀 냄으로써 고시폴 치료의 개선에 도움이 될 것임을 보여준다. Part 2에서는 폐암의 원격 전이를 예방할 수 있는 새로운 표적을 확인했다. 폐암 세포가 치료 중에 다른 기관으로 퍼지기 위해서는 약물 치료에서 살아남아야 하고 혈관에서 순환하는 종양 세포 (CTC)로 생존해야 한다. 본 연구에서는 Seizure-related 6 homolog-like 2 (SEZ6L2)가 약물 내성 세포와 TS 세포 모두에서 일반적으로 상향 조절되었음을 보여주었다. SEZ6L2의 양성 세포의 비율은 약물 내성 세포와 TS 세포 증가하였다. SEZ6L2는 세포 외 영역을 갖는 막 관통 단백질이기 때문에 SEZ6L2의 기능을 항 -SEZ6L2 항체 처리에 의해 억제했다. 항 -SEZ6L2 항체 처리는 약물 내성과 TS 형성을 감소시켰다. 전반적으로, 이 연구는 SEZ6L2가 약물 내성 및 TS 형성에 중요한 역할을 하며, 폐 선암의 먼 재발을 감소시키는 치료 표적이 될 수 있음을 보여주었다. Part 3에서는 유방암의 원격 전이를 조절하는 신호 경로를 확인했다. CTC를 통한 원발성 유방암의 먼 부위로의 전이를 모방하기 위해, 유방암 세포를 TS 배양 조건에서 배양하여 줄기세포성을 농축한 다음 2D 배양 조건에서 재부착했다. 재부착된 세포는 유방암 줄기세포 (BCSC) 유사 개체군에서 유의미한 증가를 보였으며 모세포에 비해 TS 형성 및 침입 능력이 향상되었다. 콜레스테롤 합성 경로는 모세포에 비해 TS 세포 및 재부착된 세포에서 가장 현저하게 증가되었다. 콜레스테롤 합성 경로의 약리학적 억제는 암세포가 TS를 형성하고 침입하는 능력을 감소시켰다. 이러한 결과는 콜레스테롤 합성이 유방암에서 줄기세포성 및 원격 전이를 유지하는 데 중요할 수 있음을 시사한다. 본 연구에서는 다양한 암 유형에서 줄기세포성을 조절하기 위한 전략을 제안했다. 이러한 결과는 항암제 내성, 전이, 재발을 예방하여 환자의 예후를 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 암 치료제 개발의 기반이 될 것이다.