이제 뼈, 폐 및 혈관 조직을 사용하여 암이 먼 장기로 확산되는 것을 실험실에서 배양할 수 있습니다.
암이 한 곳에 국한되지 않으면 훨씬 더 위험해집니다.
대부분의 암 사망은 원래 종양에서 발생하는 것이 아니라 떨어져 나가서 혈류를 통해 이동하고 먼 기관에서 새로운 종양을 형성하는 세포에서 발생합니다. 전이로 알려진 이 과정은 암 사망의 최소 2/3를 차지합니다. 그러나 수십 년간의 연구에도 불구하고 전이성 진행을 예방하거나 중단시키기 위해 특별히 고안된 약물은 제한적인 성공을 거두었습니다.
가장 큰 장애물은 과학자들이 과정을 관찰하고 어떤 특정 기관이 취약한지 판단할 수 있는 예측 가능한 인간 모델이 부족하다는 것입니다.
동물 연구를 통해 암의 확산에 대해 많은 것이 밝혀졌지만 설치류의 생물학은 환자에게 일어나는 일을 완전히 재현할 수 없습니다. 이러한 차이점은 실험실 동물에서 유망한 치료법이 종종 임상 시험에서 실패하는 이유를 설명할 수 있습니다.
암 확산의 인간 모델
컬럼비아 엔지니어링(Columbia Engineering) 연구진은 이제 가장 어려운 전이 단계 중 하나를 재현하는 다중 장기 칩을 개발했습니다. 이 시스템은 유방암 세포가 혈류를 떠나 조작된 인간의 뼈와 폐 조직으로 들어갈 때 따라갑니다. 컬럼비아 공학 교수 Gordana Vunjak-Novakovic이 주도한 연구는 저널에 게재되었습니다. 중개 의학 과학.
최초의 모델인 이 칩은 밀리미터 단위의 뼈와 폐 조직이 혈관 채널로 연결된 별도의 부품으로 구성되어 있습니다. 이 디자인은 인간 조직을 암세포 옆에 배치하는 것 이상의 역할을 합니다. 이를 통해 연구자들은 혈액 세포와 최종적으로 식민지화될 기관 사이의 지속적인 신호 교환을 관찰할 수 있습니다.
“전이의 인간 조직 모델을 개발해야 하는 시급한 필요성이 우리 연구의 주요 동기였습니다.”라고 컬럼비아 대학교 생의학 공학 교수이자 의학 교수인 Vunjak-Novakovic이 말했습니다. “우리의 목표는 암세포가 내피세포에 부착하고 이를 통과하는 능력을 테스트하는 것이었습니다. [inner lining of blood vessels] 그리고 세포 재프로그래밍과 틈새 리모델링을 통해 그들이 서식하는 조직에서 생존할 수 있는 능력을 결정합니다.”
암이 먼 장기에 침입하는 방법
다른 장기에 도달하는 것은 전이의 시작일 뿐입니다. 암세포는 혈관 내벽에 부착되어 장벽을 넘어 국소 방어를 피하고 익숙하지 않은 조직에 적응해야 합니다. 그래야만 증식하여 이차 종양을 형성할 수 있습니다. 장기 집락화로 알려진 이 단계는 환자에서 직접 관찰하거나 동물에서 정확하게 재현하기가 극히 어렵습니다.
전이도 무작위가 아닌 선택적입니다. 다양한 암세포는 특정 기관을 선호하는 경향이 있는데, 이는 “장기 친화성(organ tropism)”으로 알려진 패턴입니다. 유방암은 뼈와 폐를 포함한 부위로 퍼지는 경향이 있어 이러한 조직은 칩이 인체에서 나타나는 행동을 복제할 수 있는지 여부를 테스트하는 데 특히 유용합니다.
이 플랫폼은 또한 질병에 걸린 세포와 조작된 인간 조직을 수용하여 과학자들이 전이 행동의 개인차를 조사할 수 있도록 합니다. 연구자들은 한 번에 하나의 구성 요소를 수정하고, 기관 상호 작용을 조사하고, 새로운 치료 표적이 될 수 있는 분자 경로를 검색할 수 있습니다.
“불행하게도 암은 매우 영리합니다. 우리는 세포가 혈류에서 조직으로 장벽을 통과하는 방법을 배웠습니다”라고 Vunjak-Novakovic은 말했습니다. “우리는 또한 암세포가 표적 조직에 정착하기 전에도 표적 조직을 차지하는 환자에게서 일어나는 일을 재현할 수 있었습니다.”
뼈, 폐 및 혈관 만들기
연구팀은 다양한 특수 세포 유형으로 유도될 수 있는 뼈, 폐 및 혈관 내피 다능성 줄기 세포(iPSC)를 생성했습니다. 지지체와 조직 특이적 생물반응기는 각 조직의 성숙을 도왔고, 별도의 구획은 시간이 지나도 기능을 유지하는 데 필요한 조건을 제공했습니다. 그런 다음 정맥이 꼬여 부품을 연결했습니다.
선택적으로 투과 가능한 내피 장벽은 혈관 벽이 신체 내에서 기능하는 것처럼 흐름 채널을 기관 조직으로부터 분리합니다. 연구진은 유방암 세포를 순환계에 주입한 후 장벽을 만나 인근 조직으로 이동하고 특정 패턴의 집락화를 확립하는 것을 관찰했습니다.
결과는 알려진 셀 선호도를 반영했습니다. 일반적으로 뼈로 퍼지는 유방암 세포는 가공된 뼈에 더 많이 정착하여 더 광범위한 퇴행을 일으켰습니다. 폐 조직에 가까운 세포는 뼈에 정착했을 때 약간만 더 손상되었습니다. 조직 침입과 분비된 분자의 차이는 장치가 장기 전이의 주요 특징을 포함하고 있음을 보여주었습니다.
암은 땅을 준비한다
칩은 또한 암이 퍼지는 교활한 특징을 복제했습니다. 전이성 세포는 먼 기관에 완전히 침입하기 전에 환경을 변경하고 침입을 촉진하는 신호를 방출할 수 있습니다. 과학자들은 이러한 미래 종양 부위의 준비를 전이 전 틈새(pre-metastatic niches) 형성이라고 부릅니다.
두 조직 절편을 모두 분석한 결과 유방암 세포가 집락화되기 전에 먼 기관에 영향을 미쳤다는 증거가 나타났습니다. 이러한 초기 변환을 다시 포착하면 연구자가 2차 종양이 발생하기 전에 전이를 중지할 수 있는 기회를 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Vunjak-Novakovic은 “이 진보된 전이 모델의 주요 장점은 그것이 인간이고 환자에게 특정할 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “직접 연구할 수 없는 인간 전이의 일부 주요 측면을 충실하게 모방합니다.”
임상 연구의 새로운 방향
Vunjak-Novakovic은 종종 “칩 위의 장기”라고 불리는 미세 생리학 시스템의 최초 개발자 중 하나인 컬럼비아의 줄기 세포 및 조직 공학 연구소를 이끌고 있습니다. 이러한 작은 인간 조직 플랫폼은 정상적인 세포 배양과 비교하여 현실적인 조건에서 질병 및 약물 반응을 시뮬레이션하도록 설계되었습니다.
이 프로젝트에는 또한 화학 및 시스템 생물학과의 Clyde 및 Helen Wu 교수인 Andrea Califano를 포함하여 컬럼비아의 Herbert Irving 암 센터의 연구자들이 참여했습니다. 시스템 생물학 부교수 Peter Sims; 병리학 및 세포 생물학 교수인 Hanina Hibshoosh도 있습니다.
동물 연구를 대체하는 대신 공학적 인간 조직은 중요한 공백을 메우고 과학자들이 어떤 발견이 환자에게 가장 잘 전달되는지 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 컬럼비아 대학교 공학박사 학생이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 Ilaria Baldassarri는 이 플랫폼이 이 새로운 접근 방식이 실제로 어떻게 작동할 수 있는지를 보여준다고 말했습니다.
Baldassarri는 “FDA와 NIH가 새로운 접근법 방법론에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있는 가운데, 이 연구는 암의 가장 어려운 징후 중 하나인 전이에 적용되는 이러한 변화가 실제로 어떤 모습인지 보여주는 구체적인 예입니다.”라고 말했습니다.
인용: Alan G. Khramiec, Ilaria Baldassarri, Ese Ozturk, Daniel Navid Tavakol, Miranda S. Wang, Max Summers, Keith Yeager, Richard Z. Zhuang, Anoushka Distava Srigoh, Anoushka Distava Srigoh Hibshoosh, Andrea Califano, Peter A. Sims 및 Gordana의 “인간 조직 모델의 장기 식민 및 틈새 재생” 분작-노바코비치, 2026년 8월 19일, 중개 의학 과학.
DOI: 10.1126/scitranslmed.adv6871
이 연구는 NIH 국립 암 연구소(National Cancer Institute)와 Chan Zuckerberg Initiative의 자금 지원을 받았습니다.
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