암은 전세계 인류의 주요 사망 원인 중 하나로, 암의 치료를 위해 화학 요법, 방사선 요법 등의 다양한 임상 전략이 개발되고 발전하였지만 여전히 암 치료에 있어 높은 실패율을 보인다. 종양 미세 환경에 대한 불충분한 이해 또한 항암 치료와 신약 개발에 있어 심각한 어려움을 야기한다. 수십 년 동안 암세포의 진행 억제 또는 사멸을 유발하는 많은 화학요법 기반의 항암제들이 개발되었다. 그 중에서도, 게피니팁 등의 티로신키나아제 억제제는 높은 빈도로 EGFR의 비정상적인 활성화를 보이는 것으로 알려진 비소세포폐암 (NSCLS)를 치료하는 데에 효과를 보여 왔다. 비소세포폐암은 게피니팁에 의해 유발되는 EGFR 신호전달의 저해를 통해 효과적으로 치료될 수 있었으나, 치료 과정에서 돌연변이에 의한 수용체의 구조 변형 또는 EGFR의 신호전달을 대신할 수 있는 우회 경로를 통해 궁극적으로 항암제에 내성을 획득하게 된다. 따라서, 효과적인 암 치료 및 기초 연구를 위해서는 암세포가 항암제에 내성을 획득하는 메커니즘의 이해와 연구가 필요한 실정이다. 2D 배양, 동물 모델 등의 전임상 모델은 새로 개발되는 항암제의 임상 유효 성을 예측하고 기초적인 암 연구를 연구하는 데 이용되어 왔지만, 이러한 전임상 모델은 체내 종양 미세 환경을 모방하는 데 한계점을 지닌다. 하이드로 젤을 활용한 3차원 인공 종양 모델은 체내 종양 환경의 다양한 매개 변수를 모방할 수 있어, 기존 전임상 모델의 한계를 극복할 수 있는 새로운 플랫폼이라고 할 수 있다. 따라서, 하이드로젤을 기반으로 디자인된 3차원 종양 미세 환경을 이용하여 종양 미세 환경내 다양한 변수들이 암세포의 활동에 미치는 영향을 연구할 수 있다. 또한, 기능성 하이드로겔 물질의 공학적 응용을 통해 체내 종양 미세 환경의 특정한 특징들을 정확하게 재현함으로써 보다 진보한 암세포 연구 및 항암 효과의 예측을 할 수 있다. 그러나 체내 종양 미세 환경에 있어 중요한 요소들을 정확히 모방하기에 적절한 특성을 갖는 하이드로 겔 재료를 개발하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 젤라틴과 폴리에틸렌 글리콜을 활용하여 새로운 유형의 상호침투 고분자 하이드로젤을 개발하고, 이를 활용하여 항암 물질의 스크리닝 및 폐암 세포의 내성 기전을 연구하기 위한 3차원 종양 미세 환경을 구현하고자 하였다. HRP를 이용한 산화적 가교 반응을 통해 하이드로젤을 제작하였으며, 젤 형성 과정에서 하이드로젤 구성 물질의 도입 정도를 조절하여 상전이 시간을 조절할 수 있었다. 특별히, 과산화수소의 농도를 조절하여 고분자 구성의 변화 없이도 IPN 하이드로젤의 기계적 특성을 조절할 수 있었으며, 단백질 분해 효소에 대한 구조적 안정성 또한 관찰할 수 있었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 하이드로젤 내부에 폐암 세포인 HCC827과 HCC827GR을 캡슐화하여 3차원 폐암 미세 환경을 구현하였으며, 이를 활용해 상용화된 항암제인 티로신키나아제 억제제 게피티닙에 대한 폐암 세포의 약물 반응과 약물 내성을 유발하는 생물학적 기전을 연구할 수 있었다. 따라서, 이러한 결과들을 종합하였을 때 본 연구에서 개발한 IPN 하이드로 겔이 암세포의 기초 연구, 임상 결과를 개선하기 위해 항암 물질의 스크리닝 등 다양한 임상적 활용에 적용할 수 있는 종양 미세 환경을 조성하는 데 이용될 수 있을 것으로 판단한다.
핵심어: 고분자 하이드로젤, 인공 종양 미세환경, 폐암 세포, 약물 저항성
Cancer is a major one of the leading causes of death worldwide. Cancer treatment has limitations by high failure, despite the advances in clinical strategies such as chemotherapy, radiation therapy, and so on. Poor understanding of the cancer microenvironment also causes challenges in developing novel therapeutic agents. For decades, numerous chemotherapeutic anti-cancer drugs have developed that effectively inhibit the progression or survival of cancer cells. In particular, tyrosine kinase inhibitor (TKI) such as gefitinib has been widely used to treat non-small cell lung cancers (NSCLSs) baring mutations in the continuous activation of epidermal growth factor receptor (EGFR). EGFR mutant NSCLCs were effectively inhibited by gefitinib through the inhibition of the EGFR pathway for the survival of cancer cells. However, these cancers finally get resistance to the anti-cancer drug through the mutation of the drug binding site or development of the bypass pathway that can alter the role of EGFR. Therefore, understanding and studying the mechanism of how the cancer cells get resistance to anti-cancer drugs are indispensable for effective cancer treatment and basic cancer research. Although traditional pre-clinical models such as 2D culture and in vivo animal models have been utilized to predict the efficacy of newly developed anti-cancer drugs and studying basic cancer research, these pre-clinical models have limitations in simulating the efficacy of clinical outcomes due to poor recapitulation the native tumor microenvironments. Engineered hydrogels are assumed as advanced platforms to overcome these limitations through the mimicry of various parameters of the native tumor microenvironment. Hydrogel-based engineered 3D tumor microenvironments can be utilized to study the effects of independent or multiple cues within the tumor microenvironment on the cancer cell behavior and response against chemotherapeutic agents. Furthermore, emerging techniques with advanced hydrogel materials enable us to accurately recapitulate the specific features of the native tumor microenvironment that can contribute to advanced cancer research and the prediction of therapeutic agents. However, it is still challenging to develop hydrogel materials with appropriate characteristics to recapitulate the critical parameters in the native tumor microenvironment. Herein, we develop an interpenetrating polymer network (IPN) hydrogels composed of gelatin and poly (ethylene glycol), which can be utilized as an engineered 3D tumor microenvironment for the screening of the anti-cancer drugs and for exploring the drug resistance of lung carcinoma cells. Hydrogels are formed via horseradish peroxidase (HRP)-mediated oxidative crosslinking reaction, resulting in the IPN hydrogels with controllable phase transition time. The physicochemical properties of the IPN hydrogels such as mechanical property can be independently adjusted by different contents of H2O2. The IPN hydrogels exhibit structural stability against proteolytic enzymes. Based on this finding, we created engineered 3D lung carcinoma constructs to study the effect of the matrix stiffness on the drug resistance of human lung carcinoma cell line, HCC827, and HCC827GR. Moreover, we investigated the molecular mechanism that drives the response and the resistance of lung carcinoma cells against the EGFR TKI drugs. We propose that our IPN hydrogel is assumed as a promising material for engineered tumor microenvironment for various clinical applications, such as basic cancer research and screening of anticancer drugs for better clinical outcomes.
Keywords: polymeric hydrogels, engineered 3D tumor microenvironment, lung cancer, drug resistance
Chapter 1. General Introduction1.1 Cancer Treatment and Drug Resistance 11.1.1 Cancer Microenvironment 11.1.2 Drug Resistance of Lung Carcinoma 41.2 Engineered 3D Tumor Microenvironment as Pre-clinical Models 81.2.1 Tumor Models for Pre-clinical Researches 81.2.2 Hydrogels as An Engineered 3D Tumor Microenvironment 111.2.3 Current Strategies for Hydrogel-based Tumor Model 141.3 Research Motivation and Approaches 16Chapter 2. Interpenetrating Polymer Network Hydrogels as An Engineered 3D Tumor Microenvironment for Drug Screening of Lung Carcinoma2.1 Introduction 182.2 Objectives 202.3 Experimental Section 212.3.1 Materials 212.3.2 Synthesis and Characterization of Thiolated Gelatin (GtnSH)222.3.3 Synthesis and Characterization of PEG-TA2 232.3.4 Preparation of IPN Hydrogels 232.3.5 Measurement of Phase Transition Time 242.3.6 Rheological Analysis 242.3.7 In Vitro Proteolytic Degradation 242.3.8 3D Encapsulation of Human Fibrous Sarcoma (HT1080) 252.3.9 Cytocompatibility and Proliferation Assay 252.3.10 Drug Resistance Test Using 5-FU 262.3.11 3D Encapsulation of Human Lung Carcinoma 262.3.12 Drug Resistance Test Using Gefitinib and PHA-665752 262.3.13 Drug Resistance Test Using Mouse Xenograft Model 272.3.14 Immunostaining of p-Akt 272.3.15 Statistical Analysis 282.4 Results and Discussion 292.4.1 Synthesis and Characterization of GtnSH and PEG-TA2 292.4.2 Fabrication of IPN Hydrogels and Phase Transition Time 322.4.3 Controllable Elastic Modulus (G’) of Hydrogels 352.4.4 Long-term Stable Matrices Against Proteolytic Degradation 372.4.5 Engineered Tumor Model Using IPN Hydrogels 392.4.6 Engineered Lung Carcinoma Microenvironment with Adjusted Matrix Stiffness 422.4.7 Drug Screening of Human Lung Carcinoma 462.4.8 Exploring the Resistance Mechanisms of Lung Carcinoma 50Chapter 3. Conclusion and Future Direction