“암 전이 예측 위한 나노구조의 상피간엽이행 유도 검증”
김영근 교수팀, 암전이 예측 및 치료제 개발을 위한 나노구조의 EMT 유도 검증
항암 치료제 및 암진단 기술 개발에 범용적 활용, 새로운 항암전략에 기대
세계적 권위 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

▲ 왼쪽부터 김유진 박사, 고민준 박사과정생, 김영근 교수 

공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 전착 방법으로 성장시킨 금(gold) 나노선 어레이를 이용하여 세포성장이 가능한 미세환경을 구성하였고, 상피세포가 나노구조의 표면 특성에 의해 중간엽 세포로 전환되는 것을 확인했다. 

암으로 인한 사망원인의 90% 이상은 원발성 암 부위로부터 멀리 떨어진 곳으로 전이가 일어나는 것에 기인한다. 수술 등 치료법이 발달하고 항암제가 개발되면서 생존율은 높아지고 있지만 아직까지 재발, 전이된 암에서 효과적인 치료제가 없는 상황이며, 특히, 치료 실패의 주요 원인 중 하나가 치료제 내성이나 암세포의 전이를 유도하는 것으로 보고되고 있는 상피간엽이행(Epithelial-Mesenchymal Transition: EMT) 현상이다.

* 상피-간엽 이행(Epithelial-mesenchymal transition) : 대부분의 고형암은 상피세포에서 기원하는데, EMT 현상은 상피세포였던 암세포가 중간엽 세포로 변하는 현상으로 이 과정을 통해 세포가 이동성과 침윤성을 획득해 암세포의 전이를 촉진한다. EMT 특성이 강한 암세포는 면역관문억제제 역시 잘 듣지 않는 것으로 알려져 있으며, 치료제 내성이나 암세포의 전이를 유도하는 것으로 보고되고 있다.

대부분의 고형암은 상피세포에서 기원하는데, EMT 현상은 상피세포였던 암세포가 중간엽 세포로 변하는 현상으로 이 과정을 통해 세포가 이동성과 침윤성을 획득해 암세포의 전이를 촉진한다. EMT 특성이 강한 암세포는 면역관문억제제 역시 잘 듣지 않는 것으로 알려져 있으며, 치료제 내성이나 암세포의 전이를 유도하는 것으로 보고되고 있다. 최근 EMT를 억제하거나 EMT를 유도함으로써 임상적으로 적용하여 새로운 항암전략을 수립하고자 하는 많은 시도들이 있으며, 특히, EMT 분자아형(molecular subtype) 위암에 대한 효과적인 치료표적과 동반진단 마커 발굴과 EMT 유도 세포를 이용해 표적 항암물질 개발을 위한 노력이 대표적이다.

EMT 과정 중 세포는 형태적 변형과 같은 물리적 특성과 생물 지표의 증감으로 구별이 가능하다. 연구팀은 금(gold) 나노선 어레이에서 성장하는 세포외곽의 미세구조를 전자현미경(SEM), 원자힘 현미경(AFM) 등으로 분석했고, 형광현미경으로 세포 초점 접착에 관여하는 단백질 분포를 확인하여 금 나노선 어레이에서 성장하는 세포의 형태적인 특징과 세포 내부의 분자적 특징이 연관되어 있음을 확인했다. 세포 형태 변형에 따른 내분 분자의 변화는 EMT과정의 생물지표인 비멘틴(vimentin)의 증가와 E-cadherin의 감소로 확인되며, 이는 세포의 초점 접착 변화가 EMT를 유도할 수 있다는 근거이다.

김영근 교수는 “이번 연구는 암세포의 EMT를 유도하는 환경을 구체화하여 암 전이와 관련된 생물학적 기능을 이해하는데 유용하며, EMT 유도 미세 환경을 구현하여 진단 및 항암제를 개발하는 새로운 전략을 제공할 수 있다. EMT 현상이 일어날 때에는 특정 생리활성 물질에 대한 의존성이 있으며 생리활성 물질의 기능을 억제하는 방식으로 EMT 활성이 강한 암세포를 선택적으로 제거할 수 있는 항암 치료법 개발이 가능하다.”라고 설명했다.

이번 연구 성과는 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 이공학 개인기초 연구지원사업의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 재료과학 분야 최고 권위의 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 12월 3일자로 게재됐다.
* 논문명: Association between Cell Microenvironment Altered by Gold Nanowire Array and Regulation of Partial Epithelial‐Mesenchymal Transition
* 저자 정보: 김유진 박사(제1저자, 첨단소재부품개발연구소), 고민준(공동 1저자, 대학원 신소재공학과 박사과정), 박범철 박사(공동저자, 고려대 BK21 신소재공학교육연구단), 문준환(공동저자, 대학원 신소재공학과 박사과정), 전유상 박사(공동저자, 공학연구원), 박현수(공동저자, 대학원 신소재공학과 석사과정), 김명수(공동저자, 첨단소재부품개발연구소), 김희대(공동저자, 애리조나주립대), 신대하(공동저자, 한국기초과학지원연구원), 김영근 교수(교신저자, 공과대학 신소재공학부)

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 미세환경 변화에 의한 세포의 형태적 변형
전자현미경(SEM)과 원자힘현미경(AFM)으로 측정한 금(gold) 판과 금 나노선 어레이에서 성장한 세포 형태학적 변화. (A) 상피세포 (C) 중간엽 세포의 SEM 이미지에서 나노선 어레이에서 성장한 세포는 외곽의 미세구조가 단순해지는 것을 알 수 있으며, 이는 수성 조건에서 측정된 두 가지 유형의 세포의 AFM 이미지(B와 D)로 외곽 미세구조를 명확하게 확인할 수 있다.

(그림2) 미세환경 변화에 의한 세포의 초점 접착 분포 변화
세포의 초점 접착에 관여하는 Paxillin 단백질의 분포가 나노선 어레이에서 감소하는 것을 형광현미경으로 확인하였으다. 상피세포(MCF10A)와 중간엽세포(MDA-MB-231) 모두 평평한 금 표면에서는 매우 발달된 초점 접착점 분포를 보였으나(A, C), 금 나노선 어레이에서 성장한 경우 초점 접착점 분포가 감소하는 것을 확인 하였다(B, D). 세포 초점접착에 영향을 미치는 생화학물질(RGD)로 표면 처리한 경우(C, D) 또한 순수 금 표면과 금 나노선 어레이와 같이 초점 접착에서 동일한 변화가 있음을 확인 하였고, 이는 세포의 생화학적 반응보다 세포 미세환경의 물리적인 자극이 더 크게 작용함을 의미한다.

(그림3) 세포 미세환경에 따른 생물지표 변화의 정량적 분석
금 표면과 금 나노선 어레이에서 성장한 세포의 생물 지표 확인을 위해 Western blotting으로 정량분석을 수행하였다. 초점 접착(paxillin), 중간엽(vimentin) 그리고 상피(epithelial) 생물지표를 형광 현미경 측정으로 확인 하였고 순수 금 표면(A)과 RGD 처리 표면(C) 모두 유사한 결과를 확인 하였다. Western blot을 이용한 각 생물 지표의 정량분석 결과(B, D)는 형광 현미경 결과와 부합하는 결과를 보여준다.

(그림4) 원자힘현미경의 힘-거리 측정에 의한 세포의 강성 분석
EMT가 유도된 상피세포는 중간엽 세포와 물리적인 특성, 대표적으로 세포 탄성이 유사해지며 AFM을 이용한 Young `s modulus 측정으로 나노선 어레이에서 성장한 상피세포의 탄성이 중간엽 세포의 탄성과 비슷한 분포를 나타내고 있음을 확인하였다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)