흔한 종양 질환 동물 모델--결장암(Colorectal Cancer) 알아보기

결장암은 결장에서 흔히 발생하는 소화관 악성 종양으로 직장과 B형 결장의 접합부에서 쉽게 발생하며 40~50대에 많이 발병하여 남녀 비율은 2~3:1이며 발병률은 위장 종양 중에서 3위를 차지합니다. 결장암은 주로 선암종(Adenocarcinoma), 점액선암종(Mucinous adenocarcinoma), 미분화암종(Undifferentiated carcinoma)으로 용종형(Polypoid), 궤양형(Ulcerative) 등입니다. 만성 결장염 환자, 대장 용종 환자, 남성 비만 환자 등은 높은 위험군에 속합니다

결장암 동물 모델은 인간 결장암의 형성 및 발전을 어느 정도 시뮬레이션 할 수 있고 인간 결장암의 발생, 발달, 생물학적 특성 및 치료제 개발 연구에 좋은 플랫폼을 제공할 수 있습니다. 따라서 결장암 모델의 분류, 특성 및 응용을 이해하는 것은 병리학적 메커니즘 및 임상 약물 치료와 관련된 연구에 매우 중요합니다.

그림 1 결장암 마우스 모델 분류 설명도[1]

흔한 결장암(Colorectal Cancer) 동물모델

종양 이식 모델

Cyagen는 결장암, 유방암, 간암 등과 같은 효과적인 종양 이식 모델을 성공적으로 개발하였습니다. ①성공적으로 이식된 인간 세포주는 300가지가 초과하며 사용된 수용체는 C-NKG(중증 면역 결핍 마우스), NOD-Scid, BALB/c nude(누드 마우스) 및 기타 면역 결핍 마우스입니다. ②동종 종양 이식(homologous tumor transplantation)에 사용되는 수체는 보통 C57BL/6 또는 BALB/c 등 야생 마우스입니다.

（1）피하 종양 CDX 모델

변위 이식의 경우, 피하 이식은 등 또는 겨드랑이에 많이 쓰는 방법입니다. 종양 모델은 짧은 구축 시간과 편리한 검출로 인해 항결장암 치료의 전임상 평가에 사용되기 시작했습니다. 이 방법은 종양 형성률이 높고 종양 주기가 짧으며 종양의 크기와 위치를 제어하기 쉽고 개별 차이가 적고 숙주에 대한 영향이 유사하며 치료 효과를 객관적으로 판단하기 쉽지만 종양 미세 환경을 시뮬레이션 할 수는 없습니다.

Cyagen 바이오에서 선정한 결장암(Colorectal Cancer) 세포 이식 모델 

（2）동종 이식 모델

원위 이식은 변위 이식에 비해 종양의 실제 상황을 더 자세히 반영할 수 있어 종양 모델의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 원위 이식 모델에서는 전이를 유도할 수 있으며, 이는 종양 세포와 장기 특이성 인자 간의 상호 작용을 나타냅니다. 이는 간암 발생과 관련이 있음을 시사하며, 원위 이식은 또한 종양의 면역 미세 환경을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 그러므로 대부분의 이소성 모델에 기반한 결과는 원위 이식 모델을 통해 검증될 필요가 있습니다. 원위 성장은 생체 내에서 종양 세포가 성장하는 미세 환경을 더 잘 시뮬레이션하고 약물 효능을 더 정확하게 예측할 수 있습니다.

（3）PDX 모델

환자 유래 이종 이식(PDX, Patient-Derived Xenograft Model) 모델에는 두 가지 문제가 있는데, ①현재 전 세계 PDX 성공률은 20% 미만이고 ②면역 결핍 쥐의 T세포 면역체계 결함으로 인해 이 모델은 면역학 연구에 적합하지 않습니다. 원위 종양은 단일 종양을 형성하기 쉽지만 종양의 전반적인 균일성은 여전히 열악하고 품질 관리 방법은 이소성(Heterotopic) 만큼 좋지 않으며 형광 리포터 유전자 마커를 수행할 수 없으며 원위 결장 이식 모델에서 종양 성장 및 약물 반응을 감지하는 방법은 이소성 결장 이식 모델만큼 쉽지 않습니다.

자발성 모델(Spontaneous Tumor Models)

자발성 종양은 실험동물이 인위적으로 처리하지 않고 자연상태에서 발생하는 종양을 말하며, 그 발생과 발달은 인간 종양과 유사하고 인위적인 간섭이 없으면 인간 종양의 실제 상태에 더 가깝습니다. 그러나 자발적인 결장암(Colorectal Cancer) 동물 모델은 드물고 발병률이 높지 않아 단기간에 조건을 충족하고 충분한 수의 동물 모델을 얻기 어렵고 관찰 시간이 길고 실험 비용이 많이 소요될 수 있으므로 연구에서 거의 사용되지 않습니다.

화학 유도 모델(Chemically Induced Tumor Model)

화학적 유도성 종양 동물 모델은 실험 조건에서 다양한 발암 인자를 인위적으로 사용하여 경구 투여, 주사, 이식 및 외용을 통해 동물에게 종양을 유도합니다. 해당 제작 방법은 간단하고 종복성이 좋아서 보다 더 짧은 시간 안에 대량으로 복사할 수 있으며, 암세포 변이 과정을 기본적으로 시뮬레이션 할 수 있기 때문에 실험 중에 많이 사용되고 있습니다. 유도성 결장암 모델은 대부분 화학적 유도 경로를 사용하며, 현재 일반적으로 사용되는 결장암 화학 유도제는 디메틸히드라진(dimethylhydrazine, DMH), 산화아조메탄(azoxymethane, AOM) 및 염증 유발제인 덱스트란 황산나트륨(dextran sulfate sodium, DSS)입니다.

결장암(Colorectal Cancer) 모델 검증 데이터

1. C-NKG 중도 면역 결핍 마우스의 피하에 구축된 CDX 모델

그림 2 Colo205 결장암 세포의 피하에 이식된 종양 및 체중 성장 도표

피하 주사의 방식으로 세포를 C-NKG 및 BALB/c nude 마우스에 접종하고 다양한 시점에서 종양 형성 면적을 측정했습니다. 세포 접종 양은 5×10⁶/마리 및 3×10⁶/ 마리였으며 데이터는 Mean±SEM 형식으로 표시됩니다. 결과적으로 Colo205는 C-NKG 및 BALB/c nude에 쉽게 종양을 형성하며, 체중이 감소하는 것은 중증 악성 모델로 나타났습니다.

그림 3 결장암 세포 HT29 피하 이식 종양 및 체중 성장 도표

피하 주사의 방식으로 세포를 C-NKG 및 BALB/c nude 마우스에 접종하고 다양한 시점에서 종양 형성 면적을 측정했습니다. 세포 접종 양은 1×10⁶/마리 및 3×10⁶/ 마리였으며 데이터는 Mean±SEM 형식으로 표시됩니다. 결과적으로 HT29는 C-NKG 및 BALB/c nude에서 종양이 쉽게 형성되며 체중이 감소하는 경도 악질 모델인 것으로 나타납니다.

그림 4 결장암 세포 LOVO 피하 이식 종양 및 체중 성장 도표

피하 주사의 방식으로 세포를 C-NKG 및 BALB/c nude 마우스에 접종하고 다양한 시점에서 종양 형성 면적을 측정했습니다. 세포 접종 양은 5×10⁶/마리 및 10×10⁶/ 마리였으며 데이터는 Mean±SEM의 형식으로 표시됩니다. 결과적으로 LOVO는 C-NKG 및 BALB/c nude에 종양이 쉽게 형성되는 것으로 나타납니다.

그림 5 결장암 세포 HCT116 피하 이식 종양 및 체중 성장 도표

피하 주사의 방식으로 세포를 C-NKG, NOD-Scid 및 BALB/c nude 마우스에 접종하고 다양한 시점에서 종양의 부피를 측정했습니다. 세포 접종 양은 5×10⁶/마리였으며 데이터는 Mean±SEM 형식으로 표시됩니다. 결과적으로 HCT116는 C-NKG, NOD-Scid 및 BALB/c nude에 종양이 쉽게 형성되는 것으로 나타납니다.

2. LUC 형광 보고 유전자 세포에 기반한 마우스의 재자라 또는 변위 종양 CDX 모델 구축

그림 6 마우스 결장암 세포 HCT116-luc 대장 원위 이식 종양 생체 형광 이미지 및 형광 수치 변화도 및 마우스 생존 도표

결과적으로 HCT116-luc는 C-NKG에 종양이 쉽게 형성되며, 마우스 생존 기간이 짧고, 종양 조직은 복강 내에서 전이하여 일정한 시간(D25) 동안 증식한 후 종양 조직 내부에서 칼슘화되어 관련된 마우스 형광 신호가 약해집니다.

Cyagen 바이오의 심각한 면역 결핍 마우스 C-NKG 

C-NKG 마우스는 심각한 면역 결핍 마우스입니다. Cyagen은 NOD-SCID 배경 균주에서 IL2RG 유전자를 녹아웃하여 독자적으로 개발하였습니다. 이 모델은 현재 면역 결핍의 정도가 높아 종양, 면역, 자가 면역성 질환, 면역 치료용 백신, GVHD/이식 및 안전성 평가 등의 연구에 우수한 모델로 평가받고 있습니다. 또한 Cyagen은 프로젝트의 요구에 따라, 인간의 면역 체계 재구성 및 인간 종양 세포 라인의 동종 이식 서비스도 제공할 수 있습니다.

참고 문헌:

[1] Kucherlapati, Melanie Haas.,  and Kucherlapati, Melanie Haas.. "Mouse models in colon cancer, inferences, and implications." iScience.