본 프로토콜은 자가 림프구와 함께 공동 배양하는 환자 유래 결장 종양 오가노이드를 구축하고, 이후 치료용 저분자 화합물 및 면역 관문 억제제를 처리하여 T 세포 반응성과 치료 효능을 평가하는 방법을 설명합니다.
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방법 논문
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본 프로토콜은 자가 림프구와 함께 공동 배양하는 환자 유래 결장 종양 오가노이드를 구축하고, 이후 치료용 저분자 화합물 및 면역 관문 억제제를 처리하여 T 세포 반응성과 치료 효능을 평가하는 방법을 설명합니다.
T 세포는 암 면역요법에서 핵심적인 역할을 하며, 종양과의 상호작용을 이해하는 것은 새로운 면역요법을 개발하는 데 필수적입니다. 본 프로토콜에서는 바이오뱅크로부터 대장암 환자 유래 오가노이드(PDO)를 확립하고 자가 PDO-T 세포 공배양 시스템을 구축하기 위한 단계별 워크플로우를 설명합니다. Annexin V NIR 및 cleaved caspase-3 염색을 이용하여, T 세포의 반응성과 세포독성 및 종양 오가노이드의 사멸을 평가하기 위한 표면 및 세포 내 염색 유세포 분석 프로토콜을 표준화하였습니다. 유세포 분석 기반의 분석 외에도, granzyme B와 perforin 분비를 정량화하기 위한 ELISpot 분석 및 Annexin V 기반의 세포사멸 검출을 통해 시간에 따른 T 세포 매개 종양 사멸을 모니터링하는 라이브 셀 이미징과 같은 기능적 분석을 위한 방법론적 접근 방식이 포함되어 있습니다. 또한, 이 워크플로우에서는 단일 요법 및 병용 치료 설정 모두에서 표적 억제제 및 면역 관문 억제제를 도입하는 것을 포함하여 공배양 조건을 설정하는 상세한 방법을 다룹니다. T 세포 반응성을 위한 CD137, T 세포 탈과립화를 위한 CD107a, 종양 세포사멸을 위한 caspase-3, 그리고 종양 증식을 위한 Ki67을 포함하여 주요 면역학적 및 종양 관련 마커를 선택하고 적용하는 가이드라인이 제공됩니다. 종합적으로, 본 논문은 대장암 오가노이드 확립, 자가 T 세포 배양 및 증식, 공배양 설정, 치료적 섭동, 그리고 유세포 분석, ELISpot, 공초점 현미경 및 라이브 셀 이미징을 이용한 하위 분석을 위한 포괄적이고 재현 가능한 프레임워크를 제공합니다.
조기 진단과 다각적 치료법의 발전에도 불구하고, 대장암(CRC)은 전 세계적으로 암 관련 사망의 주요 원인 중 하나로 남아 있습니다1. 환자의 예후를 개선하는 데 있어 주요 과제는 인간 대장암에서 관찰되는 복잡한 구조, 종양 내 이질성, 종양-면역 상호작용 및 치료 반응을 정확하게 재현하는 전임상 모델이 부족하다는 점입니다2,3,4,5,6. 유전자 변형 마우스 모델(GEMM)과 환자 유래 이식 모델(PDX)을 포함한 기존 모델들은 대장암 연구를 크게 발전시켰으나 뚜렷한 한계를 가지고 있습니다. GEMM은 인간 종양의 다양성을 포착하지 못하는 경우가 많으며, 인간의 생리학적 특성과 상당히 다른 마우스 미세환경에서 개발됩니다. 마찬가지로 PDX 모델은 종양 이질성의 일부 측면을 보존하지만, 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리며, 면역결핍 마우스에 의존해야 하고, 종 간의 차이로 인해 인간 특이적 면역 반응을 연구하는 능력이 제한적입니다7,8. 또한, 소동물 사용에 대한 규제가 강화됨에 따라 인간에게 더 적합하고 윤리적으로 지속 가능한 대안의 필요성이 강조되고 있습니다.
최근 몇 년 동안 환자 유래 오가노이드(patient-derived organoids, PDOs)는 중개 암 연구를 위한 혁신적인 플랫폼으로 부상했습니다. 신선한 수술 또는 생검 표본에서 생성된 CRC 오가노이드는 클론 다양성과 치료 반응성 세포 상태를 포함하여 원발성 종양의 조직학적, 유전적 및 표현형 특성을 유지합니다. 이러한 특성 덕분에 PDO는 질병 모델링, 기능 유전학, 바이오마커 발굴 및 맞춤 의학을 위한 가치 있는 도구가 되었습니다7,8,9,10,11. 중요한 점은, 오가노이드 시스템에 인간 면역 성분을 통합함으로써 그 유용성이 더욱 확대되었다는 것입니다. CRC 오가노이드를 말초혈액 단핵구(PBMCs) 또는 엔지니어링된 면역 서브셋과 공동 배양하면 생리학적으로 관련성 있는 시스템에서 종양-면역 상호작용, 면역 회피 메커니즘, 항원 제시 및 면역 요법 반응을 조사할 수 있습니다12. 이러한 모델은 체크포인트 억제제, CAR-T/TCR 치료제 및 이중 특이성 항체의 평가를 지원하는 동시에 예측 바이오마커와 내성 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다.
면역요법 외에도, CRC 오가노이드는 약물 스크리닝 및 정밀 종양학 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 환자 유래 배양물을 통해 화학요법 및 표적 치료제의 반응을 테스트하여 개별 치료 반응을 예측할 수 있으며, 여러 연구에서 오가노이드 반응과 임상 결과 사이의 상관관계가 입증되었습니다. 따라서 이러한 시스템은 기존의 동물 기반 접근 방식에 대한 확장 가능하며 환자 중심적인 대안을 제공합니다10,13,14,15,16,17,18.
본 논문에서는 중개 및 전임상 연구를 위해 환자 유래 CRC 오가노이드를 구축하고 이를 면역 공배양 시스템과 통합하는 다루기 쉽고 확장 가능한 프로토콜을 제시합니다. 종양 조직을 효소적으로 분해하여 종양의 이질성과 계통 분화를 보존하는 최적화된 성장 조건 하에 3차원 세포외 기질 내에 배양합니다. 구축된 오가노이드는 확장, 동결 보존, 유전적 조작이 가능하며 분자적 특성 분석, 약물 섭동 연구, 면역 프로파일링을 포함한 하위 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 또한, PBMC와의 공배양을 통해 면역 매개 세포독성, 체크포인트 차단제 민감도 및 종양 특이적 면역 활성화를 평가할 수 있습니다.
또한 조직 처리, 오가노이드 품질 평가, 유세포 분석, 면역형광 이미징 및 ELISpot 기반 면역 모니터링 프로토콜에 대해 상세히 설명합니다. 종합적으로, 이러한 오가노이드 기반 시스템은 CRC 생물학, 치료 내성, 종양 이질성 및 면역 요법 반응을 연구하기 위한 윤리적으로 지속 가능하고 임상적으로 유의미한 플랫폼을 제공합니다. 오가노이드 공학 및 미세환경 통합의 지속적인 발전은 이러한 모델들을 향후 CRC 연구 및 정밀 종양학의 초석으로 자리 잡게 하고 있습니다.
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모든 환자는 IRB 승인을 받은 Montefiore Einstein Comprehensive Cancer Center 바이오뱅크 프로토콜(Einstein IRB# 2021-13730)에 따라 고지된 동의를 제공하였습니다. 임상 조정 및 규제 지원은 암 임상시험 센터(CCTO)에서 제공하였습니다. 종양 조직은 표준 치료 수술 절제 및 병리 검토 후 수집되었으며, 이후 포르말린 고정, 환자 유래 오가노이드 생성 또는 20% FBS와 10% DMSO가 포함된 DMEM 내에서 냉동 보존을 위해 처리되었습니다. 모든 시약 준비물은 표 1.
1. 생검 또는 절제 조직을 이용한 종양 오가노이드 배양 확립 (4 h)
2. 혈액으로부터 인간 PBMC 분리 (2 h)
3. 오가노이드 공동 배양 (4일):
4. 오가노이드를 위한 유세포 분석 및 세포 내 염색 프로토콜
5. 유세포 분석법을 이용한 Annexin V 기반 세포사멸 분석:
6. 오가노이드 공동 배양 내 T-세포 모니터링을 위한 ELISPOT 분석 (3일):
7. Annexin V NIR 및 생세포 이미징을 이용한 실시간 세포 사멸 검출 (3일):
자동화된 살아있는 세포 이미징과 결합된 Annexin V NIR은 약물 반응 및 세포 독성 분석을 위해 세포 사멸(apoptotic cell death)을 실시간으로 고처리량 모니터링할 수 있게 합니다.
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먼저, 표준화된 워크플로우(그림 1)를 사용하여 여러 환자의 검체로부터 종양 오가노이드를 생성하였습니다. 이러한 PDO는 일반적으로 2주간의 확립 기간이 필요하며, 이후 추가 연구를 위해 확장 및 계대 배양이 가능합니다. 확립 시간과 오가노이드 생성 효율은 조직마다 다르다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 일부 조직은 오가노이드 생성에 추가 시간이 필요하며, 일부 오가노이드는 계대 배양에 적합한 합류도(confluency)에 도달하기까지 더 많은 시간이 필요할 수 있습니다. 이에 따라 오가노이드 배지 보충제를 조정할 수 있습니다.
다음으로, 본 문서에 기술된 프로토콜(그림 2)을 사용하여 오가노이드-T 세포 공배양 시스템을 구축하였습니다. 환자의 말초혈액에서 PBMC를 설명된 대로 분리한 후 증식시켰습니다. 이 범위를 벗어난 비율은 다른 결과를 초래할 수 있으므로 종양 ...
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본 프로토콜에서는 바이오뱅크 저장소로부터 PDO 및 확장된 T 세포를 생성하기 위한 다루기 쉽고 재현 가능한 방법을 설명하였습니다. 다양한 돌연변이를 가진 환자 샘플을 위한 PDO CRC 공배양 설정과 치료 요법에 대해서도 상세히 설명하였습니다. 얻어진 결과는 공배양 모델에 대한 치료 효과를 입증하였습니다.
여기서 설명하는 오가노이드 공동 배양 시스템은 인비트로(in vitro)에서 복잡한 생물학적 상호작용을 모델링하기 위한 강력하고 유연한 플랫폼을 제공합니다. PBMC를 환자 유래 매칭 오가노이드와 통합함으로써, 본 프로토콜은 기존의 2-D 세포 배양보다 오가노이드 신호 전달 역동성과 기능적 이질성을 더 잘 재현합니다. 재현성이 낮거나 생존력이 제한적이었던 이전 접근 방식과 달리, 본 방법은 배양 조건을 최적화하여 원하는 시점까지 오가노이드의 무결성과 T 세포 활성을 모두 유지합니다20,
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C.K.는 다음과 같은 공개 사항을 보고하며, 이는 모두 본 원고와 무관합니다: Loki Therapeutics (연구비 지원), Teiko (컨설턴트), Seattle Genetics (컨설턴트), Insights Driven Research (컨설턴트), BMS (컨설턴트), Guardant Health (컨설턴트), OMNI Oncology (컨설턴트), Exelixis (컨설턴트), Nuvectis Pharma (컨설턴트, 약물), Real CME (사례비). C.K.와 N.T.는 2025년 1월 17일에 제출된 미국 임시 출원 63/746,435의 공동 발명자이며, 이는 본 원고와 무관합니다. 나머지 저자들은 보고할 공개 사항이 없습니다.
본 연구는 Montefiore Einstein Comprehensive Cancer Center CCSG (P30CA013330)의 지원을 받았습니다. 기술적 도움을 준 Hillary Guzik, Rotem Alon, Jinghang Zhang, Swathi Swaminathan 및 Jacky Chuen에게 감사를 표합니다. 유세포 분석 연구는 Albert Einstein College of Medicine Flow Cytometry Core Facility의 National Institutes of Health (1S10OD026833-01) 지원을 받은 Cytek Aurora 분석기를 사용하여 수행되었습니다. 공초점 이미징은 Albert Einstein College of Medicine Analytical Imaging Facility의 NIH (1S10OD034397-01) 지원을 받은 Leica STELLARIS 8 현미경을 사용하여 진행되었습니다. E.N., W.E., C.K.는 NIH 보조금 T32CA200561, R01CA248536, R42CA287679 및 K12CA279871의 지원을 받았습니다. 지원 기관은 원고 작성에 관여하지 않았습니다.
또한 MM, NS 및 NT에 대해 줄기세포 및 재생의학 연구를 위한 Ruth L. and David S. Gottesman Institute의 지원에 감사드립니다.
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