3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

인체에서 가장 완고한 종양 내부에는 종종 기이하고 위험한 풍경이 형성됩니다. 암세포가 무모한 속도로 증식함에 따라, 이들은 스스로의 혈액 공급량을 초과하여 성장하며 산소가 도달할 수 없는 깊은 기아 상태의 구역을 만들어냅니다. 이러한 영역은 사멸하여 괴사 조직으로 변하는데, 이는 대개 환자에게 좋지 않은 예후를 알리는 공격적인 질병의 특징입니다. 그러나 이 죽음의 구역은 독특한 비밀을 간직하고 있습니다. 바로 산소가 없는 환경에서 생존할 수 있는 특정 유형의 박테리아가 번성할 수 있는 유일한 장소라는 점입니다. 과학자들은 이러한 혐기성 박테리아가 자연적으로 죽어가는 종양의 중심부를 찾아 정착한다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 이 발견은 이러한 미생물 침입자들을 아군으로 바꾸려는 수십 년간의 노력을 촉발했으며, 이들이 약물을 전달하거나 면역 체계를 자극하여 내부에서 암을 공격하도록 설계하는 연구로 이어졌습니다.

하지만 이러한 살아있는 의약품을 사람에게 테스트하기 전에, 연구자들은 그것들이 안전하고 효과적임을 증명해야 합니다. 접시 위에 평평하게 펼쳐진 세포 층을 사용하는 전통적인 실험실 테스트는 종양 내부의 산소가 결핍된 죽은 중심부를 재현하지 못하므로, 박테리아가 실제로 목표를 찾을 수 있을지 확인하는 것이 불가능합니다. 반대로, 동물에게 직접 테스트하는 것은 심각한 윤리적 문제를 제기하며, 많은 다양한 박테리아 균주를 빠르게 스크리닝하기에는 너무 복end합니다. 이 간극을 메우기 위해 마스트리흐트 대학교의 연구팀은 실제 종양 내부의 조건을 모방한 새로운 3차원 모델을 개발하였으며, 이를 통해 인체와 유사한 환경에서 박테리아가 어떻게 행동하는지 관찰할 수 있게 되었습니다.

연구진은 먼저 세 가지 다른 출처(두 종류의 마우스 암과 한 종류의 인간 결장암)로부터 유래한 작고 공 모양인 암세포 클러스터를 배양하는 것으로 시작했습니다. 이들은 이 클러스터가 실제 종양처럼 자체적인 사멸 구역을 형성할 때까지 성장하도록 두었습니다. 이러한 괴사 중심부가 형성되자, 연구팀은 인간에게 안전하면서도 산소가 없는 환경을 좋아하는 비유해한 박테리아인 *클로스트리디움 스포로게네스(Clostridium sporogenes)*의 포자를 투입했습니다. 연구진은 박테리아가 포자로부터 성공적으로 부화하여 세포 공의 깊숙한 중심부로 이동하는 것을 관찰했습니다. 마우스 암 모델에서 박테리아는 매우 활발하게 성장하여 결국 종양 공 전체를 무너뜨렸으나, 인간 암 모델에서는 박테리아가 자리를 잡고 안정적으로 머물렀는데, 이는 살아있는 동물에서 일어나는 현상을 그대로 반영한 것이었습니다.

박테리아가 이 모델들에 성공적으로 정착함에 따라, 연구팀은 안전성 검토로 넘어갔습니다. 박테리아를 약물로 사용할 때의 주요 우려 사항은 문제가 발생하거나 치료를 종료해야 할 때 박테리아를 멈출 수 있는 능력입니다. 연구진은 몇 가지 흔한 항생제를 테스트하여 어떤 것이 종양 공 내부의 박테리아를 제거할 수 있는지 확인했습니다. 그 결과, 티게사이클린(tigecycline)과 같은 일부 약물은 박테리아의 성장을 잠시 멈추게 할 뿐, 약효가 사라지면 박테리아가 다시 증식하기 시작했습니다. 그러나 오구멘틴(augmentin)과 반코마이신(vancomycin) 같은 다른 항생제들은 진정한 살균제 역할을 하여 박테리아 개체군을 완전히 박멸하고 종양 공을 감염 없이 온전한 상태로 유지했습니다. 이러한 구분은 매우 중요한데, 이는 이 모델이 단순히 박테리아의 성장을 늦추는 약물과 박테리아를 완전히 제거할 수 있는 약물을 구별해낼 수 있음을 입증하기 때문입니다.

마지막으로, 연구팀은 '클로스트리디움 표적 효소 전구약물 요법(Clostridium-Directed Enzymatic Prodrug Therapy)'이라는 특정 암 치료법을 테스트했습니다. 이 방식에서는 박테리아가 박테리아가 서식하는 종양 내부에서만 무해한 약물을 독성 물질로 전환하는 특수 도구를 운반하도록 유전적으로 조작됩니다. 연구진은 이 조작된 박테리아와 무해한 약물을 종양 모델에 추가했습니다. 마우스 암 모델에서 이 조합은 박테리아나 약물 중 하나만을 단독으로 사용했을 때보다 종양 공을 훨씬 더 크게 축소시켰습니다. 인간 암 모델에서도 성장이 억제되는 유사한 경향이 나타났으나, 그 효과는 다소 덜 뚜렷했습니다. 이러한 결과는 과학자들이 이전에 살아있는 동물에서 보았던 것과 일치했으며, 이 단순한 3차원 세포 공이 복잡한 박테리아 요법이 살아있는 몸 안에서 어떻게 수행될지를 정확하게 예측할 수 있음을 확인시켜 주었습니다.

죽어가는 산소 결핍 상태의 종양 심장부를 포착하는 시스템을 구축함으로써, 연구진은 미래의 암 치료를 위한 강력한 새로운 도구를 제공했습니다. 이 모델을 통해 과학자들은 동물이나 사람에게 테스트하기 전에 작동하지 않을 것들을 걸러내어, 수십 가지의 박테리아 균주와 약물 조합을 빠르고 윤리적으로 스크리닝할 수 있습니다. 이는 이 살아있는 의약품들이 결국 임상에 도달했을 때, 가장 위험한 암의 부위를 표적으로 삼아 안전하고 효과적으로 작용할 수 있도록 정교화하는 명확한 길을 제시합니다.