Establishment and characterization of breast cancer patient-derived cell lines, xenograft, and organoids

Abstract

Breast cancer is the most common cancer in woman, and although many targeted agents have been developed for last 2 decades, breast cancer still remains one of the leading causes of death in women. Breast cancer is heterogeneous disease which could be divided into three major subtypes and endocrine treatment and many targeted agents are currently developing to control this disease. Twenty pleural effusion-derived breast cancer cell lines and one ascites-derived breast cancer cell line were newly established. In addition, three pairs of cell line-organoid were established from the tumor tissue of breast cancer patient derived xenograft (PDX). Cellular and molecular properties of a total of new 24 cell lines and 3 organoids were analyzed. Genetic characteristics were revealed through screening for mutant genes that are found to have a large variation in breast cancer such as TP53, PIK3CA, PTEN, ERBB2(HER2), BRCA1/2, RB1, MAP3K. The hormone receptor expression status including estrogen receptor (ER), progesterone receptor (PR) and human epithelial growth factor receptor 2 (HER2) were confirmed. and the new breast cancer cell lines and organoids were grouped and divided according to ER, PR, and HER2 status. Next, we measured sensitivity to various drugs that are widely used in breast cancer treatment, research and clinical trials. The results showed corresponding outcomes with the presence or absence of target mutations known to affect the reactivity or expression of drug targets previously identified. Even if they were from the same patient origin, each cell line showed some different results, and two pairs of cell line-organoid showed a noticeable difference in reactivity despite having similar mutational profiles. The results of gene screening based on the database proved that pleural effusion could be used for constructing an experimental model in breast cancer. In addition, the differences between patients and the similarity and diversity between cell lines from same patient can be the basis for clinical treatment planning. These results suggest that the accumulation of various characters and types of experimental models will greatly contribute to improving the accuracy and suitability of the database.

유방암은 여성에게서 가장 흔하게 발생하는 암 질환이며, 암으로 인한 사망률이 높다. 유방암은 호르몬 수용체와 성장인자 수용체에 따라 3개의 대표적인 아형으로 구분이 되며, 이에 따라 치료를 하며, 표적 치료에 대한 내성이 생기며, 종양내 이종성이 다양하고 연관된 인자가 많기 때문에 환자 개개인에게 적절한 치료법을 찾는 것이 중요하다. 본 연구에서는 20 개의 악성 흉수 유래 유방암 세포주와 1 개의 복막 전이와 동반된 복수 유래 유방암 세포주를 새롭게 수립하였다. 또한 유방암 환자 유래 이종 이식 모델의 종양 조직에서 3쌍의 세포주-오가노이드를 확립하였다. 총 24개의 새로운 세포주와 3개의 오가노이드의 세포 및 분자생물학적 특성을 분석하였다. TP53, PIK3CA, PTEN, HER2, RB1, MAP3K, BRCA 등 유방암에서 변이가 많이 발견되는 돌연변이 유전자들에 대한 스크리닝을 통해 유전적 특징을 밝혔다. 한편, 유방암의 치료에서 주요하게 여겨지는 판단 척도인 ER과 HER2의 상태를 확인하고, 전체 세포주와 오가노이드를 그룹화하여 나누었다. 또한 유방암 연구와 임상에서 널리 쓰이는 다양한 약물들에 대한 감수성을 측정하였다. 이미 밝혀진 약물의 표적의 발현 여부나, 반응성에 영향을 미치는 것으로 알려진 표적 돌연변이의 유무 상태와 일치하는 결과를 보였다. 같은 환자에게서 유래되었더라도 각 세포주들은 일부 차이 나는 결과를 보였고, 2쌍의 세포주-오가노이드는 각각 서로 유사한 돌연변이 패턴을 가짐에도 불구하고 눈에 띄는 반응성 정도의 차이를 보여주었다. 데이터 베이스를 토대로 한 유전자 스크리닝 결과는 유방암의 종양 이종성에 관련된 실험 모델을 제작하는 것을 추가적으로 고려 할 가능성을 보여준다. 또한 유래 환자 간의 차이 혹은 같은 환자 유래 세포주들 간의 유사성과 다양성은 실제 환자 치료의 토대가 될 수 있다. 이러한 결과들은, 유방암 연구 모델의 다채로운 형태와 종류의 누적이 실험과 임상 정보 데이터베이스의 정확도와 적합성을 높이는 데에 기여를 할 가능성이 있음을 시사해준다.