흑색종 세포는 림프절에서 잠간 머문 후 확산될 가능성이 더 높아진다

피부암 중에서 가장 공격적인 형태인 흑색종은 일단 암이 종양의 원발 부위에서 먼 장기와 조직으로 전이되면 불치병이 되는 경우가 많다.

의사들은 수십 년 동안 흑색종과 많은 다른 암들이 혈액 속으로 들어가 신체의 먼 곳으로 이동하기 전에 먼저 근처의 림프절 안으로 퍼지는 경향이 있다는 것을 알고 있었다. 그러나 림프절을 통한 이 우회로의 의미는 여전히 불명확하다.

이제 국립암연구소가 후원하는 연구는 흑색종이 퍼지거나 전이되는 것을 막는데 도움을 줄 수 있는 새로운 치료 접근법의 가능성을 높여줄 것이라고 연구 조사관들은 말했다.

‘네이처’ 지에 9월 3일자에 발표된 이 연구는 혈류로 들어가기 전에 림프계를 통과하는 흑색종 세포가 혈류로 바로 들어가는 세포보다 더 쉽게 퍼져 새로운 종양을 형성한다는 것을 보여준다.

쥐 실험 연구에서, 텍사스 대학 사우스웨스트 캠퍼스의 어린이 의료 센터 연구소 소장인 숀 모리슨 박사팀이 림프계를 통해 이동하는 흑색종 세포가 페롭토시스(세포 사멸 혹은 세포 사망의 일종)라는 세포 사망 형태에 더 저항성이 있다는 것을 발견했다.

이번 연구에 참여하지 않은 국립암연구소 암 생물학과의 콘스탄틴 살니코우 박사는 "이러한 지식은 페롭토시스(일종의 세포 사망) 억제제와 강화제가 개발되고 있기 때문에 엄청난 치료 잠재력을 발휘한다"고 말했다.

그러나 살니코우 박사는 이런 약물이 흑색종 환자들 대상으로 하는 실험을 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 말했다.

쥐 모델의 흑색종 세포는 인간 흑색종의 전이를 모방한다. 모리슨 박사는 “암세포는 먼 곳에 전이되어 종양을 만들기 전에 대부분이 죽는다"고 말했다.

모리슨 박사팀은 앞서 혈액에서 순환하는 흑색종 세포의 생존을 제한하는 한 가지 요인은 세포가 고도의 산화 스트레스를 경험한다는 사실을 이미 예전에 밝혀냈다. 우리 몸 안의 활성산소와 항산화제 간의 불균형 상태를 뜻하는 산화 스트레스는 세포 내 단백질과 DNA, 지질(지방)을 손상시키고 정상적인 세포 과정을 교란시킬 수 있는 화학반응을 일으킨다. 그러나 산화 스트레스가 순환하는 흑색종 세포를 어떻게 죽이는지는 정확히 알려지지 않았다.

연구팀은 면역력이 약한 특수 사육 쥐의 피부 밑에 인간에게서 얻은 흑색종 세포를 이식해 만든 전이 쥐 모델을 연구를 위해 사용했다. 이 쥐들은 이식된 인간 세포가 이물질로 간주되고 면역체계의 공격을 받지 않도록 하기 위해 사용되었다. 연구팀은 쥐 흑색종 세포를 정상 면역체계를 가진 쥐에 이식해 만든 두 번째 쥐 모델도 활용했다.

살니코우 박사는 이 두 종류의 쥐 모델을 비교함으로써 연구자들이 흑색종 확산에 대한 면역체계의 잠재적 영향을 통제할 수 있게 됐다고 설명했다.

이 연구는 부분적으로 국립암연구소의 ‘환자로부터 이식한 암 모델 프로그램’에 의해 지원되었는데, 이 프로그램은 종양 세포가 인간에서 어떻게 작용하는지를 보다 밀접하게 반영하는 동물 모델의 개발을 촉진한다.

림프 대 혈액의 전이성 흑색종 세포 비교

사람들의 암세포 전이에 대한 대부분의 연구는 혈액에서 순환하는 세포에 초점을 맞추었다. 이는 면역세포를 림프관을 통해 운반하는 투명한 액체인 림프액 샘플을 채취하는 것보다 환자의 혈액 샘플을 채취하는 것이 훨씬 쉽기 때문이라고 모리슨 박사는 말했다.

모리슨 박사팀은 쥐의 림프절에 주입된 인간 흑색종 세포가 혈액에 주입된 흑색종 세포보다 먼 곳의 종양을 형성할 가능성이 높다는 것을 발견했다.

전이에 있어서의 림프의 역할을 연구하기 위해 모리슨 박사의 연구실의 박사 후 연구원 제잘린 우벨라커 박사는 쥐의 림프에서 흑색종 세포를 채취하는 방법을 알아냈다. 이를 통해 연구팀은 같은 동물의 림프와 혈액을 통해 퍼지는 흑색종 세포에 대한 첫 번째 일 대 일 비교를 할 수 있었다고 모리슨 박사는 말했다.

다음으로 연구팀은 림프의 흑색종 세포가 혈액의 흑색종 세포보다 산화 스트레스를 덜 경험한다는 것을 발견했다. 모리슨 박사는 "림프절에서 나온 흑색종 세포가 왜 더 잘 살아남아, 종양을 형성할 수 있는지에 대한 잠재적인 설명을 제공했다"고 말했다.

추가 실험 결과 혈액 내 흑색종 세포는 산화 스트레스로 손상된 지질이 세포 외막에 쌓일 때 발생하는 일종의 세포사망인 페롭토시스에 취약하다는 사실이 밝혀졌다. 이와는 대조적으로 림프절의 흑색종 세포는 페롭토시스(일종의 세포 사망)로부터 보호를 받았다.

연구팀은 림프절의 (암세포) 보호 효과를 뒷받침하면서 림프절과 쥐 의 피부 밑에 있는 1차 종양에서 흑색종 세포를 채취해 다른 쥐의 혈액에 주입했을 때 1차 종양보다 림프의 종양에서 더 잘 살아남아 전이성 종양을 형성할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

모리슨 박사는 같은 생쥐의 혈액과 림프에서 채취한 흑색종 세포를 정밀 분석한 결과 림프의 세포가 올레인산이라는 지방산 수치가 훨씬 높게 나타났다고 말했다. 연구팀은 올레인산이 림프의 흑색종 세포 외막에 결합되고 있다는 사실을 발견했다.

올레인산으로 실험실에서 배양된 흑색종 세포를 치료함으로써 산화 스트레스와 세포 사망으로부터 세포를 보호했다. 그리고 올레산을 이용한 사전 치료는 세포가 쥐의 혈류로 주입된 후 종양을 형성하는 능력을 증가시켰다.

살니코우 박사는 세포막 내 지질이 산화 스트레스로 손상되면 "막에서 물이 새고 결국 세포가 죽는다."고 설명했다. 그러나 만약 손상된 지질들이 올레인산으로 대체된다면, 세포는 산화 손상과 강박증세포 사망으로부터 보호된다.

즉, 모리슨 박사는 "흑색종 세포는 림프부에서 올레인산이 쌓인 후 혈액 속으로 들어가면 방탄이 되어 먼 곳에서도 생존하여 자랄 수 있다"고 결론지었다.

암세포의 이동에 정류장 역할을 하는 림프절

독일 대학병원 에센의 바바라 그뤼너 박사(Barbara Grüner)와 벨기에 루벤 암 생물학센터(Leuven Center for Cancer Biology)의 사라-마리아 펜트 박사(Sarah-Maria Fendt)는 동행 논평에서 흑색종 세포의 이동은 "단지 종점이 아니라 세포의 다른 곳으로의 이동을 위한 정류장"이라고 밝혔다.

"이러한 연구결과는 임파선의 보호 환경을 이해하는 첫걸음이다." 라고 그뤼너 박사와 펜트 박사가 썼다. 그는 "이번 발견이 흑색종을 제외한 종양과 인간에게 어느 정도까지 적용되는지는 아직 밝혀지지 않았다. 그 연구결과가 인간의 질병과 관련이 있다면, 그들이 치료적 영향을 미칠 수 있는 혁신적인 방법을 찾아내야 한다."

모리슨 박사팀은 이미 암세포를 페롭토시스(세포 사망의 일종)더 취약하게 만들고 림프의 보호 효과를 차단할 수 있는 기존 약물을 조사하고 있다고 그는 말했다. 조사 방향은 이런 약이 흑색종의 진행초기에 투여되어 퍼지는 것을 막을 수 있는지 알아보자는 생각일 것이다.

그는 "만약 쥐 실험에서 질병 진행을 막는 치료법을 찾을 수 있다면, 우리는 그것이 사람에게 효과가 있는지 알아보기 위해 임상실험에 들어갈 것"이라고 덧붙였다.

살니코우 박사는 흑색종의 확산을 막기 위해 여러 가지 접근법이 필요할 것 같다고 말했다. 다른 생물학적 요인들이 다른 사람들의 전이에 중요할 수 있기 때문이다.

실제로 모리슨 박사팀의 이전 연구에서는 보다 효율적으로 확산된 종양 환자의 흑색종 세포가 MCT1이라는 전달 분자 수치가 높아져 세포의 산화 스트레스 관리 능력이 높아진다는 사실을 밝혀냈다. 그들은 또한 MCT1의 활동을 막는 실험적인 약물이 이러한 환자들의 흑색종 세포를 이식한 생쥐에서 형성되는 전이성 종양의 수와 크기를 줄인다는 것을 보여주었다.

모리슨 박사는 "답해야 할 흥미로운 질문 중 하나는 MCT1이 림프를 통해 전이되는 이 흑색종 세포를 보호하는 데 도움이 되는지 여부"라며 "현재 그러한 실험을 하고 있다"고 말했다.

2020년 9월 30일 : 국립암연구소 제공

Melanoma Cells Are More Likely to Spread after a Stopover in Lymph Nodes

September 30, 2020, by NCI Staff

Melanoma, the most aggressive form of skin cancer, is often incurable once the cancer has spread from the original site of the tumor to distant organs and tissues.

Doctors have known for decades that melanoma and many other cancer types tend to spread first into nearby lymph nodes before entering the blood and traveling to distant parts of the body. But the implications of this detour through the lymph nodes have remained unclear.

Now, an NCI-funded study may provide some answers, raising the possibility of new treatment approaches that could help keep melanoma from spreading, or metastasizing, the study investigators said.

The study, published September 3 in Nature, shows that melanoma cells that pass through the lymphatic system before entering the bloodstream spread and form new tumors more readily than cells that directly enter the bloodstream.

In studies in mice, a team led by Sean Morrison, Ph.D., director of the Children’s Medical Center Research Institute at UT Southwestern, found that melanoma cells that travel through the lymphatic system are more resistant to a form of cell death called ferroptosis.

“This knowledge uncovers tremendous therapeutic potential, since enhancers and inhibitors of ferroptosis are being developed,” said Konstantin Salnikow, Ph.D., of NCI’s Division of Cancer Biology, who was not involved in the study.

However, further work is needed before such drugs could be tested in people with melanoma, Dr. Salnikow said.

Mouse Models Mimic Metastasis of Human Melanoma

Metastasis is a highly inefficient process in that “the vast majority of cancer cells that try to migrate [to distant sites] die before they ever have an opportunity to form a tumor,” Dr. Morrison said.

Dr. Morrison’s team found previously that one factor limiting the survival of melanoma cells circulating in the blood is that the cells experience a high level of oxidative stress. Oxidative stress—an imbalance between free radicals and antioxidants in the body—causes chemical reactions that can damage proteins, DNA, and lipids (fats) in cells and disrupt normal cell processes. However, precisely how oxidative stress kills circulating melanoma cells was not known.

For their studies, the team used a mouse model of metastasis created by transplanting melanoma cells from humans beneath the skin of specially bred mice with weakened immune systems. These mice were used to avoid having the transplanted human cells seen as foreign and attacked by the immune system. The team also used a second mouse model created by transplanting mouse melanoma cells into mice with normal immune systems.

Comparing these two mouse models let the researchers control for potential effects of the immune system on the spread of melanoma, Dr. Salnikow explained.

The study was supported in part by NCI’s Patient-Derived Models of Cancer program, which promotes the development of animal models that more closely mirror how tumor cells behave in humans.

Comparing Metastatic Melanoma Cells in Lymph Versus Blood

Most studies of cancer cell metastasis in people have focused on cells circulating in the blood. That’s because it’s much easier to collect patient blood samples than it is to collect samples of lymph, the clear fluid that carries immune cells through vessels of the lymphatic system, Dr. Morrison said.

Dr. Morrison’s team found that human melanoma cells injected into lymph nodes in the mice were more likely to form distant tumors than melanoma cells injected into blood.

To study the role of lymph in metastasis, lead investigator Jessalyn Ubellacker, Ph.D., a postdoctoral researcher in Dr. Morrison’s lab, figured out how to collect melanoma cells from lymph in mice. This allowed the team to do the first side-by-side comparison of melanoma cells spreading through lymph and through blood in the same animal, Dr. Morrison said.

Next the team found that melanoma cells in lymph experienced less oxidative stress than melanoma cells in blood. “That offered a potential explanation for why melanoma cells from lymph nodes were surviving better and better able to form a tumor,” Dr. Morrison said.

Further experiments showed that melanoma cells in blood are vulnerable to ferroptosis—a form of cell death that occurs when lipids damaged by oxidative stress build up in the outer membrane of a cell. By contrast, melanoma cells from lymph nodes were protected from ferroptosis.

As added support of lymph’s protective effects, the team found that when they collected melanoma cells from lymph nodes and from a primary tumor beneath the skin of one mouse and injected them into the blood of other mice, the lymph-dwelling cells were better able to survive and form metastatic tumors than those from the primary tumor.

A detailed analysis of melanoma cells collected from blood and lymph of the same mice showed that the cells in lymph had much higher levels of a fatty acid called oleic acid, Dr. Morrison said. The oleic acid was being incorporated into the outer membranes of melanoma cells in lymph, the team found.

Treating melanoma cells grown in the laboratory with oleic acid protected the cells from oxidative stress and from ferroptosis. And pretreatment with oleic acid increased the cells’ ability to form tumors after they were injected into the bloodstream of mice.

When lipids in the cell membrane are damaged by oxidative stress, “the membrane gets leaky and then the cells eventually die,” Dr. Salnikow explained. But if those damaged lipids are replaced by oleic acid, the cell is protected from oxidative damage and ferroptosis.

In other words, Dr. Morrison concluded, “The melanoma cells load up on oleic acid in the lymph, and then once they go into the blood, they’re bulletproof and can survive to grow at a distant site.”

Lymph Nodes as a Stopover on a Cancer Cell’s Journey

Movement of melanoma cells into lymph nodes “is not necessarily an endpoint, but rather a stopover on the cells’ journey elsewhere,” wrote Barbara Grüner, Ph.D., of University Hospital Essen in Germany, and Sarah-Maria Fendt, Ph.D., of the Leuven Center for Cancer Biology in Belgium, in an accompanying commentary.

“These results provide a first step towards understanding the protective environment of lymph,” Drs. Grüner and Fendt wrote. “To what extent [the] findings apply to tumor types other than melanoma, and to humans, remains to be determined. If the results are relevant to human disease, innovative ways must be found for them to have a therapeutic impact.”

Dr. Morrison’s team is already looking into existing drugs that might make cancer cells more vulnerable to ferroptosis and block the protective effects of lymph, he said. The idea would be to see if such a drug could be given early in the disease course of melanoma to prevent it from spreading.

“If we can find a therapy that blocks disease progression in mice, then we would go into clinical trials to see if it works in humans,” he added.

Dr. Salnikow said multiple approaches will likely be needed to prevent the spread of melanoma, because different biological factors may be important for metastasis in different people.

In fact, a previous study by Dr. Morrison’s team showed that melanoma cells from patients with tumors that spread more efficiently have higher levels of a transporter molecule called MCT1, which increases a cell’s ability to manage oxidative stress. They showed further that an experimental drug that blocks the activity of MCT1 reduced the number and size of metastatic tumors that formed in mice implanted with melanoma cells from these patients.

“One of the interesting questions to answer is whether MCT1 is also helping to protect these melanoma cells [that are] metastasizing through lymph, and we’re doing those experiments now,” Dr. Morrison said.