Exploration and characterization of ameloblastoma and odontogenic keratocyst tumoroids

Abstract

Odontogenic tumors arise from the reciprocal interaction between the dental ectodermal mesenchyme and the epithelium, similar to the normal tooth formation process, but the mechanism is not currently known. Aggressive and frequently recurring epithelial odontogenic tumors and cysts, such as ameloblastoma (AM) and odontogenic keratocyst (OKC), are currently difficult to treat with radiation or drug therapy. In addition, since they frequently recur, extensive surgical treatment is often required to prevent this. As a result, a defect remains in the patient's jaw that impairs their quality of life. The patient-derived tumor organoid model, which is mainly used in tumor research, can recapitulate the in vivo tissue microenvironment of the patient's original tumor and can be used for the screening and verification of patient-specific anticancer drugs, thereby increasing treatment efficiency and reducing side effects. These tumor organoid models have been established and studied in various tumors, such as those of liver, lung, and breast cancer, but there have been no reports of odontogenic tumors. Therefore, we aimed to explore the microenvironment for constructing a tumor organoid model by using the tissues of patients with AM and OKC, for which there is no suitable disease model at present, and to explore the genetic characteristics of these conditions by using next generation sequencing (NGS). In this study, AM-1 and tissues from primary AM (pAM) and OKC (pOKC) were collected and cultured in 2D and 3D in various extracellular matrices, including Matrigel and collagen gel, under various culture conditions. Tumoroid growth was observed and analyzed by histology and immunohistochemistry (IHC). In addition, through bulk RNA-sequencing, principal component analysis, gene ontology, and differentially expressed genes, differences in the transcriptomic characteristics of AM-1, pAM, and pOKC were investigated. As a result, the following conclusions were made: 1. 3D culture of AM-1, pAM, and pOKC was done successfully, but tumoroids did not maintain self-renewal capacity over passage 3. 2. The tumor microenvironment (ECM, calcium) could cause changes in cells that form tumoroids. 3. IHC results showed that cell-cell adhesion and the basement membrane were well-established in the pAM tumoroids. 4. General gene ontology results showed that the expression of genes related to proliferation was high in AM-1 cells; however, ECM expression was high in pAM. 5. Signaling pathway enrichment analysis showed that the expression of genes related to the MAPK and PI3K pathways was high in pAM and of those related to the VitD receptor-related pathway was high in pOKC. This study is the first, to our knowledge, to establish a tumor organoid model for AM and OKC by using patient-derived tissue. Long-term culture conditions should be established in future studies. The results of this study confirm that the tumor microenvironment influences the differentiation or growth pattern of cells, and the possibility of establishing long-term culture conditions in future was confirmed through the results of NGS.

치성 종양 (odontogenic tumor)은 정상적인 치아 형성과정과 유사하게 치성 외배엽성간엽과 상피사이의 상호작용으로부터 발생함이 알려져 있으나, 그 기전이 명확하게 알려지지 않았다. 이 중 침습적이고 재발이 잦은 상피성 치성 종양 및 낭종인 법랑모세포종(ameloblastoma, AM)과 치성각화낭종 (odontogenic keratocyst, OKC)은 현재 수술적 치료 외에 방사선 요법이나 약물 요법으로 치료가 어려우며 재발이 잦은 특성을 가지고 있어, 재발을 막기 위한 광범위한 수술적 치료가 필요한 경우가 많다. 이는 결과적으로 환자의 악골에 결손을 남기며 살의 질 저하로 이어지게 된다. 최근 종양 연구에 주로 사용하는 환자 유래 종양 오가노이드 모델 (tumoroid model)은 환자 개개인의 종양의 생체 내 조직 미세환경을 구현할 수 있으며 맞춤 항암제 스크리닝 및 검증에 활용할 수 있어, 치료 효율을 높이고 부작용을 낮출 수 있게 되었다. 간암, 폐암, 유방암 등 다양한 종양에서 이러한 종양 오가노이드 모델이 확립되고 계속 연구되고 있으나 치성 종양에서는 보고된 바가 없다. 즉, 본 연구에서는 아직 적합한 질환 모델이 없는 primary AM (pAM)과 OKC (pOKC)에서 환자 조직을 이용한 종양 오가노이드 모델 구축을 위한 미세 환경의 탐색과 함께 차세대 염기서열 분석(next generation sequencing, NGS)을 이용한 유전적 특성의 탐색을 목표로 하였다. 본 연구에서는 인간 법랑모세포종 세포주인 AM-1 세포주와 환자 유래 법랑모세포종(pAM)과 치성각화낭종(pOKC)의 조직을 채취하여 Matrigel과 Collagen gel을 포함한 다양한 세포외 기질과 여러 조건에서 2차원 및 3차원 배양을 시행하여 성장을 관찰하였으며 면역형광염색을 이용하여 분석하였다. 또한 Bulk RNA-sequencing을 통한 주성분 분석 (principal component analysis) 및 유전자 온톨로지 (gene ontology), 차별 발현 유전자 분석 (differentially expressed gene)을 통해 AM-1과 pAM, pOKC의 유전자 특성의 차이를 분석하고 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. AM-1, pAM 및 pOKC의 3차원 배양은 성공적으로 수행되었으나 AM-1을 제외한 두 조직은 3계대 이하에서만 재생 능력을 유지했다. 2. 종양 미세 환경 (세포외 기질, 칼슘)은 종양 오가노이드를 형성하는 세포의 성질 변화를 일으킬 수 있다. 3. 면역형광염색 결과는 pAM 종양 오가노이드에서 세포-세포 접착 및 기저막이 잘 확립되었음을 보여준다. 4. 유전자 온톨로지 결과 AM-1 세포주에서는 세포 증식 관련 유전자의 발현이 높았으나 pAM에서는 세포외기질 관련 유전자 발현이 높았다. 5. 신호 전달 경로 농축 분석 (signaling pathway enrichment analysis) 결과 MAPK pathway 및 PI3K pathway와 관련된 유전자의 발현은 pAM에서 높았고, pOKC에서는 VitD 수용체 관련 경로의 비율이 높았다. 이번 연구는 환자 유래 조직을 이용한 AM과 OKC의 종양 오가노이드 모델 확립을 시도한 첫 번째 연구로 장기간 배양 조건은 추후 연구를 통해 더 추가 확립되어야 할 것이다. 본 연구의 결과들을 통해 종양 미세 환경이 세포의 분화나 성장 패턴에 영향을 주었음을 확인할 수 있었으며, 차세대 염기서열 분석 결과를 통해 추후 장기간 배양 조건 확립 가능성을 확인하였다.