Discovery of predictive marker genes for the sensitivity for Gemcitabine plus Abraxane (nab-paclitaxel) combination drug in pancreatic cancer cell lines using 3D organoid culture method

Abstract

Pancreatic cancer remains a lethal malignant disease with a 5-year survival rate of less than 10%. More than 80% of pancreatic cancer patients are diagnosed at a stage where surgical resection is not an option, necessitating chemotherapy. However, since there is no biomarker for patient-specific drug selection yet, it is essential to discover biomarkers for pancreatic cancer patients. One of the first attempts in this direction was the establishment of adherent pancreatic cancer cell lines (2D) from patients' tumors. For decades, these 2D pancreatic cancer cell lines have been used as convenient PDAC models. However, 2D cells differ somewhat from the characteristics of early tumors in several aspects, including tumor microenvironment, metabolism, sensitivity to anticancer drugs, and gene expression. To reduce these differences, 3D tumor organoid culture methods have recently been developed for various cancer types affecting organs such as the pancreas, prostate, liver, stomach, and lung. Organoids are capable of reproducing the morphology, gene and protein expression, cell polarity, and cellular metabolic heterogeneity of the primary tumor to a large extent. As a result, they serve as an ideal tool for modeling pancreatic cancer and conducting drug testing. In this study, to enhance the therapeutic effect of pancreatic cancer by identifying predictive marker genes for the efficacy of the gemcitabine plus Abraxane (nab-paclitaxel) combination drug, we established a matrigel-based 3D organoid culture model and organoid drug test platform using pancreatic cancer cell lines in normal cell culture media condition and patient-derived pancreatic cancer cell lines (CRC YPAC cell lines) in F-media condition, without using organoid culture media. Subsequently, utilizing the established organoid culture model and drug test platform, we identified IL4R as a sensitivity biomarker and S100A4 as a resistance biomarker for the gemcitabine plus Abraxane (nab-paclitaxel) combination drug in pancreatic cancer.

췌장암은 5년 생존율이 10% 미만으로 여전히 치명적인 악성질환으로 남아있다. 전체 췌장암 환자의 80% 이상이 수술적 절제가 불가능한 단계에서 진단되고 있어 이들의 경우 항암치료가 필요하다. 하지만 아직 환자 맞춤형 약물 선택을 위한 바이오마커가 없기 때문에 췌장암 환자를 위한 바이오마커의 발굴은 필수적이다. 이를 위한 첫 번째 시도 중 하나는 환자의 종양으로부터 부착형 췌장암 세포주(2D)를 확립한 것이다. 수십 년 동안 이러한 2D 췌장암 세포주는 편리한 PDAC 모델로 사용되어 왔다. 그러나 2D 세포는 종양의 미세환경, 물질대사, 항암제에 대한민감성, 유전자발현 등 여러 측면에서 초기 종양의 특징과 다소 차이가 있다. 이러한차이를 줄이기 위한 방법으로 최근 췌장, 전립선, 간, 위, 폐 등 장기에 영향을 미치는다양한 암 유형에 대해 3D 종양 오가노이드 배양 방법이 개발되었다. 오가노이드는원종양의 형태, 유전자 및 단백질 발현, 세포 극성 및 세포 대사 이질성을 크게 재현할 수 있다. 결과적으로 췌장암의 모델링 및 약물 테스트를 수행하는 데 이상적인 도구 역할을 한다. 본 연구에서는 젬시타빈과 아브락산(nab-paclitaxel) 조합 항암제의 효능에 대한예측 마커 유전자를 확인하고 췌장암의 치료 효과를 높이기 위하여 오가노이드 배양배지를 사용하지 않고 일반 배양 배지 조건에서 췌장암 세포주와 F-배지 조건에서환자 유래 췌장암 세포주 (CRC YPAC 세포주)를 활용하여 마트리겔 기반의 3D 오가노이드 배양 모델 및 오가노이드 약물 테스트 플랫폼을 구축하였다. 나아가 수립한오가노이드 배양 모델 및 약물 테스트 플랫폼을 활용하여 췌장암에서 젬시타빈과 아브락산(nab-paclitaxel) 조합 항암제에 대한 민감성 바이오마커로 IL4R을, 저항성바이오마커로 S100A4를 확인하였다.