Cancer metastasis is a complex process that accounts for nearly 90% of mortality cases in cancer. Metastasis includes the following successive processes. Individual carcinoma cells disseminate from the primary tumor, invade the circulatory system, migrate to a distant place and form a secondary tumor structure. During this procedure, the dissemination of individual cells from the cellular mass is called the ‘scattering’ process, which is considered to be the most critical step in metastasis. To be disseminated from the collective island, cells need to change their morphology and functions. This process is defined as the epithelial-mesenchymal transition (henceforth simply EMT). Recent findings have shown that EMT is related to cancer invasion or metastasis, but the correlations between EMT, scattering, and physical forces have yet to be studied. In this study, we aim to establish the in vitro scattering system and study the correlation between migration and stress distribution upon the incidence of scattering from the epithelial sheet.
Here, we induced scattering by adjusting the initial size of the islands. When the monolayer size was large, an island expanded in a stable manner, coordinating with neighboring cells. On the other hand, when the monolayer size was small, islands broke down into individual packs of cells and the cellular migration speed increased, with rearrangements frequently occurring possibly related to scattering. To quantify the physical forces within the monolayer, we employed traction force microscopy (TFM) and monolayer stress microscopy (MSM). As scattering occurs, the balance of the traction field and intercellular stress distribution within small islands are broken. From this, we considered that the balance of the EMT region may play a crucial role in the scattering process. Therefore, we determined the degree of focal adhesion, which is a key feature of EMT, and found that small islands had much higher percentages of focal adhesion developed more cells as compared to large islands. The inhibition of focal adhesion prevented the scattering motion of an island. Hence, we could assume that the development of focal adhesion within a monolayer and the traction balance likely influence epithelial islands as to whether they maintain their adhesion or scatter into individual cells.
암 전이는 암 질병 치사율의 약 90%에 해당하는 원인을 제공하는 복합적인 기작으로써, 일차 종양조직에서부터 암세포가 떨어져 나와 혈관을 따라 이동, 다른 지역에 이차 종양조직을 만드는 일련의 과정을 포함한다. 이때, 일차 종양조직이라는 세포 군집으로부터 전이 암세포가 떨어져 나오는 현상을 ‘세포 분산’이라고 부르며, 이는 암 전이의 시작을 의미하는 매우 중요한 단계로 간주된다. 세포 군집 속에는 (1)세포와 세포 사이의 상호작용, (2)세포와 바닥 사이의 상호작용, (3)세포 자체의 구조 및 힘에 의한 여러 물리적 자극들이 존재하며 군집의 확장과 내부 세포들의 이동에 중요한 영향을 끼친다. 세포 분산은 이러한 군집으로부터 이동성이 증가한 세포들이 분리되는 현상이며, 따라서 군집 내부에 존재하는 물리적 힘은 분산 현상과 매우 밀접한 연관이 있을 것이다. 본 연구는 분산현상과 물리적 힘의 상관관계에 대한 이해를 위해 in vitro 상에서 구현한 세포 군집에 다양한 기하학적 조건 및 물리, 화학적 자극을 통해 분산 현상을 유도하여, 이에 따른 군집 속 물리적 힘과 운동성의 변화를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 하이드로 젤 위에 미세패턴으로 구현한 군집의 이동을 연속 촬영하여 이동성과 물리적 힘을 동시에 측정하고자 하였다. 미세패턴 방법을 통해 초기 군집의 크기를 다르게 주어준 결과, 상대적으로 작은 크기의 군집에서 분산현상이 더 활발하게 나타났다. 또한 세포 군집 속의 힘을 측정해본 결과 작은 크기의 군집 속에 있는 세포들의 힘들의 균형이 쉽게 깨지는 현상을 관측했다. 이에 본 연구에서는 이러한 작은 크기 군집의 분산은 세포와 바닥 사이의 힘에 의해 영향을 받을 것이라 생각하였고, focal adhesion이라는 세포-바닥 연결점을 분석해본 결과, 작은 군집 내부의 세포들의 focal adhesion이 큰 군집 세포들에 비해 상대적으로 높게 활성화되어 있는 것을 확인하였다. 또한 이러한 focal adhesion을 억제해본 결과, 작은 크기의 군집들에서도 분산현상이 감소하는 것을 발견하였다.
본 연구는 세포 군집 내부의 분산현상을 in vitro 상황에서 재현하고, 분산 현상 속 세포의 움직임과 군집 내부의 힘 측정을 통해 분산 현상을 정량화하고자 하였으며, focal adhesion이라는 세포와 바닥 사이의 연결이 분산현상과 밀접한 상관관계가 있음을 밝혀내었다. 이에, 분산 기작에 대한 이해에 있어 세포-바닥의 상호작용은 중요한 연구 주제가 될 것이라 생각한다.
