Cellular spheroids have substantial advantages over traditional 2D monolayers as a cancer model due to its structural characteristics and the metabolic gradient similar to in vivo tumor. In the last three decades, a variety of strategies for spheroid formation have been developed. Although the same types of cells from the same origin are utilized, the spheroids made using different methods can have different characteristics. However, it has been challenging to determine which method would generate most proper and functional spheroids for each cell type. Here we hypothesized that there might be correlations between the morphological characteristics and the functionalities of the cellular spheroids. To verify these relationships, we generated the total of six cancer model types with three different cancer cell lines, namely breast cancer cell line, ovarian cancer cell line, and colorectal cancer cell line, using two representative spheroid generation techniques, scaffold-free and scaffold-based methods. We also defined the metrics to characterize the morphological and functional aspects of the spheroids. For each cancer model, parameters for evaluating the functional traits of the spheroid were chosen based on its typical metastatic route. More specifically, breast cancers, which frequently metastasize through hematogenous/lymphatic routes in vivo, were assessed with 3D invasion assay. On the other hand, ovarian cancers, which mostly metastasize through transcoelomic routes, were evaluated with 2D spreading assay. Colorectal cancer models were rated with both 3D and 2D metrics since they are known to take both hematogenous and transcoelomic routes in vivo for metastasis. Based on comparative analyses of the spheroidal phenotypes and functionality, the spheroidal circularity was suggested as the key parameter for the correlations between the formation and metastatic potential. Breast cancer models made with the scaffold-based method showed high circularities and migrated collectively in 3D environments. Collective migration in 3D environments has been proven to be physiologically relevant. In the case of the ovarian cancer model, spheroids made with scaffold-free methods showed high circularities and better capability of spreading in the 2D environment. Finally, the colorectal cancer models made with both the scaffold-free and scaffold-based methods showed similar circularities and also similar invasiveness. Our results suggested a positive correlation between circularity and metastatic potential. Furthermore, we found that spheroids made in a physiologically relevant condition also exhibited higher circularity. These correlations might shine light on the development of more functionally appropriate cancer models that would reflect actual human tumors of different origins.
세포 스페로이드는 그 구조적 특징에 의해 내부에 물질 대사 구배가 형성되기 때문에 흔히 쓰이는 2차원 구조의 세포 단층에 비해 많은 이점을 가지고 있다. 세포 스페로이드를 만들기 위한 다양한 전략들이 개발되어 왔는데, 이 때문에 같은 세포로 만든 스페로이드일지라도 대부분의 경우 서로 다른 특성을 갖게 된다. 그러나 아직까지는 특정 세포의 특성을 잘 구현하기 위해서 어떤 방법을 선택해야 하는 지에 관한 지침이 제시되지 않은 상태이다. 이에 우리는 세포 스페로이드의 형태와 그 기능성 간에 상관관계가 있을 것으로 가정하고, 이를 검증하기 위하여 3가지 종류의 세포주(유방암 세포주, 난소암 세포주, 대장암 세포주)와 2가지 생성 방법(지지체 없이 제작하는 방식, 지지체 기반 방식)을 이용하여 총 6가지의 세포 스페로이드를 만들고 분석하였다. 세포 스페로이드의 기능성을 정량화하는 매개 변수는 각각의 암이 체내에서 취하는 전이 경로를 반영하여 정의하였다. 혈관/림프관을 통해 전이하는 유방암의 경우에는 3차원 환경에서의 침습 분석으로, 체강을 통해 전이하는 난소암의 경우에는 2차원 환경에서의 퍼짐 분석으로 그 기능성을 정의하였다. 대장암의 경우 체내에서 두 가지 경로를 모두 취하기 때문에 침습 분석과 퍼짐 분석을 모두 수행하였다. 세포 스페로이드의 형태와 기능성을 비교 분석하여 본 결과, 원형도가 세포 스페로이드의 기능성과 관련되어 있음을 확인하였다. 유방암의 경우 지지체 기반 방식으로 만든 경우에 원형도가 높았으며, 3차원 환경에서 집단 이동을 하는 것이 확인되었다. 세포의 집단 이동은 암 전이의 병리학 연구에서 발견된 현상으로 지지체 기반 방식으로 만든 세포 스페로이드가 실제 상황을 잘 반영함을 보여준다. 난소암 세포 스페로이드의 경우 지지체 없이 만든 스페로이드가 높은 원형도와 퍼짐 정도를 보여 주었다. 대장암 세포 스페로이드의 경우, 두 가지 방법으로 만든 스페로이드가 비슷한 수준의 원형도를 보여주었고, 침습성 역시 비슷하게 나타났다. 따라서, 세포 스페로이드의 원형도와 그 기능성 간에 양의 상관관계가 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 밝혀진 세포 스페로이드의 형태와 기능성 간 상관관계는 실제 종양을 적절하게 모사하는 모델을 만드는 연구의 초석이 될 것으로 기대되는 바이다.
