Malignant tumors have been identified as a major cause of many deaths, and the mortality rate is increasing every year. Investments and spending on cancer treatments are increasing over the years, and the scale and importance of research on cancer chemotherapy are increasing. In particular, breast cancer is more likely to lead to death because it has a higher metastatic potential than other types of cancer. Cancer cells in the body mainly exist in a cluster, so they have lower oxygen tension than the surrounding environment. Therefore, this study aims to compare the efficacy of anticancer drugs as the oxygen tension changes based on the microfluidic device which is easy to form an oxygen tension gradient. A microfluidic device with channels through which gas flows are designed in addition to channels for culturing cells. Simulations and experiments using oxygen sensitive fluorescence reagents were performed to confirm that the desired oxygen tension gradient was formed. Breast cancer cells (MDA-MB-231s) and human umbilical vein endothelial cells were co-cultured in the microfluidic device to mimic the microenvironment surrounding the cancer cells in the body. In order to confirm the cell response to changes in oxygen tension in the device, the difference of the expression level of hypoxic environment specific marker (HIF-1$\alpha$) and the motility of the cancer cells according to the oxygen tension was observed. Finally, comparing the viability of the cancer cells by the two anti-cancer drugs in different oxygen tension confirmed that the oxygen tension could affect the anti-cancer effect. In conclusion, we confirmed the effect of anti-cancer drugs in oxygen tension gradient generated environment by simulating the microenvironment similar to the body by controlling the oxygen tension in the device and suggested the need to control the dosage of anti-cancer drugs which may be harmful to human normal tissues.
악성 종양은 여러 사망 요인들 중 주요 원인으로 지목되고 있으며, 그 사망률은 매년 증가하고 있는 추세이다. 이에 암 치료에 관한 투자 및 지출은 해가 지날수록 증가하고 있고 항암 치료에 관한 연구 규모 및 그 중요성도 커지고 있다. 특히 유방암은 다른 암종에 비해서 타 장기로의 전이성이 높기 때문에 사망으로 이어지는 확률이 높다. 체내에서 암세포는 주로 군집 형태로 존재하기 때문에 주변 환경에 비해 낮은 산소 분압을 가지게 된다. 따라서 본 연구에서는 산소 분압 구배 형성이 용이한 미세유체소자를 기반으로 산소 분압에 따른 항암제의 효능을 비교하는 것을 목표로 한다. 세포를 배양하는 채널 외에 가스가 흐르는 채널이 추가된 미세유체소자가 설계되었고, 원하는 산소 분압이 형성되었는지를 확인하기 위해 시뮬레이션과 산소에 민감한 형광 시약을 사용한 실험을 진행하였다. 미세유체소자 내부에서 체내의 암세포 주변 미세 환경을 모사하기 위해서 유방암세포 (MDA-MB-231)와 혈관세포 (Human umbilical vein endothelial cell)를 공동 배양하였다. 소자 내에서 산소 분압의 변화에 따른 세포의 반응을 확인하기 위해 저산소 환경 특이적 마커 (HIF-1$\alpha$)의 발현 정도와 산소 분압의 차이에 따른 암세포의 운동성을 관찰하였다. 마지막으로 서로 다른 산소 분압 내에서 두 가지 항암제에 의한 암세포의 생존율을 비교함으로써 산소 분압이 항암제의 효과에 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인하였다. 결론적으로 소자에서 산소 분압을 조절하여 체내와 유사한 미세 환경을 모사함으로써 산소 분압 구배가 형성된 환경에서 항암제의 효능이 증가하는 현상을 검증하였고, 인체 정상 조직에 유해할 수 있는 항암제의 투여량 조절의 필요성을 제시하였다.
