Breast cancer remains the leading cause of deaths among women in the world. It has a complex biological mechanisms and it is challenging to experimentally access the human body in vivo. In response to these issues, researchers have developed vascularized breast cancer models in PDMS microfluidic platforms as a new tool to better understand the complex mechanisms behind human breast cancer. However, there remain some challenges in recapitulating all aspects of breast cancer using current microfluidic breast cancer models. The majority of vascularized breast cancer models that have been developed as of 2018 do not consider the effects of hormone and hydrophobic anti-cancer drugs. This results from small hydrophobic molecules such as hormone and some drugs that are absorbed or adsorbed to the PDMS, which comprises hydrophobic polymer networks. In response, we develop a 3D perfusable vasculature model combined with breast cancer cells by co-culturing HUVECs and breast cancer cell lines (MCF-7 or MDA-MB-231) in an absorption-free cyclic olefin copolymer (COC) microfluidic device to analyze the effects of the major female hormone estradiol and the anti-cancer drug tamoxifen, which are both small hydrophobic molecules. First, we confirmed that estradiol stimulates the cell proliferation of ER-positive MCF-7 cells contrary to ER-negative MDA-MB-231 cells. Second, it was observed that estradiol prevented cell apoptosis of MCF-7 seeded with fibrin gel induced by treatment of tamoxifen. Finally, from our vasculature model combined with breast cancer cells in a COC microfluidic device, we presented that the treatment of estradiol with tamoxifen enhanced the cell viability of vascular networks as well as MCF-7 cells compared to tamoxifen treatment alone. These results demonstrate that it is essential to consider the effects of the hormone microenvironment and hydrophobic anti-cancer drugs in a microfluidic platform for the studies of vascularized breast cancer models.
유방암은 복잡한 생물학적 기작을 가지고 있기 때문에 많은 연구자들이 오랜 기간 연구해왔음에도 불구하고, 여전히 규명되지 않은 과제들이 많이 남아있으며 전 세계적으로 다수의 여성들이 유방암으로 인해 사망하고 있는 실정이다. 이러한 배경으로 정확한 인체 미세환경 모사를 통한 유방암 연구의 필요성이 대두되었고, 그 일환으로 장기칩(Organ-on-a-chip)의 일종인 종양과 혈관 세포를 함께 배양한 암-혈관 모델이 발전되어 왔다. 하지만 거의 대부분의 미세유체 소자는 소수성 입자를 흡수하는 PDMS로 제작되기 때문에, 2018년 현재까지 개발된 미세유체 소자 내 유방암-혈관 모델에서도 소수성 입자인 호르몬과 항암제가 암세포에 미치는 영향에 대한 연구 사례는 거의 찾아보기 어렵다. 이러한 배경으로, 본 연구에서는 소수성 입자 흡착에서 자유로운 환형 올레핀 공중합체로 제작된 미세유체 소자를 사용하여 유방암-혈관 모델을 제작한 뒤, 이를 이용하여 여성호르몬인 에스트로겐과 소수성 항암제인 타목시펜이 유방암세포와 혈관에 어떤 영향을 미치는지 관찰하였다. 먼저 플라스크 내 암세포 배양을 통해 에스트로겐이 유방암세포 MCF-7의 증식을 촉진하는 것을 확인하였고, 미세유체 소자 내 피브린 젤과 함께 MCF-7 세포를 배양함으로써 에스트로겐이 타목시펜으로 인한 암세포 자살(cell apoptosis)을 막아준다는 사실을 확인하였다. 최종적으로 미세유체 소자 내 형성된 유방암-혈관 모델을 통해, 에스트로겐을 타목시펜과 함께 투여할 경우 타목시펜을 단일 투여한 경우보다 암세포와 주위 혈관의 생존율이 높다는 사실을 확인하였다. 이를 통해서 미세유체 소자 내 제작된 암-혈관 모델에서 호르몬 미세 환경과 소수성 항암제의 효과를 고려하는 것이 매우 중요하다는 결론을 도출하였다.
