오랜 시간 동안, 암 연구는 악성종양의 성인줄기세포에 대해 초점을 맞춰왔다. 암 치료면에서 이 세포들을 타켓시키지 못하면서 현재 암 치료는 실패하고 있다. 기본적 종양생성에 따르면 이 현상은 어떤 세포에서도 발생할 수 있다. 대조적으로 종양유전자 변형의 우선적 타켓은 조직줄기세포나 초기 자생능력을 갖고 있는 생식 세포으로 한다. 이 종양을 일으키는 세포, CSCs는 자생능력, tumorigenesis와 differentiation을 이끄는 과정을 특징으로 할 수 있다.

stem cells은 complex multicellular organism의 generation 뿐만 아니라 tumor의 발달과정에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 연구에 의하면 stem cell의 특성을 가진 cell들이 여러 형태의 human cancer의 통합적인 발달과 지속에 관여한다는 개념으로 접근되고 있으며 따라서 tumor의 이러한 stem-cell compartment를 제거하는 것이 암의 재발을 막고 궁극적으로 항암치료에 이용할 수 있는 역할을 하는 데에 핵심적인 주제로 논의되고 있다. 이 article은 cancer stem cells의 특성, cancer stem cell을 이용한 초기 치료계획에 대한 개괄적 사항, 향후 연구되어야 할 도전적 과제 등에 대한 내용을 정리한 review article이다.

BACKGROUND AND DEFINITION
Stem cell을 unique하게 여기게 되는 3가지 구별되는 특성들
1.Self-Renewal
2.Capability to develop into multiple lineages
3.Extensive proliferation capacity
cell의 분화과정에 있어서 하나 혹은 양쪽의 daughter cell은 parent cell의 biological properties를 보존하는 특성으로
이 특성이 파괴된 stem cell은 oncogenesis 및 malignancy와 연관되며, 비정상적으로 self-renewal이 증가되면 stem cell의 고유한 growth potential과 결합되어 malignant phenotype형성에 기여하는 것으로 알려졌다.

CSCs는 종양이나 조혈관련 암에서 발견되었고, 정상줄기세포와 연관된 특징(모든 세포 타입으로 변형가능한 능력)을 갖는다. CSCs는 다양한 세포 타입에서 Self-renewal과 differentiation을 통해 종양을 만들 수 있다. 구별되는 분포로 종양에서 존재하고 재발 및 전이의 원인으로 생각한다. CSCs를 타겟으로 하는 특정 치료의 개발은 특히 전이성 질병의 암 환자의 삶의 질과 생존을 위해 개선될 수 있다.
첫 결정적 증거는 1997년, Bonnet과 Dick에 의해 급성 골수성 백혈병에서 암줄기세포가 될 수 있는 CD34+/CD38- surface marker 세포를 면역억제 쥐에 이식하여 사람의 백혈병이 쥐에서 재현되면서 암줄기세포 가설은 진일보하게 되었다.
암 연구 실험에서 종양은 동물안에 종양세포를 투입함으로 형성될 수 있었다. 일반 약품들은 종양 억제의 능력을 실험할 수 있었다. 허나 효과적인 종양 생성은 수천에서 수만개의 세포를 필요로 한다. 전형적으로 종양세포를 이식하는 동안 생존률이 낮거나 종양 주변환경의 결정적 중요성으로 실험론적으로 설명이 부족하다. CSC paradigm의 지지자들은 오직 적은 양의 주입된 CSC가 조양ㅇ을 만들수 있는 능력을 갖고 있다고 논쟁한다. 

현재까지 “tumor-initiating" cells역할을 하는 malignant cells들은 hematopoietic system, brain, breast에서 확인된 것으로 알려져 있으며, cancer stem cells역시 self-renewal, multi-lineages potential, extensive proliferation capacity의 normal stem cells 지니고 있는 동일한 특성을 지닌다.

normal stem cells이 mutation을 일으켜 분화되는 것으로 추정되며, mutated progenitor cells에서 기인한 cancer stem cells로 분화되는 mechanism은 unclear 한 상태이다. 이러한 progenitor (transit-amplifying cell)는 실질적인 복제능력을 갖고 있지만 self-renewal capacity는 없는 것으로 알려졌다. 따라서 cancer stem cells로 되기 위해서는 progenitor cell은 Mutation과정을 통해서 self-renewal 특성을 획득해야 한다. 위의 설명처럼 cancer stem cell이 만들어지는 과정은 다양한 pathways가 있는 것으로 파악되며 Cancer stem cell의 개념은 서로 다른 환경에서 적용할 수 있는데 그 예로 cancer stem cells은 primary tumor에 있어서 모든 malignant cells의 source가 되기도 하고 chemotherapy후에 relapse를 일으키는 drug-resistant cells의 창고역할을 하거나, distant metastasis를 일으키기도 한다. cancer stem cells의 biological feature는 genetic instability 와 drug resistance와 같은 tumor progression에 관련이 되어 chemotherapy후에 relapse등을 설명하는 근거로 cancer stem cell의 완전한 파괴가 이루어 지지 않은 것으로 설명되기도 한다. 따라서 target cancer stem cell의 완전한 제거가 가능한 therapeutic strategies를 통해 current treatment보다 효과적으로 relapse와 metastasis의 risk를 줄
일 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

CANCER STEM CELLS IN THE HEMATOPOIETIC SYSTEM
hematopoietic system은 stem cell biology측면에서 가장 잘 특징지어지는 somatic tissue이다. leukemia같은 hematopoietic-cell cancers는 solid tumors와는 명백하게 구분되며 cancer stem cell biology의 광범위한 principle을 이해할 수 있는 적합한 측면이 있다. 다양한 leukemia에서의 cancer stem cell은 명확하게 알려져 있고 이러한 cancer stem cell의 다양한 생물학적 특성은 현재 적용되어지는 치료들과 직접적인 관련이 있다. cancer stem cell은 CML, AML, ALL에서 명백하게 보이고 있으며, CML의 경우 well-described stem-cell phenotype을 지니고 있으며 대부분의 cell상태는 휴지기(quiescent)의 상태에 있다. 이와 비슷하게 AML stem-cell역시 대부분 휴지기 상태에 머므르기 때문에 conventional antiproliferative cytotoxic regimens는 효과적이지 않은 것으로 알려져 있다. AML stem cell은 inteleukin-3-receptor ɑ chain과 같은 normal stem cells에 존재하지 않는 cell surface marker를 지니기 때문에 antibody-based 혹은 관련된 therapeutic regimen을 사용할 수 있다. 최근의 연구들에 의하면 AML의 치료에 있어서 몇몇 leukemia stem cell에 보이는 CD33 antigen을 이용한 antibodies치료가 제시되고 있으므로 이러한 stem cell specific 한 antigen을 이용한 immunotherapy의 지속적인 개발이 기대되는 상황이다.

CANCER STEM CELLS IN THE BRAIN
Brain tumor는 암 치사율이 높으며 수술 및 보조 치료가 발전하였음에도 불구하고 치료가 어렵다. 현재 Brain tumor 연구는 분자적 세포적 분석에 초점을 맞추고 있다. 보통 다양한 신경혈통 마커로 발현되는 형태학상으로 다양한 세포로 구성되어지며 기초적 형태학과 표현형의 분석은 임상 행동에 관련한 제한적 지식을 나타낸다. Brain tumor의 분포에서 중요 세포의 확인은 Brain tumorigenesis의 machanism 관점을 제공하고 정상 뇌의 세포의 기원을 확인하기 위해 필요하다. 백혈병 같은 경우 압도적 증거로 종양세포의 분포는 증식과 분화에 관련된 이질성을 보여준다. 대부분의 leukemic stem cell에서 보이지 않았던 과도한 증식과 자생 능력은 거의 없는 줄기 세포에서 가지고 있었다.
우리는 소아의 뇌 종양을 분석하기 위해 정상 신경줄기세포를 분리하였다. 다른 표현형의 primary human brain tumors로 부터 정제되고 특정지어진 이 세포는 증식, 자생, 분화 능력을 가지고 있었다. brain tumor stem cell(BTSC)은 CD133+ 이며, 신경 분화 마커의 발현은 부족하였고, 증식과 자생을 필요로 한다. BTSC는 정상 신경줄기세포와 유사하며 CD133과 nestin이 발현되었다.

CANCER STEM CELLS IN THE CENTRAL NERVOUS SYSTEM
central nervous system의 cancer stem cells 은 antigenic marker와 normal stem cells에서의 in vitro culture 상태로 발달시키는 성과로 분리되었다. Neurospheres내에 있는 stem cell compartment는 지속적으로 쪼개지는 형태로 single cell로 만들어지는 self renewal 의 증거를 보여줬고 최근의 연구에 의하면 normal neural stem cells는 cell surface에 AC133(CD133)epitope Ab로 detection 되는 protein도 발견되었다. in vivo 실험에서 CD 133 positive인 stem cell과 CD 133 negative인 stem cell을 주입한 결과 CD 133 negative 인 stem cells에서는 glioma가 생성되지 않는 것도 관찰 되었다.
현재까지 많은 연구에서는 CNS tumor에서 stem cell 과 같은 특성을 보이는 세포들이 모두 stem cell에서부터 필수적으로 기인하지 않은 것으로 많이 연구되었는데 이는 lineage-restricted progenitor cells에서 oncogene들의 cooperation 으로 인해 대부분의 malignant CNS tumor의 cytopathologic chracteristics를 지니는 tumor를 만들어내는 것으로 알려져 있다. 그 예로 oligodendrocyte progenitor에서 ras 와 myc oncogenes을 expression!하는 progenitor가 쉽게 vivo 환경에서 tumor를 발생시키는 것으로 확인 되었다. 이러한 연구를 바탕으로 하면 cancer stem cells는 tissue specific stem cell로부터 기인하는 것이 필수적인 것은 아니며 stem cell과 같은 특성을 후천적으로 획득한 committed progenitor cell로부터 기인하기도 한다는 것을 증명하기도 하는 것이다.

CANCER STEM CELLS IN THE BREAST
Al-Hajj등에 의한 연구에 의하면 전이된 breast cancer에서 advanced stages에서 추출된 specimens에서부터 CD44(+)/CD 24(-)의 cell surface antigen을 같는 cell이 발견되었고 이 cell은 스스로 tumor xenograft의 특성을 지닌 것으로 알려졌다. 이 cell는 역시 bulk tumor population에서 동일하게 분화되어 발견되었다.
Charafe-Jauffret 등은 stem cell marker aldehyde dehydrogenase(ALDH)의 발현을 연구하기 위해 사람 유방암 세포와 변형되지 않은 유방 세포를 얻어 33 cell lines을 이용하였다. ALDH는 해독효소로 세포내 aldehydes를 산화 시키며 줄기 세포의 분화에 중요한 역할을 할 것으로 생각해왔다. ALDH 활성은 다양한 골수종과 골수성 백혈병뿐만 아닌 뇌 조양에서 CSCs를 분리하는데 성공적으로 사용되었으며 stem cell 특성을 갖는 세포를 정상 유방조직 및 carcinomas로 부터 분리할 수 있다. 
대부분의 유방암세포는 CSC 특성을 갖는 특정 분자적 profile과 함께 ALDEFLUOR-positive population를 포함한다.
breast에서 normal cell과 cancer stem cell의 차이에 대한 특성연구도 현재까지 많은 발전을 보였지만 향후에 실험적인 도구를 사용한 breast cancer stem cells의 biological properties에대한 더 자세한 설명이 기대되는 상황이다.

CANCER STEM CELLS IN THE LUNG
Bronchoalveolar stem cells(BASCs ; 기관지폐포세포)는 precursors of lung adenocarcinoma로 쥐 실험에서 확인되었다. BASCs는 damage에 대해 저항성을 갖으며 상피세포가 재생되는 동안 증식한다. BASCs는 stem cell 특성을 지니며 발암성 K-ras와 lung tumor precursors에 반응하여 확장된다.
K-ras, phosphatase and tensin homolog(Pten), phosphoinositide 3-kinase(PI3K), cyclin-dependent kinase pathways는 이 stem cell의 증식을 암시한다. 사람 폐암과 drug resistance에 따른 발전면에서 BASCs와 다른 종양생성줄기세포의 분포의 potential role은 미래 연구를 위해 중요한 분야이다.

CANCER STEM CELLS IN THE COLON
결장암은 유전적 식각에서 가장 잘 이해되는 종양 분야 중 하나이지만 현재 치료에 의해 암세포를 근절시키지 못하여 여전히 두번째로 많이 죽는 암이다. 모든 결장암세포는 initiative하고 종양 성장을 지속하는 잠재성을 보유하고 있는지, 또는 종양은 잠자력을 갖는 일단의 세포들로 보유되도록 계층적으로 조직되어 있는지 알지 못한다. O'Brien 은 NOD/SCID를 이용하여 colon cancer initiating cell을 확인하였다. CD133+ cell은 대부분 종양세포로 구성되어 있으며 tumor growth를 initiate 할 수 없었지만, CD133+ 안의 CC-ICs는 스스로 유지가능, 분화, 종양 재생성 가능하였다. 

CANCER STEM CELLS IN THE OVARY
Bapat 은 환자의 복수로 부터 두개의 clone을 분리하였다. 이 clone은 조직병리학적으로 사람종양과 유사하게 nude mice에서 형성되었으며, 동물들에서 전파되었고 stem cell factor receptor CD117(c-kit, proto-oncoprotein)을 발현시켰다. 특정한 cell surface marker의 CSCs 기준을 만족시키기 위해, CD117과 CD44(hyaluronate receptor)의 발현이 cultured murine cell에서 관찰되고 있다. 

CANCER STEM CELLS IN THE PANCREAS
Al-Hajj등에 의한 CD44+/CD24-/epithelial-specific antigen-positive(ESA+)는 NOD/SCID에서 유방암 시료에 대해 tumor initiating cell 이다. Li 등은 CD44+/CD24+/ESA+에서 확인하였다. 이 세포는 nontumorigenic cancer cell과 비교하였을 때 tumorigenic potential이 100배 증가하였다. 100개의 CD44+/CD24+/ESA+ cell을 주입한 동물에서 50%가 종양이 생성되었다.
CD44+/CD24+/ESA+ cancer cell은 self-renewal, 분화된 자손세포 생성, sonic hedgehog(SHH)발현 증가와 같은 stem cell 특성을 갖는다. 성장과 생존을 조절하는 signaling pathways의 설명과 확인은 화학치료나 방사선치료의 악명높은 저항성을 갖는 췌장암의 치료의 접근을 위해 제공될 수 있다. 

CANCER STEM CELLS IN THE PROSTATE
전립선 암에 세포적 기원은 아직까지 밝혀지지 않았다. 종양세포의 대부분을 차지하는 luminal cell은 specific markers인 cytokeratins(CK) 8/18, androgen receptor(AR), prostate-specific antigen(PSA), prostatic acid phosphatase(PAP)등을 발현하기 때문에 정기적으로 분화된 luminal cells로 부터 발생 가능한다고 제안한다. basal cell marker인 p63이나 CK5, CK14에서의 거의 발현하지 않았다. 이것은 전립선암이 self-renewal 능력을 필요로하는 intermediate progenitors 로 부터 유래되었다고 짐작된다.
말기의 androgen-independent 종양은 AR-celld의 증가로 부터 나타났다. 최근 연구에 의하면 초기 cell(a2b1 hi/CD133+/CD44+)에서 self-renewal을 할 수 있었다고 한다. 분화 중에는, AR+/PAP+/CK18+ luminal cell을 확인할 수 있었다. CD44+ cell은 OCT3/4, BMI1 같은 stemness gene이 mRNA 수준에서 많이 발현하며 AR- 이다. 
이러한 경우, tumor-initiating cell은 AR-/p63-, stem cell genes인 Oct-4, Nanog, Sox2, nestin, CD44, CD133, c-kit 등이 발현하였다. 더 나아가 전립선 재생성 활동에 대해 분류된 Sca-1 cell은 기저세포와 관강세포의 혈통의 증거로 보인다.

CONCLUSION
CSCs는 급성 골수성 백혈병에서 CD34+/CD38- 유방암에서는 CD24-/CD44+ surface marker로 확인되었다. 이 처럼 CSCs는 다양한 상피 악성종에서 확인되었다. 
CSC의 존재를 단언하기 위해 5가지의 정의 기준을 설정하였다. 
1. self-renewal
2. 전체 종양에서의 소수 제한
3. 종양 재생성
4. 다능다분화
5. 특정 세포 표면 마커의 발현
조기에 발견한 어떤 암의 경우 성공적으로 치료가 가능하다. 허나, 후기의 암이나 췌장암은 생존률이 극히 적다. head and neck cancer의 경우 현재 치료에 저항성을 갖기도 하며 비전이 치료는 더 어렵다. 게다가 현재 화학적 항암 식이요법은 모든 빠르게 분화되는 세포를 타겟으로 하기 때문에 심각한 부작용을 야기시킨다.
동물 모델에서 이용되는 항암제 발전은 종양을 위축시키는 것을 효과적으로 여기고 있다. 허나 동물은 사람의 질병을 완벽하게 제공하지 못한다. 쥐의 경우 짧은 생명 주기를 갖으며 이는 종양 재발 연구에 어렵다. CSCs 연구는 초기 단계이며 실험실에서 먼저 발생하였다. CSCs의 결과로써 처리 기준은 아직 개발되지 않았다. 다음 단계는 CSC활성을 이해하고 정상세포의 위해 없이 Stem cell을 타겟으로하는 약물 확인에 있다. 이는 부작용을 적게 해줄 것이다.  


CHALLENGES FOR THERAPY TARGETED AGAINST CANCER STEM CELLS
target cancer stem cells에 대한 치료의 개발은 중요한 주제이지만 그 실현가능성은 현재로서는 그다지 크지 않다. 그 이유를 4가지로 설명하고 있다.
1. cancer stem cell의 제거를 위한 치료가 기원이 같은 normal stem cell 혹은 progenitor cell에 영향을 미치기 때문에 cancer stem cell에 대한 cell-surface antigen marker와 같은 normal stem cell과 구분할 수 있는 방법이 없이는 normal stem cell의 손상을 초래할 수 있기 때문이다.
2.cancer stem cells을 분석하고 설명할 수 있는 방법이 필요하다.
3.normal stem cells로부터 cancer stem cell이 분화되는 과정에 대한 명확한 이해가 필수적임에도 그 mechanism이 명확하지 않다.
4.tumor 덩어리에 효과적으로 작용하는 여러 치료적 방법이 cancer stem cells을 완전히 제거하지 못하는 이유에 대한 명확한 이해가 필요하다.
명백한 것은 normal stem cell과 tumor stem cell간의 더 나은 이해를 통해서 새로운 치료법을 적용할 수 있을 것이고 기존에 존재하는 chemotherapy regimen에 대한 생물학적 임상적 결과의 이해가 중요하다고 할 수 있다.
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Posted by 가우너


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