Three-dimensional growth of endothelial cells by cancer cells in the co-culture system using nanofibrous scaffold

Abstract

Angiogenesis is critical element for local growth and metastasis of tumor cells. It is a mechanism that supports the growth of cancer cells through the generation of new blood vessels from existing ones. The purpose of this study was to establish a nanofibrous scaffold-based two-layer co-culture system of endothelial and cancer cells using poly ε-caprolactone (PCL) polyester. PCL was dissolved on either chloroform or dimethylformamide solvent and subsequently electrospun to produce chloroform-PCL (C-PCL-M) and chloroform and dimethylformamide-PCL (CD-PCL-M). Either C-PCL-M or CD-PCL-M was attached to the transwell insert (upper layer), while C-PCL-M was used at the bottom of the 24-well plate (lower layer). bEnd.3 endothelial cells and CT26 cancer cells were seeded and assembled on the upper and lower layer of the co-culture system, respectively. The growth rate of bEnd.3 cells in CD-PCL-M was decreased over time compared to bEnd.3 cells seeded in C-PCL-M in the absence of vascular endothelial growth factor (VEGF). However, the growth rate of bEnd.3 cells in CD-PCL-M was increased upon co-cultured with CT26 cells. The growth rate of these bEnd.3 cells was blocked using anti-VEGF antibody and anti-cancer drug sorafenib. In addition, when the chemical hypoxia inducer CoCl2 was added in the co-culture environment, the expression of VEGF and HIF-1α in cancer cells were increased and the growth of co-cultured endothelial cells was also improved. Thus, the growth of endothelial cells from nanofibrous scaffold is dependent on the composition of nanofibers, and this co-culture system can be utilized to analyze the cellular functions of endothelial cells in the presence of cancer cells.

혈관신생은 기존 혈관으로부터 새로운 혈관의 생성을 통해 암으로의 성장을 제공할 수 있게 하는 메커니즘으로, 종양의 국소 성장과 전이에 중요한 요소이다. 이 연구는 내피세포의 성장에 암세포가 미치는 영향을 조사하기 위해 3차원 2층(Two-layer) 공배양 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다. Poly ε-caprolactone (PCL) 나노섬유 막은 전기방사 (electrospinning)를 통해 chloroform (C-PCL-M)과 chloroform 및 dimethylformamide (CD-PCL-M)을 용매로 하여 제작되었다. 상층에는 C-PCL-M 또는 CD-PCL-M을 부착하였고, 하층에는 C-PCL-M을 부착하였다. 상층에서는 내피세포, 하층에는 암세포를 배양하였으며 2개의 층을 조립하여 공동배양이 가능하도록 하였다. 혈관 내피 성장 인자(VEGF)가 없는 경우, 시간의 경과에 따른 bEnd.3 내피세포의 성장은 CD-PCL-M에서는 감소하였지만 C-PCL-M 에서는 감소하지 않았다. CD-PCL-M에서의 bEnd.3 세포의 성장은 CT26 암세포와의 공동 배양되었을 때 향상되었다. 이러한 bEnd.3 세포의 성장의 증가는 anti-VEGF 항체와 sorafenib을 처리하였을 때 차단되었다. 또한 공배양 환경에서 화학적 저산소 유도물질인 CoCl2을 첨가하였을 때, 암세포에서의 VEGF 및 HIF-1α의 발현이 증가하였으며 공배양 된 내피세포의 성장 또한 향상시켰다. 따라서 나노섬유 지지체에서의 내피세포의 성장은 나노섬유의 조성에 의존적이며, 이 공동배양 시스템은 암세포에 의한 내피세포의 성장을 분석하는 데 사용될 수 있다.