종양의 압박은 약물 내성을 유발한다
Focus: Compression of Tumors Causes Drug Resistance

종양이 성장함에 따라 발생하는 압력은 화학 요법 치료의 효과를 제한할 수 있다.

새로운 실험에 따르면 암성 종양은 세포에 대한 압력의 결과로 화학 요법 약물에 내성을 가질 수 있다. 연구자들은 성장 중에 압박된 암세포 덩어리가 압축되지 않은 덩어리보다 항암제의 영향을 덜 받는다는 것을 발견했다. 테스트된 약물을 포함한 많은 화학 요법 약물은 빠르게 번식하거나 “증식하는” 세포를 표적으로 한다. 압박에 의해 증식 속도가 감소하여 관찰된 약물 내성을 설명한다. 연구자들은 그들의 결과를 사용하여 약물 내성과 압박 효과를 연결하는 이론적 모델을 만들었다. 압박력과 약물 내성 사이의 관계를 이해하면 연구자들이 광범위한 종양 상태에 대한 화학 요법 치료를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.

수백 년 전 암 치료는 종종 종양을 물리적으로 압박하는 것과 관련이 있었지만 이런 접근법은 19세기에 수술과 화학 치료가 선호되면서 대부분 포기되었다. 연구원들은 이제 기계적 힘이 종양 성장에 영향을 미칠 수 있는 방법과 종양이 성장함에 따라 자연적으로 생성되는 힘에 대해 훨씬 더 잘 이해하고 있다. “대부분의 고형 종양은 제한된 공간에서 자랍니다. 러시아워에 지하철을 타고 팔을 펼치고 싶은 것과 같습니다. 공간을 확보하려면 주변을 밀어야 합니다.”고 프랑스 툴루즈에 있는 국립 과학 연구센터(CNRS)의 생물 물리학자 Morgan Delarue는 말한다. 이전 연구에 따르면 암 환자의 압박 종양은 혈류가 제한적이며 2011년 연구에서는 압박이 세포 증식을 억제할 수 있음을 발견했다.

이러한 효과와 항암제가 작동하는 방식을 알고있는 Delarue와 그의 동료들은 성장하는 종양이 경험하는 압박이 약물 내성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 궁금해했다. 그는 질문은 “압박된 세포가 더 느리게 증식한다는 것을 알고, 암 치료에 사용하는 대부분의 약물이 증식하는 세포를 표적으로 한다는 사실을 알고 있을 때, 기계적 스트레스를 받는 세포에 약물을 추가하면 어떻게 될까?”라고 말한다.

이 질문에 답하기 위해 연구자들은 췌장암 세포를 사용하여 수십 개의 “회전 타원체”-종양처럼 작용하는 직경 수백 마이크로미터의 세포 덩어리-를 구성했다. 연구팀은 일부 회전 타원체를 배양 배지에서 자유롭게 성장시키고, 다른 회전 타원체를 성장하는 회전 타원체를 제한하는 겔인 순수 우무 또는 덱스트란(혈장 대용품)에 배치하여 팽창함에 따라 덩어리를 압박하게 한다. 8일 후 자유 성장 회전 타원체는 대략 2.5배 더 커졌지만 제한된 회전 타원체는 1.5배만 확대되었다. 연구진은 일반적으로 사용되는 화학 요법제인 젬시타빈 또는 도세탁셀을 두 세트의 회전 타원체에 적용했다. 이들 약물은 증식하는 세포를 표적으로 한다. 약물을 투여받은 후 자유 회전 타원체는 1.5배 더 줄어들었고 제한된 회전 타원체보다 작아졌다.

다음으로 Delarue와 그의 동료들은 회전 타원체 크기와 세포 증식 속도를 연결하는 간단한 모델(방정식 집합)을 구성했다. 이 모델을 사용하면 약물에 노출된 회전 타원체의 예상되는 세포 사멸률을 경험하는 압박의 총량에 따라 예측할 수 있다. 이 공식을 데이터에 적용함으로써 연구팀은 약물 내성이 세포 내 약물의 활성화 감소 또는 약물 섭취 부족과 같은 다른 효과가 아닌 압박 유발 세포 증식 감소로 설명될 수 있음을 확인할 수 있었다.

이 결과는 암 연구자들이 약물을 설계하거나 치료 계획을 처방할 때 종양 압박의 영향을 인식해야 한다는 다른 최근 연구와도 일치한다고 Delarue는 말한다. 약물 내성에 대한 압력의 중요성은 또한 종양의 압박을 줄이는 새로운 치료법으로 이어질 수 있다. 그러나 Delarue는 의문이 남아 있다고 말한다. 예를 들어, 압박이 왜 증식을 감소시키는지 또는 압박과 증식의 관계가 종양 종류에 따라 어떻게 다른지 명확하지 않다.

일부 연구자들은 더 많은 증거를 보고 싶어한다. 미국 시카고 대학의 생물학자인 Carman Ip는 “그들은 그들의 원리를 증명하기 위해 더 많은 실험이 필요합니다.”, 압력, 세포 증식 및 후속 약물 내성 사이의 관계를 테스트하는 방법으로 “예를 들어, 그들은 다른 농도의 순수 우무를 사용할 수 있습니다.”라고 말한다.

그러나 새로운 발견은 기계적 힘과 관련된 다른 결과와 일치한다고 미국 미네아폴리스의 미네소타 대학의 생물 의학 엔지니어인 Paolo Provenzano는 말한다. “[종양이] 이런 식으로 행동하는 것은 당연합니다.” 하지만 알아내기 위해서는 여전히 테스트를 실행해야 한다. “중요하고 중요한 실험입니다.”라고 그는 말한다.

Mechanical Control of Cell Proliferation Increases Resistance to Chemotherapeutic Agents, Ilaria Francesca Rizzuti et al., Phys. Rev. Lett. 125, 128103 (2020), Published September 18, 2020.

이론가들이 암흑 물질 탐지기의 잠재적 신호에 반응하다
Synopsis: Theorists React to Potential Signal in Dark Matter Detector

XENON1T 암흑 물질 실험에 의해 보고된 감질나는 신호는 이론가들이 새로운 물리학과 관련된 설명을 조사하도록 촉발시켰다.

2020년 6월 16일, 세계에서 가장 민감한 암흑 물질 탐지기 중 하나인 XENON1T를 운영하는 공동 작업에서 설명할 수 없는 신호를 보고했다. 신호는 아직 발견을 위한 “5-시그마” 기준에 도달하지 않았으며 평범한 설명이 여전히 범인이 될 수 있다. 그러나 이론가들은 이색적인 입자나 상호 작용이 관련되어 있는지 여부를 빠르게 탐구했다. Physical Review Letters는 받은 제안에 대해 일관된 전문가 검토를 받기 위해 특별한 절차를 따랐다. 현재 이 학술지는 추구하는 이론의 폭을 대표하는 5개의 논문을 출판하고 있다.

보고된 모든 시나리오는 XENON1T의 검출기를 구성하는 초순수 크세논의 거대한 통에서 생성된 신호의 두 가지 측면을 설명한다. 첫째, 신호는 대부분 크세논 원자의 전자와 충돌한 입자에서 나온 것처럼 보인다. 둘째, 이런 각 상호 작용은 원자에 수 keV를 버렸다. 새로운 설명 중 두 가지는 일반적인 암흑 물질 용의자 중 일부에 대한 왜곡을 포함한다. 일본 Tohoku University의 Fuminobu Takahashi와 동료들은 액시온(axion)이라고 불리는 가벼운 질량 입자에 초점을 맞추고 있다. 액시온 모델의 한 가지 문제점은 천체물리학적 관찰과 상충되는 액시온과 일반 광자 사이의 결합을 가정한다는 것이다. 연구자들은 액시온이 대부분의 액시온 모델이 생각하는 것보다 광자와 상호 작용할 가능성이 적다면 이 상충을 해결하고 XENON1T 신호를 설명할 수 있음을 보여준다. 캐나다 Queen’s University의 Joseph Bramante와 Ningqiang Song은 약하게 상호 작용하는 거대 입자(윔프, WIMP)의 작은 질량 버전을 포함하는 시나리오를 고려한다. 그들의 모델에서 WIMP류의 입자는 더 작은 질량을 가진 유사한 입자로 산란되어 질량 차이가 크세논 전자의 반동 에너지로 남는다. 그들의 시나리오는 천체물리학적 관찰에서 파생된 암흑 물질에 대한 제약 조건과 양립될 수 있기 때문에 매력적이다.

다른 두 아이디어는 XENON1T가 발견할 수 있는 독특한 기능, 즉 신호의 일별 변조를 공유한다. 호주 멜버른 대학의 Nicole Bell과 동료들은 “무거운” 상태와 약 3 keV 차이의 “가벼운” 상태를 갖는 “발광” 암흑 물질 입자를 고려한다. 그들은 크세논 핵에 부딪히는 가벼운 상태 입자가 더 무거운 대응체로 흩어질 수 있으며, 그 후 3 keV의 광자를 방출하여 에너지가 전자에 쏟아질 수 있음을 보여준다. 미국 솔트 레이크 시티에 있는 유타 대학의 Bartosz Fornal과 동료들은 대신 “북돋워진” 암흑 물질을 본다. 여기에서 태양이나 은하 중심의 암흑 물질 소멸 과정은 일반적으로 천천히 움직이는 “차가운” 암흑 물질을 제공하고 관측된 keV 신호를 생성하기에 충분한 에너지를 제공한다.

마지막으로 독일 막스 플랑크 핵 물리 연구소의 Andreas Bally와 동료들은 비표준 중성미자를 포함할 가능성을 고려한다. 그들의 모델에서 태양에서 나오는 중성미자는 XENON1T의 검출기에서 전자와 충돌한다. 이런 충돌은 중성미자 중 일부가 탐지기에 보이지 않는 비표준 “숨겨진” 중성미자로 흩어지면 관찰된 신호를 생성할 수 있다. 그들의 설명은 대형 강 입자 충돌기(LHC) 및 향후 가속기에서 찾을 수 있는 표준 모델을 넘어선 물리학과 관련이 있다.

XENON1T Excess from Anomaly-Free Axionlike Dark Matter and Its Implications for Stellar Cooling Anomaly, Fuminobu Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 125, 161801 (2020).

Neutrino Self-Interactions and XENO N1T Electron Recoil Excess, Andreas Bally et al., Phys. Rev. Lett. 125, 161802 (2020).

Explaining the XENON1T Excess with Luminous Dark Matter, Nicole F. Bell et al., Phys. Rev. Lett. 125, 161803 (2020).

Boosted Dark Matter Interpretation of the XENON1T Excess, Bartosz Fornal et al., Phys. Rev. Lett. 125, 161804 (2020).

Electric But Not Eclectic: Thermal Relic Dark Matter for the XENON1T Excess, Joseph Bramante et al., Phys. Rev. Lett. 125, 161805 (2020).

Published October 12, 2020