Effect of Retrovirus Mediated TNF-$\alpha$ Gene Transfer to Tumor Necrosis Factor(TNF) Sensitive Tumor Cell Lines on Sensitivity to TNF

Retroviral Vector를 이용한 TNF-$\alpha$ 유전자의 이입이 암세포의 종양괴사인자(TNF) 감수성에 미치는 효과

Background : Since tumor necrosis factor was discovered in 1975, TNF has been well known about its cytotoxic effect on tumor cells in vivo and in vitro. According to the recent improvement of molecular biological techinques, it is possible that exogenous TNF gene is transferred to tumor cells and is expressed in theirs. By virtue of TNF gene transfer, we have expected that TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells would kill tumor cells in vivo without systemic side effect. The expected mechanisms in which antitumor effects of TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells are working would be as followings. In the first mechanism, TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells would kill tumor cells around(like homicide). In the second mechanism, TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells would kill themselves(like suicide). In the third mechanism, TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells would recruit immune effector cells and kill tumor cells indirectly. In the last mechanism, TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cells would augment cytokine such as interferon-$\gamma$ to kill tumor cells. Among these four mechanisms of antitumor effect, only the second mechanism has not been established yet. Therefore, to elucidate the second mechanism, We performed this study. Method : We transferred TNF-$\alpha$ gene to NCI-H2058, a human mesothelioma cell line and WEHI164, a murine fibrosarcoma cell line by using retroviral vector(pLT12SNTNF). And, We determined by using MTT assay whether TNF expressed in TNF-gene-transferred tumor cell lines would kill themselves like suicide or not. Then, if TNF-gene-transferred tumor cell lines would not suicide themselves, I would know more about the TNF sensitivity of TNF-gene-transferred tumor cell lines to exogenous TNF also by MTT assay. Result : NCI-H2058 and WEHI164 which were sensitive to TNF, became far less sensitive to endogenous and exogenous TNF after being transferred TNF-$\alpha$ gene to. Conclusion : TNF-gene-transfer to NCI-H2058 and WEHI164 gave them resistance to TNF.

연구배경 : 종양괴사인자(tumor necrosis factor ; TNF)는 여러 암세포에 대해서 세포독성을 보임이 알려져 있다. 그리고, 최근 분자생물학적 발전에 힘입어 TNF 유전자를 암세포에 이입하고 발현시키는 연구가 그 동안 진행되었다. 이들 연구의 목적은, TNF를 전신적으로 쓸 경우 전신 부작용이 심하여 인체에 쓸 수 없는 현 단계에서 암세포 자체에서 TNF를 만들어 내어서 암세포 주위에서만 작용하게 함으로써 연체에 미치는 전신독성을 최소한으로 줄이고 암세포를 사멸시키는 것이었다. 암세포에 TNF 유전자를 이입함으로써 예상되는 항암효과가 성공을 거두기 위해서는 첫째, TNF 유전자가 이입된 암세포에서 분비된 TNF가 주위 암세포를 성공적으로 사멸시켜야 하고 둘째는 분비된 TNF가, TNF 유전자가 이입된 암세포 자신을 사멸시켜야 한다. 본 연구는 이 중 두번째 기전, 즉 TNF 유전자가 이입된 암세포가 자신이 분비한 TNF에 의해서 사멸되거나 또는 세포 독성이 나타날 수 있는가를 검증하는데 목적을 두었다. 방법 : TNF에 감수성을 보이는 인체의 중피종 세포주인 NCI-H2058과 생쥐 섬유육종 세포주인 WEHI164에 TNF-$\alpha$ 유전자를 retroviral vector를 이용하여 이입하고 TNF를 발현을 시도하였다. DNA 수준과 단백질 수준에서 TNF-$\alpha$ 유전자가 제대로 이입되어 발현되는지 PCR과 ELISA 및 bioassay(MTT assay)로 확인하였다. 그리고, TNF 유전자가 이입된 세포주가 자신이 분비하는 TNF에 사멸되는지 아니면 생존하는지 MTT(dimethylthiazolyl diphenyltetrazolium) assay로 알아보았다. 그리고, 만일 TNF 유전자가 이입된 암세포가 자신이 분비한 TNF에 사멸되지 않고 생존할 경우, TNF 유전자가 이입된 NCI-H2058-TNF와 WEHI164-TNF 암세포주가 외부에서 준 TNF에도 내성을 보이는지도 추가로 MTT assay 방법으로 확인해 보았다. 결과 : 1) TNF-$\alpha$ 유전자 이입 및 발현 확인 PCR을 시행한 결과, TNF 유전자가 이입된 NCI-H2058-TNF와 WEHI164-TNF 세포주는 790 base pair 크기의 진한 DNA band를 보인 반면 각각의 모세포주에서는 보이지 않아서 retroviral vector를 이용한 유전자 이입이 DNA 수준에서 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 그리고, NCI-H2058-TNF와 WEHI164-TNF의 상층 배양액의 TNF양을 ELISA와 bioassay(MTT assay)로 측정한 결과, 생물학적 활성을 지닌 TNF를 각각 $23.6{\pm}0.84ng$/24h/$10^6cells$, $12.2{\pm}0.36ng$/24h/$10^6cells$ 생산함을 알 수 있었다. 2) TNF 유전자 이입 전후, 암세포의 TNF에 대한 감수성 비교 TNF 유전자 이입 전후의 TNF에 대한 세포주의 감수성(세포사망율)을 TNF의 농도 변화에 따라 비교한 결과, NCI-H2058의 경우 TNF 농도 100ng/ml에서 모세포는 $25{\pm}3%$의 세포독성을 보인 반면 TNF 유전자 이입 후에는 $3{\pm}2%$의 세포독성을 보여 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). 그리고, WEHI-164의 경우도 TNF 농도 100ng/ml에서 모세포는 $73{\pm}5%$의 세포독성을 보인 반면 TNF 유전자 이입 후에는 $3{\pm}2%$의 세포독성을 보여 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). 결론 : TNF에 감수성을 보이는 암세포주인 NCI-H2058과 WEHI164에 TNF 유전자 이입을 시행하고 TNF가 발현되게 하였을 때, TNF 유전자를 이입받은 두 암세포주 모두에서 자신이 생산해 내는 TNF에 내성을 보여 생존하였다. 뿐만 아니라 생존한 이들 세포는 외부에서 준 TNF에 대해서도 내성을 보였다. 따라서, 암세포에 대한 TNF 유전자 이입을 통한 유전자 요법이 성공을 거두려면 유전자 이입된 세포에서 분비하는 TNF의 면역 세포 동원 방법 등의 간접적인 항암기전이 필요할 것으로 생각된다.