Journal of Life Science (생명과학회지)

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Biomarkers for Canine Mammary Tumors

반려견 유선종양 바이오 마커

  • Chan-Ho Lee (Department of Animal Science, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University) ;
  • Young Sun Choi (Jeollanam-do Agriculture Research and Extension Services Livestock Research Institute) ;
  • Suk Jun Lee (Department of Biomedical Laboratory Science, Cheongju University) ;
  • Sung-Hak Kim (Department of Animal Science, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University)
  • 이찬호 (전남대학교 동물자원학부) ;
  • 최영선 (전라남도 농업기술원축산연구소) ;
  • 이석준 (청주대학교 임상병리학과) ;
  • 김성학 (전남대학교 동물자원학부)
  • Received : 2024.06.05
  • Accepted : 2024.06.24
  • Published : 2024.06.30
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Abstract

Mammary gland tumors are the most common tumors detected in non-spayed female dogs and pose a significant clinical challenge. Due to the strong similarity between canine mammary tumors (CMT) and human breast cancer (HBC), biomarkers identified in HBC can also be detected in CMT. These biomarkers have been shown to offer valuable insights into early diagnosis, prognosis, and treatment strategies. The purpose of this article is to provide a concise overview of CMT biomarkers based on the current literature. Traditional treatments for CMT in dogs typically begin with surgery, followed by chemotherapy, radiotherapy, or hormonal therapy. However, these treatments alone are not always fully effective. A diagnostic biomarker can detect the presence of a disease or the characteristics of a disease and classify an individual's status. Prognostic biomarkers focus on predicting the expected progression, recurrence, or survival of the disease in patients. By utilizing advances in understanding the mechanism of canine-specific mammary gland tumors, the estimation of biomarkers offers hope for improved outcomes in cancer patients. Novel technologies, such as single-cell RNA sequencing analysis, could provide a valuable resource for deciphering intra- and inter-tumoral heterogeneity. This review paper explores current research on CMT biomarkers and suggests directions for their development.

유선 종양은 중성화되지 않은 암컷 반려견에서 가장 빈번하게 발견되는 종양으로, 중요한 임상 문제로 대두되고 있다. 반려견 유선 종양(CMT)과 인간 유방암(HBC)의 강한 유사성으로 인해, 인간 유방암에서 확인된 바이오 마커는 반려견 유선종양에서도 검출될 수 있다. 이러한 바이오 마커는 조기 진단, 예후 및 치료 전략에 유용한 통찰력을 제공하는 것으로 나타났다. 본 논문은 연구되어진 반려견 유선종양 바이오 마커에 대한 간략한 개요를 제공하고자 한다. 반려견 유선 종양의 전통적인 치료는 외과적 수술로 시작하여 화학요법, 방사선 요법, 또는 호르몬 요법이 뒤따르지만, 이러한 치료법만으로는 항상 충분하지 않을 수 있다. 반려견 유선 종양 특이적 발암 기전 이해의 바탕으로 개발된 바이오 마커는 환견에게 더 나은 결과를 제공할 희망을 준다. 단일 세포 RNA 시퀀싱 분석은 종양 내 및 종양 간 이질성에 대한 유익한 정보를 제공할 수 있다. 본 리뷰 논문은 반려견 유선 종양 바이오 마커에 대한 현재 연구를 탐구하고 그 발전 방향을 제안한다.

Keywords

서론

반려견 유선종양은 중성화되지 않은 암컷 반려견에서 가장 흔한 종양으로 반려견 종양의 70% 정도 발병하고 있다. 암컷 개의 유선종양에 대한 역학적 연구에 의하면 47.5%가 악성 종양으로 진단되었고, 유선종양이 발생한 평균 연령은 9‒11세로, 2세 이하의 어린 암컷 개는 드물었다[15, 65, 66]. 또한, Zatloukal 등(2005)은 반려견 유선종양의 연령 분포와 종양의 악성도에 대해 연구한 결과 양성 종양을 가진 개의 평균 연령이 8.9세이고, 악성 종양을 가진 개의 평균 연령이 10세임을 보고했다[85]. 이는 반려견의 연령이 높아질수록 악성 종양의 비율이 증가함을 의미한다. 이러한 악성 종양은 다른 조직으로의 전이 가능성이 높아 예후가 좋지 않기 때문에, 유선종양의 조기 진단과 예방이 필요하다[52].

반려견 유선종양을 치료하기 위한 방안으로는 주로 외과적 수술에 의한 종양 절제를 기본으로 화학요법 및 방사선요법이 추가로 시행된다. 하지만, 이러한 항암치료법은 인간 유방암의 치료법을 적용한 것으로, 치료 효과의 한계가 있기 때문에 반려견 유선종양에 대한 발암과정의 이해와 기전연구를 통한 근본적인 치료접근이 필요하다[13, 14].

반려견 유선종양은 나이[7, 86], 종별[37], 호르몬[21, 75, 79], 식습관[62, 69], 유전적 배경[41, 54, 72] 등의 다양한 원인에 의해 발병되는 것으로 알려져 있다. 최근 여러 종양에서 알려지고 있는 종양 특이 바이오 마커들은 종양의 발생 및 진행과 더불어 예후를 예측할 수 있는 인자로 작용할 수 있고, 이에 따라 맞춤형 치료 전략을 개발함으로써 궁극적으로 반려견의 생존율을 높일 수 있다.

따라서, 본 리뷰 논문에서는 반려견 유선종양에서 나타나는 바이오 마커를 살펴보고 이들의 중요성을 논하고자 한다.

본론

바이오 마커(biomarker)

바이오 마커는 생물학적 상태나 질병의 존재, 진행 및 치료 반응을 나타내는 측정 가능한 지표를 의미한다. 이는 혈액, 체액, 조직 등의 다양한 생체 시료에서 발견될 수 있으며, 종양 진단과 치료에 사용된다[23, 67]. 바이오마커는 진단(diagnostic)마커와 예후(prognostic)마커로 나뉠 수 있다. 진단 바이오 마커는 환자가 특정 질병을 가지고 있는지 여부와 더불어 상태 및 진행도를 파악하는데 목적이 있다. 예후 바이오 마커는 환자가 가진 질병의 예상 진행도, 재발 또는 생존 가능성을 예측하는 것에 도움을 준다[2, 58, 60].

예를 들어, Ki-67 단백질은 세포가 증식하면서 발현되는 단백질로서, 조직 내 일반적인 종양의 존재 및 유무를 판단하는데 사용되는 마커이다. 뿐만 아니라, 종양 조직에 따라 전립선 암은 PSA (prostate-specific antigen) [9, 36], 난소암은 CA-125 (cancer antigen 125) [80], 유방암은 HER2 (human epithermal growth factor receptor 2) [27, 68, 71], 대장암은 CEA (carcinoembryonic antigen) [28], 간암은 AFP (alpha-fetoprotein) [5], 췌장암은 CA19-9 (cancer antigen 19-9) [4] 등과 같은 진단 마커들이 인간 암에서 사용되어지고 있다.

반려견의 경우, 혈액, 혈청, 소변, 조직 등을 이용하여 다양한 질병 진단을 위한 바이오 마커 개발 및 이에 대한 평가 연구들이 진행되어 왔다[35, 39, 43, 44, 47]. 예를 들어, CRP (C-reactive protein)는 반려견에서 전신 염증성 질환의 표지자로서, CRP 농도의 변화는 염증성 자극에 대해 빠르게 반응하고 임상적으로 질병의 진단 및 치료 모니터링에 유용한 것으로 알려져 있다[33, 48, 53]. 심장 질환 진단의 NT-proBNP (N-terminal pro B-type natriuretic peptide), 간 질환 진단의 ALT (alanine aminotransferase), 신장 질환 진단의 SDMA (symmetric dimethylarginine), 췌장 질환 진단의 TLI (trypsin-like immunoreactivity) 등과 같은 바이오 마커들이 반려견의 건강 상태를 조기에 진단하는데 사용되고 있다[25, 31, 77, 82].

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Fig 1. Applications of tumor biomarkers.

반려견에서 발생하는 종양 진단을 위해서 알려져 있는 마커로서 티미딘 인산화효소(thymidine kinase 1, TK1)는 세포가 증식하면서 활성화되는 효소로, 특히 림프종, 급성 림프구성 백혈병 그리고 유선종양에서 연구되어진 바가 있다. 예를 들어, Sharif 등(2023)은 림프종에서 혈청 내 TK1 단백질 발현이 높음을 확인하였고, Jagarlamudi등(2014)은 유선 종양을 가진 개체의 세포 및 혈청 내에서 동일한 결과를 보고하였다[34, 64].

반려견 유선종양에서의 바이오 마커

반려견 유선종양에서는 1980년대부터 조직학적 특성 및 종양 관련 유전자들에 대한 연구가 진행되어 왔다[30]. 최근, 유전체 및 전사체와 같은 오믹스 분석 방법이 발전함에 따라, 반려견 유선 종양 특이 새로운 유전자 돌연변이 및 성장인자 의존 신호 전달 등 종양 특이 변화를 광범위하게 관찰할 수 있게 되었다. 특히 종양발생 및 악성화에 관련 있는 p53, BRCA1/2 (breast cancer susceptibility gene, 1 and 2), PTEN (phosphatase and tensin homolog), PIK3CA (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha), mTOR (mammalian target of rapamycin) 및 KRAS (kristen rat sarcoma viral oncogene homolog)와 같은 특정 유전자의 돌연변이는 반려견 유선종양 발병에 기여하고 있으며, 이들은 인간 유방암에서도 공통적으로 중요한 역할을 한다[1, 32, 40, 45, 76]. 따라서, 반려견 유선종양의 바이오 마커 개발 연구는 인간 유방암과의 유사성을 기반으로 수행될 수 있다[37].

반려견 유선 종양 진단 마커(diagnostic markers)

Fan 등(2021)은 혈청 및 유선 종양 조직 내 진단 바이오 마커로 CA15-3 (Cancer Antigen 15-3), CEA (carcinoembryonic antigen), 및 SF (serum ferritin)가 유선 종양의 진단 바이오 마커로 사용될 수 있음을 보여주었다[26]. CA15-3는 임상에서 유방암 진단을 위해 광범위하게 쓰이고 있으며, 임상 병기와 양의 상관관계를 가지고 있다[61, 84]. 정상 및 양성 종양을 가진 그룹에 비해 악성 종양에서 세가지 종양 마커 단일 검출의 민감도와 정확도가(CA15-3: 민감도 51.8%, 특이도 93.9%, 정확도 76.8%, CEA: 44.6%, 84.1%, 68.1%, SF: 62.5%, 85.4%, 76.1%) 높았다. 또한, 이러한 바이오 마커 CA15-3, CEA 및 SF의 결합 검출(민감도 80.4%, 특이도 78.0%, 정확도 80.0%)이 정확한 종양 진단을 위한 방법으로 사용될 수 있으며 진단율을 높일 수 있음을 시사하였다[26].

Valko-Rokytovska 등(2020)은 정상 16마리와 유선종양을 가진 14마리 개체의 소변 샘플의 대사산물(metabolite)을 비교 분석했을 때 두 그룹의 대사산물 중앙값 비교 결과, 종양을 가진 그룹에서 epinephrine (E) (82배; p=0.03), 레보도파(3,4-dihydroxy-L-phenylalanine, L-DOPA) (11배; p=0.0003), 5-hydroxyindolacetic acid (5-HIAA) (5배; p=0.0003), indoxyl sulfate (IS) (3.37배; p=0.0091), serotonin(5-HT) (22배; p=0.0019), 그리고 kynurenic acid (KYNA)(1.8배; p=0.022)의 수준이 유의미하게 높았다. 정상 개체와 유선 종양이 있는 개체의 소변에서 타이로신(tyrosine) 및 그 대사산물(L-DOPA, E, DOPAC, VMA)과 트립토판(tryptophan) 및 그 대사산물(5-HT, 5-HIAA, KYNA, IS)의 수준을 평가하였는데, 타이로신과 트립토판의 대사산물 중 특히 5-HT는 암세포의 유사분열 인자로, 인간의 폐암, 방광암, 유방암과 같은 암에서 바이오 마커로 연구되어진 바가 있다[55, 81]. 따라서 소변 내 타이로신 및 트립토판 대사산물의 모니터링은 비침습적인 진단뿐만 아니라 반려견 유선종양에 대한 치료 전략 모니터링에도 유용할 것으로 보여 진다[78].

혈액 순환 암 세포(circulating tumor cell, CTC)는 원발성 종양에서 벗어나 혈액 내에서 발견되는 암 세포로서, 그 양은 매우 적지만 이들을 조기에 발견함으로써 그에 맞는 치료 전략을 제시하고 예후를 예측할 수 있다[46, 70]. Da Costa A 등(2014)은 유선종양이 있는 개체의 말초혈액에서 CTC 유래 AGR2 (anterior gradient homologue-2), ATP8B1 (ATPase type 8B member 1), CRYAB (crystallin alpha B), F3 (coagulation factor III), IRX3 (iroquois homeobox-3) 및 SLC1A1 (solute carrier family-1)의 6가지 특정 유전자의 발현을 확인하였다. 이들 중 CRYAB은 CTC 검출에 대해 가장 높은 특이성과 중간 정도의 민감도를 갖는 것으로 보인다[6, 17, 18].

반려견 유선 종양 예후 마커(prognostic markers)

면역조직화학염색법(immunohistochemistry, IHC)은 특정 종양 특이 항체를 이용하여 조직을 염색하여 암을 진단하고, 치료 반응을 예측하며, 질병의 예후를 결정하는데 사용된다[50, 73].

인간 유방암과 동일하게 반려견 유선종양에서도 estrogen receptor (ER)와 progesterone receptor (PR), 그리고 HER2 (human epidermal growth factor receptor 2)의 발현에 따라 아형(subtype)을 분류하고 특정한 치료를 하는데 사용된다. 호르몬 수용체 ER 및/또는 PR의 발현은 양성 종양에서 빈번히 나타나며, ER+ 및 PR+ 종양은 ER− 및 PR+ 종양보다 더 나은 예후와 연관이 있으며, ER− 및 PR− 종양은 더 나쁜 예후와 관련이 있는 것으로 알려져 있다[41]. 이러한 결과는 호르몬 수용체 발현 상태에 따라 반려견 유선 종양의 예후에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다. 하지만, 반려견 유선 종양에서 HER2의 발현은 양성 및 악성 조직, 아형, 종양 등급, 림프 조직 전이 간에는 유의미한 상관관계가 관찰되지 않았다. 이는 HER2가 반려견 유선종양의 나쁜 예후와 관련이 없음을 보여주었다. 그러나, 반려견 유선종양에서 HER2에 관한 상반된 연구 결과들이 존재하기 때문에 추가적인 연구가 필요하다[11, 38, 63].

또한, Ki-67은 잘 알려진 예후 바이오 마커로, Ki-67의 높은 발현은 인간 유방암에서 예후 및 화학 요법에 대한 반응과 관련이 있다[20, 51, 74]. 반려견 유선종양에서도 Ki-67의 높은 발현은 악성도와 연관이 있으며, 이는 종양의 진단 및 예후 평가에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사한다[57, 87]. Ki-67과 마찬가지로, PCNA (proliferating cell nuclear antigen)의 발현은 종양 크기, 종양 조직학적 유형, 악성 종양의 조직학적 등급 및 림프절 전이와 양의 상관관계가 있어 발현을 통해 반려견 유선종양 개체의 생존율을 예측할 수 있다[3, 8, 12].

추가적으로, Ren 등(2023)은 반려견의 혈청 내 사이토카인(cytokine)인 인터루킨-6, 8, 10(IL-6, 8, 10) 수준이 양성 종양 및 정상 개체에서 보다 악성 종양에서 높음을 보고하였다[59]. 사이토카인은 표적 면역 세포의 증식과 분화를 조절하여 면역반응을 조절한다. 기존 선행연구에 따르면, 다수의 전이성 유방암 환자에서 혈청 내 IL-6의 상승은 종양 재발의 증가, 생존율과 높은 관련이 있는 것으로 밝혀졌다[56].

반려견 유선 종양 예측 마커(predictive markers)

예측 바이오 마커는 개인 맞춤형이라는 점에서, 개별암의 유전적 및 분자적 프로파일을 기반으로 치료전략을 제시하기 때문에 주목받고 있다. Arendt 등(2023)의 연구는 반려견 유선종양 55개의 정상-종양 조직 쌍에서 14개 종양(25%)에서 PIK3CA 유전자 돌연변이(H1047R, E545K)와 2개의 종양에서 KRAS 유전자 돌연변이(G12V)의 존재를 보고 하였다. 또한, 종양 억제 유전자인 PTEN의 돌연변이를 확인함으로써, 반려견 유선종양은 PIK3CA와 KRAS의 활성화뿐만 아니라 PTEN의 불활성화로 인해 암 세포의 성장, 분열 및 생존에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다[1].

p53 단백질은 인간과 동물에서 종양 억제 유전자로서, 세포 사멸 또는 손상된 세포 주기의 정지 및 DNA의 복구를 유도하여 암 발생을 억제하는 것으로 알려져 있다[49]. 반려견에게서 발생하는 p53의 돌연변이는 종양 억제 기능을 상실하게 하며, 종양의 침습성과 전이 능력을 증가시킨다[29]. 반려견 유선종양에서의 p53의 대해 정확히 밝혀진 바는 없으나, 몇몇 연구 결과가 p53의 중요성을 강조하고 있다. 유선육종에서 면역조직화학 염색법을 통한 p53의 발현 패턴을 분석한 결과, 높은 등급의 종양에서 p53의 발현이 관찰되었고 이는 p53이 종양의 악성 진행에 있어서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다[22]. 다른 연구에서는 면역조직화학 염색으로 p53, ER, Ki-67의 발현과 유선종양 등급의 상관관계를 분석하였다. 170개의 종양 샘플 중 grade I은 52.3%(89/170), grade II는 21.2%(36/170), grade III는 26.4%(45/170)로 분류되었으며, 이 중 p53 양성은 0.5%(8/170)로 매우 낮은 빈도수를 보이고 있지만, p53 양성인 경우 Ki-67 발현이 더 높고, 높은 등급과의 종양과 상관관계가 있음을 보고하였다[10].

Kim 등(2020)의 연구에서 191개의 자연적으로 발생한 반려견 유선종양의 전장 엑솜 시퀀싱(whole-exome sequencing, WES) 및 전사체 분석을 통해 PIK3CA 돌연변이(43.1%), PI3K-Akt 신호전달 경로의 이상(61.7%) 및 암의 개시와 진행에 관여하는 주요 유전자를 분석했다. 더불어, 양성 및 악성 유선종양에서 발견되는 돌연변이는 단계적으로 발생하는 현상이기 보다 이들은 초기에 발생하여 악성화를 결정한다는 점을 제시하였다. 그러나, 일반적으로 종양 시작에 관여하는 것으로 알려져 있는 TP53 손실이나 KRAS의 돌연변이는 유선종양의 악성화 단계에서 얻어지는 것으로 보인다[42].

표피 성장 인자 수용체(epidermal growth factor receptor, EGFR)는 반려견 유선종양에서 중요한 마커 중 하나이다. EGFR은 세포막에 존재하는 막 관통 수용체로서 종양 세포의 성장, 분화, 생존을 조절할 수 있는 신호 경로를 활성화한다. EGFR의 과발현이나 돌연변이는 종양에서 주로 관찰되며, 이는 종양의 악성도, 화학요법에 대한 저항성과 생존율 감소와 연관되어 있다[16, 24, 63]. Damasceno 등(2016)에 따르면, 주변 조직으로 침습된 종양보다 원발성 종양에서 EGFR의 높은 mRNA 및 단백질 발현은 종양 초기 발생 단계에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보고하였다[19].

반려견 유선종양 바이오마커 개발의 방향성

이상적인 종양 마커 개발을 위해서는 종양 간 혹은 종양 내 이형성(heterogeneity)에 대한 이해가 필요하다. Bergholtz 등(2022)은 기존 인간 유방암에서 정의된 하위 분류와 연관된 유전자 발현 패턴 분석 방법인 PAM50을 반려견 유선종양에 적용한 결과를 보여주었다[7]. 인간 유방암과 마찬가지로, 호르몬 수용체만으로 설명할 수 없는 종양 하위 아형(subtype)을 반려견 유선 종양에서 분류함으로써 네 가지 주요 하위 유형(basal/HER2-enriched/luminal A/luminal B)에서의 인간 유방암 사이에 유사성을 발견하였다.

뿐만 아니라, 최근 단일 세포 RNA 시퀀싱(single cell RNA-sequencing) 기술을 통해 단일 세포 단위에서 전사체 분석을 통해 종양 조직 내 다양한 세포들의 존재 및 악성화에 대한 이해의 폭이 넓어지고 있다[83]. 위 기술을 활용하여 단일 세포 수준에서 차등적인 유전자 발현을 비교하고, 조직 내에 존재하는 다양한 세포들을 그룹화 하여 종양 조직 내 이질성 및 미세환경의 상호 관련성을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 전사체 분석 데이터들을 바탕으로 향후 종양 조기 진단, 재발, 전이에 대한 메커니즘을 규명하고 바이오 마커 발굴을 하는 데 있어서 강력한 도구로 작용할 것이다.

결론

반려견의 기대 수명이 연장됨에 따라, 사람들의 반려견 건강에 대한 관심은 꾸준히 증가하고 있다. 사람 유방암에 비해 반려견 유선종양에 대한 연구가 부족하지만 사람에게서 주로 사용되는 방법들을 반려견에게 적용해 볼 가치는 충분히 있다. 바이오 마커는 우리의 눈에 보이지 않는 분자들을 식별하여 질병의 예방, 진단, 예후 등을 판단할 수 있는 기준을 제시하는 측면에서 중요하다. 질병에 걸린 개체들을 분자 수준에서 조사하여 특징적인 바이오 마커들을 스크리닝하고 그러한 마커들이 가지는 의미가 무엇인지 연구하는 것이 해결해 나가야 할 사안이다. 반려견 유선종양은 특히 인간 유방암과 가지는 발암성 특징(유전자 돌연변이, 신호전달 경로 활성도 등)이 비슷하고 살아가는 환경이 비슷하기 때문에 더욱 유선 조직에서 발달하는 암의 특징을 연구할 수 있는 좋은 모델이 될 수 있다. 반려견 유선종양의 경우, 단일 세포 RNA 시퀀싱을 활용하여 종양의 이질성의 특성을 파악하고 아형을 분류함으로써 개선된 바이오마커 개발이 필요할 것이다.

감사의 글

본 논문은 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업(2021RIS-002) 및 전남대학교 연구년교수 연구비(과제번호: 2021-3975) 지원에 의하여 연구되었음.

The Conflict of Interest Statement

The authors declare that they have no conflicts of interest with the contents of this article.

References

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