전립선 비대증(BPH)은 전립선의 비암성 및 비정상적인 성장을 보이면서 50세 이상 남성에서 흔하게 나타나는 전립선 질환으로 70대 이상에서 발생률이 80% 이상을 보인다. BPH의 원인으로 인종, 식이요법, 비만 및 당뇨병 등 다양한 요인에 의해 발병되는 것으로 알려지고 있으나, 아직까지 명확한 발병 원인과 기전은 잘 알려져 있지 않다. 이에 본 연구에서는 BPH와 연관이 있는 것으로 알려진 대식세포와 호르몬에 초점을 맞춰 BPH의 발병 기전을 밝히고자 하였다. 특히, 체내 전립선 환경과 유사한 3차원 공동배양 시스템을 구축한 다음, 이를 이용하여 장기간 에스트로겐과 안드로겐 노출에 따른 전립선 세포 내 스테로이드 호르몬 수용체의 변화를 조사하고, 아울러 전립선 내에 존재하는 대식세포가 전립선 세포의 섬유화에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.
먼저 정상 전립선 상피 세포주인 RWPE-1과 정상 전립선 기질 세포주인 WPMY-1을 공동배양하면서 에스트로겐 수용체(ER)인 ERα와 ERβ, 그리고 안드로겐 수용체(AR)의 발현량을 조사하였다. 두 세포주 모두에서 ERα, ERβ, AR이 발현하는 것을 확인하였고, 특히 ERα와 ERβ는 공동배양 세포에서 크게 감소하였다. 두 세포주를 이용한 2차원 공동배양과 함께 3차원 공동배양을 진행하였고, 상피세포 표지자인 CK18 항체와 기질세포 표지자인 vimentin 항체를 이용하여 면역염색을 수행하였다. 2차원 및 3차원 공동배양 모두에서 상피세포는 배양체 내부에 위치하고, 기질세포는 바깥에 위치하는 것을 확인하였다.
다음으로, 17β-estradiol (E2)과 dihydrotestosterone (DHT)이 2차원 및 3차원으로 공동배양된 전립선 세포에 미치는 영향을 조사하였다. 2차원 및 3차원 공동배양된 세포 모두에서 각각 100nM E2와 100nM DHT를 처리하였을 때 세포 증식이 증가하였으며, 특히 DHT 처리군에서 대조군과 E2 처리군과 비교하여 유의하게 증가했다. ERα, ERβ, AR의 유전자 발현을 조사한 결과, 2차원 공동배양된 세포에서는 DHT 처리 후 24시간에 ERα, ERβ, AR의 발현은 감소하였으나, AR은 시간이 지남에 따라 발현이 증가하는 양상을 보였다. 반면, E2 처리 후에는 ERα, ERβ, AR 모두에서 발현의 변화가 없었다. 한편, 3차원 공동배양된 세포에서는 DHT 처리 후 24시간에 ERα와 ERβ의 발현이 유의하게 감소하였으나, 시간이 지남에 따라 발현이 증가하였다. 특히, AR의 발현은 DHT 처리 후 72시간에 유의하게 증가하였다. 반면, E2 처리 후에는 2차원 공동배양된 세포에서와 마찬가지로 ERα, ERβ, AR 모두에서 발현의 변화가 없었다. 흥미롭게도 DHT 처리 후 AR의 발현은 2차원 공동배양 세포에서보다 3차원 공동배양 세포에서 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 종합적으로 RWPE-1과 WPMY-1세포의 공동배양체에 대한 DHT의 효과는 E2 보다 컸고, 시간이 지날수록 효과가 더 증가한다는 것을 알 수 있었다. 특히, 호르몬에 대한 세포의 반응은 2D 공동배양 세포에서보다 3D 공동배양 세포에서 훨씬 더 크게 나타났다.
한편, 전립선 비대증의 원인인 전립선 세포의 섬유화에 스테로이드 호르몬이 미치는 영향을 알아보기 위하여, 먼저 RWPE-1 및 WPMY-1 세포에 E2와 DHT를 처리한 후 섬유아세포 표지인자인 CoL1A1과 근섬유아세포 표지인자인 α-SMA 유전자 발현을 조사한 결과 유의한 차이는 나타나지 않았다. 아울러 대식세포가 전립선 비대증 섬유화에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 먼저 대식세포를 RWPE-1 및 WPMY-1 세포 함께 공동배양하면서 대식세포 분화에 관여하는 유전자를 분석한 결과, M2 대식세포 유전자의 발현이 증가하였다. 이 후 전립선 세포와 M2 대식세포를 공동배양한 후 전립선 세포에서 섬유화 관련 유전자를 분석한 결과, CoL1A1 유전자 발현은 감소하였으나, α-SMA 유전자 발현은 유의한 차이를 보이지 않았다.
M2 대식세포와 스테로이드 호르몬이 동시에 미치는 영향을 알아보기 위하여, RWPE-1과 WPMY-1세포의 공동배양체에 E2와 DHT를 처리한 결과, 호르몬을 처리하지 않은 군에 비해 전립선 기질세포의 형태가 더 길어진 것을 확인하였다. 유전자 분석 결과, DHT 처리 후 전립선 세포 공동배양체에서 CoL1A1과 α-SMA 유전자 발현이 증가하였으나, E2 처리 후에는 유의한 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과는 DHT와 M2 대식세포가 동시에 작용할 때 전립선 섬유화가 유발될 수 있음을 시사한다.
다음으로 어떤 사이토카인이 전립선 섬유화에 관여하는 지를 알아보기 위하여 M2 대식세포를 공동배양하면서 DHT를 처리한 후 배양액 내에서 사이토카인을 분석한 결과, MIF와 IL-1β/IL-1F2 양은 증가하였으나, 반대로 G-CSF와 ICAM-1/CD54 양은 감소하였다. 이러한 결과는 DHT의 영향으로 M2 대식세포에서 분비하는 MIF와 IL-1β/IL-1F2의 증가와 G-CSF와 ICAM-1/CD54의 감소가 전립선 세포의 섬유화를 촉진시킨다는 것을 시사한다.
종합하여 볼 때, 본 연구에서는 전립선 상피세포인 RWPE-1과 기질세포인 WPMY-1을 이용하여 전립선 비대증을 체외에서 모방할 수 있는 전립선 세포 3차원 공동배양 모델을 구축하였으며, 이 모델을 사용하여 전립선 세포 내 ER과 AR의 발현에 대한 E2와 DHT의 영향을 평가한 결과, 기존의 2차원 공동배양 모델보다 3차원 공동배양 모델에서 ER과 AR의 발현량이 더 큰 증가를 보였다. 이러한 결과는 전립선 비대증 연구에 있어 2차원 공동배양 모델보다 3차원 공동배양 모델의 사용이 더 적합하다는 것을 시사한다.
한편, 전립선 비대증의 원인인 전립선 세포의 섬유화에 미치는 스테로이드 호르몬과 대식세포의 영향을 조사한 결과, 전립선 세포 공동배양체에 의해 M0 대식세포가 M2 대식세포로 분화하였다. 또한, 전립선 세포 공동배양체에 M2 대식세포를 공동배양하면서 DHT를 처리하면, M2 대식세포로부터 분비되는 특정 사이토카인들이 전립선 세포의 섬유화 관련 유전자 발현을 증가시켰다. 이러한 결과는 전립선 세포와 M2 대식세포, 그리고 DHT의 상호 작용으로 전립선 비대증이 유발될 수 있음을 시사하고 있다.