Beta-carotene inhibits neuroblastoma cell invasion and metastasis through down-regulation of hypoxia-inducible factor-1α in vitro and in vivo

Abstract

본 연구에서는 베타카로틴이 신경모세포종의 암세포 전이에 미치는 영향을 HIF-1α을 조절 기전에 초점을 맞추어 규명하였다. 신경모세포종은 1세 이하의영유아에게 발병하는 가장 흔한 소아암을 일종으로 자율신경계를 이루는 세포에 발병하는 희귀암이다. 신경모세포종의 다른 기관으로의 침윤이나 전이는 림프절, 골수, 폐 등으로 일어나며 예후가 좋지 않으므로 이를 규명하는 일은 중요하게 여겨진다. 저산소증은 악성 종양에 발생하는 임상적 현상으로서, 저산소증이 발병된 부위의 종양은 타 기관으로의 전이가 촉진되며 암세포의 성장이 촉진되는 특징을 지니게 되는데 이 때에 저산소환경에 서 암세포의 적응과 성장, 전이를 주도하는 전사인자 HIF-1α이다. 베타카로틴은 카로티노이드의 한 종류로써, 그것이 가지는 항산화 효능과 일부 암에서의 항암효과가 알려져 있으나 신경모세포종에서의 항전이 효과는 알려진바 없다. 따라서 본 연구에서는 베타카로틴의 신경모세포종의 항전이 효능을 세포수준과 동물실험을 통해 규명하였다. 특히 저산소환경(1% O2)을 유도하여 항전이 효능을 HIF-1α가 조절되는 메커니즘을 통해 밝혀내었다. 세포실험에서 베타카로틴은 저산소환경과 일반적인 산소환경에서 모두 신경모세포종의 침투와 이동을 억제시켰고, 저산소환경을 주도하는 단백질인 HIF-1α의 전사와 단백질 발현이 감소되었다. 또한 HIF-1α로 발현이 조절되는 VEGF와 GLUT1의 mRNA수준도 함께 억제된 것을 밝혀내었다. 이러한 세포수준의 결과를 동물실험 수준에서 규명하기 위해 세포실험에서 이용된 신경모세포종을 5주령 면역결핍 쥐의 꼬리정맥을 통해 주입하여 전이를 유도하였다. 그 결과 신경모세포종이 전이가 간으로 일어난 것을 알 수 있었고, 간 전이가 일어난 발병률이 베타카로틴을 섭취시킨 군에서 유의적으로 감소한 것을 확인하였다. 전이가 일어난 간에서 측정된 종양의 부피 또한 베타카로틴을 먹인 군에서 92%까지 억제되었다. 종양에서 분리한 단백질과 RNA을 분석한 결과 베타카로틴을 섭취시킨 군에서 전이와 관련된 MMPs와 TIMPs의 mRNA수준이 억제되고 HIF-1α의 단백질과 mRNA수준 뿐만 아니라 HIF-1α로 발현이 조절되는 VEGF와 GLUT1의 mRNA수준도 함께 감소된 결과를 밝혀내었다. 전이가 일어난 간조직의 병리조직학적 분석 결과 베타카로틴에 의해 종양의 성장이 억제되고 HIF-1α의 발현이 억제되는 결과를 도출하였다. 이와 같은 베타카로틴의 효능은 종래에 알려져 있던 베타카로틴의 항암 효과로 주목되어 온 항산화 효능과는 다른 새로운 기전으로써, 악성 신경모세포종의 항전이를 타겟하는 치료법 개발에 유용하게 활용되는 과학적 근거자료로 쓰일 수 있을 것이다.;Neuroblastoma is the most prevalent extracranial solid tumor in childhood and has poor clinical outcome due to its high potential for metastasis. An understanding of the mechanisms that modulate cancer cell invasion, migration, and metastasis is important to develop of more effective chemotherapeutic agents. It has been reported that hypoxia is associated with poor overall patient survival, advanced tumor stages, and metastasis in many types of cancer which is mainly regulated by hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α). While β-carotene is a vitamin A precursor that has been shown to exert antioxidant and anticancer effects, the anti-metastatic effects of β-carotene on neuroblastoma cells remains poorly understood. The aim of the present study was to investigate the anti-metastatic effects of β-carotene on highly malignant SK-N-BE(2)C neuroblastoma cells in vitro and in vivo. Treatment of SK-N-BE(2)C cells with β-carotene was found to attenuate the migratory and invasive capabilities of the cells. In addition, the enzymatic activity and expression of matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) was suppressed following β-carotene treatment under both normoxia and hypoxia. In addition, treatment of β-carotene down-regulated protein and transcription activity of HIF-1α, a well-known tumor metastasis regulator in SK-N-BE(2)C cells. Moreover HIF-1α downstream target genes, vascular endothelial growth factor (VEGF) and glucose transporter-1 (GLUT-1) were also regulated by β-carotene. In vivo, the incidence of liver metastasis and the mean tumor volume in immunodeficient mice that were administered β-carotene decreased compared those in controls. Furthermore, mRNA levels of MMPs, membrane-type (MT)2-MMP, and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs) in liver tumor tissues were also lower following β -carotene treatment. Administration of β-carotene lowered protein and/or mRNA level of HIF-1α, VEGF and GLUT. In conclusion, the present study provides the first evidence that β-carotene may represent an effective chemotherapeutic agent based on its potential to inhibit the invasion and metastasis of neuroblastoma via regulating HIF-1α.