The regulatory effect of β-carotene on colon cancer stem cells

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer in the world. Despite advance in cancer therapy technologies, 32.9% of CRC patients experienced recurrence or metastasis. Cancer stem cells (CSCs) are the small population of cancer cells that have characteristics of differentiation, self-renewal capacity, and tumorigenecity and resist against chemotherapy. Therefore, chemotherapy targeting CSC is an important for cancer treatment. However, there is lack of evidence their effects on normal stem cells that share many common features with CSCs. In the present study, the effect of β-carotene (BC) on colon CSCs and normal intestinal stem cells were investigated. 〖〖CD133〗^+ CD44〗^+ HCT116 and 〖〖CD133〗^+ CD44〗^+ HT-29 cells from colon cancer cell lines were isolated and used as colon CSC. BC inhibited self-renewal capacity analyzed by clonogenic assays and sphere formation assays and down-regulated CSC markers, including CD44, CD133, ALDH1A1, NOTCH1 and Sox2, and Wnt/β-catenin signaling pathway, including β-catenin in vitro. In primary cells isolated from human CRC, CSC markers were also down-regulated by BC treatments. In addition, the number and size of tumors were decreased and the time of onset of tumor was delayed in xenograft mice injected with 〖〖CD133〗^+ CD44〗^+ cells. The inhibitory effect of BC on CSC markers and Wnt/β-catenin signaling pathway in tumors was confirmed in vivo. However, in normal intestinal stem cells from mice, expressions of normal intestinal stem cell markers, Lgr5 and Bmi1 exhibited no significant difference by BC supplementation. Taken together, these results suggest that BC can be potentially preventable and therapeutic agent for colon cancer due to minimal effect on normal intestinal stem cell, but anti-cancer effect by targeting colon CSCs.;대장암은 미국과 한국 모두에서 3번째로 많이 발생하는 암이다. 항암 치료법이 발전하고 있음에도 불구하고 절반정도의 대장암 환자는 재발 또는 전이를 겪고 있다. 암줄기세포는 암세포 중 자가복제 능력을 가지므로 적은 숫자로도 종양을 형성하며 항암요법에 저항성을 가지고 있기 때문에 효과적인 암 치료에 필수적이다. 그러나 정상줄기세포와 많은 공통점을 가지고 있기 때문에 암줄기세포 타겟 치료법에 주의를 기울여야한다. 이번 연구에서는 이전에 신경모세포종에서 암줄기세포 억제 효과를 보였던 베타카로틴을 이용하여 대장암줄기세포와 정상대장줄기세포에 어떠한 영향을 미치는지 연구하였다. 형광이용세포분류기 (FACS)를 통해 대장암 세포주인 HCT116과 HT-29에서 암줄기세포 마커인 CD133과 CD44 모두 발현하는 대장암줄기세포를 분리하였으며, 베타카로틴을 처리하였다. 콜로니형성 분석법(clonogenic assay)과 구 형성 분석법 (sphere formation assay)을 이용하여 베타카로틴의 처리에 따라 대장암줄기세포의 자가복제능력이 떨어지는 것을 확인하였으며, 암줄기세포 마커인 CD44, CD133, ALDH1A1, NOTCH1 와Sox2, 그리고 Wnt/β-catenin 암줄기세포 신호전달 경로의 발현이 낮아짐을 관찰하였다. 대장암 환자에서 분리한 대장암 세포에 베타카로틴을 처리했을 때도 암줄기세포 마커의 발현이 낮아졌다. 게다가, 대장암줄기세포를 면역억제 쥐에게 주입한 이종 이식 모델에서, 베타카로틴을 먹인 쥐가 종양이 덜 생겼으며 크기 또한 작았고 더 늦게 종양이 생겼다. 또한, 이들의 종양에서 대장암줄기세포 마커와 Wnt/β-catenin 암줄기세포 신호전달 경로 발현이 낮아짐을 관찰할 수 있었다. 그러나 이 마우스의 대장에서는 정상줄기세포 마커인 Lgr5와 Bmi1의 발현이 아무런 유의적 차이가 나타나지 않았다. 이와 같은 결과를 바탕으로, 베타카로틴이 정상대장줄기세포에는 영향을 미치지 않지만 대장암의 암줄기세포적 성격을 억제하여 대장암줄기세포 타겟 치료 및 예방에 긍정적 효과가 있는 물질임을 시사한다.