Comparisons of β-carotene effects between sexes in AOM/DSS-induced early colorectal cancer mice

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer globally and the second most leading cause of cancer-related deaths as of 2020. Inflammatory bowel disease (IBD) can lead to gastrointestinal dysfunction and is closely associated with CRC. Previous research indicates that both estrogen and estrogen receptors (ERs) play various roles in gastrointestinal diseases. β-carotene (BC) a vividly colored organic pigment abundant in algae, plants, and fruits, is known as an antioxidant that protects against cellular damage caused by oxidative reactions. The objective of this study is to compare the anti-inflammatory effect and metabolic differences of BC treatment based on sex in an Azoxymethane (AOM)/Dextran Sulfate Sodium (DSS)-induced early CRC model. After acclimatization, five-week-old male and female BALB/c mice were randomly assigned to normal control groups (Male-NC, Female-NC), cancer control groups (Male-CC, Female-CC), and BC treatment groups (Male-BC, Female-BC), with 12 mice per group. BC supplementation involved oral gavage of corn oil with 15 mg of BC/ body weight (B.W.) (kg). To assess systemic disease activity changes, Disease Activity Index (DAI) scores, serum levels of inflammatory cytokines, 17β-estradiol, and retinol were examined. For the evaluation of local disease activity changes, the length of the colon, tumor incidence, Hematoxylin and Eosin (H & E) staining on the distal, mRNA expression of inflammatory cytokines and ERs and protein expression of ERs and BC oxygenases in the colon were examined. In the study, females exhibited higher DAI scores compared to males. BC administration reduced the DAI score in both sexes. In male CC group, serum IL-6 levels were increased compared to the NC group, while IL-1β levels were increased in females. In the female BC group, BC supplementation resulted in reduced serum levels of IL-6, IL-1β, and TNF-α compared to the CC group. Serum estradiol levels were reduced in females only. Retinol concentrations in females were observed to be lower than in males. Only females showed a decrease in colon length. Both male and female CC groups exhibited increased Tnf mRNA expression in the colon compared to the NC groups, with females additionally showing increased Il6 and Il1b mRNA expression. ERα mRNA and protein expression in the colon was upregulated in both sexes of the CC groups compared to the NC groups. In both sexes, BC treatment decreased ERα expression compared to the CC groups. In summary, in the early CRC model, females exhibited increased systemic disease activity compared to males. In both sexes, BC treatment reduced systemic inflammatory cytokines and local ERα expression. This research provides significant insights into sex-based difference of systemic and local disease responses following BC treatment in an early CRC model, offering foundational data for future CRC therapies.;대장암(CRC)은 2020년에 전 세계적으로 세번째로 많이 진단된 암이자, 두 번째로 높은 사망률을 나타내는 암이다. 염증성 장질환은 장 기능장애를 유발하며 대장암과 연관성이 높은 질환이다. 기존 연구에 따르면 에스트로겐과 에스트로겐 수용체는 모두 위장관 질환에 다양한 영향을 미친다고 알려져 있다. 베타카로틴(BC)은 균류, 식물 및 과일에 풍부한 강한 색상의 적황색 유기 색소이며, 대사를 통해 비타민 A로 활성을 갖으며, 항산화능과 항암능력이 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 목적은 AOM/DSS로 유도된 초기 대장암 모델에서 성별에 따른 BC투여에 대한 항 염증 효과와 대사적 차이를 조사하는 것이다. 5주의 수컷과 암컷 BALB/C 쥐를 반입한 후 이주 간의 적응 기간을 가진 후 암컷과 수컷 각각 정상 대조군(Male-NC, Female-NC), 암 대조군(Male-CC, Female-CC), BC 투여군(Male-BC, Female-NC)으로 12마리씩 무작위로 배정되었다. BC 투여군은 체중(kg) 당 15 mg 씩 BC를 옥수수유에 녹여 주 2회 경구 투여하였으며, 정상 대조군과 암 대조군은 옥수수유를 투여하였다. 전신적 질병 상태를 평가하기 위해 질병반응성점수(DAI score)와 혈청 내 염증성 사이토카인, 에스트라디올, 레티놀 농도를 측정하였다. 국소인 질병 상태를 평가하기 위해 대장 길이, 종양 발생, distal 부분의 H &E 염색, 대장 내 mRNA 수준의 염증성 사이토카인, 에스트로겐 수용체(ERs)의 발현을 측정하였으며, 대장 내 단백질 수준의 ERs와 간 내 베타카로틴 수산화효소의 발현을 측정하였다. 암컷은 수컷에 비해 높은 DAI 점수를 나타냈다. BC 투여는 암수에서 DAI 점수를 감소시켰다. 수컷 CC군은 NC군에 비해 혈청 내 IL-6가 증가하였으며, 암컷은 IL-1β가 증가하였다. 암컷 BC투여군은 혈청 내 IL-6, IL-1β, TNF-α 농도를 CC군에 비해 감소하였다. 암컷 CC군은 NC군에 비해 혈청 에스트라디올이 감소하였다. 혈청 레티놀 농도는 암컷에서 수컷에 비해 낮게 확인되었다. 대장 길이는 암컷에서 유의적으로 감소하였다. 암수 CC군은 대장 내 Tnf mRNA 발현이 NC군에 비해 증가하였으며, 암컷에서는 추가적으로 Il6와 Il1b가 증가하였다. 암수 CC군은 대장 내 ERα의 발현이 NC군에 비해 증가하였다. 암수 BC 군은 대장 내 ERα mRNA와 단백질 발현이 CC군에 비해 감소하였다. 결론적으로 초기 대장암 모델에서 암컷은 수컷에 비해 전신적 질환 활성이 높게 확인되며, BC 투여는 암수에서 전신적인 염증성 사이토카인을 감소시키고 국소적인 ERα의 mRNA와 단백질 발현을 감소시킨다는 것을 확인하였다. 본 연구는 초기 대장암 모델에서 BC 투여에 따른 대사 조절과 함께 전신 및 국소적 질환 반응에 대한 성별 비교를 진행하여 향후 대장암 치료의 기초자료를 제공하였다는 의의가 있다.