Effect of β-carotene on neuroblastoma tumorigenesis and cancer cell stemness in vivo

Abstract

신경모세포종은 영아에게 발병하는 가장 흔한 암 중 하나로써 자율신경계를 구성하는 신경관 세포들에서 발생하는 암이다. 악성 신경모세포종은 암 줄기세포적 성격을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 성공적인 암 줄기세포 제거는 효과적인 항암제 개발에 있어서 중요한 전략 중 하나이다. 베타카로틴은 많은 항암 기전과 연관되어 있음에도 불구하고, 베타카로틴의 암 줄기세포에 미치는 영향에 대한 효과는 아직까지 연구되어 있지 않았다. 따라서 본 연구에서는 베타카로틴이 신경모세포종 종양 세포 분화와 암 줄기세포적 특성 조절을 통한 암 형성 억제에 미치는 영향을 이종이식 동물 모델을 통하여 입증하였다. 쥐에게 신경모세포종 세포를 주입시키기 21일 전부터 베타카로틴을 먹였고, SK-N-BE(2)C 세포를 피하 주사를 통하여 종양생성을 유도하여 관찰하였다. 그 결과, 종양 발생률과 종양 크기가 베타카로틴을 먹인 군에서 정상군보다 유의적으로 낮았음을 확인하였다. 또한 베타카로틴을 먹인 군에서의 종양에서 분화 마커인 vimentin, peripherin, neurofilament들의 발현이 높아짐을 관찰하였다. 베타카로틴은 암 줄기세포 마커들의 발현을 억제시킴을 관찰하였는데, 베타카로틴을 먹인 군에서의 종양에서 Oct3/4와 DLK1의 발현이 유의적으로 낮아짐을 확인할 수 있었다. 베타카로틴 투여에 따라 암 줄기세포적 특징을 악화시키는 저산소 환경에서 발현되는 것으로 알려진 HIF-1α의 발현이 유의적으로 낮아짐을 확인할 수 있었고, HIF-1α의 후속 타겟인 VEGF 유전자 발현 또한 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이와 같이 베타카로틴은 신경모세포종의 치료제로 쓰일 수 있는 가능성을 확인하였으며, 베타카로틴의 섭취가 암 줄기세포의 분화와 암 줄기세포적 특성을 조절함으로써 종양생성을 억제시킨다는 것을 동물실험으로 최초로 밝혀내었다.;Neuroblastoma (NB) is the most common extracranial solid cancer in young children and malignant NB cells have been shown to possess cancer stem cell (CSC) characteristics. Thus, the successful elimination of CSCs represents a strategy for developing an effective preventive and chemotherapeutic agent. CSCs are characterized by differentiation and turmorigenicity. β-carotene (BC) has been associated with many anticancer mechanisms, although the efficacy of BC on CSCs remains unclear. In the present study, the effects of BC on tumor cell differentiation and tumorigenicity was investigated using a xenograft model. Mice were pretreated with BC for 21 days, then received a subcutaneous injection of SK-N-[BE(2)C] cells. Both tumor incidence and tumor growth were significantly inhibited for mice that received BC supplementation compared to the control group. Treatment with BC has also been shown to induce tumor cell differentiation by up-regulating differentiation markers, such as vimentin, peripherin, and neurofilament. Conversely, BC treatment has been shown to significantly suppress tumor stemness by down-regulating CSC markers such as Oct 3/4 and DLK1. BC treatment also significantly down-regulated HIF-1α expression and its downstream target, vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A). Taken together, these results suggest that BC is a potential chemotherapeutic reagent for the treatment of NB, and mediates this effect by regulating the differentiation and stemness of CSCs, respectively.