Metformin and sorafenib overcome radioresistance in cancer therapy

Abstract

Chemoradiotherapy is now used as definitive or adjuvant treatment for the majority of cancer patients. However, resistance to chemoradiotherapy remains an important concern. A promising alternative approach for enhancing the efficacy of chemoradiotherapy is the use of radiosensitizers. To investigate the mechanisms for overcoming radioresistance and to provide a scientific rationale for the clinical application of a radiosensitizer, the present thesis investigated the radiosensitizing effects of metformin and sorafenib in part I and part II, respectively. Part I study addressed whether metformin, an oral biguanide anti-hyperglycemic agent, could enhance radiosensitivity in vitro and in vivo in HCT116 human colorectal cancer cells and the potential mechanisms of radiosensitization. The mechanistic studies focused on the p53 gene status and pathways for repair of radiation-induced DNA damage. Metformin was more cytotoxic, and produced greater radiosensitization and inhibition of tumor growth in p53-/- cells and xenografts than in p53+/+ cells and xenografts. Metformin combined with ionizing radiation induced accumulation of tumor cells in the G2/M phase and delayed the repair of ionizing radiation-induced DNA damage. In addition, metformin combined with ionizing radiation significantly down-regulated levels of DNA repair proteins, Rad51 and excision repair cross-complementation group 1 (ERCC1), compared with ionizing radiation alone in vitro and in vivo, especially in p53-/- cells and tumors. HCT116 p53-/- cells were more sensitive to metformin than HCT116 p53+/+ cells were. I showed that metformin enhanced radiosensitivity by down-regulating the expression of DNA repair proteins more in radioresistant HCT116 p53-/- cells and tumors than in radiosensitive HCT116 p53+/+ cells and tumors. The present study provided a scientific rationale for the clinical use of metformin as a radiosensitizer in patients with p53-deficient tumors, which are often resistant to chemotherapy or radiotherapy. Part II study investigated whether sorafenib, an oral multikinase inhibitor which was approved by the Food and Drug Administration for the treatment of patients with advanced renal cell carcinoma and unresectable hepatocellular carcinoma, could synergistically enhance radiosensitivity in colorectal cancer cells. Sorafenib increased the radiosensitivity of tumor cells in human colon adenocarcinoma cell lines (HCT116, HT-29, and SW480) as well as in HT-29 xenograft animal models. Sorafenib, in combination with ionizing radiation, induced the accumulation of tumor cells in the G2/M phase, and delayed the repair of DNA damage caused by ionizing radiation. The combination of sorafenib and ionizing radiation did not affect the apoptosis of intestinal crypt cells, compared with radiation alone. The present study provided a scientific rationale for the use of sorafenib in combination with radiotherapy in colorectal cancer.;많은 암 환자들의 항암치료방법으로서 최근 항암화학방사선요법을 많이 사용하지만, 이 요법의 부작용 및 내성이 중요한 문제로 남아있다. 항암화학방사선요법의 내성을 극복하기 위한 방법 중의 하나는 방사선 치료를 극대화시킬 수 있는 방사선 민감제를 사용하는 것이다. 본 논문에서는 최근 항암효능으로 각광을 많고 있는 항당뇨제인 metformin과 간암 및 신장암의 다중표적항암제로 승인 받은 sorafenib의 방사선 민감 효능을 평가하고 방사선 치료의 내성을 극복하기 위한 기전을 규명하였다. 따라서, metformin과 sorafenib을 방사선 민감제로서 임상에 적용하기 위한 과학적인 근거를 제공하였다. Part I 연구에서는, HCT116 대장암 세포주 (p53+/+과 p53-/- 세포) 및 이종이식 동물모델을 이용하여 경구 biguanide 항당뇨제로 사용되는 metformin의 방사선 민감 효능 및 기전을 연구하였다. 기전연구는 p53 유전자와 방사선에 의한 DNA 손상 회복기전에 초점을 맞추었다. Metformin은 HCT116 p53+/+ 세포에 비해 HCT116 p53-/- 세포의 독성을 증가시켰고, HCT116 p53+/+ 이종이식 종양에 비해 HCT116 p53-/- 이종이식 종양의 성장을 지연시켰으며, HCT116 p53+/+과 p53-/- 이종이식 종양의 방사선 감수성을 증가시켰다. Metformin과 방사선 조사를 병합하였을 때, 방사선 단독 조사군에 비해 G2/M기 세포정지가 유도되었고 DNA 손상에 대한 회복이 지연되었으며 DNA 회복 단백질인 Rad51과 excision repair cross-complementation group 1 (ERCC1)의 발현이 통계적으로 유의하게 감소되었다. 위 결과들은 HCT116 p53+/+ 세포와 이종이식 종양에 비해 HCT116 p53-/- 세포와 이종이식 종양에서 더 민감하게 나타났다. 따라서, metformin은 방사선에 민감한 HCT116 p53+/+ 세포와 이종이식 종양보다 방사선에 내성이 있는 HCT116 p53-/- 세포와 이종이식 종양에서 DNA 회복 단백질들의 발현을 더 감소시켜 방사선 감수성을 향상시키는 것으로 확인되었다. 이 결과는 항암화학치료 혹은 항암방사선치료에 내성이 있는 p53 결핍 종양환자를 대상으로 방사선민감제로서 metformin을 임상 적용하였을 때, 암 치료효능 증대 가능성을 제시하였다. Part II 연구에서는, 대장암 세포주 및 이종이식 동물모델을 이용하여 간암 및 신장암의 다중표적항암제로 승인된 sorafenib의 방사선 민감 효능을 평가하였다. Sorafenib은 인간대장암세포주 (HCT116, HT-29, SW480)에서 방사선 감수성을 증가시켰고, HT-29 이종이식 동물모델에서도 sorafenib과 방사선을 병합하였을 때 시너지하게 종양 성장 지연효과를 나타냈다. Sorafenib과 방사선을 병합하였을 때, 방사선 단독 조사군에 비해 G2/M기 세포정지가 유도되었고 방사선에 의한 DNA 손상에 대한 회복이 지연되었지만, 방사선 손상지표인 소장의 선와세포 사멸 (apoptosis of intestinal crypt cell) 에는 변화가 없었다. 따라서, sorafenib은 장내 손상 없이 대장암 세포와 이종이식 종양에서 방사선 민감 효능을 증가시킴을 확인하였다. 이 결과는 sorafenib이 대장암 치료 시 방사선 민감제로 사용될 수 있는 가능성을 제시하였다.