Anti-cancer effects of a combination of genistein supplementation and low-intensity exercise in a high-fat diet-induced breast cancer

Abstract

Breast cancer is considered as a major health problem worldwide and is influenced by multiple factors. High fat intake and physical inactivity contribute to increased body fat, which is closely linked to the development of breast cancer. Regular physical activity not only improves muscle strength and physical function, but also prevents cancer progression and development by regulating various biological pathways. Genistein, an isoflavone primarily found in legumes, exerts anti-estrogenic effects by interfering with estrogen receptor binding and induces anti-cancer activity through modulating of molecular signaling pathways, such as apoptosis. The study aims to evaluate the effects of genistein supplementation and low-intensity exercise on suppressing breast cancer in in vivo and in vitro. Five-week-old female BALB/c mice were utilized for the in vivo research, while MCF-7, a human breast cancer cell line, was used for the in vitro study. During the in vivo research, the mice were subjected to genistein supplementation and low-intensity exercise throughout the experiment. At week 8, 4T1 breast tumor cells were inoculated into the mammary fat pad. The low-intensity exercise group (HE) and the genistein supplementation with low-intensity exercise group (HGE) exhibited longer tumor latency, slower tumor growth, and smaller tumor volume compared with the mice on a high-fat diet only (H) group. Additionally, the combination of genistein supplementation and low-intensity exercise did not affect cell proliferation, however, they stimulated apoptosis by down-regulating Bcl-2 expression and up-regulating Bax and cleaved caspase-3 expression. In vitro study, combined myokines with genistein reduced breast cancer cell viability and inhibited the expression of cancer stem cells (CSCs) markers in human breast cancer cells. The expression of mRNA of CSCs markers, SOX2 and OCT4, were inhibited in MCF-7 cells. Additionally, the self-renewal ability of breast CSCs was decreased by the combination of myokines and genistein as evaluated via clonogenic assay and sphere formation assay. In vivo study, the combination of genistein supplementation and regular low-intensity exercise increased the number of M1 macrophages and decreased the number of M2 macrophages by regulating expression of CD68, CD163, and Arg1 related tumor-associated macrophages (TAM). Additionally, the study analyzed the effect of the combination of genistein supplementation and low-intensity exercise on adipose metabolism in the early cancer cachexia. The findings suggested that the combination of genistein supplementation and low-intensity exercise inhibited adipogenesis, lipolysis, and systemic inflammation in subcutaneous fat, thereby prevented cancer cachexia-induced lipoatrophy. In conclusion, this study reported that the combination of genistein and exercise inhibited breast cancer by regulating tumor initiation and growth, cancer stem cell properties, and interactions with TAM. It has also demonstrated they regulated adipose metabolism in early breast cancer cachexia. These results suggested the possible treatment potential of both genistein and exercise in breast cancer.;본 연구에서는 제니스테인 섭취와 규칙적인 저강도 운동, 또는 이들의 조합이 세포 증식 및 사멸, 암 줄기세포, 대식세포 분극, 지방 조직 손실에 대한 지방 대사 조절을 통하여 유방암에 미치는 항암 효과를 규명하였다. 유방암은 전 세계적으로 주요한 보건 문제로 여겨지며, 복합적인 요인에 의해 영향을 받는다. 특히 고지방 섭취와 신체 활동 부족은 체지방 증가로 이어져 유방암 발병과 밀접한 관계를 갖는 것으로 알려져 있다. 규칙적인 신체 활동은 근력 및 신체 기능 개선뿐만 아니라 다양한 생물학적 경로를 통해 암 발생 및 진행을 예방하는 효과가 있다고 알려져 있다. 제니스테인은 주로 콩과 식물에 많이 함유되어 있는 이소플라본으로, 에스트로겐이 수용체에 결합하는 것을 방해하는 항에스트로겐 효과를 내며, 세포 사멸과 같은 다양한 분자 신호 전달 경로를 조절하며 항암 활성을 유도한다. 해당 연구에서는 제니스테인 섭취와 저강도 운동이 함께 이루어졌을 때 나타나는 생리적 활성의 상승작용을 확인하기 위해 이루어졌다. 본 연구에서는 제니스테인 섭취와 저강도 운동을 이용하여 in vivo 수준과 in vitro 수준에서 유방암 억제 효능을 확인하였다. 이를 규명하기 위해 in vivo 연구에서는 5주령의 암컷 BALB/c 마우스와 유방암 유도에는 4T1 세포주가 사용되었고, in vitro 연구에서는 인간 유방암 세포주인 MCF-7를 사용하였다. In vivo 연구에서 마우스는 13주동안의 전실험 기간 동안 제니스테인 섭취 및 저강도 운동이 이루어졌으며, 8주차에는 4T1 유방 종양 세포를 유방 지방 패드에 접종하였다. HE 그룹과 HGE 그룹에서는 H 그룹에 비해 종양 잠복기가 길고, 종양 성장이 느리며, 종양 부피가 작아진 것으로 나타났다. 또한, 제니스테인 섭취와 저강도 운동의 조합은 세포 증식에는 영향을 미치지 않았지만 Bcl-2의 발현은 감소시키고, Bax 및 cleaved caspase-3의 단백질 발현은 증가시킴으로써 세포 사멸을 유도하였다. In vitro 연구에서는 마이오카인 하위 종류인 irisin과 oncostatin M은 세포 생존률에 영향을 미치지 않았지만, 제니스테인은 암 세포의 생존력을 감소시켰으며, 인간 유방암 세포의 암 줄기세포 마커 발현을 억제하였다. MCF-7에서 암 줄기세포 마커인 SOX2, OCT4의 mRNA 발현이 억제됨을 확인하였다. 또한, 마이오카인과 제니스테인의 병용 처리에 따라 유방암 줄기세포의 자가복제능력이 억제됨을 집락 형성 분석법 및 구 형성 분석법으로 확인하였다. In vivo 연구에서 제니스테인 섭취와 규칙적인 저강도 운동의 조합은 종양 관련 대식세포 마커인 CD68, CD163, Arg1의 mRNA 및 단백질 발현을 조절함으로써 M1 대식세포 활성은 증가, M2 대식세포 활성은 감소시켰음을 확인하였다. 더불어, 제니스테인 섭취와 저강도 운동의 조합이 지방 조직 소모의 영향으로 인한 지방 대사에 미치는 영향을 분석하기 위해 지방 무게를 확인하였다. 그 결과, 제니스테인 섭취와 저강도 운동의 조합은 피하 지방에서 지방 분해 및 전신 염증 관련 마커에서는 억제 효과를, 지방 형성 관련 마커에서는 증가 효과를 나타냈으며, 이는 결국 유방암 유도로 인한 지방 손실을 예방한다는 것을 시사하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 제니스테인 섭취와 저강도 운동의 조합이 유방암에 미치는 영향을 종양 개시 및 성장, 암 줄기세포 특성, 종양 관련 대식세포와의 상호작용과 연계하여 그 기전을 규명하였으며, 더불어 유방암 유도로 인해 나타나는 지방 조직 손실에 대한 지방 대사 관련 기전을 조절하는 효능을 입증하였다. 이러한 결과는 제니스테인과 운동의 병용 치료가 유방암 예방 및 치료에 긍정적인 효과가 있음을 시사하며 최종적으로 국민 건강 증진에 기여할 수 있다는데 의의가 있다.