본 프로토콜의 목적은 비인두암 세포에서 ruscogenin의 항종양 효능을 평가하는 것입니다. 이 프로토콜은 생존율, 이동성, 세포 사멸(apoptosis) 및 페로토시스(ferroptosis) 분석을 포함한 종합적인 방법론을 상세히 설명하여, 이 화합물이 KDM1A를 표적화하고 하향 조절함으로써 어떻게 이중 세포 사멸을 유도하는지 체계적으로 규명합니다.
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연구 논문
본 프로토콜의 목적은 비인두암 세포에서 ruscogenin의 항종양 효능을 평가하는 것입니다. 이 프로토콜은 생존율, 이동성, 세포 사멸(apoptosis) 및 페로토시스(ferroptosis) 분석을 포함한 종합적인 방법론을 상세히 설명하여, 이 화합물이 KDM1A를 표적화하고 하향 조절함으로써 어떻게 이중 세포 사멸을 유도하는지 체계적으로 규명합니다.
비인두암(NPC)은 매우 공격적인 악성 종양입니다. 천연 화합물인 ruscogenin(Rus)은 항암 잠재력을 보여줍니다. 본 연구는 NPC 세포에 미치는 영향과 그 기저의 분자 경로를 조사함으로써 비인두암(NPC)에서의 구체적인 작용 기전을 규명합니다. 인간 비인두암(NPC) 세포주인 C666-1에 다양한 농도의 Rus를 처리하였습니다. 세포 생존율, 증식, 이동, 침습, 세포 사멸(apoptosis) 및 페로토시스(ferroptosis)를 평가하기 위해 일련의 in vitro 분석을 수행하였습니다. Western blot 및 분자 도킹을 통해 lysine-specific demethylase 1A(KDM1A)의 역할을 조사하였으며, 과발현 구조 실험을 통해 그 매개 역할을 검증하였습니다. Ruscogenin은 농도 의존적으로 C666-1 세포의 증식, 콜로니 형성, 이동 및 침습 능력을 감소시켰습니다. 기전적으로 Rus 처리는 executioner caspase-3의 활성화와 Bax/Bcl-2 균형을 통한 프로-아포토시스 신호의 전환으로 입증된 세포 사멸과, 지질 과산화 및 세포 내 철 증가로 특징지어지는 페로토시스를 모두 유도하였습니다. 이러한 항종양 효과는 KDM1A의 하향 조절과 강한 상관관계를 보였습니다. 결정적으로, KDM1A의 강제적 과발현은 Rus에 의해 유도된 세포 사멸과 페로토시스를 유의하게 감쇠시켰으며, 악성 표현형의 억제를 역전시켜 KDM1A의 핵심적인 매개 역할을 확인하였습니다. Ruscogenin은 KDM1A를 하향 조절함으로써 비인두암의 악성 진행을 억제하고, 이를 통해 세포 사멸과 페로토시스를 촉진합니다. 이러한 결과는 Rus-KDM1A 축이 NPC 치료를 위한 유망한 치료 표적임을 시사합니다.
비인두암(NPC)은 유전적 요인과 환경적 요인의 상호작용으로 인해 발생하는 암의 일종입니다1. 방사선 치료가 치료법에 있어 괄목할 만한 발전을 이루었음에도 불구하고, 비인두암 환자의 전체 생존율은 여전히 만족스럽지 않은 수준입니다. 이는 아마도 비인두암 세포가 빠르게 증식하며, 지역 림프절 및 원격 장기로 전이되기 매우 쉽기 때문일 것입니다2. 따라서 비인두암의 진행을 촉진하는 분자적 기전을 탐구하는 것이 필수적입니다. 최근 Fe2+와 지질 과산화물에 의해 철 의존적 방식으로 조절되는 새로운 세포 사멸 방식인 페로토시스(ferroptosis)가 비인두암에 결정적으로 관여한다는 사실이 밝혀졌습니다3. 현재의 증거들은 페로토시스가 비인두암에서 중요한 역할을 하며, 페로토시스의 유도가 암 방사선 치료를 강화할 수 있음을 보여주었습니다4,5.
낮은 독성과 적은 부작용 덕분에, 중국 약초 처방은 수천 년 동안 암 치료에 널리 사용되어 왔습니다6,7. 다성분, 다표적 및 시너지 효과를 갖는 약물의 일종으로서, 전통 중의학(TCM) 처방은 NPC를 포함한 암의 예방 및 치료에 있어 효과적인 보완 요법으로 사용되어 왔습니다8,9,10. 다년생 초본 식물인 Ophiopogon japonicus의 뿌리인 맥문동(RO)은 보조 요법으로서 NPC를 효과적으로 완화하는 것으로 보고되었습니다11,12. RO의 주요 성분인 Ruscogenin (Rus)은 강력한 항암 효과를 가진 것으로 보고되었습니다13. 대장암 마우스 모델에서 Rus는 밀착 연접 손상을 개선하고 종양 전이를 억제할 수 있습니다14. 중요한 점은, Rus가 페로토시스(ferroptosis)를 유도함으로써 췌장암 세포의 생존력을 감소시킬 수 있다는 것입니다. 그러나 NPC에 대한 Rus의 효과는 여전히 불분명합니다.
후성유전학은 암 발병 기전 연구의 주요 분야이며 다양한 효과적인 치료법을 제공합니다15. 잘 연구된 후성유전적 변형 중 하나인 히스톤 메틸화는 암 발생에 관여하며 약물 설계의 중요한 표적이기도 합니다16. 히스톤 메틸화의 역동적인 조절은 메틸전이효소와 탈메틸화효소에 의해 매개됩니다17. KDM1A는 후성유전적 조절에 관여하여 암 발생에 결정적인 역할을 하는 것으로 밝혀진 히스톤 리신 탈메틸화효소입니다18. 또한, KDM1A는 폐암 및 췌장암과 같은 여러 암에서 높게 발현되는 온코프로테인(oncoprotein)임이 확인되었습니다19. Guo 등은 KDM1A의 수치 상승이 phosphatase and tensin homolog (PTEN)의 발현을 억제하고, 세포 사멸을 저해하는 동시에 NPC 세포의 증식과 이동을 촉진할 수 있다고 보고했습니다20. 한편, KDM1A의 상향 조절이 폐암에서 페로토시스(ferroptosis)를 억제할 수 있다는 사실도 밝혀졌습니다21. Super-PRED 데이터베이스 분석 결과, KDM1A가 Rus의 잠재적 표적인 것으로 나타났습니다.
다른 암종에서 Rus의 항종양 잠재력이 인정되었음에도 불구하고, 비인두암에서의 구체적인 역할과 분자적 기전은 완전히 규명되지 않은 상태이며 이는 중요한 연구 공백으로 남아 있습니다. 또한, 이전 보고서들은 KDM1A를 종양 증식 및 페로토시스 저항성과 각각 개별적으로 연결 지었으나, KDM1A를 표적으로 하여 비인두암에서 여러 세포 사멸 경로를 동시에 유발할 수 있는지 탐구한 연구는 아직 없었습니다. 따라서 본 연구는 Rus가 KDM1A를 직접적으로 하향 조절함으로써 비인두암 세포의 악성 진행을 억제할 수 있다는 가설을 세울 수 있는 강력한 근거를 제공합니다.
본 연구는 NPC 세포의 증식, 이동 및 침윤에 미치는 Rus의 영향을 체계적으로 평가함으로써 이러한 공백을 메우고자 하였다. 이 연구의 주된 독창성은 이중 메커니즘 전략을 밝혀낸 데 있다. 특히 Rus가 고전적인 세포사멸(apoptosis)과 철 의존적 페로토시스(ferroptosis)를 동시에 유도하는 능력에 초점을 맞추었다. 새로운 Rus-KDM1A 신호 전달 축을 검증함으로써, 본 연구는 단일 천연 화합물이 어떻게 다중 경로 차단을 통해 종양의 회복력을 극복할 수 있는지를 입증하여 현재의 지식을 크게 발전시켰으며, 표적 NPC 치료를 위한 유망한 전임상적 근거를 제공한다.
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세포 배양, 처리 및 형질전환
인간 비인두암(NPC) 세포주인 C666-1 (RRID: CVCL_M597)과 비악성 인간 비인두 상피 세포주인 NP69 (RRID: CVCL_F755)를 상용 공급업체로부터 구입하였다. 두 세포주 모두 Short Tandem Repeat (STR) 프로파일링을 통해 인증되었으며, 사용 전 마이코플라스마 오염이 없음을 확인하였다. 일반 배양을 위해, C666-1 세포는 10% fetal bovine serum (FBS) 및 1% penicillin-streptomycin이 첨가된 RPMI 1640 배지에서 증식시켰다. NP69 세포는 10% FBS, 10 ng/mL recombinant epidermal growth factor 및 1% penicillin-streptomycin이 첨가된 keratinocyte serum-free medium에서 배양하였다. Ruscogenin (Rus; 순도 ≥ 98%)은 상용 공급업체로부터 구입하였다. 두 세포주 모두 37 °C, 5% CO₂ 조건의 가습 배양기에서 유지하였다. 처리를 위해, 세포를 다양한 농도 (10, 20, 50 µM)의 Ruscogenin (Rus)에 24 h 동안 노출시켰다22. 형질전환을 위해, 상용 공급업체로부터 확보한 lysine-specific demethylase 1A 과발현용 플라스미드 (oe-KDM1A)와 이에 대응하는 음성 대조군 공벡터 (oe-NC)를 세포 합일도가 70–80%에 도달했을 때 C666-1 세포에 형질전환시켰다. 구체적으로, 2.5 µg의 플라스미드 DNA와 5 µL의 지질 기반 형질전환 시약을 각각 150 µL의 저혈청 배지에 희석하여 부드럽게 혼합하고, 실온에서 20 min 동안 반응시킨 후 제조사의 프로토콜에 따라 6-well plate의 각 웰에 첨가하였다. 세포를 37 °C에서 48 h 동안 배양한 후, 형질전환 효율을 확인하였다.
Cell counting kit-8 (CCK-8) 분석
Rus 처리 후의 세포 생존율은 CCK-8 분석법을 사용하여 정량화하였습니다. 이 절차를 위해, 먼저 세포를 96-well 플레이트에 분주하고 하룻밤 동안 배양하였습니다. CCK-8 용액 10 µL를 첨가하여 분석을 시작하였으며, 2 h 동안 배양한 후 플레이트 리더를 사용하여 450 nm에서의 흡광도(OD)로 결과적인 색도 변화를 측정하였습니다.
콜로니 형성 분석
클론 형성 생존능을 평가하기 위해, C666-1 세포를 6-well 플레이트에 분주하고 14일 동안 배양하였다. 배양 기간 후, 형성된 콜로니를 100% methanol로 10분 동안 고정시킨 다음, 0.5% crystal violet로 30분 동안 염색하여 시각화하였다. 염색된 콜로니의 수는 현미경 이미지 촬영 및 계수를 통해 정량화하였다.
웨스턴 블롯(Western blot)
Western blot 분석을 위해, 먼저 RIPA buffer를 사용하여 세포에서 총 단백질을 추출하고, 결과물인 용해물을 원심분리(12,000 × g)하여 상층액을 수집하였다. 단백질 정량에는 BCA assay를 사용하였다. 동일한 양의 총 단백질(lane당 30 µg)을 로딩하여 10% sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)로 분리하였다. 분리 후, 단백질을 얼음 위에서 100 V의 정전압으로 90분 동안 polyvinylidene fluoride (PVDF) 막으로 전이시켰다. 그 다음, 0.1% Tween 20이 포함된 tris-buffered saline (TBST)로 조제한 5% bovine serum albumin (BSA)에서 실온으로 2시간 동안 블로킹하였다. 이어서 블로킹 버퍼에 희석한(모두 1:1000) 다음과 같은 1차 항체들(Ki67, PCNA, MMP2, MMP9, Bcl-2, Bax, KDM1A, SLC7A11, GPX4, ACSL4, TFR1 및 β-actin)과 함께 4°C에서 하룻밤 동안 반응시켰다. 마지막으로, HRP-conjugated 2차 항체와 2시간 동안 반응시킨 후, enhanced chemiluminescence (ECL) 검출 시약을 사용하여 면역 반응 밴드를 시각화하였으며, Image analysis software를 이용해 밀도 분석을 수행하였다.
상처 긁기 분석
상처 치유 분석을 위해, C666-1 세포를 6-well plate에서 80% 밀도로 배양하였다. 200 µL 피펫 팁으로 긁어내어 단층 세포에 균일한 상처를 냈다. 탈락된 세포는 PBS 세척으로 제거하였으며, 이후 배양액을 무혈청 배지로 교체하여 24시간 동안 배양하였다. 세포 이동을 평가하기 위해 광학 현미경을 사용하여 0 h와 24 h 시점에서 상처 부위의 이미지를 캡처하였다.
트랜스웰 분석
세포 침습능은 50 µL의 기저막 매트릭스로 사전 코팅된 트랜스웰 챔버(공극 크기 8-µm)를 사용하여 평가하였다. C666-1 세포의 침습 능력은 Transwell 챔버를 이용하여 분석하였다. 상단 인서트에는 혈청 결핍 배지에 부유시킨 세포를 분주하였고, 하단 웰에는 10% FBS가 포함된 DMEM을 채웠다. 24시간 배양 후, 막의 상단면에 남아 있는 세포를 조심스럽게 제거하였다. 정량 분석을 위해 막의 하단면에 도달한 세포를 메탄올로 고정하고 0.1% crystal violet으로 염색한 뒤, 광학 현미경으로 촬영한 이미지에서 세포 수를 측정하였다.
유세포 분석법
유세포 분석법을 사용하여 세포 사멸(apoptosis)을 정량화하였습니다. 시료를 준비하기 위해 C666-1 세포를 수집하고 차가운 PBS로 세척한 후, 100 µL의 바인딩 버퍼에 재부유시켰습니다. 그다음 세포를 Annexin-V-FITC (20 µg/mL)와 propidium iodide (PI)로 공동 염색하였습니다. 염색은 빛을 차단한 상태에서 얼음 위에서 15분 동안 수행되었습니다. 세포 사멸 세포의 비율을 결정하기 위해 유세포 분석기로 데이터를 즉시 획득하였습니다.
caspase-3 활성 검출
Caspase-3 활성은 제조사의 지침에 따라 상용 분석 키트를 사용하여 측정하였다. 간단히 설명하면, C666-1 세포를 용해한 후 14,000 × g에서 원심분리하여 상층액을 수집하였다. 제공된 시약과 함께 2시간 동안 배양한 후, 각 상층액의 흡광도를 405 nm에서 정량하였다.
RT-qPCR
상용 RNA 추출 시약을 사용하여 C666-1 세포로부터 총 RNA를 정제하였다. 이렇게 얻은 RNA는 제조사의 프로토콜에 따라 상용 키트를 사용하여 1차 가닥 cDNA로 역전사되었다. 이후 SYBR Green 기반 마스터 믹스를 사용한 실시간 PCR 시스템에서 정량 PCR(qPCR)을 통해 유전자 발현 분석을 수행하였다. 상대적 전사체 수준을 결정하기 위해 비교 Ct (2⁻△△Ct) 방법을 사용하였다. 증폭에 사용된 프라이머 서열은 다음과 같다: β-actin (Forward: 5'-CATGTACGTTGCTATCCAGGC-3'; Reverse: 5'-CTCCTTAATGTCACGCACGAT-3') 및 KDM1A (Forward: 5'-TGACCGGATGACTTCTCAAGA-3'; Reverse: 5'-GTTGGAGAGTAGCCTC AAATGTC-3').
티오바르비투르산 반응 물질(TBARS) 분석법
지질 과산화를 측정하기 위해, 먼저 C666-1 세포를 침전(15% TCA, 500 mM BHA)시킨 후 10,000 × g에서 10분간 원심 분리하여 상층액을 준비하였습니다. 그다음 이 상층액을 0.375% thiobarbituric acid와 반응시키고 100 °C에서 10분간 가열하여 MDA-TBA 부가물을 생성시켰습니다. 지질 과산화를 나타내는 이 부가물의 수준은 마이크로플레이트 리더를 사용하여 532 nm에서의 흡광도를 측정함으로써 결정하였습니다23.
지질 반응성 산소종(ROS) 검출
지질 과산화는 지질 과산화 형광 프로브를 사용하여 검출되었습니다. C666-1 세포를 6-well 플레이트에 분주하여 하룻밤 동안 배양한 후, 형광 프로브(2 µM)에 노출시켰습니다. 이 프로브는 산화 시 적색에서 녹색으로 형광 이동을 보입니다. 녹색/적색 형광 비율은 레이저 주사 공초점 현미경과 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 분석되었습니다. 도식화된 녹색/적색 형광 비율은 명확하게 정의되었으며 지질 과산화 수준의 정량적 지표로 활용되었습니다24.
Fe2+ 검출
세포 내 ferrous iron (Fe2⁺) 수치는 세포 내 철 형광 프로브를 사용하여 측정하였다. C666-1 세포를 10 µM 형광 프로브와 함께 10분 동안 배양하였다. 과잉 프로브를 제거하기 위해 PBS로 세척한 후, 형광 현미경으로 세포를 분석하였다.
분자 도킹 분석
분자 도킹은 리간드와 표적 단백질 간의 결합 모드 평가를 통해 결합 친화도 및 상호작용을 예측함으로써 새로운 약물 설계를 용이하게 하는 핵심적인 계산 방법입니다25. RCSB PDB 웹페이지(https://www.rcsb.org/)에서 KDM1A의 3D 구조(PDB ID: 6NQU)를 확보하였습니다. KDM1A 단백질 구조를 준비하기 위해 물 분자와 관련 없는 소분자 리간드들을 제거하였습니다. 분자 도킹 시뮬레이션은 Lamarckian Genetic Algorithm을 사용하는 분자 도킹 소프트웨어를 통해 수행되었으며, 시각화는 분자 시각화 소프트웨어를 이용하여 진행되었습니다26.
통계 분석
모든 실험은 최소 3회 이상의 독립적인 생물학적 반복 실험을 통해 수행되었으며, 결과는 평균 ± 표준 편차(SD)로 나타내었습니다. 통계 분석은 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 수행하였습니다. 여러 그룹 간의 차이는 일원 분산 분석(one-way ANOVA) 후 Tukey의 다중 비교 사후 검정을 통해 평가하였습니다. P-값이 0.05 미만인 경우 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 간주하였습니다.
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Ruscogenin은 비인두암 세포의 생존력과 증식을 선택적으로 억제한다
본 연구에서는 먼저 ruscogenin (Rus)이 정상 비인두 상피 세포(NP69)와 비인두암(NPC) 세포(C666-1)의 생존능에 미치는 영향을 조사하였습니다. CCK-8 분석 결과, 10, 20, 50 µM 농도의 Rus 처리는 정상 NP69 세포에 대해 유의미한 독성을 보이지 않았습니다. 반면, Ruscogenin (Rus)은 농도 및 배양 시간에 의존적인 방식으로 C666-1 암세포의 생존을 유의미하게 저해하였습니다. 가장 두드러진 세포 독성 활성은 50 µM에서 관찰되었습니다 (p < 0.001) (Figure 1B-C). 다음으로, Rus 처리 후 C666-1 세포의 클론 생성 생존력을 평가하기 위해 콜로니 형성 분석을 수행하였으며, 그 결과 Rus가 매우 유...
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비인두암(NPC)은 전이 빈도가 높은 심각한 악성 종양으로, 더 나은 중재법이 시급히 요구되는 이유입니다27. 본 연구에서는 Radix ophiopogonis의 유도체로 얻어지는 천연물인 Ruscogenin (Rus)이 NPC 세포에 강력한 항종양 효과를 나타냄을 보여줍니다. 또한, Rus가 히스톤 탈메틸화 효소인 KDM1A를 억제함으로써 NPC의 진행을 방지하며, 결과적으로 아포토시스(apoptosis)와 페로토시스(ferroptosis)라는 두 가지 서로 다른 유형의 프로그램된 세포 사멸을 촉진한다는 결론을 내렸습니다. 본 논문은 치료 잠재력을 향상시킬 수 있는 이중 작용 기전을 포함하여, NPC에서 이전에 알려지지 않았던 Rus-KDM1A 신호 전달 축에 대해 상세히 설명합니다.
암세포의 침윤 및 이동 능력은 종양 전이의 결정 요인입니다. 암세포의 이동 및 침윤 능력은 전이의 주요 원인 두 가지이며, 이는 불량한 임...
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저자들은 상충하는 재정적 이해관계가 없음을 밝힙니다. 저자들은 본 연구의 구상, 데이터 수집, 데이터 분석 또는 그림 생성 과정에서 생성형 AI 도구가 사용되지 않았음을 밝힙니다. AI 보조 기술은 본 원고의 초안 작성 과정에서 사소한 언어 교정 및 문법 수정 목적으로만 사용되었습니다. 저자들은 출판된 결과물의 내용과 무결성에 대해 모든 책임을 집니다.
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