The antiangiogenic activity of xanthorrhizol and curcumin and underlying mechanisms

Abstract

[한글]신생혈관형성(angiogenesis)은 기존의 미세혈관으로부터 새로운 모세혈관이 생성되는 과정으로서 종양의 성장과 전이에 중요한 단계이다. 신체내의 정상적인 생리 조건에서 혈관내피세포의 증식은 엄격히 조절되는데 반해 당뇨병성 망막증, 자궁 내막증, 건선, 동맥경화증, 암과 같은 병리학적 조건에서는 무절제한 혈관신생이 일어난다. 특히 고형 암의 성장에 필수적으로 신생혈관이 발생한다. 이에 혈관신생을 억제하는 물질 개발이 암 치료에 있어 중요한 부분으로 인식되고 있다.Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)는 혈관신생 촉진 인자로 널리 알려져 있다. 특히 혈관내피세포의 유사분열촉진인자와 화학 주성인자의 기능을 가지고 있으며 상처 치유, 신생혈관, 허혈성 조직, 종양 성장, 혈관 보호, 지혈과정에 관련되어 있고, 혈관내피세포의 생존을 촉진한다.Phosphatidylinositol 3-kinase (PI3k)는 cell adhesion, vesicular trafficking, protein synthesis 그리고 cell survival과 같은 많은 세포내 기능에 관련되어 있다. PI3k의 downstream target인 serine-threonine kinase인 Akt는 phosphoinositide-dependent protein kinase (PDK)에 의해 Thr-308, Ser-473에 phosphorylation됨에 따라 활성화 되어 cell survival, glycogen metabolism, cellular transformation 그리고 myogenic differentiation을 조절한다. Nitric Oxide (NO)는 혈관내피세포의 생존에 중요한 역할을 하고 있다. 이는 Nitric Oxide Synthase (NOS)에 의해 생성되는데, 특히 혈관 내에서 생성되는 eNOS는 VEGF에 의해 Akt에 의존적으로 Ser-1177에 인산화가 유도되어 신생혈관에 관여한다고 알려져 있다. 또한 세포 표면에 존재하는 adhesion molecule 역시 세포의 이동과 관계되어 혈관신생에 영향을 미친다. Adhesion molecule의 종류에는 intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), vascular cell adhesion molecule- 1 (VAM-1), E-selection 등이 존재한다.Xanthorrhizol은 Curcuma xanthorrhiza Roxb,의 뿌리줄기에서 추출한 sesquiterpenoid로서 인도네시아에서 전통적으로 식용, 의약용으로 사용되어 왔다. Curcuma longa L, 의 뿌리줄기에서 분말화 한 삼황 분말의 활성 물질인 curcumin은 커리의 독특한 색과 향에 주요 성분 이다. Curcumin 역시 염증을 치료하기 위해 민간요법으로 사용되어 왔고, 항산화 작용, 항염증 작용이 보고 된 바 있다.본 연구에서는 xanthorrhizol과 curcumin의 신생혈관 억제 능을 in vitro, in vivo상에서 확인하였다. 혈관형성의 주 세포가 되는 혈관내피세포를 이용하여 in vitro 상에서 혈관형성 과정에서 필수적인 단계가 되는 혈관내피세포의 증식, 혈관 고리 형성, 이동이 억제되는 것을 확인하였고, 계란의 융모요막을 이용하여 혈관신생억제를 확인할 수 있는 CAM assay와 Matrigel을 이용한 mice Matrigel plug assay를 이용하여 in vivo 상에서 xanthorrhizol과 curcumin의 신생혈관억제효능을 확인하였다. 또한 세포 생존과 관련되어 있어 혈관신생을 유도하는 것으로 알려져 있는 PI3k와 이의 downstream effector인 Akt와 세포의 생존, 그리고 특히 세포의 이동에 관련을 하고 있는 eNOS를 protein 수준에서 억제되는 것을 확인하였으며, adhesion molecule의 protein 발현을 NF-κB에 의존적으로 억제시키는 것을 확인하였다. 위와 같은 결과로, 식물 유래화합물인 xanthorrhizol 과 curcumin의 암을 치료하는데 있어 신생혈관억제제로서의 유용성을 제시하고 있다.

[영문]Angiogenesis plays a crucial role in tumor growth and metastasis. Vascular endothelial cell proliferation and migration are critical steps in angiogenesis and are regulated by various growth factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF). The serine/threonine kinase, Akt, is a downstream effector of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3k), which is recognized as the major mediator of survival signals. Akt-dependent phosphorylation of the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) at Ser 1177 plays a role in angiogenesis signaling. Increased expression of cell adhesion molecules has also been implicated in endothelial cell migration. Xanthorrhizol, a sesquiterpenoid isolated from the rhizome of Curcuma xanthorrhiza Roxb, has been traditionally used in Indonesia for culinary and medicinal purpose. Curcumin, which is a phenolic natural product isolated from the rhizome of Curcuma longa L, gives a specific flavor and color to curry. It has also been used traditionally in folk medicine to treat inflammatory disorders. It has also been used traditionally in folk medicine to treat inflammatory disorders. In this study, we showed the antiangiogenic activity of xanthorrhizol and curcumin using in vitro and in vivo assay systems. Xanthorrhizol and curcumin inhibited VEGF-induced proliferation, chemotactic motility, and the formation of capillary-like tubes in primary cultured human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Both compounds also inhibited the VEGF-induced phosphorylation of Akt and eNOS via the PI3k signaling pathway in HUVECs. The VEGF-induced expression of adhesion molecules such as ICAM-1, VCAM-1, and E-selectin in HUVECs was inhibited by xanthorrhizol and curcumin mainly via blockade of the NF-κB pathway. Moreover, xanthorrhizol and curcumin exerted antiangiogenic activities in mouse Matrigel plug assay and the Chorioallantoic membrane (CAM) assay.