DNA 손상 반응과 생체시계 시스템 조절을 통한 저온 플라즈마의 암세포 사멸 조절 연구 Non-thermal plasma regulation of cancer cell apoptosis via DNA damage responses and circadian timing system원문보기
플라즈마는 전자, 이온, 라디칼 및 활동적 광자를 포함하는 이온화된 기체 상태를 의미한다. 최근 인체 조직에 열 손상을 가하지 않는 저온 대기압 플라즈마 (Non-thermal plasma, ...
플라즈마는 전자, 이온, 라디칼 및 활동적 광자를 포함하는 이온화된 기체 상태를 의미한다. 최근 인체 조직에 열 손상을 가하지 않는 저온 대기압 플라즈마 (Non-thermal plasma, NTP)의 개발로 암 치료 분야에서 잠재적인 가능성을 나타내고 있다. 그러나 암 치료 기술로 NTP를 실제로 사용하여 최적의 효능을 얻기 위해서는 NTP에 의해 유도되는 DNA 손상 반응의 정확한 기전을 잘 이해해야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 NTP의 전기적 매개변수 또는 산소 가스 추가에 따른 NTP에 의해 유도된 암세포의 DNA 손상 반응과 정상세포의 부작용을 줄이기 위한 생체시계 시스템을 연구하였다. NTP는 인가 전압이 높을수록 ROS에 의한 DNA 손상 마커인 8-oxoguanosine (8-oxoG), DNA 손상 마커인 γH2AX의 발현을 증가시켰다. 그러나 진동수, duty ratio는 각각 35 kHz, 25%에서 가장 높은 효과를 보여 플라즈마 조사의 적절한 전기적 매개변수를 확인하였다. 게다가 NTP 단독 처리와 비교했을 때, NTP에 산소 가스를 추가한 NTPO의 처리는 A549 세포에서 세포 내 활성산소종이 2-3배 더 많이 형성된다는 것을 확인하였다. NTPO로 유도된 DNA 손상 반응을 조사한 결과, NTPO가 상당량의 DNA 손상 부위와 절단을 유도하고 ATR 매개성 세포주기 검사점을 활성화시키는 것을 확인하였다. 또한 NTPO로 유발된 DNA 손상 부위는 뉴클레오티드-절삭 회복(NER)보다는 염기-절삭 회복(BER)으로 주로 회복된다는 사실을 발견하였다. 따라서 PARP1 억제제를 사용하여 BER 경로를 차단했을 때, 급격히 γH2AX의 인산화를 유도하였고, 결국에 암세포의 세포예정사가 진행되었다. 그러나 NER 경로를 억제하는 XPA의 발현 억제는 NTPO에 의해 유도된 γH2AX의 인산화에 어떤 영향도 미치지 않았다. 마지막으로 정상세포의 세포독성을 억제하여 암 치료 과정의 부작용을 최소화시키기 위해 플라즈마의 처리에 대한 DNA 회복 반응이 생체시계의 조절을 받는지 확인하였다. 최근 연구와 일치하게 정상 마우스 배아 섬유아 세포(WT-MEF)에서 NTPO 치료 시 세포의 생존 능력에 필요한 PARP1 활성화가 생체시계 시스템에 의해 조절되는 것을 발견하였다. 그러나 생체시계의 핵심 유전자인 cryptochrome 1, 2의 결핍으로 생체시계 시스템의 기능을 하지 않는 세포인 CRY^(DKO)-MEF는 NTPO 처리 시 일주기성세포 사멸의 변화를 나타내지 않았다. 종합적으로 본 연구는 NTPO 처리 시 ATR, PARP1에 의해 활성화되는 DNA 손상 반응을 억제하는 저해제를 함께 처리하는 것과 생체시계 시스템을 이용한 시간치료를 적용시켜 새로운 NTP 암 치료에 대한 과학적인 기반을 제공해주고 있다.
플라즈마는 전자, 이온, 라디칼 및 활동적 광자를 포함하는 이온화된 기체 상태를 의미한다. 최근 인체 조직에 열 손상을 가하지 않는 저온 대기압 플라즈마 (Non-thermal plasma, NTP)의 개발로 암 치료 분야에서 잠재적인 가능성을 나타내고 있다. 그러나 암 치료 기술로 NTP를 실제로 사용하여 최적의 효능을 얻기 위해서는 NTP에 의해 유도되는 DNA 손상 반응의 정확한 기전을 잘 이해해야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 NTP의 전기적 매개변수 또는 산소 가스 추가에 따른 NTP에 의해 유도된 암세포의 DNA 손상 반응과 정상세포의 부작용을 줄이기 위한 생체시계 시스템을 연구하였다. NTP는 인가 전압이 높을수록 ROS에 의한 DNA 손상 마커인 8-oxoguanosine (8-oxoG), DNA 손상 마커인 γH2AX의 발현을 증가시켰다. 그러나 진동수, duty ratio는 각각 35 kHz, 25%에서 가장 높은 효과를 보여 플라즈마 조사의 적절한 전기적 매개변수를 확인하였다. 게다가 NTP 단독 처리와 비교했을 때, NTP에 산소 가스를 추가한 NTPO의 처리는 A549 세포에서 세포 내 활성산소종이 2-3배 더 많이 형성된다는 것을 확인하였다. NTPO로 유도된 DNA 손상 반응을 조사한 결과, NTPO가 상당량의 DNA 손상 부위와 절단을 유도하고 ATR 매개성 세포주기 검사점을 활성화시키는 것을 확인하였다. 또한 NTPO로 유발된 DNA 손상 부위는 뉴클레오티드-절삭 회복(NER)보다는 염기-절삭 회복(BER)으로 주로 회복된다는 사실을 발견하였다. 따라서 PARP1 억제제를 사용하여 BER 경로를 차단했을 때, 급격히 γH2AX의 인산화를 유도하였고, 결국에 암세포의 세포예정사가 진행되었다. 그러나 NER 경로를 억제하는 XPA의 발현 억제는 NTPO에 의해 유도된 γH2AX의 인산화에 어떤 영향도 미치지 않았다. 마지막으로 정상세포의 세포독성을 억제하여 암 치료 과정의 부작용을 최소화시키기 위해 플라즈마의 처리에 대한 DNA 회복 반응이 생체시계의 조절을 받는지 확인하였다. 최근 연구와 일치하게 정상 마우스 배아 섬유아 세포(WT-MEF)에서 NTPO 치료 시 세포의 생존 능력에 필요한 PARP1 활성화가 생체시계 시스템에 의해 조절되는 것을 발견하였다. 그러나 생체시계의 핵심 유전자인 cryptochrome 1, 2의 결핍으로 생체시계 시스템의 기능을 하지 않는 세포인 CRY^(DKO)-MEF는 NTPO 처리 시 일주기성 세포 사멸의 변화를 나타내지 않았다. 종합적으로 본 연구는 NTPO 처리 시 ATR, PARP1에 의해 활성화되는 DNA 손상 반응을 억제하는 저해제를 함께 처리하는 것과 생체시계 시스템을 이용한 시간치료를 적용시켜 새로운 NTP 암 치료에 대한 과학적인 기반을 제공해주고 있다.
Plasma is an ionized gas state that includes electrons, ions, radicals, and energetic photons. Recently, Non-thermal plasma (NTP), which does not sustain thermal damages to human tissues, has been emerging as potential cancer therapeutic. However, the practical use of NTP as a cancer therapy require...
Plasma is an ionized gas state that includes electrons, ions, radicals, and energetic photons. Recently, Non-thermal plasma (NTP), which does not sustain thermal damages to human tissues, has been emerging as potential cancer therapeutic. However, the practical use of NTP as a cancer therapy requires a better understanding of the precise mechanisms underlying NTP-induced DNA damage responses in order to achieve optimal efficacy. In this study, I have investigated NTP-induced DNA damage response upon electrical parameters of NTP or addition to oxygen gas, and the circadian timing of treatment to reduce the side effects of normal cells. NTP treatment increased the expression of 8-oxoguanosine (8-oxoG) and γH2AX, a DNA damage marker as the applied voltage was higher. However, the frequency and duty ratio were the highest at 35 kHz and 25%, respectively, confirming the appropriate electrical parameters of plasma treatment. Moreover, it has been shown that the addition of oxygen gas flow during NTP treatment (NTPO), when compared to NTP exposure alone, can induce a 2–3 fold greater generation of intracellular ROS in A549 cells. Here, I examined NTPO-induced DNA damage responses and found that NTPO generated a substantial number of genomic DNA lesions and breaks that activated ATR-mediated cell-cycle checkpoints. In addition, I discovered that NTPO-induced DNA lesions were primarily removed by base excision repair (BER) rather than by nucleotide excision repair (NER). Therefore, the inhibition of the BER pathway using a PARP1 inhibitor drastically induced the phosphorylation of γH2AX, and was followed by the programmed cell death of cancer cells. However, the knock-down of XPA, which inhibited the NER pathway, had no effect on NTPO-induced phosphorylation of γH2AX. Finally, to minimize cytotoxicity of normal cells during cancer therapy, I confirmed that the NTP-induced DNA repair is regulated by the circadian timing system. In agreement with a recent report, I found a circadian rhythm of PARP1 activity in normal mouse embryonic fibroblasts that needed for cell viability upon NTPO treatment. But CRY^(DKO)-MEF, cells of nonfunctional clock due to the defect of the core clock genes cryptochrome 1 and 2, did not exhibit circadian toxicity variation of NTP and NTPO. Taken together, my findings provided an advanced NTP regimen for cancer treatment by combining NTPO treatment with chemical adjuvants for the inhibition of ATR- and PARP1-activated DNA damage responses, and circadian timing of treatment.
Plasma is an ionized gas state that includes electrons, ions, radicals, and energetic photons. Recently, Non-thermal plasma (NTP), which does not sustain thermal damages to human tissues, has been emerging as potential cancer therapeutic. However, the practical use of NTP as a cancer therapy requires a better understanding of the precise mechanisms underlying NTP-induced DNA damage responses in order to achieve optimal efficacy. In this study, I have investigated NTP-induced DNA damage response upon electrical parameters of NTP or addition to oxygen gas, and the circadian timing of treatment to reduce the side effects of normal cells. NTP treatment increased the expression of 8-oxoguanosine (8-oxoG) and γH2AX, a DNA damage marker as the applied voltage was higher. However, the frequency and duty ratio were the highest at 35 kHz and 25%, respectively, confirming the appropriate electrical parameters of plasma treatment. Moreover, it has been shown that the addition of oxygen gas flow during NTP treatment (NTPO), when compared to NTP exposure alone, can induce a 2–3 fold greater generation of intracellular ROS in A549 cells. Here, I examined NTPO-induced DNA damage responses and found that NTPO generated a substantial number of genomic DNA lesions and breaks that activated ATR-mediated cell-cycle checkpoints. In addition, I discovered that NTPO-induced DNA lesions were primarily removed by base excision repair (BER) rather than by nucleotide excision repair (NER). Therefore, the inhibition of the BER pathway using a PARP1 inhibitor drastically induced the phosphorylation of γH2AX, and was followed by the programmed cell death of cancer cells. However, the knock-down of XPA, which inhibited the NER pathway, had no effect on NTPO-induced phosphorylation of γH2AX. Finally, to minimize cytotoxicity of normal cells during cancer therapy, I confirmed that the NTP-induced DNA repair is regulated by the circadian timing system. In agreement with a recent report, I found a circadian rhythm of PARP1 activity in normal mouse embryonic fibroblasts that needed for cell viability upon NTPO treatment. But CRY^(DKO)-MEF, cells of nonfunctional clock due to the defect of the core clock genes cryptochrome 1 and 2, did not exhibit circadian toxicity variation of NTP and NTPO. Taken together, my findings provided an advanced NTP regimen for cancer treatment by combining NTPO treatment with chemical adjuvants for the inhibition of ATR- and PARP1-activated DNA damage responses, and circadian timing of treatment.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.