Role of von Willebrand factor in endothelial cells in tumor metastasis under hyperglycemic condition

Abstract

Diabetes mellitus (DM) is a chronic metabolic disease characterized by hyperglycemia and induces numerous complications, particularly vascular complications. In DM, prolonged hyperglycemia induces dysfunction of vascular endothelial cells (ECs) and consequently vascular complications. Although a close relationship between DM and cancer progression has been reported in epidemiologic studies, the response and the role of ECs on cancer metastasis in diabetic conditions remain to be elusive. In this study, I sought to determine whether and how ECs exposed to diabetic conditions contribute to cancer metastasis. I applied a syngeneic mouse tumor model of Lewis lung carcinoma (LLC) and B16F10 melanoma to a streptozotocin (STZ)-induced hyperglycemic mouse model. I demonstrated that hyperglycemia increased the metastasis of LLC and B16F10 cells in an experimental metastasis model with an intravenous injection of the tumor cells. I also confirmed that hyperglycemia increased tumor metastasis by increasing the adhesiveness of ECs to tumor cells rather than affecting the metastatic behavior of tumor cells themselves. Through gene ontology analysis in isolated lung ECs from STZ-treated mice, I identified that von Willebrand factor (vWF) promoted the adhesion of tumor cells to ECs and the transendothelial migration of tumor cells. Mechanistically, hyperglycemia increases oxidative stress in ECs through NADPH oxidase 2 (NOX2). The oxidative stress upregulates GATA binding protein 1 (GATA1), a transcription factor of vWF, and thereby upregulates endothelial vWF expression. These results provide evidence for the role of vWF in ECs as an adhesion molecule in hyperglycemia-induced tumor metastasis and potential therapeutic targets for the regulation of endothelial vWF expression and hyperglycemia-induced tumor metastasis.

당뇨는 고혈당이 특징인 만성 대사성 질환으로써 수많은 합병증, 특히 혈관 합병증을 유도한다. 이런 혈관 합병증은 당뇨 환경이 혈관내피세포에 장애를 일으켜 일어난다. 기존 역학 연구들에서 당뇨와 암의 진행 사이에 밀접한 관계가 보고됨에도 불구하고, 당뇨 조건에 혈관내피세포가 암의 전이에는 어떤 영향을 끼치는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서 당뇨 조건에 노출된 혈관내피세포가 암 전이에 영향을 끼치는지 여부와 영향을 끼친다면 어떤 기전을 통하는지 알아보고자 했다. 이를 위해 Streptozotocin으로 유도한 고혈당 마우스 모델에 Lewis lung carcinoma (LLC)와 B16F10 melanoma 를 이용한 동계 유전자 생쥐 종양 모델을 접목하였다. 이를 통해 고혈당은 암의 성장에는 영향을 미치지 못하나 암의 전이를 촉진함을 고혈당 마우스에 두 종의 암세포를 정맥주사하여 폐로의 전이를 비교함으로써 확인 하였다. 이러한 현상이 고혈당이 암세포에 직접적인 영향을 미침으로써 일어나는 것인지 확인 하 였을 때 그렇지 않음을 확인 하였고, 당뇨 조건에서 고혈당에 영향을 많이 받으며 암의 전이에 관여하는 기질 세포인 혈관내피세포가 전이 증가에 관여할 것이라 가설을 세우고 이를 확인하였다. 실제 고혈당에 의한 전이 증가는 혈관내피세포가 암세포의 부착을 증가시킴으로써 폐 전이를 촉진시킴을 알 수 있었다. 그렇다면 혈관내피세포 유래의 어떤 분자가 암의 혈관내피세포로의 부착을 증가시키는가? 이에 대한 답을 찾고자 고혈당 마우스의 일차 폐 혈관내피세포에서 gene ontology를 분석함으로써, 혈관내피세포가 발현하는 vWF 가 암세포의 혈관내피세포에 대한 부착을 증가시키고 경내피 이동을 증가시키는 분자임을 확인하였다. 당뇨 조건에서 혈관내피세포의 vWF 발현이 증가하는 기전으로 고혈당이 혈관내피세포에 NOX2를 통하여 산화 스트레스를 증가시키며, 산화 스트레스로 인해 전사인자 GATA1이 증가하게 되며, 최종적으로 혈관내피세포의 vWF 발현이 증가함을 확인하였다. 이러한 결과들은 고혈당에 의해 증가하는 암 전이에서 혈관내피세포 유래 vWF의 역할을 규명하며 나아가 혈관내피세포에서 vWF 발현 조절과 고혈당에 의해 증가하는 암 전이 조절을 위한 잠재적 치료 표적을 제공한다.