Mechanism of nasal polypogenesis via hypoxia-induced epithelial-to-mesenchymal transition

Abstract

비용은 만성 부비동염 환자에서 흔히 동반되며, 치료 후에도 재발이 잦은 난치성 질환이다. 비강 및 부비동 내의 저산소 환경이 비용의 발생 및 성장에 관여하고 있다고 생각되나, 정확한 기전은 알려져 있지 않다. 본 연구자는 저산소 환경이 비강 상피세포의 상피-간엽 전환(Epithelial-to-mesenchymal transition, EMT)을 유도함으로써 비용의 형성에 기여할 수 있다고 가설을 세우고 다음과 같이 검증하였다. 면역블러팅법(immunoblotting), 형광 염색법, 유세포 분석, real-time PCR법을 이용하여 비강 상피세포 또는 비강/부비동 인체 조직에서 저산소 환경 및 상피-간엽 전환의 마커들을 확인하였다. 또한 쥐를 이용한 비용 동물 모델에서 HIF-1alpha 억제약물에 의한 비용 형성 억제 효과를 평가하였다. 우선 면역조직화학법으로 인체 비부비동 조직을 염색하였을 때, 비용이 동반된 환자의 비용 조직에서는 비용이 동반되지 않은 환자의 상피 조직에 비해 E-Cadherin의 발현이 감소하였고, alpha-smoothe muscle actin (SMA)의 발현은 증가하였다. 저산소 환경에서 인체 비강 상피세포는 간엽 세포 형태로 모양이 변형되고, 간엽 세포의 마커들(alpha-SMA, vimentin 및 twist)이 증가하고, 상피세포 마커들(E-cadherin 및 beta-catenin)은 감소하였다. 저산소 환경에서 이러한 E-cadherin의 감소는 HIF-1alpha의 발현을 감소시켰을 때 회복되었고, 정상 산소환경에서도 HIF-1alpha의 발현을 증가시키면, E-cadherin의 발현을 감소시킬 수 있었다. 게다가 저산소 환경에서 PP2Ac라는 탈인산화 효소가 감소하고 결과적으로 인산화된 Smad3(pSmad3)가 증가함으로써, 비강 상피세포에서 alpha-SMA의 발현을 유도하였다. 즉, 저산소 환경에서 관찰되는 비강 상피세포의 상피-간엽 전환은 HIF-1alpha에 의한 E-cadherin의 감소와 pSmad3에 의한 alpha-SMA의 증가로 인하여 유도된다고 생각된다. 실제로 비용이 동반된 만성 부비동염 환자의 비부비동 상피세포에서는 대조군에 비해 HIF-1alpha의 발현이 뚜렷하였고, HIF-1alpha의 발현정도와, E-cadherin의 소실 및 alpha-SMA의 발현 간에 유의미한 상관성이 확인되었다. 끝으로 HIF-1alpha 억제약물을 비강 내에 처치하였을 때, 비용 형성이 감소함을 쥐를 이용한 비용 동물 모델에서 관찰하였다. 결론적으로 저산소 환경에서 인체 비강 상피세포는 상피-간엽 전환이 일어나며, 이러한 전환은 HIF-1alpha와 pSmad3를 통하여 야기된다. 또한 본 연구는 저산소에 의한 상피-간엽 전환이 만성 부비동염에서의 비용 형성에 기여하고 있음을 보여주며, HIF-1alpha가 향후 비용 치료의 타겟이 될 수 있음을 암시한다.

Nasal polyposis implies a refractory clinical course in case of chronic rhinosinusitis (CRS). Although hypoxia is believed to be associated with nasal polyposis, little is known about the mechanism underlying polypogenesis. The author hypothesized that hypoxia drives nasal polyposis via epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Immunoblotting, immunofluorescence, flow cytometry and real-time PCR were done to evaluate EMT and hypoxic markers in human nasal epithelial cells (hNECs) and in sinonasal tissues from CRS patients with or without polyps. In addition, the effects of HIF-1alpha inhibitors on nasal polypogenesis were investigated in a murine model. E-cadherin and alpha-smooth muscle actin (alpha-SMA) were downregulated and upregulated, respectively, in patients with polyps as compared with patients without polyps. Under hypoxia, hNECs transformed to a mesenchymal shape, and demonstrated representative changes in EMT markers, that is, mesenchymal markers (alpha-SMA, vimentin and twist) increased but epithelial markers (E-cadherin and beta-catenin) decreased. Mechanistically, E-cadherin level was recovered in hypoxia by silencing HIF-1alpha and decreased in normoxia by expressing HIF-1alpha. Furthermore, hypoxia was found to downregulate PP2Ac phosphatase and upregulate pSmad3, which led to alpha-SMA induction. In CRS sinonasal specimens, HIF-1alpha expression was found to correlate with E-cadherin loss and alpha-SMA expression. Finally, HIF-1alpha inhibitors suppressed nasal polypogenesis in a murine model. hNECs undergo EMT during hypoxia and this process is critically mediated by HIF-1alpha and pSmad3. This study shows that hypoxia-induced EMT is likely to contribute to nasal polyposis in CRS, and suggests that HIF-1alpha be viewed as a therapeutic target for nasal polyposis.