A sesquiterpenoid from the Farfarae Flos induces apoptosis of MDA-MB-231 human breast cancer cells through inhibition of JAK-STAT3 signaling

Abstract

Triple-negative breast cancers (TNBCs) are hard-to-treat breast tumors with poor prognosis, which need to be treated by chemotherapy. Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) is a transcription factor involved in proliferation, metastasis, and invasion of cancer cells. Therefore, research on searching for promising compounds with metabolism that suppress phosphorylation or transcription of STAT3 in TNBC cells is important. Farfarae Flos is well known as a traditional medicine for treating inflammation. However, few studies have shown that sesquiterpenoids from Farfarae Flos have an anticancer effect. In this study, efficient separation methods and MTT assay were conducted to isolate an anticancer compound from Farfarae Flos against TNBC MDA-MB-231 cells. 7β-(3-Ethyl-cis-crotonoyloxy)-1α-(2-methylbutyryloxy)-3,14-dehydro-Z-notonipetranone (ECN), a compound isolated from Farfarae Flos showed a potent cytotoxic effect on MDA-MB-231 cells. ECN inhibited JAK–STAT3 signaling and suppressed the expression of STAT3 target proteins. It decreased expression of STAT3 downstream proteins including Bcl-2, Cyclin D1, and COX-2. In addition, ECN induced apoptosis through both extrinsic and intrinsic pathways. Furthermore, we investigated that ECN inhibited the growth of tumors by intraperitoneal administration in mice injected with MDA-MB-231 cells. Taken together, these results suggest that ECN isolated from Farfarae Flos can be an effective chemotherapeutic agent for breast cancer treatment.

유방암은 여성에게 가장 많이 발생하고 치사율이 높은 암이다. 삼중 음성 유방암은 유방암의 한 종류로, 에스트로겐과 프로게스테론 수용체가 음성이고 인간상피 성장인자 수용체 2형 유전자가 과 발현되지 않는다. 이는 재발이 빠르고 치료가 어려워 항암화학요법 치료가 요구된다. STAT3는 삼중 음성 유방암 세포에서 많이 발현되는 전사조절인자로 종양형성, 암세포 침윤 및 전이에 관여한다고 알려져 있다. 따라서 삼중 유방암 세포 내 STAT3의 전사활성 및 인산화를 저해하는 화합물 탐색과 생리기능 활성 연구는 중요하다. 관동은 국화과에 속하며, 유럽, 아시아 북아프리카에 널리 분포한다. 예로부터 관동의 꽃봉오리(관동화)는 약재로 사용되었으며 기침, 기관지염, 천식치료에 처방되었다. 관동화는 sesquiterpenoids, terpenoids, steroids, flavonoids 와 같은 다양한 화합물을 많이 함유하고 있다. 그중 sesquiterpenoid 계열의 화합물은 항산화, 항균, 신경보호의 효능 연구가 보고되어 있다. 그러나 관동화 화합물의 삼중 음성 유방 암세포 성장억제 효과에 관한 연구는 아직 보고된 바가 없다. 본 연구는 관동화 유래 sesquiterpenoid 화합물의 MDA-MB-231 유방암 세포에 대한 사멸 효과를 밝혔다. 관동화로부터 항암 효과를 갖는 활성 물질을 발굴하고, 해당 활성 화합물의 암세포 성장 억제 효과를 세포실험과 동물실험으로 입증하였다. 건조, 분쇄한 관동화를 55% 아세토나이트릴로 추출하고 향류 분배 크로마토그래피로 sesquiterpenoids 분획물을 얻었다. 이를 preparative-HPLC를 이용하여 18개로 분획하고 가장 세포독성이 높은 분획물을 단일 화합물로 분리 정제하였다. 화합물의 NMR 및 MS 데이터를 문헌 값과 비교하여 7β-(3-Ethyl-cis-crotonoyloxy)-1α-(2-methylbutyryloxy)-3,14-dehydro-Z-notonipetranone (ECN)임을 확인하였다. ECN은 삼중 음성 유방암 MDA-MB-231 세포에 대해 항암 효과를 나타냈다. ECN은 유방암 MDA-MB-232 세포 내 JAK-STAT3 신호전달을 억제하여 세포 성장 억제 및 사멸을 유도하였다. 또한, 암세포가 이종 이식된 면역 결핍 생쥐에 ECN을 복강 투여하여 종양 성장 및 STAT 활성화 억제 효과를 확인하였다. 본 연구 결과를 종합하면, 관동화 유래 세스퀴테르펜 화합물 ECN은 삼중 음성 유방암 세포의 JAK-STAT3 신호 전달 기전을 억제하여 항암 치료제 성분으로 활용 가능성을 기대 할 수 있다.