Protective effects of 17-oxo-docosahexaenoic acid and taurine chloramine on experimentally induced inflammation and carcinogenesis

Abstract

Taurine chloramine (TauCl)은 육류, 생선, 계란 및 우유를 포함한 일부 식품에서 발견되는, 준필수 황 함유 β-아미노산인 Taurine에서 대사된 내인성 항염증 물질이다. 일반적으로 TauCl과 Taurine은 다양한 유형의 세포에서 조직 손상에 의해 유발되는 염증 매개체의 생성을 감소시킨다. 본 논문연구에서 실험적으로 유도된 대장염에 대한 TauCl의 보호 효과를 확인하였다. 2,4,6-Trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS)에 의해 유도된 대장염증은 TauCl의 경구 투여에 의해 경감되었다. 또한 TauCl의 투여는 TNBS로 유도된 마우스의 대장 점막에서 세포자멸사를 감소시켰다. 이는 necrosis factor-α, interleukin-6 와 cyclooxygenase-2 (COX-2)를 포함하는 염증성 인자와 4-hydroxy-2-nonenal (4-HNE)을 포함하는 산화적 스트레스 인자의 억제를 통해 확인되었다. TauCl은 또한 염증 신호전달을 매개하는 두 가지 주요 전사 인자인 nuclear factor kappa light chain enhancer of activated B cells (NFκB) 및 signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3)의 활성화를 억제하였다. 특히, TNBS로 유도된 마우스의 대장에서 산화적 스트레스 및 염증에 대한 TauCl의 보호 효과는 nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2)의 높은 활성화 및 heme oxygenase-1 (HO-1), NAD(P)H:quinone oxidoreductase (NQO1)과 같은 표적 유전자의 발현 량 증가와 관련이 있음을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 TauCl이 Nrf2에 의해 유도되는 항산화 유전자 발현의 상향조절을 통해 대장염에 대한 보호효과를 보임과 동시에, NFκB와 STAT3에 의해 매개되는 염증성 신호를 억제함을 나타낸다. 태양광, 특히 자외선에 대한 과도한 노출은 광노화를 일으키며 피부염 및 피부암 발생의 주요 원인이다. 본 연구는 광손상으로부터 피부를 효과적으로 보호할 수 있는 후보 물질을 찾기 위해 염증 조직으로 집중된 대식세포의 Taurine으로부터 생성되는 TauCl을 사용하여 수행되었다. 180 mJ/cm2 강도의 Ultraviolet B (UVB) 조사는 마우스 표피에서 산화적 손상과 세포 사멸을 유발하였다. TUNEL-양성 표피 세포의 감소 및 세포사멸 억제 단백질인 Bcl-xL의 발현량 증가, cleaved caspase-3의 감소 및 4-HNE의 억제에 의해 입증된 바와 같이 이러한 피부염증은 국소 도포 처리된 TauCl에 의해 경감됨을 확인하였다. 또한 두 가지 주요 염증 효소인 COX-2와 inducible nitric oxide synthase (iNOS)의 발현은 TauCl 처리된 마우스에서 유의하게 낮음을 확인하였고, 염증성 사이토카인 (Tnf, Il6, Il1b, Il10)의 전사 또한 유사한 경향성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 TauCl의 항염증 효과는 STAT3의 활성화 억제 및 Nrf2의 활성화를 통한 HO-1, NQO1과 같은 항산화 효소의 유도 와도 관련 있음을 확인하였다. 이러한 연구 결과들을 통해 대장염 및 피부염에 대한 TauCl의 화학적 암예방효과는 염증을 매개하는 표적 단백질들의 활성화를 경감시킴과 동시에 활성산소종의 제거와 관련된 항산화 단백질들의 증가된 발현을 통해 매개된다고 할 수 있다. 급성 염증은 조직 복구와 항상성 회복을 위한 자기 한정적 과정이다. 급성 염증이 적절하게 해소되지 않으면 염증 반응이 지속되어 천식, 관절염, 동맥경화증, 심지어 암 과도 같은 여러 만성 질환을 유발할 수 있다. 세포자연사는 조직의 염증 해소 단계에서 관찰되는 세포예정사의 가장 중요한 과정이다. 죽거나 죽어가는 세포의 축적은 지속적인 염증 반응을 일으키거나 악화시키기 때문에 세포 사멸 세포의 제거는 염증 조절에 필수적인 역할을 한다. 포식작용은 대식세포의 식세포 작용에 의해 죽거나 죽어가는 세포가 제거되는 과정이다. CD36을 포함한 다양한 식세포 수용체는 식균 작용을 하는 것으로 여겨지는 세포를 인식함으로써 이 과정에 관여한다. 포식작용은 염증의 해소에 기여함으로써 2차 괴사, 염증의 심화, 그리고 만성 염증을 예방하는데 필수적인 역할을 한다. 외부 및 내부 염증 자극에 반응하여 항상성을 유지하는 가장 중요한 관문이자 기관으로서 피부의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않는다. 표피에서 급성 염증의 해소가 제대로 이루어지지 않으면 염증의 중증도를 악화시킬 수 있다. Docosahexaenoic acid (DHA)는 오메가3 불포화지방산 중 하나로, 대사과정을 거쳐 생물학적으로 활성화된 친전자성 대사체를 생성한다. 그 대사체중 하나인, 17-oxo-DHA는 활성화된 대식세포에서 COX-2와 탈수소효소에 의해 DHA로부터 생성된다. STAT3는 UVB로 유도된 피부염증 및 피부암 발생에서 중요한 역할을 한다. STAT3의 활성화에 필수적인 Tyr705의 인산화는 17-oxo-DHA로 처리된 무모 마우스에서 유의하게 감소하였다. 또한 UVB 조사로 인해 유도된 세포 사멸의 발생은 17-oxo-DHA의 국소 도포로 인해 경감되었으며 이는 TUNEL-양성 세포의 비율 감소로 입증하였다. 17-oxo-DHA의 처리는 또한 산화적 스트레스의 지표 단백질 발현을 감소시켰고, Nrf2의 발현과 관련 항염증 및 항산화 단백질 발현을 증가시켜 염증성 사이토카인 생성을 약화시키고, 염증의 해소를 가속화하였다. 포식작용은 대식세포의 식균활동에 의해 수행되는 염증의 해소에 중추적인 역할을 한다. 이 실험에서 17-oxo-DHA에 의한 골수 유래 대식세포의 포식작용 능력의 변화를 관찰하였고, 그 결과 17-oxo-DHA의 처리에 의해 골수 유래 대식세포의 포식작용이 증가함을 확인하였다. 또한 이 결과는 스캐빈저 수용체인 CD36 및 Nrf2의 발현량의 증가와 관련 있음을 Nrf2 knockout 마우스들을 통해 확인할 수 있었다. 결론적으로, 17-oxo-DHA의 도포는 산화적 스트레스를 억제하고 대식세포의 포식작용 능력을 강화하여 염증의 해소 단계를 활성화시켜 UVB에 의해 유도된 피부염 및 피부암으로부터 보호효과를 나타내었고, 이러한 효과는 Nrf2의 활성화와 그에 따른 항산화 단백질 발현의 증가를 통해 확인되었다. 따라서 17-oxo-DHA는 UVB로 인한 피부 손상을 해결할 수 있는 치료제로서의 가능성이 있음을 시사한다.

Taurine protects tissues from oxidative damage and inflammation through up-regulation of anti-oxidant and anti-inflammatory gene expression and accelerates the biological and structural repair of damaged tissues. During the oxidative burst, hydrogen peroxide (H2O2) is produced, which is converted to highly reactive hypochlorous acid (HOCl) by the myeloperoxidase activity of the activated neutrophils in the presence of chloride ion. HOCl has bactericidal activity, but at the site of acute inflammation, but it can also be detrimental to host. At the inflamed site, taurine reacts with residual HOCl, resulting in the formation of taurine chloramine (TauCl). From previous studies, TauCl is known to inhibit the production of pro-inflammatory mediators of tissue damage, such as chemokines and cytokines in various cells and tissues. In this study, I investigated the protective effect of TauCl against colitis caused by 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS). TauCl administration attenuated oxidative stress as assessed by 4-hydroxy-2-nonenal (4-HNE) production and expression/production of pro-inflammatory factors such as tumor necrosis factor-α, interleukin- 6, and cyclooxygenase-2 (COX-2). TauCl also inhibited the activation of two key transcription factors, NFB and STAT3 mediating pro-inflammatory signaling. Specifically, the protective effects of TauCl against oxidative stress and inflammation in the colon of TNBS-treated mice were associated with increased activation of Nrf2 and upregulation of its target genes and proteins. To further elucidate the protective role of TauCl under inflammatory conditions, an experimentally induced murine dermatitis model was employed. Excessive exposure to solar radiation, especially ultraviolet rays, causes extensive photodamage, a major cause of dermatitis and skin cancer. Upon irradiation of ultraviolet B (UVB) at an intensity of 180 mJ/cm2 induced oxidative damage and cell death in the epidermis of mice. These symptoms were alleviated through the topical application of TauCl. In addition, the UVB-induced expression of pro-inflammatory cytokines was lower in the skin of TauCl treated mice than that of the vehicle-treated control group. The anti-inflammatory effects of TauCl are related to the inhibition of STAT3 signaling with concomitant activation of Nrf2 and induction of antioxidant enzymes such as heme oxygenase-1 and NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1. Taken together, these results suggest that TauCl exerts protective effects against colitis and dermatitis through the upregulation of Nrf2-dependent cytoprotective gene expression while downregulation of proinflammatory signaling mediated by NFκB and STAT3. Docosahexaenoic acid (DHA) is one of the prototype omega-3 (ω-3) polyunsaturated fatty acids and has been reported to inhibit inflammatory and carcinogenic processes. 17-Oxo-DHA is an electrophilic fatty acid metabolite, produced from DHA via a series of steps involving COX-2 and dehydrogenase in activated macrophages. 17-Oxo-DHA was found to play an important role in UVB-induced dermatitis and photocarcinogenesis. In the present study, it was confirmed that UVB-induced phosphorylation of Tyr705, which is essential for the activation of STAT3, was inhibited by topically applied 17-oxo-DHA in mouse skin in vivo. Topical application of 17-oxo-DHA reduced the expression of oxidative stress markers in UVB-irradiated mouse skin. These protective effects were associated with the inhibition of inflammatory cytokines and acceleration of the resolution of inflammation through activation of Nrf2 and concurrent upregulation of anti-inflammatory and antioxidant proteins. Macrophages play an essential role in the resolution of inflammation by exerting the phagocytic activity. Treatment with 17-oxo-DHA enhanced the engulfment of dead epidermal cells by macrophages. These effects were attributable to increased expression of the scavenger receptor, CD36 induced by Nrf2. In conclusion, 17-oxo-DHA inhibits oxidative stress and inflammation as well as enhances the efferocytosis activity of macrophages to accelerate the resolution phase. These effects were associated with elevated expression of antioxidant and anti-inflammatory/proresolving proteins via the activation of the Nrf2 signal pathway. Thus, 17-oxo-DHA is an endogenous molecule with the potential as a therapeutic agent to alleviate inflammatory symptoms.