Bimatoprost의 모발성장 효과

Abstract

1. Bimatoprost의 모발성장 효과 및 기전 Prostaglandin 유도체들은 항염, 발암, 및 모발 성장을 포함하는 다양한 생물학적 활성을 갖고 있다. 하지만 prostaglandin 유도체들이 모발 성장을 조절하는 정확한 기전은 완전히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 prostaglandin 유도체들의 모발 성장 효과 및 기전을 조사하였다. Rat vibrissa 모낭에서 유래한 immortalized dermal papilla cells (DPC)에 latanoprost, bimatoprost, unoprostone isopropyl ester, 및 travoprost 등의 prostaglandin 유도체들을 처리하였을 때, 그중에서 bimatoprost는 immortalized DPC 증식 효능을 나타내었다. 모낭에서의 hair fiber 길이 성장 효능이 있는지 조사하기 위하여 rat vibrissa 모낭에 bimatoprost를 처리하였을 때, rat vibrissa 모낭의 hair fiber 길이가 유의성 있게 증가하였다. Bimatoprost의 immortalized DPC 증식 효과의 기전을 규명하기 위하여 세포 주기를 분석하였다. Bimatoprost 처리에 의하여 sub-G1 peaks가 감소하였고, cyclin E 와 CDK2 levels이 증가되었다. Bimatoprost에 의해 유도된 cell cycle progression의 기전을 설명하기 위해서, 모발 성장에서 중요한 역할을 하는 β-catenin의 발현을 조사하였다. Bimatoprost는 nuclear β-catenin level 뿐만 아니라 wnt/β-catenin 경로의 표적 유전자로 알려져 있는 Cox-2의 level을 증가시킴을 확인하였다. 모발 성장제인 minoxidil은 ATP-의존성 K+ 채널 개방에 의해 NIH3T3 섬유아세포의 증식을 유도할 수 있음이 알려져 있다. Prostaglandin 유도체들이 ATP-의존성 K+ 채널 개방 작용이 있는지 NIH3T3 섬유아세포에서 증식 효과를 조사하였다. Bimatoprost 의 처리에 의하여 NIH3T3 섬유아세포의 증식이 증가되었다. Bimatoprost는 minoxidil과 마찬가지로 NIH3T3 섬유아세포의 cell cycle progression을 유도하였고, p27kip1의 발현을 감소시켰다. 또한 bimatoprost 처리에 따라 pro-apoptotic 인자인 Bax level은 감소하였고 anti-apoptotic 인자인 Bcl-2 level은 증가되었다. 이러한 결과들은 bimatoprost가 anti-apoptotic 효과를 나타내어 세포 증식을 유도함을 보여준다. Bimatoprost는 NIH3T3 섬유아세포에서도 β-catenin과 Cox-2를 증가시킴을 관찰하였다. Bimatoprost의 세포 증식 효과가 ATP-의존성 K+ 채널 차단제인 glibenclamide에 의해서 차단되는지 조사하였다. Glibenclamide는 NIH3T3 섬유아세포에서 bimatoprost에 의해 유도된 세포 증식과 cell cycle progression을 억제하였다. Bimatoprost와 minoxidil은 세포의 증식에 관련된 Akt의 인산화를 유도하는 반면, glibenclamide는 bimatoprost에 의해 유도된 Akt의 인산화를 감소시킴을 확인하였다. Glibenclamide 전처리는 bimatoprost에 의해 유도된 Bcl-2, β-catenin과 Cox-2의 증가를 감소시킴을 확인하였다. 종합해보면, 이러한 결과들은 bimatoprost가 immortalized DPC에서 β-catenin과 Cox-2의 증가를 통한 cell cycle progression 촉진에 의해 모발 성장을 증가시킴을 보여준다. 또한, bimatoprost는 NIH3T3 섬유아세포에서 β-catenin 증가와 ATP-의존성 K+ 채널 활성화를 통한 anti-apoptotic 경로의 활성화에 의해 세포 증식을 증가시킴을 확인하였다. 본 연구 결과들은 bimatoprost를 탈모 치료제로 이용할 수 있는 근거를 제시하였다.

2. Immortalized dermal papiila cells에서 dihydrotestosterone의 효과 및 기전

탈모의 대부분을 차지하는 androgenetic alopecia (AGA)는 모낭의 dermal papilla cells (DPC)에서의 dihydrotestosterone (DHT)의 작용에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다. 하지만, DPC에서 DHT의 작용 기전은 완전히 이해되지 않고 있다. 그래서 본 연구에서는 모발 주기와 모낭 성장의 조절에 중요한 세포인 DPC에서 DHT의 효과를 immortalized DPC을 이용하여 조사하였다. DHT는 immortalized DPC의 증식에 영향을 주지 않음을 확인하였다. 그러나 DHT가 immortalized DPC의 cell cycle arrest를 증가시킴을 유세포 분석기를 이용하여 확인하였고, p27kip1 level 증가, cyclin E, cyclin D1 및 CDK2 levels 감소시킴을 확인하였다. MEK/ERK 1/2의 저해재인 U0126 처리는 p27kip1 발현을 증가시켰으나, U0126은 DHT에 의한 p27kip1 증가에는 영향을 주지 않음을 확인하였다. 모낭의 성장기에서 퇴행기로의 이행에 transforming growth factor-β (TGF-β) 경로가 관련되어 있음이 알려져 있다. 그러나 DHT는 TGF-β2 발현에 영향을 주지 않음을 관찰하였다. 하지만 DHT의 처리에 의해 TGF-β 경로의 매개체인 Smad2/3의 인산화와 nuclear translocation을 유도함을 확인하였다. Androgen은 androgen receptor (AR)에 결합한 후에 heat shock protein 27 (HSP27)과 함께 nuclear translocation하여 표적 유전자의 전사를 활성화하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 DHT는 immortalized DPC에서 p38 MAPK 경로를 통하여 HSP27 인산화와 nuclear tranlocation을 유도함을 확인하였다. DHT의 처리에 의하여 모발 성장과 증식에서 중요한 조절자인 total과 nuclear β-catenin의 발현을 감소함을 확인하였다. DHT에 의해 유도된 β-catenin의 감소는 glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) 저해제인 LiCl에 의해 감소됨을 확인하였다. DHT는 wnt 표적 유전자인 Cox-2의 발현을 감소시켰고, Nuclear factor-κB p65 (NF-κB p65)를 감소시킴을 확인하였다. 또한 MEK/ERK 1/2의 저해재인 U0126은 Cox-2의 발현을 감소시키는 반면, p38 MAPK 저해제인 SB203580은 Cox-2의 발현을 증가시킴을 확인하였다. 하지만, U0126과 SB203580은 DHT에 의한 Cox-2 level 감소와 관련되지 않음을 확인하였다. 이러한 결과들로 미루어보아, DHT에 의해 유도된 immortalized DPC의 cell cycle arrest는 TGF-β/Smad의 활성화, HSP27의 활성화 및 β-catenin의 억제를 통해서 유도될 수 있을 것이라 사료된다.

Prostaglandin analogues have various biological activities such as pro-inflammation, carcinogenesis, and hair growth. However, the precise mechanisms underlying the role of prostaglandin analogues in the regulation of hair growth have not been fully elucidated. This study was conducted to evaluate the effects of prostaglandin analogues on the growth of hair. When immortalized rat vibrissa dermal papilla cells (DPC) were treated with prostaglandin analogues such as latanoprost, bimatoprost, unoprostone isopropyl ester and travoprost, treatment with bimatoprost led to DPC proliferation compared to control. The effect of bimatoprost on the growth of vibrissa follicles was also examined. Bimatoprost treatment significantly increased the length of vibrissa follicles hair fibers. We therefore examined the effects of bimatoprost on the DPC cell cycle. Treatment of DPCs with bimatoprost resulted in a decreased sub-G1 population, which was accompanied by increased cyclin E and CDK2 levels. To elucidate the mechanism of bimatoprost-induced cell cycle progression, we examined the expression of β-catenin which plays an important role in hair growth. Bimatoprost increased nuclear β-catenin levels and also up-regulated the expression of Cox-2, a downstream target of the Wnt/β-catenin signaling pathway. We also examined the proliferative effects of prostaglandin analogues in NIH3T3 fibroblasts. Minoxidil, a potent hair-growth agent, can induce proliferation in these cells by opening KATP channels. Bimatoprost significantly increased the proliferation of NIH3T3 fibroblasts. This reagent induced cell cycle progression, but decreased the expression of p27kip1 in NIH3T3 fibroblasts. Treatment of NIH3T3 fibroblasts with bimatoprost resulted in down-regulation of Bax expression and up-regulation of Bcl-2. These observations indicate that bimatoprost exerts an anti-apoptotic effect. Up-regulation of β-catenin and Cox-2, a Wnt/β-catenin target gene, by bimatoprost was observed in NIH3T3 fibroblasts. We also investigated whether the effects of bimatoprost on proliferation were related to opening of the KATP channels. Glibenclamide, a KATP channel blocker, inhibited bimatoprost-induced proliferation as well as cell cycle progression in NIH3T3 fibroblasts. Bimatoprost and minoxidil induced the phosphorylation of Akt, whereas glibenclamide attenuated bimatoprost-induced phosphorylation of Akt. Pre-treatment of NIH3T3 fibroblasts with glibenclamide attenuated the up-regulation of Bcl-2, β-catenin, and Cox-2 by bimatoprost. Taken together, these results indicate that bimatoprost increased the hair growth by promoting cell cycle progression of DPCs through up-regulation of β-catenin and Cox-2. In addition, bimatoprost increased the proliferation of NIH3T3 fibroblasts by activating anti-apoptotic pathways through the up-regulation of β-catenin and activation of KATP channels. The current study demonstrated that bimatoprost might serve as a potential therapeutic agent for treating hair loss.

The action of dihydrotestosterone (DHT) in dermal papilla cells of hair follicles is believed to be involved in androgenetic alopecia. However, the action mechanisms of DHT are not fully understood. The effects of DHT on dermal papilla cells, regulator of hair cycle and hair follicle growth, were examined in immortalized dermal papilla cells (DPC). DHT did not affect the proliferation of immortalized DPC. Flow cytometry analysis revealed that DHT could increase cell cycle arrest, which was accompanied by an increase in the p27kip1 level and decreases in the cyclin E, cyclin D1 and CDK2 levels. Although the expression of p27kip1 was also increased by treatment with U0126, an inhibitor of MEK/ERK1/2, U0126 did not influence the increase of p27kip1 by DHT. The transforming growth factor-β (TGF-β) pathway is associated with catagen transition of hair follicles. We found that DHT did not affect the expression TGF-β2. However, treatment of DPC with DHT resulted in phosphorylation and nuclear translocation of Smad2/3, a mediator of the TGF-β pathway. On the other hand, DHT induced HSP27 phosphorylation via p38 MAPK pathway and nuclear translocation of HSP27 in DPC. Treatment of DPC with DHT decreased the expression of total and nuclear β-catenin, which is an important regulator in hair growth and proliferation. DHT-induced down-regulation of β-catenin was attenuated by LiCl, a glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) inhibitor. DHT decreased the expression of Cox-2, wnt target gene, and Nuclear factor-κB p65 (NF-κB p65). U1026 also decreased the expression of Cox-2, whereas SB203580, a p38 MAPK inhibitor, increased the expression of Cox-2. However, U0126 and SB203580 were not associated with a decrease in the Cox-2 level by DHT. These results suggest that DHT-induced cell cycle arrest is mediated through activation of TGF-β/Smad and HSP27 and inhibition of β-catenin.