4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (Synonyms: NNK)

4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone은 주로 담배 제품에 존재하는 강력한 담배 특이성 발암물질이다. 이 물질은 α7 니코틴성 아세틸콜린 수용체 (α7 nAChR)에 대한 친화력이 높고 소세포 폐암 (SCLCs)에서는 EC₅₀ 값이 0.03μM이고 폐 신경내분비 세포 (PNECs)에서는 0.005μM이다. 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone은 폐와 간 등 다양한 조직에서 종양 발생을 유도할 수 있다. 그의 발암 기전을 연구해서 담배와 관련된 암의 예방과 치료 전략을 개발하는 데 도움이 된다[3][4][5][6]. 담배 피해 감소 연구에서 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone의 함량과 대사물질의 수준은 종종 안전성을 평가하는 중요한 지표로 사용된다[7].

체외 실험에서 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone은α7 nAChR와 상호 작용해서 Raf-1/MAPK 신호 전달 경로를 활성화하고 암 진행과 암 세포 증식을 촉진한다. 배양된PNECs에서 100pM 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone에 6일간 노출되면 Raf-1 단백질이 11.9배, MAPK 단백질이 2.8배 증가한다. 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (100pM)의 단일 투여는 시간 의존적인 Raf-1과 MAPK 단백질의 증가를 유도해서 Raf-1은 5분에서 4.8배, MAPK는 15분에서 2.9배의 최대치를 보였다. PNEC는 100pM 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone에 대한 DNA 합성에서 유의한 증가를 보였고 150분에서 최대치를 보였다[2].100pM의 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone을 6일간 배양하면 Bcl2와 c-Myc의 인산화를 통해 협력을 촉진해서 NCI-H69 폐암 세포의 증식을 유도할 수 있다[3]. 단일 배양 시스템에서 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (50, 100, 200μg/mL)을 24시간 처리하면 인간 기관지 상피 세포 (Beas-2B)의 증식이 감소하고 세포 사멸이 증가해서 G1기 지연이 발생하고 DNA 손상이 용량 의존적으로 증가한다. 그런데 Beas-2B와 대식세포 (U937)의 공생배양 모델에서 이러한 세포독성 효과는 transwell에서 현저하게 감소되었고 사이토카인 발현의 변화와 관련 경로의 활성화 때문일 가능성이 있다[4].

체내 실험에서 C3H와 A/J 쥐는 3일 간격으로 세 번에 걸쳐 복강 주사로 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (100mg/kg/일)을 투여 받았다. 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone 투여 후 7개월 내에 C3H 쥐는 눈에 띄는 폐종양을 발생시키지 않았다. 반면에 A/J 쥐는 선종성 패턴의 보이는 폐종양을 발전시켰다. 그들의 면역 반응은 AFC 반응과 항 CD3/CD28 항체 유도 세포 내 칼슘 농도 변화를 포함해서 현저하게 억제되었다. 게다가 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone 투여는 A/J 쥐 폐에서 α7-nAChR과 COX-2의 발현을 지속적으로 증가시켰다[5]. 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone은 7주 동안 마시는 물을 통해 9.2 또는 3.1mg/쥐의 용량으로 A/J 쥐에게 투여되었다.쥐당 9.2mg의 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone을 투여 받은 쥐는 평균 15.7 ± 2.7개의 폐종양을 보였지만 쥐당 3.1mg의 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone을 투여 받은 쥐는 쥐당 1.2 ± 0.3개의 종양만 보였다[6]. 수컷 ICR 쥐를 10일간 가 강제 사양법을 통해 매일 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (0.5mg/mouse)과 비소나트륨 (0, 10 또는 20mg/kg)에 노출시키고 10일째에 소변을 채취해서 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone 대사체 분석을 실시하였다.그 결과 비소나트륨은 CYP2A의 발현 및 활성을 노인병해서 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1- butanone 대사 및 DNA 첨가물을 증가시켜 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1- butanone 대사를 증가시켰다 [7].

References:
[1] Lisa A Peterson L A, Stephen B Stanfill S B, Stephen S Hecht S S. An update on the formation in tobacco, toxicity and carcinogenicity of N'-nitrosonornicotine and 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone. Carcinogenesis. 2024 May 19;45(5):275-287. 
[2] Schuller H M, Plummer H K, Jull B A. Receptor-mediated effects of nicotine and its nitrosated derivative NNK on pulmonary neuroendocrine cells. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol. 2003 Jan;270(1):51-8.
[3] Jin Z H, Gao F Q, Flagg T, Deng X M. Tobacco-specific nitrosamine 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone promotes functional cooperation of Bcl2 and c-Myc through phosphorylation in regulating cell survival and proliferation. J Biol Chem. 2004 Sep 17;279(38):40209-19.
[4] Zhou J X, Zou H X, Liu Y Q, et al. Acute cytotoxicity test of PM2.5, NNK and BPDE in human normal bronchial epithelial cells: A comparison of a co-culture model containing macrophages and a mono-culture model. Toxicol In Vitro. 2022 Dec:85:105480.
[5] Boroujerdi R S, Sopori M L. Early manifestations of NNK-induced lung cancer: role of lung immunity in tumor susceptibility. Am J Respir Cell Mol Biol. 2007 Jan;36(1):13-9.
[6] Castonguay A, Pepin P, Stoner G D.Lung tumorigenicity of NNK given orally to A/J mice: its application to chemopreventive efficacy studies. Exp Lung Res. 1991 Mar-Apr;17(2):485-99.
[7] Lee H L, Chang L W, Wu J P, et al. Enhancements of 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone) metabolism and carcinogenic risk via 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone/arsenic interaction. Toxicol Appl Pharmacol. 2008 Feb 15;227(1):108-14.