서론
최근 국민 소득 향상과 식량 공급이 풍부해짐에 따라 식생활의 선택 폭이 넓어지고, 개인 취향에 따른 식생활 습관이 다양해 지면서 질병과 건강문제에 지속적인 관심이 증가되고 있다[9,23]. 또한, 산업화와 더불어 다양한 화합물의 사용은 인체와 생태계에 부정적인 영향이 보고 되고 있다[37]. 생체에는 활성산소인 superoxide, hydroxyl radical 및 과산화수소와 같은 물질이 생성되고, 이러한 활성산소들을 제거하기 위한 체내 항산화 시스템이 작동되고 있다. 그러나, 활성산소의 증가로 산화적 스트레스(oxidative stress) 상태가 되어 DNA를 비롯하여 세포와 조직을 구성하는 단백질, 지질 및 다른 성분들이 활성산소에 의해 손상될 수 있으며, 면역 시스템을 파괴하여 여러 종류의 암 및 노화 관련 질병들의 발생된다고 알려져 있다[11]. 활성산소를 억제하는 butylated hydroxytoluene(BHT)과 butylated hydroxyanisole (BHA)와 같은 합성항산화제는 암, 돌연변이 등의 부작용을 나타낸다고 보고되며, 최근 많은 연구자들이 항산화활성과 관련된 물질에 대한 연구를 통해 산화적 스트레스를 억제할 수 있는 기능성식품 및 생약제에 관한 연구개발이 점점 증가하고 있다[30,31].
염증반응은 외부자극에 대한 생체조직 방어 기작으로서 정상 상태에서는 항원·항체 반응을 통해 질병을 일으키는 항원을 제거하지만, 비정상적 상태의 만성염증반응의 경우, 특정 조직의 손상, 아토피, 관절염, 건선 등과 같은 각종 질환을 유발한다[7]. 면역체계에서 대식세포(macrophage)는 활성산소와 스트레스 등의 다양한 자극에 의한 염증반응을 억제하여, 면역기능 조절과 생체 항상성 유지에 중요한 역할을 한다[12]. Gram-negative bacteria의 지질다당류(lipopolysaccharide; LPS)는 대식세포 막수용체인 TLR-4를 통해 세포 내부로 신호를 전달한다[8]. 또한, 염증 매개 물질인 transforming growth factor β-activated kinase 1 (TAK1)은 효소 복합체인 inhibitory kappa B kinase β를 인산화시키며, 이를 통해 활성화 된 I Kappa β kinase (IKKβ)가 nuclear factor-kappa B (NF-κB)의 억제 인자인 inhibitory kappa B alpha를 분해하게 되고 활성화된 NF-κB는 핵 내로 이동한다[5,38]. 핵 내로 이동된 NF-κB는 유도형 산화질소합성효소(inducible nitric oxide synthase; iNOS)와 사이클로옥시게나아제-2(cyclooxygenase-2; COX-2)와 같은 염증성 효소와 인터루킨(interleukin; IL-6, IL-1β), Tumor necrosis factor (TNF)-α 같은 친-염증사이토카인(proinflammatory cytokine)의 발현율 유도시킨다[35]. 또한, iNOS는 L-arginine이 L-citrulline으로 변환에 관여하여 많은 양의 Nitric oxide (NO)를 생성하고 염증과 관련된 질병을 유발하며, COX-2는 arachidonic acid가 발열과 통증에 작용하는 염증 유발 물질인 prostaglandin E2 (PGE2)로 바뀌는 과정에 관여한다[4,33].
홍국(紅麴, Red yeast rice)은 붉은 곰팡이인 Monascus sp.로 쌀을 발효한 것으로 붉은 색상을 띄는 쌀이라 하여 홍국으로 불려져 왔으며, 홍국 이외에도 Ang-kak, Anka, Anankak, Angquac, Beni-koji 등 다양한 이름으로 불려왔다[29]. 홍국의 약리학적 효능은 명나라(1368~1644)의 한의사 ‘이시진’이 집필한 ‘본초강목’에 소화불량, 지사제, 혈액순환 촉진 및 소화기능에 관해 기술되어 있다. 홍국의 2차대사산물은 광범위한 생리활성 기능을 발휘하는 것으로 알려져 있으며, Monascus sp.은 6종의 색소(monascin, ankaflavin, rubropunctatin, monascorubrin, rubropunctamine, monascorubramine), lovastatin(monacolin K), citrinin, dimerumin acid 및 γ-amino butyric acid (GABA)등을 생산할 수 있으며, 항염증작용, 신경전달 및 혈압강화효과, 항산작용등의 효과가 보고되었다[2, 15, 17, 20, 25].
본 연구에서는 홍국 추출물의 생리활성 물질인 총 폴리페놀 함량을 측정하고, NO 생성 저해 활성, iNOS 및 COX-2 단백질 활성을 측정하여 LPS가 유도된 Raw 264.7 cell에서 홍국의 항염증 작용을 확인하고자 한다.
재료 및 방법
홍국 발효균주
본 연구에서는 기존에 확보된 Monascus sp. BHN-MK 02를 이용하였으며, 홍국균 동정은 26S rRNA gene 분석을 통해 확인하였다[10]. Monascus sp. BHN-MK 02는 PDA (Potato Starch 0.4%, Dextrose 2%, Agar 1.8%)배지와 30℃에서 계대하였다. 쌀의 발효는 색소생산용 배지로 널리 알려진 Lin’s 배지(Rice powder 5%, NaNO3 0.15%, MgSO4·7H2O 0.1% 및 KH2PO4 0.25%)에 Monascus sp. BHN-MK 02를 접종하여 전배양하여 사용하였다. 발효를 위한 쌀은 한번 씻은 후 20분간 침지한 뒤, 배양 용기에 넣고 121℃에서 30분간 멸균하였다. 멸균된 쌀 1 kg에 전 배양한 Monascus sp. BHN-MK 02 배양액 300 ml을 접종하여 30℃에서 10일간 배양하였다. 접종 균주의 배양체의 덩어리 형성을 방지하기 위해 24시간마다 간헐적으로 흔들어 주었다.
홍국 추출방법
발효된 홍국은 추출에 용이하도록 분쇄하여 분말 200 g에 70% 에탄올 1 l를 첨가하고, 고압멸균기를 이용하여 80℃에서 1시간 동안 추출하였다. 추출이 끝난 후 여과지를 이용하여 여과하고 회전식 감압 농축기를 사용하여 농축한 뒤, 동결건조하여 사용하였다.
Total polyphenol
홍국 추출물에 대한 시료의 총 폴리페놀 함량은 Folin-Dennis법에 따라 분광광도계를 이용하여 측정하였다[36]. 각 시료 10μl에 2% Na2CO3 용액 200 μl와 50% Folin (Sigma-Aldrich Co.,St. Louis, MO, USA) 시약 10 μl를 가한 후 상온에서 30분간 반응시킨다. 760 nm에서 UV/VIS spectrophotometer (Tecan, Männedorf, Switzerlan)를 사용하여 흡광도 값을 측정하였다. 총 폴리페놀 함량을 정량하기 위해 표준물질 Galic acid (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 이용하여 농도별로 조제하고 시료와 동일한 방법으로 검량선을 작성하여 각 시료의 총 폴리페놀 함량을 측정하였다.
세포배양
Raw 264.7 cell은 American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA, USA)에서 분양받았으며, 10% fetal bovine serum (FBS) (Welgene Inc., Gyeongsan. Gyeongbuk, Korea)과 1 X antibiotic-antimycotic solution (Welgene Inc., Gyeongsan. Gyeongbuk, Korea)을 함유한 Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) (Welgene Inc., Gyeongsan. Gyeongbuk, Korea)을 사용하였으며, 37℃와 5% CO2를 유지하는 배양기에서 배양하였다. 배양액은 2일마다 정기적으로 교체해주었다.
MTT assay
홍국추출물 시료의 세포독성은 MTT assay를 이용하여 측정하였다. 96-well plate에 Raw 264.7 cell을 1×104 cells/well로 동일하게 분주하고 24시간 동안 배양하였다. 24시간 배양 후 기존 배지를 제거하고 새로운 배지를 넣어준 후 홍국추출물을 농도 의존적으로(0, 100, 200, 400, 800 μg/ml) 처리하고 24시간 동안 배양하였다. 배양 후, 기존 배지를 제거하고 MTT 시약(5 μg/ml)을 넣고 4시간 동안 배양한 후 상등액을 제거하고 well에 형성된 formazan은 DMSO 100 μl를 첨가하여 용해 시켰다. 540 nm에서 UV/VIS spectrophotometer (Tecan, Männedorf, Switzerlan)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. 무처리구 시료인 음성대조군을 100%의 생존율로 간주하고 이를 기준으로 세포 생존율을 비교하였다.
Cell viability (%) = (A540(treated cells)/A540(control cells))×100%
iNOS & COX-2 단백질 분석
홍국 추출물이 처리된 Raw 264.7 cell에서 iNOS 및 COX-2 단백질 발현을 확인하기 위해 Western blotting을 이용하여 측정하였다. 6-well plate에 Raw 264.7 cell을 24시간동안 배양한 후 기존 배지를 제거 후 시료를 농도 의존적으로(0, 100, 200, 400, 800 μg/ml) 6시간 동안 처리하고 지질다당류 (lipopolysaccharide; LPS) (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 첨가한 뒤 5% CO2와 37℃가 유지되는 배양기에서 18시간 동안 배양하였다. 그 후 세포를 1× DPBS로 세척하고 protease inhibitor cocktail (Roche, Basel, Switzerland)과 phosphatase inhibitor cocktail (Roche, Basel, Switzerland)을 함유한 RIPA 완충액(Biosesang, Seongnam, Korea)으로 용해시켰다. Cell scrapers를 사용하여 세포를 1.5 ml tube로 옮긴 후, 4℃에서 30분간 12,000 rpm으로 원심분리 하였다. SMART BCA Protein Assay Kit (iNtRON Biotechnology, Seongnam, Korea)를 이용하여 단백질 농도를 측정하였으며, 단백질 60 μg을 SDSPAGE로 전기영동 한 후 nitrocellulose membrane으로 gel의 단백질을 고정시켰다. 그 후, iNOS와 COX-2의 1차 antibody와 반응시킨 후 2차 antibody인 horseradish peroxidase-conjugated anti-rabbit IgG를 반응시키고 Enhanced Chemiluminescence 시약(Dogen, Seoul, Korea)을 사용하여 ChemiDocTM MP Imaging System (Biorad, Hercules, CA, USA)을 이용하여 단백질의 발현 정도를 확인하였다.
NO측정
LPS에 의해 유도된 NO 생성 저해 활성을 측정하기 위해 96-well plate에 1×105 cells/well이 되도록 분주하여 5% CO2와 37℃가 유지되는 배양기에서 24시간 동안 배양하여 세포를 well에 부착시켰다. 그 후 기존 배지를 제거한 뒤 시료를 농도 의존적으로(0, 100, 200, 400, 800 μg/ml) 처리하고 1시간 배양 후 LPS (1 μg/ml)를 처리한 후 23시간 배양하였다. 배양 후 상등액 100 μl를 취하여 동량의 Griess 시약을 첨가하여 10분간 반응시킨 후 540 nm에서 UV/VIS spectrophotometer (Tecan, Männedorf, Switzerlan)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. 생성된 nitrite의 농도는 sodium nitrite를 이용하여 농도별로 조제하고 시료와 동일한 방법으로 검량선을 작성하여 계산하였다.
통계처리
모든 실험은 최소 3회 반복하였고 데이터는 평균±표준편차(S.D.)로 표현하였다. 평균은 SPSS (SPSS Inc, Armonk, NY, USA)를 이용한 비모수적 Kruskal-Wallis 및 Mann-Whitney 분석을 사용하여 비교하였고 유의성은 p<0.01 및 p<0.05에서 검사하였다.
결과 및 고찰
Total polyphenol 함량
폴리페놀류 화합물은 항산화, 항염증, 항혈전 및 항암 등 생리활성에 관여하는 것으로 알려져 있다[3]. 일반적으로 폴리페놀은 방향성 화합물로 하이드록시기(–OH기)로부터 전자를 공여하여 페놀 고리구조 공명에 의해 구조적 안정화가 되면서 항산화 활성을 나타나게 된다[22,32]. 홍국 추출물 내의 총 폴리페놀 함량은 800 μg/ml 농도에서 258.4 μg/g으로 확인되었고, 발효하지 않은 쌀은 100.1 μg/g으로 확인되어 발효하지 않은 쌀 대비해 1.5배 이상 높은 결과를 확인했다(Fig. 1, Table 1). Lactobacillus plantarum BHN-LAB 33의 생물전환을 통해 방풍의 총 폴리페놀을 약 14% 증가되었으며, L. paracasei와 L. plantarum를 이용한 대마씨 발효에서 총 폴리페놀은 각각 11%와 34%로 증가되고 이는 미생물의 생물전환과정을 통해 증가되었다고 보고하였다[18, 27, 28, 39]. 이에, 본 연구의 총 폴리페놀 증가는 생물전환 과정을 통해 증가되었을 것으로 판단할 수 있다. 그러나, 균의 특성 또는 발효 조건, 실험방법 등에 따라 차이가 있어 발효 균주에 따른 실험 방법 및 발효 조건을 다각화하여 함량 및 추출 수율을 높일 수 있는 조건 확립이 필요하다.
Fig. 1. Total polyphenol contents of ethanol extracts from the non-fermented rice and red yeast rice.
Table 1. Total polyphenol contents of extracts from the rice and the fermented Red yeast rice with Monascus sp. BHNMK
Raw 264.7 cell에서 세포생존율 변화(MTT assay)
Raw 264.7 대식세포에 대한 홍국의 독성을 측정하기 위해 홍국 에탄올 추출물을 농도 의존적으로 100~1,000 μg/ml까지 처리하여 MTT assay 방법으로 세포 생존율을 측정하였다. 홍구 추출물의 농도가 증가함에 따라 세포 생존율이 감소하는 경향을 확인하였다. 세포 MTT 반응에서 80% 이상의 세포 생존율을 보이는 경우 세포독성이 없는 것으로 판단되는데, 홍국 추출물의 Raw 264.7 대식세포에 대한 세포 독성을 살펴본 결과 800 μg/ml 농도까지 80% 이상의 세포 생존율이 확인되었으며, 홍국 추출물 900 μg/ml 처리시 77.9%의 생존율을 나타내어 추출물 자체에 일부 독성이 있는 것으로 확인되었다(Fig. 2A). 따라서, 이후 연구에서는 세포의 생존율에 영향을 미치지 않는 것으로 판단되는 100, 200, 400, 800 μg/ml의 농도에서 이후 실험을 진행하였으며 발효에 의해 항염증 효과의 변화가 나타나는지 확인하고자 하였다. 또한, LPS 1 μg/ml으로 활성화된 Raw 264.7 대식세포에 독성이 나타나지 않는 범위의 홍국 추출물 100, 200, 400, 800 μg/ml 농도로 각각 처리하여, 세포 독성을 확인하였다. 그 결과, 매우 흥미롭게 홍국 추출물의 증가에 따라 Raw 264.7 대식세포의 생존률이 증가하는 것을 확인하였다. 홍국 추출물 800 μg/ml을 처리시 세포 생존율이 무처리 대조구와 유사한 세포 생존율을 확인하였다(Fig. 2B).
Fig. 2. Effects of RYR extracts on cell viability in Raw 264.7 cells treated without LPS (A) and with LPS (B). Cell viability was measured by MTT assay. LPS; 1 μg/ml lipopolysaccharide, RYR extract concentration; ppm
COX-2 및 iNOS 단백질 발현 억제효과
iNOS는 다양한 염증성 자극에 반응하여 발현되며 Raw 264.7 대식세포에서 NO를 생성한다[21]. NO는 생체내에서 L-argine이 NADPH에 의해 L-citrullin으로의 산화과정에서 NO synthase (NOS)에 의해 합성되며, 이러한 NOS는 세가지 isoform이 존재한다. 그 중, iNOS는 macrophage cell에 작용하여 LPS, IFN-γ, TNF-α등에 의해 활성화되며, 고농도의 NO를 장시간 생성하게 된다. NO는 iNOS에 의한 발현이 절대적으로 많고, iNOS의 경우 NF-κB에 의해 transcription level에서 발현이 조절되는 것으로 알려져 있으며[19], NF-κB는 prostaglandin pathway를 활성화하여 염증반응과 통증을 유발하는 것으로 알려져 있다. COX-2는 염증 부위에서 다량의 pro-inflammatory Prostaglandins (PGs)를 생성하는데, PGs는 통증과 염증을 중재하는 역할을 한다[1]. Prosatglandin pathway는 COX라는 효소가 관여하여 arachidonic acid로부터 prostaglandin을 합성하는데[34], 두 가지의 isoform 형태를 보이는 COX 중에 COX-2는 TNF-α, IL-6, IL-1β와 같은 pro-inflammatory cytokine을 증가시키는 요인 중 하나로서 염증 조직이나 암 조직에서 높게 나타난다[40]. 이러한 염증 유발인자의 발현을 조사하기 위해 western blot을 이용하여 세포질 내에서의 iNOS 및 COX-2 단백질의 발현을 조사하였다. LPS로 유도된 Raw 264.7 대식세포에서 COX-2 및 iNOS 단백질 발현을 농도 의존적으로 억제하는 것을 확인하였다(Fig. 3). 특히, 400 μg/ml 및 800 μg/ml에서 홍국 추출물은 iNOS의 발현을 상당부분 억제하는 것을 확인하였다. 또한, β-actin의 발현을 정량하여 비교한 결과 COX-2 단백질 발현이 농도의존적으로 억제되며, 홍국 추출물 400 μg/ml에서 6.69로 급격하게 억제되는 것을 확인하였다(Fig. 3A). 또한, iNOS 단백질 발현은 400 μg/ml과 800 μg/ml에서 강하게 억제하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3B). Monascus 균을 이용하여 발효할 때 생성되는 2차대사산물 monascin을 THP-1 세포에서 iNOS 및 COX-2 단백질 발현 실험결과, 시료 25 μM에서 무처리구와 유의한 결과를 보여 iNOS 및 COX-2 단백질 발현을 저해한다고 보고되었다[13]. LPS로 유도된 Raw 264.7 대식세포의 홍국추출물의 iNOS 및 COX-2 단백질 저해효과는 홍국의 성분중 하나인 monascin과 Monascus sp.가 생물전환을 통해 생성하는 다른 물질들과의 상호작용을 통해 iNOS 및 COX-2의 발현을 억제하는 것으로 추론된다.
Fig. 3. Effect of Red yeast rice ethanol extract on LPS-induced COX-2 and iNOS expression in LPS-induced RAW 246.7 cells. The levels of COX-2 and iNOS were determined by western blot analysis. RAW 264.7 cells were treated with the indicated concentrations of RYR extract (100, 200, 400 and 800 μg/ml) and LPS (1 μg/ml) and the proteins were detected using specific antibodies. For quantification, the expression data were normalized to the β-actin signal.
NO생성 저해 효과
NO는 L-argine으로부터 NOS에 의해 생성되는 무기 유리체로, NO는 전염성세균과 곰팡이를 사멸시키고 종양을 제거하는 기능을 가지고 있다. 하지만, 병리학적인 원인에 의해 과도하게 NO가 형성되면 세포 내에 염증을 유발하게 되며, 면역체계의 부작용, 조직의 손상, 유전자 변이 및 신경계의 손상 등의 원인이 된다[6]. 또한, 면역반응, 세포독성, 신경전달계 및 혈관이완 등 여러 가지 생물학적인 과정에 관여하는 것으로 알려져 있으며, 농도에 따라 세포 기능유지에 중요한 작용을 하기도 한다[26]. LPS 자극에 의해 발현된 iNOS는 많은 양의 NO를 생성하게 되며 이에 대한 세포독성은 염증반응, 세포의 돌연변이 및 종양 발생 등에도 관여하는 것으로 알려져 있다[24]. 홍국의 NO 생성 저해 활성을 확인하기 위해 Raw 264.7 대식 세포에 홍구 추출물 100, 200, 400, 800 μg/ml로 처리 후 LPS로 염증을 유발한 결과 모든 농도에서 NO 생성 억제효과가 나타났다(Fig. 4). NO 생성량은 홍국 에탄올 추출물의 농도에 따라 감소되었고, 400 μg/ml 농도에서는 13.28 μM의 NO 생성량이 확인되어, LPS 처리에 의한 NO 생성을 LPS를 처리하지 않은 음성대조군에서 생성되는 NO (9.38 μM) 수준까지 감소시키는 저해효과를 나타내었다(p<0.05). 이로써 홍국 에탄올 추출물의 모든 농도에서 염증이 유도된 양성대조군에 비해 NO 생성량이 우수하게 억제되는 것을 확인하였다. 홍국의 물질분리 후 NO 생성 저해활성을 확인한 결과 6개의 분리물질 중 4개의 물질에서 NO 생성을 억제하는 결과를 보였다[14]. 또한, 대추 에탄올 추출물과 S. cerevisiae와 B. breve의 발효 대추 에탄올 추출물은 500 μg/ml의 농도에서 각각 90.0, 68.0, 66.0%의 NO 생성 저해율이 확인되었으며, 생물전환이 천연물의 생리활성 변화에 영향을 준다고 보고되었다[16].
Fig. 4. Effects of RYR extracts on nitric oxide production in Raw 264.7 cells treated with LPS. NO concentration was determined by Griess reaction. *, p<0.05 compared to control, and **, p<0.01 compared to LPS. LPS: 1 μg/ml lipopolysaccharide, RYR extract concentration; ppm
염증 유발 매개체인 iNOS 및 COX-2의 저해 활성을 확인한 결과 LPS로 유도된 RAW 264.7 대식세포에서 iNOS, COX-2 단백질 발현을 농도 의존적으로 억제함을 확인하였고, 특히 400, 800 μg/ml에서 iNOS의 발현을 상당부분 억제하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 Monascus sp. BHN-MK를 사용하여 제조한 홍국 에탄올 추출물은 LPS로 유도된 Raw 264.7 대식세포에서의 항염증효능을 확인하였다. 이 결과를 통해 항염증 효능을 증진시키는 홍국을 함유한 기능성 식품 및 화장품 등의 생물소재로 활용가능한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
감사의 글
본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 고부가가치식품기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(117104-2).
The Conflict of Interest Statement
The authors declare that they have no conflicts of interest with the contents of this article.
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