Journal of Life Science (생명과학회지)

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Biological Properties of Propolis Isolated from Honeybees

프로폴리스의 생물학적 특성

  • Kim, Sung-Kuk (Department of Agricultural Biology, National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration) ;
  • Woo, Soon-Ok (Department of Agricultural Biology, National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration) ;
  • Chang, Jong-Soo (Division of Life Science & Chemistry, Daejin University)
  • 김성국 (국립농업과학원 농업생물부 잠사양봉소재과) ;
  • 우순옥 (국립농업과학원 농업생물부 잠사양봉소재과) ;
  • 장종수 (대진대학교 생명화학부)
  • Received : 2021.05.26
  • Accepted : 2021.07.19
  • Published : 2021.07.30
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Abstract

Propolis is a resinous substance produced by honeybees, which they use to protect their hives. Honeybees produce propolis by mixing exudates from the various trees and plants with saliva and beeswax. It has been used since around 300 B.C. as a folk medicine to cure wounds. Propolis contains many physiologically active components, such as flavonoids, phenolic compounds, and beeswax. Because of its functional components, propolis has a wide spectrum of biological applications. The compounds in propolis and its biological activity can vary according to the location of nectar source and extraction method. Propolis is most commonly known for its anti-microorganism activity against bacteria, viruses, and fungi. Artepillin C and caffeic acid phenethyl ester (CAPE) have been identified as regulatory compounds that reduce inflammation and exert immunosuppressive reactions on T lymphocytes. Through its anti-inflammatory activity, propolis exhibits anti-tumor activity, including the inhibition of cancer cell proliferation, the blocking of tumor signaling cascades, and antiangiogenesis. However, for the more apply of propolis its analysis of nectar source, identifying of propolis compound, the molecular mechanism of propolis and the investigation of compounds synergistic effects are essential. In this study, we described the physiological activity of propolis isolated from honeybees.

프로폴리스는 꿀벌에 의해 생산된 수지 물질로 벌집을 보호하기 위해 사용되어 왔다. 꿀벌은 다양한 나무와 식물에서 배출된 수분을 침과 밀랍과 섞어서 프로폴리스를 생산한다. 프로폴리스는 기원전 300년경부터 상처를 치료하는 민간요법으로 사용되어 왔다. 프로폴리스에는 플라보노이드, 페놀계 화합물, 밀랍과 같은 많은 생리 활성 화합물이 포함되어 있다. 프로폴리스의 기능적 요소들 때문에, 프로폴리스에는 생물학적 응용을 위한 넓은 스펙트럼이 있다. 프로폴리스와 프로폴리스의 생물학적 활동의 화합물은 각각 과즙의 출처와 추출 방법에 따라 달라질 수 있다. 프로폴리스의 박테리아, 바이러스, 곰팡이를 포함한 반미생물 활동이 가장 잘 알려진 특징이다. 면역조절 메커니즘의 경우 아르테필린 C와 카페인산 페네틸에스테르가 주로 조절 화합물로 확인되었으며 각 화합물은 염증 반응을 감소시키고 T 림프구에 면역억제 반응을 일으킨다. 프로폴리스는 항염증 효과를 통해 암세포 증식 억제, 종양 신호 전달 캐스케이드 차단, 항혈관신생 등 항종양 활성을 보였다. 그러나 프로폴리스의 더 많은 응용을 위해서는 과즙의 원천 분석, 프로폴리스 화합물의 식별, 프로폴리스 분자 메커니즘, 화합물 시너지 효과의 조사가 더 필요할 것으로 보인다.

Keywords

서론

프로폴리스는 다양한 수목에서 꿀벌에 의해 채취된 수지성 물질에 벌 효소가 들어있는 타액이 혼합되어 생산된다[6]. 수많은 종류의 수목의 삼출물에 기인하기 때문에 프로폴리스의 색은 수집해오는 식물의 분포에 따라 초록색, 빨간색, 어두운 갈색에 이르기까지 다양하게 나타난다. 프로폴리스는 오일 및 단백질 등과 강하게 상호작용하는 성질로 인해 접착성의 특징을 나타내며, 보통 자연에서 생산되는 프로폴리스는 왁스, 수지성 물질, 방향족 오일 및 꽃가루 등이 혼합되어 구성된다[99, 112]. 프로폴리스의 어원을 살펴보면 그 뜻을 쉽게 떠올릴 수가 있는데, 방어를 뜻하는 ‘pro’에 도시를 뜻하는 ‘polis’가 합쳐진 것으로, 여기서 ‘도시’란 벌집인 ‘hive’를 의미한다. 즉, 벌은 프로폴리스를 이용하여 벌집 내로 침입하는 바이러스 또는 미생물 등을 차단하고, 이미 침투하여 벌집 내에서 죽은 미생물이나 곤충 등의 사체를 덮어 벌집 내부가 오염되지 않도록 유지한다[25,26]. 또한 벌은 프로폴리스를 이용하여 손상된 벌집을 수리하며, 프로폴리스에 포함된 왁스를 이용하여 벌집 내부를 매끄럽게 유지하기도 한다[14, 72, 97]. 꿀벌들은 여왕벌이 알을 낳기 전에 벌방을 청소하고 프로폴리스로 코팅하여 무균실을 만들어 안전한 장소로 만든다. 봉군을 유지하기 위한 프로폴리스의 항미생물, 항바이러스 특징은 고대부터 인류의 주목을 받았다. 프로폴리스는 기원전 300년부터 사용되었다는 것이 기록상으로 나와 있으며, 그리스, 로마인들은 피부 상처를 치료하는데 프로폴리스를 이용하였고, 고대 이집트인들의 경우에는 시체의 보존을 위해 사용하기도 하였다 [39]. 특히, 1899년부터 1902년까지 영국과 트란스발공화국 사이에서 벌어진 보어 전쟁에서는 프로폴리스가 상처 입은 병사들을 치료하는데 사용되었다[90]. 프로폴리스를 이용한 치료회복은 현재도 많이 이용되고 있다. 천연물로서의 프로폴리스는 직접적인 치료 수단으로 사용되었기에 지난 수십 년 동안 프로폴리스가 가진 생물학적 및 약리학적 특징은 연구자들의 관심을 끌기에 충분했다. 특히 프로폴리스는 수많은 밀원에서 얻어진 다양한 성분들을 기반으로 하고 있기 때문에 과학자들은 프로폴리스의 구성 물질과 각 성분들의 생리적 활성 및 기능성 효과에 주목을 하였으며, 프로폴리스의 생물학적 특성 중 항균[98, 100], 항산화[50], 면역 조절[53,62] 및 항암[10, 61, 82]에 대한 생물학적 특성을 증명하였고, 프로폴리스를 이용하여 의학과 산업에 적용시켜왔다[113]. 위와 같은 약리 학적접근 방법은 프로폴리스의 화학적 구성 요소의 동정에 기반한 생물학적 기능성 효과의 구명으로 이어지면서 프로폴리스의 이용 가치를 향상시켰다. 본 총설에서는 프로폴리스 구성 성분 및 주요 생물학적 기능성과 그 생리적 효과에 대해 논하고자 한다.

본론

프로폴리스의 구성 성분

프로폴리스는 일반적으로 50% 내외의 수지성 물질, 25~ 30%의 밀랍, 10% 내외의 오일, 5%의 화분 그리고 다양한 유기물질이 나머지를 구성하고 있다[31]. 이 중 수지성 물질은 프로폴리스를 구성하는데 있어 가장 중요한 요인이 되며, 이 물질은 자연계에 존재하는 다양한 식물로부터 유래한 삼출물이다. 프로폴리스는 꿀벌이 자연으로부터 모은 성분에 꿀벌의 타액을 혼합하기 때문에 꿀벌 자신이 생산하는 성분도 포함되어있다. 그러나 꿀벌이 수지를 채집해오는 주위 환경이 어떤 식물들로 구성되어 있느냐에 따라 지역별로 성분이 달라질 수 있다[9]. 프로폴리스가 수집된 지역에 따라 가장 큰 차이를 나타내는 성분이 플라보노이드와 페놀계 화합물이다. 현재 사용되고 있는 프로폴리스를 크게 나누면 온대 지역에서 수집된 프로폴리스와 브라질에서 수집된 프로폴리스인데, 두 지역에서 채취된 프로폴리스를 비교해보면 브라질 프로폴리스의 경우 온대 지역의 프로폴리스보다 플라보노이드 성분의 함량이 적게 나타나며, 브라질 프로폴리스에서는 artepillin C가 존재하는 것이 특징이다[17]. 즉, 프로폴리스의 경우 기후 및 토양의 환경에 따라 성장하는 식물의 차이로 인해 성분의 차이가 발생하고, 이것이 일차로 프로폴리스를 연구하는 이들의 관심을 끌고 있는 것이다. 우리나라의 경우에도 성분에서의 지역적 차이가 발생하는데, 우리나라는 기본적으로 온대 지역의 프로폴리스와 비슷한 양상의 성분들이 나타난다[56,64]. 그러나 섬으로 고립된 지역인 제주도의 경우 내륙에서 수집된 프로폴리스와 다른 성분 분포를 나타낸다. 중부 지역의 경우 평균 6.1%, 남부 지역의 경우 평균 5.7%의 플라보노이드 함량을 나타낸 반면, 제주도의 경우 2% 이하의 플라보노이드 함량을 보여준다. 또한 페놀계 화합물의 경우에도 중부 지역은 평균 22%, 남부 지역은 평균 21%를 나타낸 반면, 제주도의 경우 평균 14%의 값을 나타냈다[115]. 즉, 프로폴리스의 구성 성분의 함량은 생산되는 지역의 환경적 영향을 크게 받으며, 격리지역일 경우 그 차이가 크게 발생하게 된다. 그러나 아직까지도 프로폴리스의 성분 분석과 성분 함량에 따른 연구는 진행되었지만, 그 차이로 인한 기능성 효과는 명확하게 밝혀지지 않았으며 앞으로 연구를 진행함으로써 그 상관관계를 증명해야 할 것이다. Fig. 1에서는 프로폴리스에 함유된 주요 성분들과 각각의 구조를 나타내었으며, Table 1에서는 각 성분들의 주요 생물학적 기능성을 요약하였다.

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Fig. 1. Chemical structures of some propolis compounds. Propolis is composed of a resinous compounds which contains 50% of resin, 25~30% of wax, 10% of aromatic oils, 5% of pollen and other organic compounds. Approximately 300 compounds have been identified from honeybees so far. Each component of their mixture shows biologically active. Especially flavonoid structure containing 3-ring backbone (C6-C3-C6) shows a powerful anti-oxidative activity.

Table 1. Biological properties of propolis compounds

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프로폴리스의 생물학적 기능

항균 활성

프로폴리스가 보여주는 가장 현저한 기능성은 항균과 항바이러스 효과이다. 이것이 꿀벌이 프로폴리스를 이용하는 가장 큰 이유이며, 인류도 고대에서부터 프로폴리스를 이용한 기능성이다. 항균과 항바이러스에 대한 기능성은 지역별로 수집되는 프로폴리스 사이에서도 공통적으로 나타나는 기능성이며, 프로폴리스의 항균, 항진균 활성은 미생물의 종류에 상관없이 다양하게 나타난다[109]. 그 중에서도 세균에서의 항균 활성이 가장 뛰어나며, 세균의 세포막에 프로폴리스가 작용하여 세균의 이동성을 억제함으로써 항균 활성을 나타내고, 그람음성균 및 그람양성균 모두에서 나타난다. Mirzoeva 등에 따르면 프로폴리스는 Escherichia coli, Bacillus subtilis 그리고 Rhodobacter sphaeroides에서 항균 활성을 보이며, 프로폴리스의 성분 중에서도 caffeic acid phenethyl ester (CAPE)가 항균 활성의 주성분이 된다[77]. 또한 브라질 프로폴리스는 Sporothrix brasiliensis 진균에 높은 항균 활성을 가지며, 이 활성에서는 p-coumaric acid가 주된 물질임이 밝혀졌다[114]. Falcao 등은 포르투갈 프로폴리스 추출물이 Trypanosoma bricei에 높은 억제 효과를 보이고, Staphylococcus aureus, Candida albicans, Trichophyton rubrum 그리고 Aspergillus fumigatus 등에도 항균 활성이 나타남을 확인하였다[32]. 이들은 프로폴리스의 페놀 함량과 항산화 활성이 프로폴리스의 항균 활성에 중요함을 제시했으며, 그것은 지역에서 수집된 밀원과 깊은 연관이 있다는 것을 보여주고 있다. 기생충 감염의 경우에서도 프로폴리스의 생물학적 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 바이러스 감염의 경우 프로폴리스를 임상적으로 사용한 연구가 있다. Freitas 등은 에탄올로 추출한 프로폴리스 추출물을 이용하여 Giardia duodena lis trophozoites의 성장과 부착에 미치는 영향을 알아보았다. 연구 결과 프로폴리스가 trophozoites의 성장과 부착을 억제하였으며, 기생하는 생물체들이 떨어지는 것을 촉진시키고 있었다. 편모충증에 대한 프로폴리스의 효과를 연구한 결과에서는 프로폴리스가 투여된 어린이와 성인의 치료율이 각각 52% 에서 60% 사이인 반면, 기존 편모충증약을 투여받은 아동과 성인은 약 40%의 치료율이 보였다[36]. 프로폴리스를 이용 한 또 다른 연구에서는 위궤양의 원인이 되는 Helicobacter pylori 에 대한 억제 효과가 있음을 확인하였다[86].

산부인과와 관련된 질병 원인균에서도 프로폴리스의 효과가 나타났다. 대표적인 질염의 원인은 세균성 질염(bacterial vaginosis, BV)와 외음성 칸디다시스(vulvovaginal candidas, VVC)이다. 질 감염에 대한 특징 중의 하나는 질 내부 Lactobacillus spp.의 고갈이며, 그 원인으로는 질 병원균의 과잉 증식이며, 질 내부의 pH 상승이 동반된다. 특히 당뇨 환자의 경우 Candida albicans에 의한 질 감염이 일어나기 쉽다. 질 감염이 일어난 환자에게 5%의 수용성 프로폴리스 용액을 처리한 연구 결과에서 프로폴리스가 투여된 환자들의 질 개선을 가져왔다[45]. 또한 프로폴리스는 항생제와 항진균작용과 동시에 마취 특성이 있어 초기 증상 완화 효과를 가져온다. 따라서 프로폴리스는 recurrent vulvaginal candidiasis (RVVC)에 사용될 수 있고, 항생제를 복용할 수 없는 환자들에게 하나의 대안이 될 수 있다. 또한 프로폴리스 추출물 역시 인간 세포에 낮은 독성을 보이고, 만성 질염에 대한 대체 치료제로 사용될 수 있다[15].

프로폴리스의 항균 효과를 응용하여 효과적으로 사용되는 부분이 구강 건강이다. 구강은 수많은 세균이 성장할 수 있는 미세환경이며, 과도한 균의 성장은 다양한 구강 질환을 유발한다. Pereira 등에 의하면 프로폴리스의 항균 특성은 세균성 플라크 발생과 치주염 유발에 관련된 병원균의 성장을 억제할 수 있다[87]. 프로폴리스 추출물은 chlorohexidine과 비교해볼 때, 잇몸 섬유막에 선택적으로 낮은 세포 독성을 나타낸다. 이를 이용한 프로폴리스 함유 구강청결제는 구강과 관련된 수술을 했을 때 상처의 치유에도 효과를 나타내며[48], 구강을 세척하는 것에도 프로폴리스가 함유된 것을 권장하고 있다 [13]. 또한 심한 구취증 치료에도 프로폴리스 추출물이 도움이 되어, 구강 건강 유지 및 치료에 대한 효과를 보여주고 있다 [87].

항산화 활성

항균효과 다음으로 많이 알려진 프로폴리스의 기능성은 항산화 작용이다. 세포대사는 활성산소(reactive oxygen species, ROS)와 활성질소(reactive nitrogen species, RNS)를 생성하고, 이들은 매우 빠르게 확산되는데 세포 산화방지제에 의해 중화된다[76,88]. ROS는 일반적으로 glutathione, superoxide dismutase 그리고 catalase 등의 세포 내 효소에 의해 독성이 사라진다[110]. 그러나 항상성의 균형이 무너지면서 ROS와 RNS의 과도한 생산과 축적이 초래되며, 지질이나 단백질과 같은 고분자가 이들에 노출되면 산화되면서 분자의 변화가 발생하고 세포는 유해한 영향을 받게 된다[21,35]. 프로폴리스가 가진 항산화능은 화학적 보호(chemoprevention)를 포함한 생물학적 효과를 가진 성분들에 기인한다. 프로폴리스의 수많은 성분 중 플라보노이드는 매우 강한 항산화 물질로 활성산소를 제거하여 지질 과산화 방지를 통해 세포막을 보호하게 된다[59].

프로폴리스의 다양한 화합물은 산화적 스트레스의 억제제로 연구되었다. 앞서 언급했듯이 프로폴리스의 구성 성분은 지역과 구성 식물 분포에 따라 가변적일 수 있지만, 공통된 구성 성분 중의 하나인 CAPE는 ROS를 제거하는 주요 구성분이다[43]. CAPE는 프로폴리스의 성분 중에서도 항암과 항염증에 관련된 화합물 중 하나이다. 프로폴리스는 in vitro 실험에서 LDL의 과산화 및 단백질의 질산화를 억제하며, 소의 대동맥 혈관내피세포에서 eNOS의 발현을 증가시키고, NADPH 산화효소(NOX)를 억제하는 것으로 나타났다[102]. In vivo 실험에서는 프로폴리스가 항산화 용량을 증가시켜, 심혈관 질환에 연관되어 있는 지질 과산화의 감소를 이끌어내는 것으로 보고되었다[51, 107]. 터키산 프로폴리스는 배양 중인 섬유아세포에서 DNA 손상을 유발하는 과산화수소를 저해하는 것으로 나타났으며, 프로폴리스 내 페놀 화합물의 항산화 활성이 연관되어 있는 것으로 보고되었다[5]. 쿠바산 적색 프로폴리스의 경우 알콜에 의한 간 손상 모델에서 보호 효과를 보였는데, 이는 항산화 특성으로 인해 나타난 효과일 것이라고 제시했다 [92]. 그 외에도 아르헨티나산 프로폴리스의 플라보노이드 성분[46], 브라질 적색 프로폴리스의 플라보노이드 함량[93], 중국산 프로폴리스의 CAPE [47], 칠레산 프로폴리스의 화학 성분[94] 등 모두가 항산화 효과에 연관되어 있음을 보고하였다. 연구들을 종합해볼 때, 수집된 프로폴리스의 지역적 차이가 발생함에도 불구하고 항산화 특성은 공통적으로 나타나고 있다. 프로폴리스의 강력한 항산화 특성은 세포 내의 생화학적신호 전달 경로에 많은 영향을 끼치며, 이로 인해 생물체의 대사 과정에 영향을 준다. 그러나 프로폴리스의 항산화 활성과 연관된 연구 자체는 많이 이루어졌으나, 사람이 섭취해야 하는 안전한 용량에 대한 연구는 아직도 미비하다. 따라서 프로폴리스의 안전성과 생물학적 가용성에 대한 연구를 포함하여 프로폴리스와 구성분의 생물학적 활성에 대한 임상적 연구가 추가적으로 요구된다.

심혈관 치료 가능성

심혈관계 질환은 전 세계적으로 높은 사망률을 보이는 질병으로서 높은 경제적 부담과 환자 개인에게 심각한 고통을 주고 있다[12, 24, 101]. 여러 연구들에 의해 프로폴리스에 의한 심혈관 효과는 항산화, 항염증, 면역조절, 항혈관신생 등의 여러 가지 생물학적 특성이 복합적으로 작용하기 때문이라고 추측하고 있다. 심혈관 질환에 대한 프로폴리스의 분자 메커니즘을 설명하기 위해 다양한 in vitro, in vivo의 실험이 이루어졌다. 동맥경화증은 동맥 내부에 지질단백질의 축적과 변형이 수반되는 복잡한 과정으로, 초기에 fatty streak 병변의 출현에서 시작된다. Fatty streak은 fibrous cap으로 덮인 지방 중심체로 구성된 복잡한 동맥경화성 플라크로 발달하고, 이 중에서 일부 부위에서는 염증 세포가 풍부하게 나타난다[67,73]. 일부 연구자들은 폴리페놀이 심혈관 질환의 위험도를 낮추고, 동맥경화성 플라크 발달을 방지한다고 제시했다[40, 41, 79]. 이에 따라 폴리페놀의 풍부한 원료가 되는 프로폴리스는 심혈관질환을 예방할 수 있는 잠재적인 생물학적 기능성 물질로 제시되었다. 프로폴리스의 투여는 간에서의 콜레스테롤과 중성지방의 함량을 감소시켰고, 쥐의 간에서 중성지방 합성 속도를 감소시켰다[37,66]. 또한 LDL receptor knockout mouse (LDLr-/-)에서 브라질 적색 프로폴리스를 투여하면 트리아실글리세롤, 총콜레스테롤, 비고밀도 지질단백질-콜레스테롤 (non-high-density lipoprotein-cholesterol, non-HDL-C) 등의 수치가 감소하였고, 고밀도 지질단백질-콜레스테롤(high-density lipoprotein-cholesterol, HDL-C)의 수치는 증가하였다[23]. Artepillin C, pinocembrin, kaempferol 등이 풍부한 브라질 녹색 프로폴리스와 pinocembrin, CAPE, quercetin 그리고 galangin이 풍부한 칠레산 갈색 프로폴리스 역시 같은 결과를 보였다. 게다가 플라보노이드(주로 galangin, quercetin, kaempferol, apigenin, pinobanksin, pinocembrin and pinostrobin 등)가 풍부한 터키산 프로폴리스는 알콜로 유도된 급성 간 손상과 지질 축적을 방지하였다. 또한 알콜만을 처리한 쥐와 비교했을 때, 프로폴리스와 알콜을 함께 투여한 쥐에서 HDL의 수치는 높았고, LDL의 수치는 낮았다[27]. 즉, 프로폴리스는 중성지방, 콜레스테롤, HDL 및 LDL의 수치를 변화 시켜 지질대사를 조절하고, 혈중 지질 이상으로 야기되는 심혈관 계통 질환에 도움을 줄 수 있다는 것이다[37].

최근 연구에 의하면 동맥경화에 대한 프로폴리스는 치료 효과보다는 예방 효과가 더 큰 것으로 제시되었다. 브라질 녹색, 브라질 적색 그리고 칠레산 갈색 프로폴리스를 전처리했을 때, 동맥경화성 병변 면적이 감소된 것으로 나타났으며 특히 브라질 적색 프로폴리스에서 가장 큰 효과를 보였다. 또한 프로폴리스는 MCP-1, INFg, IL-6, CD36 그리고 TGF-β와 같은 동맥경화 과정에 관련된 주요 유전자의 mRNA 발현을 감소시켰다. 그리고 지질 대사와 연관된 프로폴리스의 작용 기전 중의 하나는 ATP binding cassette subfamily A member 1 (ABCA1) 유전자 발현을 조절하는 것인데, ABCA1의 up-regulation은 프로폴리스가 혈중 지질 대사를 조절하는 하나의 기전이라는 것을 제시했다[23]. Iio 등에 의하면 브라질 적색 프로폴리스의 추출물은 THP-1 대식세포에서 ABCA1 프로모터 활동을 촉진시켰으며, 대식세포에서 콜레스테롤의 유출이 프로폴리스의 농도 의존적으로 증가했다[44].

HepG2 세포주에서 프로폴리스 추출물은 콜레스테롤의 유출을 촉진하고 ABCA1과 ATP-binding cassette sub-family G member 1 (ABCG1)의 발현을 증가시켰고, 쥐에서는 혈장 HLD-C의 증가에 영향을 끼쳤다[118]. 이처럼 프로폴리스는 지질 대사와 연관된 유전자의 발현 조절을 통해 혈장 내 콜레스테롤의 변화에 영향을 끼침으로써 동맥경화증 예방에 유용할 것임을 제시하고 있다.

혈소판 응집은 동맥경화 과정에서 중요한 요인이다. 프로폴리스 성분은 혈소판 응집에서 중요한 영향을 끼치고 있는데, 프로폴리스 내 CAPE는 강력한 항 혈소판 응집에 대한 주요성분이 되는데, 이는 CAPE가 다양한 혈소판 응집 억제 경로에 영향을 끼치며, 콜라겐으로 자극된 혈소판 응집을 현저히 억제하였다[16]. Nitric oxide (NO)는 중요한 혈관 활동 매개자로 저농도로 내피세포에서 방출될 때는 혈관 확장 작용과 항응집작용을 가지고 있다. 그러나 염증과 같은 반응이 일어날 경우 고농도로 NO가 생성되어 산소 또는 질소와 반응하면 산화적스트레스나 질산화적 스트레스가 유발된다. 당뇨병이 발생한 쥐를 프로폴리스를 투여했을 경우, 투여하지 않은 쥐에 비해 NO 및 nitric oxide syntase (NOS)의 발현 수치가 감소하였다 [37]. 즉, 프로폴리스에 의해 혈관 내피세포를 보호하고 신경독성을 감소시킨다. 또한 프로폴리스 추출물은 Raw264.7 대식세포에서 iNOS의 발현을 감소시키고, iNOS의 촉매 활성을 직접 억제하여 NO 생성을 차단한다[57, 103]. 이 사실을 종합해볼 때, 과도한 NO 생산에 의해 심혈관 염증 과정이 영향을 받기 때문에 프로폴리스 추출물의 NO 생성 저해 역시 심혈관질환 중에서 동맥경화에 대한 치료 또는 예방 물질의 후보가 될 수 있는 것을 보여주고 있다.

항염증 작용과 면역 활성

2000년대 이전까지 프로폴리스의 생물학적 기능성에 대한 연구는 항균과 항산화에 초점이 맞춰져 있었고, 면역 조절에 대해서는 거의 알려져 있지 않았다. 하지만 프로폴리스의 성분 분석에 따른 새로운 기능성 효과가 연구되고 추출법에 따라 프로폴리스 기능성 효과의 차이가 알려지게 되었다[22]. Machado 등은 초임계 추출법과 에탄올 추출법에 따라 브라질의 다른 지역에서 수집한 레드, 그린, 그리고 브라운 프로폴리스를 추출한 뒤, 항균과 항산화 활성을 측정하였다. 그 결과, 표준 추출법으로 알려진 에탄올 추출법으로 추출한 프로폴리스 중에서 레드 프로폴리스가 항균과 항산화에서 가장 큰 효과를 나타냈고, 다른 추출법인 초임계 추출법에 의해서 확인해본 결과 artepillin C와 p-coumaric acid의 함량이 더 높게 나타났다[70]. 즉, 지역에 따른 프로폴리스의 차별성과 추출법에 따른 최적의 생물학적 기능성 효과를 입증한 것이다. 이에 따라 수많은 연구자들이 밀원 분포에 따른 프로폴리스를 새로운 추출법에 적용시킴으로써 프로폴리스의 새로운 효과에 주목하였다. 연구가 진행되면서 프로폴리스의 면역 조절 작용에 대한 연구가 활발히 진행되었다.

1991년 Dimov 등은 면역 억제 모델에서 생쥐에 프로폴리스를 투여하면 cyclophosphamide 효과를 방지하고 동물의 생존이 높아졌음을 확인하였고, 이들은 프로폴리스가 대식세포를 활성화함으로써 면역성을 조절한다고 제시하였다[30]. 또한 프로폴리스가 interleukin-1α (IL-1α), tumor necrosis factor-α (TNF-α)와 같은 사이토카인 생성을 자극함을 확인하였다[78]. 프로폴리스의 대식세포 활성화 기전이 확인된 이후, 프로폴리스의 NO 생성 억제에 대한 연구가 발표되었다. Lipopolysaccharide (LPS)로 자극을 준 대식세포에서 NO 생성이 크게 증가되었고, 프로폴리스를 투여한 결과 NO 생성을 억제함이 밝혀졌다[81]. 또한 이 반응에는 프로폴리스의 플라보노이드가 작용함이 밝혀졌고[60], 한국산 프로폴리스를 이용한 연구에서도 이와 같은 결과가 확인되었다. 프로폴리스에 의해 NO의 생성량이 감소되었으며, 체내 NO 생성에 관여하는 iNOS의 발현 및 염증성 사이토카인인 IL-1β의 발현 역시 감소하였다. 흥미로운 점은 LPS와 프로폴리스를 동시에 처리했을 때와 프로폴리스를 전처리한 후 LPS를 후처리하였을 때 염증 감소에 대한 뚜렷한 결과가 나타났다는 것이다. 반면 LPS를 전처리하고 프로폴리스를 후처리했을 때에는 염증 감소 효과가 크지 않았다[57]. 이는 프로폴리스가 염증에 대한 예방적 효과를 가지고 있음을 나타내고 있는 것이다.

프로폴리스의 면역과 관련된 또 하나의 효과는 림프구와 항체 생산에 대한 역할이다. 2003년 Ansorge 등은 peripheral blood mononuclear cells (PBMC)와 정제된 T cells의 DNA 합성을 강하게 저해하며, 이 영향은 프로폴리스의 성분 중 CAPE, quercetin 그리고 hesperidin에 의해 매개됨을 밝혔다. 또한 프로폴리스는 사람 IL-12, IL-2, IL-3 그리고 IL-10 생산을 억제한 반면, T regulatory cells에 의한 transforming growth factor (TGF)-1의 생성은 프로폴리스와 함께 배양된 PBMC와 T 세포에서 증가하였다. TGF-1과 IL-10은 T regulatory cells에 의해서 생성되는데, 프로폴리스가 사이토카인 생성을 조절함으로써 세포의 분화형을 조절하고, 여기에는 프로폴리스의 일부 성분이 관여하는 것을 확인하였다. 또한 프로폴리스에 의한 세포 성장 둔화에 대한 분자 기전을 이해하기 위해 사이토카인을 포함한 주요 유전자 발현을 조절하는 extracellular signal regulated kinase (ERK-2)에 의한 mRNA 발현 유도를 측정하여 mitogen-activated protein kinase (MAPK)의 신호전달 경로를 연구하였다[7]. ERK-2는 프로폴리스에 의해 자극된 PBMC에서 강하게 억제되었는데, 이는 프로폴리스가 면역조절에서의 잠재적인 역할을 가지고 있음을 보여주고 있다.

항종양 활성

프로폴리스가 가진 다양한 생물학적 기능성 중 최근 주목을 받는 부분은 항종양에 대한 부분이다. 암에 대한 현재의 치료법은 외과적 수술에 의한 종양 부위의 절제, 방사선 치료 그리고 항암제를 위주로 한 약물 치료 요법 등이 있다. 그러나 아직까지도 수술에 의한 종양 절제는 재발의 가능성을 가지고 있고, 방사선 치료나 약물 치료 등은 환자에게 나타나는 부작용과 정상세포를 구별하지 못하는 문제로 인해 치료적 한계점을 가지고 있다. 따라서 현재는 부작용이 경감된 항암제의 개발과 동시에 합성이 아닌 천연물을 기반으로 한 연구가 주를 이루고 있다. 이런 사실을 바탕으로 프로폴리스의 항암제로서의 활용 가능성에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다.

Xuan 등의 연구에 따르면 프로폴리스가 인간 유방암 세포에 대한 항종양 활성으로 유방암 치료제로서의 가능성이 있음을 제시하였다. 또한 종양 세포에 대한 선별적인 독성 특성으로 정상 세포에는 낮은 독성을 가지거나 아예 독성이 없다는 것을 제시하였다[117]. 또한 알제리 프로폴리스 추출물을 이용한 연구에서는 흑색종 종양 성장에 프로폴리스가 끼치는 영향을 조사하였는데, 프로폴리스 내 존재하는 플라보노이드인 galangin이 in vitro에서 흑색종 세포의 분열을 억제하고, apoptosis를 유발한다는 결과를 보였다[11]. 그 외에도 Demir 등은 터키 프로폴리스를 이용한 실험에서 endoplasmic reticulum stress로 인한 인간 폐암세포에 대한 선택적 독성, 세포사멸과 caspase 활성을 유발함을 보여주었고, 이로 인해 프로폴리스가 암세포의 증식을 억제할 수 있음을 나타내었다[29].

만성피부염 환경에서 암 예방약으로 프로폴리스가 연구되는데, UV로 유도된 마우스 모델에서, 호주 프로폴리스는 면역억제 효과를 발휘하고 지질 과산화 반응을 감소시킴으로써 피부 염증을 최소화할 수 있다[20]. 그러나 고형암의 경우 프로폴리스의 효과는 논란이 있다. 브라질 프로폴리스가 간암 유발 약제인 diethylnitrosamine (DEN)에 노출된 쥐에서는 간 보호 효과를 나타내지 못했다[96]. 그러나 래트 모델에서 유사 DEN으로 유발된 간암종에 대한 연구에서는 프로폴리스의 chrysin 성분의 영향으로 암 결절의 수와 크기가 감소한 것으로 나타났으며[52,58], 위 결과에서 볼 때 프로폴리스는 수많은 성분들이 혼합되어 있고, 모든 성분들이 혼합되어 있을 경우에는 간에 대한 효과가 나타나지 않을 수도 있다. 그러나 프로폴리스 내에 존재하는 개별 성분은 전혀 다른 효과를 낼 수 있는 것이다. 따라서 프로폴리스의 각 성분들에 대한 개별적 연구 결과와 모든 성분이 혼합된 프로폴리스의 연구 결과에 대해 신중히 접근할 필요가 있다.

브라질 프로폴리스의 주요 성분 중의 하나인 artepillin C는 종양 유발 신호 차단을 통해 tumor xenograft의 성장을 억제할 수 있다고 보고되었다[75]. 또한 이 결과는 CAPE에 의해서도 유도될 수 있다. CAPE가 풍부한 뉴질랜드 프로폴리스를 사용하면 neurofibromatosis (NF)-1 암 성장을 억제할 수 있으며, NF 2 종양 퇴행을 유도하였다[28]. 그러나 CAPE의 낮은 수용성으로 인해 이 연구에서는 CAPE를 용해시킬 수 있는 많은 양의 지질을 포함한 약제를 사용하였다. 이 결과는 프로폴리스의 성분과 다른 물질과의 혼합으로 인한 기능성 상승효과를 의미하는 것이다.

암에 대한 프로폴리스의 또 다른 흥미로운 가능성은 anti-angiogenesis이다. 브라질 프로폴리스 추출물이 in vitro tube formation assay에서 신생 혈관의 수를 크게 줄이는 것으로 밝혀졌다[2]. 이러한 효과는 주로 ERK1/2의 비활성화를 통해 튜브를 형성하는 내피 세포의 apoptosis를 유도함으로써 이루어진다[61]. 또한 이 작용이 프로폴리스의 artepillin C에 의해 이루어짐을 밝혔다. 다른 연구진은 vascular endothelial growth factor (VEGF)로 유도된 human umbilical vein endothelial cells (HUVEC)의 분열과 이동에 대한 연구를 진행하였는데[18,47], 이들은 로열젤리와 중국의 레드 프로폴리스가 VEGF에 의한 HUVEC의 분열과 이동을 억제함을 밝혔고, 벌의 화분과 CAPE는 분열만을 억제함을 확인하였다. 이전 연구에서는 CAPE의 angiogenesis에 대한 영향은 알려지지 않았지만, 다른 형태의 프로폴리스가 연구되었을 가능성이 있다.

프로폴리스의 항종양 활성을 통해 암세포를 공략하는 방법 외에 암 줄기세포를 줄이는 데 효과가 있다는 연구가 있다. 유방암 줄기세포를 이용한 연구에서 CAPE가 자가재생, progenitor 생성, 클론 성장 등의 암 줄기세포 특성을 농도 의존적으로 저해하는 것으로 나타났으며, 암 줄기세포 자체의 수도 감소시켰다[80]. 그러나 이후 지속적인 암 줄기세포에 대한 프로폴리스의 효과에 대한 연구는 시도되었으나 아직까지도 in vitro에서의 초기 연구만 진행되었을 뿐이고, 암 줄기세포에 대한 명확한 효과를 나타내는 충분한 연구 결과나 in vivo의결과는 발표되지 않았다. 그러나 암 줄기세포에 대한 프로폴리스의 적용 가능성이 연구되는 만큼 추가적인 연구와 동물연구가 필요하다.

암 미세환경은 기질세포, 내피세포, 면역세포 그리고 암세포로 이루어져 있다. 이렇게 구성된 환경은 종양의 수명에 필수적인 부분이다. Thalidomyde와 vincristine은 모두 면역 조절제와 항혈관신생 약제인데, 이들은 종양 미세 환경을 조절하는 기능도 가지고 있다. 이들은 암세포에 직접 작용하기보다 약제 자체의 기능을 통해 작용한다[38, 106]. 프로폴리스 의성분 중 CAPE는 MMP-2와 MMP-9의 발현을 완전히 억제함으로써 인간 간암세포(SKHep1)의 유착과 침입 가능성을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 이 과정에서 CAPE의 작용이 NF-κB의 신호 경로 억제와 관련되었다고 제시하였다[63]. 최근 일본 그룹은 브라질 녹색 프로폴리스에서 유래된 다양한 화합물을 조사하는 과정에서 일부 화합물이 glucose transporter-1, hexokinase-2 그리고 VEGF-A와 같은 HIF-1α와 HIF-1 downstream 유전자의 발현을 크게 억제하는 것을 확인하였다[42]. 이 연구는 현대 기술과 전통적인 한의학이 결합된 새로운 방식을 통해 암과 종양 미세환경을 해결할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

최신 연구 기술과 전통 의학의 결합은 다시 말하면 암에 대한 치료제의 조합을 의미한다. 따라서 기존에 알려졌던 항암과 관련된 화학요법이나 방사선 치료법에 대한 보완의 의미로 프로폴리스의 가능성을 확인하려는 연구가 등장하고 있다. 일부 연구에서 쥐를 이용한 in vivo 연구에서 프로폴리스 추출물을 이용한 약리적 상승 효과를 확인했다. Padmavathi 등은 DMBA로 유도된 유방암 발생 쥐를 이용하여 프로폴리스 추출물과 paclitaxel을 동시에 처리하여 효과를 확인하였다. 이들은 처리되지 않은 대조군, paclitaxel 단독 처리 그룹, 프로폴리스 추출물 단독 처리 그룹 그리고 프로폴리스 추출물과 pacli-taxel을 함께 처리한 그룹을 조사하였는데, 두 가지를 동시에 처리한 그룹에서 가장 낮은 종양 무게가 측정되었음을 확인하였다[84]. 항암 효과에 대한 효과 외에도 세포 독성 약제의 독성을 감소시키는 데 프로폴리스가 효과가 있음이 조사되었다. 수용성 크로아티아 혹은 브라질 프로폴리스 추출물의 플라보노이드가 in vivo 모델에서 Ehrlich ascites carcinoma에서 종양에 대한 irinotecan의 독성에는 영향을 주지 않으면서, 정상적인 혈액, 간 그리고 신장 세포에 대한 irinotecan의 독성을 감소시키는 것으로 나타났다[83]. 또 다른 연구에 의하면 쥐 암 모델에서 tamoxifen으로 야기된 간 독성에 대해 프로폴리스가 보호 효과를 나타내고 있음을 제시했다. Tamoxifen 투여 10일 전에 CAPE를 전처리한 결과, tamoxifen으로 야기되는 간 독성을 유의미하게 차단했다[3]. 위와 같은 연구 결과를 기반으로 하여 현재 항암에 대한 프로폴리스의 연구는 프로폴리스 단독 처리에 의한 효과보다 다른 약물과의 혼합에 의한 약리적 효과의 극대화 및 프로폴리스 개별 성분의 효과에 대한 연구가 집중되고 있다. 그러나 이러한 기능성 연구 이전에 분명히 확인해야 할 것은 생산되는 프로폴리스의 지역이 어떠한 수종으로 구성되어 있는지에 따른 분류 및 수집된 프로폴리스 성분의 구성에 대한 정확한 사전 연구가 이루어져야 할 것이다.

결론

꿀벌이 생산하는 산물 중에서 생물학적으로 뛰어난 기능성 효과를 보여주는 프로폴리스는 항미생물, 면역 조절 그리고 항종양 효과와 같은 생리적 활성 이외에도 다양한 기능성 효과가 제시되고 있다. 따라서 현재는 건강기능식품 원료로도 사용되고 있다. 프로폴리스 성분에 의한 세포 내 주요 활동과 그로 인해 나타나는 생물학적 효과를 Fig. 2에 요약하였다. 특히 최근의 코로나19가 지속되면서 면역력 증진에 대한 현대인의 관심이 높아지면서 프로폴리스의 가치가 증가되고 있다. 그에 따라 프로폴리스를 함유하는 수많은 기능성 제품들이 개발되어 판매되고 있으나 아직까지도 기초 연구를 통한 프로폴리스의 작용 기전 및 생물학적 원리는 명확하게 입증된 것이 많지 않다. 특히 추출법에 따라 적용할 수 있는 특성이 달라지는 프로폴리스의 특성은 똑같은 재료일지라도 적용 범위를 다양화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 프로폴리스의 개별 성분들은 전혀 다른 생물학적 활용성을 가지기 때문에 이들에 대한 심층적인 연구를 통해 명확한 기전을 밝혀야 할 것이다. 자연에서 순수하게 얻어진 천연물인 프로폴리스는 분명 앞으로의 사회에서 가치가 높아질 것이고, 현대의 우리 과학자들이 그 특성을 밝히고 발전시켜야 할 것이다.

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Fig. 2. Major biological properties of propolis. Propolis consists of flavonoids, phenolic compounds and vitamins exhibits various physiological roles in human body, such as anti-bacterial, anti-inflammation and anti-cancer.

감사의 글

본 총설은 농촌진흥청의 지원(과제번호: PJ016277)을 통해 작성되었습니다.

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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