당뇨병(diabetes mellitus, DM, diabetes)은 높은 혈당 수치가 오랜 기간 지속되는 대사 질환군을 말한다. 혈당이 높을 때의 증상으로는 소변이 잦아지고, 갈증과 배고픔이 심해진다. 이를 치료하지 않으면 다른 합병증을 유발할 수 있다. 당뇨병은 췌장에서 충분히 인슐린을 만들어 내지 못하거나 신체의 세포가 생산된 인슐린에 저항성을 가져 적절하게 반응하지 못하는 것이 원인이 된다. 당뇨병은 세계적인 문제로, 이들 중 90%를 차지하는 ...
당뇨병(diabetes mellitus, DM, diabetes)은 높은 혈당 수치가 오랜 기간 지속되는 대사 질환군을 말한다. 혈당이 높을 때의 증상으로는 소변이 잦아지고, 갈증과 배고픔이 심해진다. 이를 치료하지 않으면 다른 합병증을 유발할 수 있다. 당뇨병은 췌장에서 충분히 인슐린을 만들어 내지 못하거나 신체의 세포가 생산된 인슐린에 저항성을 가져 적절하게 반응하지 못하는 것이 원인이 된다. 당뇨병은 세계적인 문제로, 이들 중 90%를 차지하는 제2형 당뇨병이 주요 건강관리 문제로 다뤄지고 있다. 당뇨병은 통상 다음의 두 가지로 구분되며 먼저 제1형 당뇨병은 충분한 인슐린을 생산하지 못하는 것으로 나타나며, 제2형 당뇨병은 세포가 인슐린에 제대로 반응하지 못하는 인슐린저항으로 시작된다. WHO에 따르면 2012년, 당뇨병은 전 세계적으로 150만 명의 사망자를 낸 직접적인 원인이었으며 IDF에 따르면 2019년, 전세계적으로 4억 6천 3백만명의 사람들이 당뇨로 인해 고통 받고 있는 것으로 보고되었다. 대사성 질환 중 하나인 당뇨병은 초기 증상이 거의 없어 조기 발견이 어려운 질환으로 알려져 있다. 이로 인해 다양한 치료제가 개발되었지만 부작용으로 인해 보다 안전한 천연물 유래 물질과 같은 새로운 치료제 연구 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 식물에 많이 분포 되어있는 플라보노이드 계열 중 하나인 퀘르세틴(QC)의 여러 당 유도체 중에서 퀘르세틴-3-O-자일로시드(Q3X)의 항당뇨 효과를 in vitro와 in vivo 실험을 통해 밝히고자 하였다. Q3X의 2형 당뇨에 대한 효과를 확인하기 위해 C2C12 마우스 근육세포와 C57BL/6J 마우스에 각각 팔미트산과 고지방식이사료 섭취로 인슐린 저항성을 유도 하였다. Q3X는 인슐린 저항성을 유도한 C2C12세포와 유도하지 않은 세포에서 50 μM 농도까지 독성이 나타나지 않았다. 그리고 포도당 흡수능을 2-NBDG를 이용하여 확인한 결과 팔미트산으로 인슐린 저항성을 유도한 그룹에 비해 Q3X를 20 μM, 30 μM 그리고 40 μM로 처리한 결과 각각 63%, 77%, 92%의 증가를 나타내었다. 게다가 같은 농도의 QC과 비교한 결과 QC 보다 포도당 흡수능이 38.1~52.7% 높게 나타났다. 이를 통해 RT-PCR을 사용하여 IRS2, GLUT4mRNA gene 발현량을 확인한 결과 QC와 Q3X 두 물질 모두 인슐린 저항성을 유도한 그룹 대비 IRS2와 GLUT4 gene 발현량이 20 μM, 30 μM 그리고 40 μM로 농도의존적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 QC 대비 Q3X가 IRS2 gene은 6.9~22.3% 높았고 GLUT4 gene의 경우 107~190.5% 높은 발현량을 보였다. 결과적으로 인슐린 신호전달 경로에 두 물질이 모두 영향을 미치며 Q3X가 상대적으로 효과가 높은 것을 알 수 있었다. Q3X의 또 다른 신호전달 경로를 확인 하기 위해 웨스턴블로팅을 통해 AMPK와 Akt 그리고 GLUT 단백질 발현량을 확인하였다. 인산화AMPK와 인산화Akt는 농도의존적으로 증가하는 경향을 보였고 GLUT4 단백질 또한 농도의존적으로 증가하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해 Q3X가 인슐린 저항성이 유도된 C2C12에서 포도당 흡수율을 증가시키며 또한 RT-PCR과 웨스턴블로팅을 통해 GLUT4 mRNA gene과 단백질 발현의 증가를 통해 항당뇨효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 게다가 p-AMPK 단백질 발현량 증가를 통해 Q3X가 인슐린 비의존적으로 항당뇨 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 마우스는 C57BL/6J를 사용하였으며 고지방식이사료 섭취를 통해 2형 당뇨를 유도하였다. 10주 동안 고지방식이사료를 섭취하여 당뇨가 유도된 마우스에 Q3X(10 mg/kg body weight)와 현재 시장에서 치료제로 사용하는 메트포르민(250mg/kg body weight)를 4주동안 투여하여 매주 꼬리채혈을 통해 혈당과 포도당 내성능을 확인한 결과 고지방식이섭취 그룹과 비교하여 두 물질 군 모두 혈당이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 췌장의 랑게르한스 섬 면적과 β-세포를 형태학적 분석을 통해 확인한 결과 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 투여 군의 랑게르한스 섬 면적과 β-세포는 감소하는 경향을 확인하였다. RT-PCR을 통해 마우스 근육조직에서 IRS2와 GLUT4 mRNA gene을 확인한 결과 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 투여 군의 IRS2, GLUT4 mRNA gene 발현량이 더욱 높은 것을 확인하였다. 추가로 혈청 분석을 통해 포도당, 인슐린, 총 콜레스테롤 수치는 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 군은 감소하였으며 고밀도지단백질과 저밀도지단백질의 경우 Q3X는 고지방식이섭취군과 큰 차이는 없었다. 그러나 아스파르트산염아미노기 전달효소와 알라닌아미노기전달효소의 경우 현저하게 감소되었다. 이를통해 Q3X의 간 독성은 없는 것으로 확인되었다. 결과적으로 세포실험과 마찬가지로 고지방식이섭취로 인해 인슐린 저항성이 유도된 당뇨모델 마우스에서 Q3X는 혈당을 감소시키는 항당뇨 효능을 가지고 있으며 또한 직접적으로 췌장의 랑게르한스 섬과 β-세포를 감소 시켜 인슐린 조절에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 게다가 RT-PCR을 통한 IRS2,GLUT4 mRNA gene의 발현을 통해 메트포르민과 비슷한 효과를 발휘하는 것을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 Q3X의 2형당뇨에 대한 항당뇨효과와 기전을 밝혀냈다.
당뇨병(diabetes mellitus, DM, diabetes)은 높은 혈당 수치가 오랜 기간 지속되는 대사 질환군을 말한다. 혈당이 높을 때의 증상으로는 소변이 잦아지고, 갈증과 배고픔이 심해진다. 이를 치료하지 않으면 다른 합병증을 유발할 수 있다. 당뇨병은 췌장에서 충분히 인슐린을 만들어 내지 못하거나 신체의 세포가 생산된 인슐린에 저항성을 가져 적절하게 반응하지 못하는 것이 원인이 된다. 당뇨병은 세계적인 문제로, 이들 중 90%를 차지하는 제2형 당뇨병이 주요 건강관리 문제로 다뤄지고 있다. 당뇨병은 통상 다음의 두 가지로 구분되며 먼저 제1형 당뇨병은 충분한 인슐린을 생산하지 못하는 것으로 나타나며, 제2형 당뇨병은 세포가 인슐린에 제대로 반응하지 못하는 인슐린저항으로 시작된다. WHO에 따르면 2012년, 당뇨병은 전 세계적으로 150만 명의 사망자를 낸 직접적인 원인이었으며 IDF에 따르면 2019년, 전세계적으로 4억 6천 3백만명의 사람들이 당뇨로 인해 고통 받고 있는 것으로 보고되었다. 대사성 질환 중 하나인 당뇨병은 초기 증상이 거의 없어 조기 발견이 어려운 질환으로 알려져 있다. 이로 인해 다양한 치료제가 개발되었지만 부작용으로 인해 보다 안전한 천연물 유래 물질과 같은 새로운 치료제 연구 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 식물에 많이 분포 되어있는 플라보노이드 계열 중 하나인 퀘르세틴(QC)의 여러 당 유도체 중에서 퀘르세틴-3-O-자일로시드(Q3X)의 항당뇨 효과를 in vitro와 in vivo 실험을 통해 밝히고자 하였다. Q3X의 2형 당뇨에 대한 효과를 확인하기 위해 C2C12 마우스 근육세포와 C57BL/6J 마우스에 각각 팔미트산과 고지방식이사료 섭취로 인슐린 저항성을 유도 하였다. Q3X는 인슐린 저항성을 유도한 C2C12세포와 유도하지 않은 세포에서 50 μM 농도까지 독성이 나타나지 않았다. 그리고 포도당 흡수능을 2-NBDG를 이용하여 확인한 결과 팔미트산으로 인슐린 저항성을 유도한 그룹에 비해 Q3X를 20 μM, 30 μM 그리고 40 μM로 처리한 결과 각각 63%, 77%, 92%의 증가를 나타내었다. 게다가 같은 농도의 QC과 비교한 결과 QC 보다 포도당 흡수능이 38.1~52.7% 높게 나타났다. 이를 통해 RT-PCR을 사용하여 IRS2, GLUT4 mRNA gene 발현량을 확인한 결과 QC와 Q3X 두 물질 모두 인슐린 저항성을 유도한 그룹 대비 IRS2와 GLUT4 gene 발현량이 20 μM, 30 μM 그리고 40 μM로 농도의존적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 QC 대비 Q3X가 IRS2 gene은 6.9~22.3% 높았고 GLUT4 gene의 경우 107~190.5% 높은 발현량을 보였다. 결과적으로 인슐린 신호전달 경로에 두 물질이 모두 영향을 미치며 Q3X가 상대적으로 효과가 높은 것을 알 수 있었다. Q3X의 또 다른 신호전달 경로를 확인 하기 위해 웨스턴블로팅을 통해 AMPK와 Akt 그리고 GLUT 단백질 발현량을 확인하였다. 인산화AMPK와 인산화Akt는 농도의존적으로 증가하는 경향을 보였고 GLUT4 단백질 또한 농도의존적으로 증가하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해 Q3X가 인슐린 저항성이 유도된 C2C12에서 포도당 흡수율을 증가시키며 또한 RT-PCR과 웨스턴블로팅을 통해 GLUT4 mRNA gene과 단백질 발현의 증가를 통해 항당뇨효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 게다가 p-AMPK 단백질 발현량 증가를 통해 Q3X가 인슐린 비의존적으로 항당뇨 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 마우스는 C57BL/6J를 사용하였으며 고지방식이사료 섭취를 통해 2형 당뇨를 유도하였다. 10주 동안 고지방식이사료를 섭취하여 당뇨가 유도된 마우스에 Q3X(10 mg/kg body weight)와 현재 시장에서 치료제로 사용하는 메트포르민(250mg/kg body weight)를 4주동안 투여하여 매주 꼬리채혈을 통해 혈당과 포도당 내성능을 확인한 결과 고지방식이섭취 그룹과 비교하여 두 물질 군 모두 혈당이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 췌장의 랑게르한스 섬 면적과 β-세포를 형태학적 분석을 통해 확인한 결과 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 투여 군의 랑게르한스 섬 면적과 β-세포는 감소하는 경향을 확인하였다. RT-PCR을 통해 마우스 근육조직에서 IRS2와 GLUT4 mRNA gene을 확인한 결과 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 투여 군의 IRS2, GLUT4 mRNA gene 발현량이 더욱 높은 것을 확인하였다. 추가로 혈청 분석을 통해 포도당, 인슐린, 총 콜레스테롤 수치는 고지방식이섭취 군에 비해 Q3X, 메트포르민 군은 감소하였으며 고밀도지단백질과 저밀도지단백질의 경우 Q3X는 고지방식이섭취군과 큰 차이는 없었다. 그러나 아스파르트산염아미노기 전달효소와 알라닌아미노기전달효소의 경우 현저하게 감소되었다. 이를통해 Q3X의 간 독성은 없는 것으로 확인되었다. 결과적으로 세포실험과 마찬가지로 고지방식이섭취로 인해 인슐린 저항성이 유도된 당뇨모델 마우스에서 Q3X는 혈당을 감소시키는 항당뇨 효능을 가지고 있으며 또한 직접적으로 췌장의 랑게르한스 섬과 β-세포를 감소 시켜 인슐린 조절에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 게다가 RT-PCR을 통한 IRS2,GLUT4 mRNA gene의 발현을 통해 메트포르민과 비슷한 효과를 발휘하는 것을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 Q3X의 2형당뇨에 대한 항당뇨효과와 기전을 밝혀냈다.
Diabetes mellitus (DM), known as diabetes, is a group of metabolic disorders characterized by chronic hyperglycemia, which is a major risk factor for cardiovascular disease, metabolic syndrome, dyslipidemia, and renal disease. Diabetes is developed due to abnormally higher blood glucose level over l...
Diabetes mellitus (DM), known as diabetes, is a group of metabolic disorders characterized by chronic hyperglycemia, which is a major risk factor for cardiovascular disease, metabolic syndrome, dyslipidemia, and renal disease. Diabetes is developed due to abnormally higher blood glucose level over long period of time, either as a result of impairment of insulin secretion or insulin resistance. Currently, many types of anti-diabetic drugs have been approved by the US Food and Drug Administration (FDA). However, due to various adverse effects of currently used anti-diabetic drugs, developing new therapeutic agents with better efficacy and/or less side effects have been increasingly important topics of researches. In particular, natural compounds, which may have less side effects on the human body, have gained more attention as plausible alternatives to synthetic chemical compounds for the treatment of diabetes. In this study, a natural flavonoid quercetin 3-O-xyloside (Q3X) was evaluated for its potential anti-diabetic properties using insulin resistance-induced C2C12 myoblast cells and high-fat diet-induced type 2 diabetic animal model mice. The insulin resistant cell model was established by treating C2C12 myoblast cells with palmitic acid (PA) for 16 h. The Q3X treatment for 24 h did not show any detectable level of cytotoxicity by up to 50 μM on both normal and differentiating C2C12 myoblast cells. The Q3X (0-40 μM) significantly and dose-dependently enhanced the glucose uptake in insulin resistance-induced C2C12 cells. The RT-PCR and Western blot analyses demonstrated that Q3X dramatically increased the expression of IRS2 and GLUT4 proteins and genes and also the phosphorylation of Akt and AMPK, which are the major marker proteins associated with glucose uptake and metabolism. These results demonstrated that Q3X exhibits a significant positive effect on glucose uptake through upregulation of the expression and translocation of GLUT4 protein and activation of both insulin signalling pathway and AMPK pathway in insulin resistance-induced C2C12 myoblast cells. The results also showed that Q3X more strongly enhanced the glucose uptake, expression of IRS2 and GLUT4 proteins and the phosphorylation of Akt and AMPK, than quercetin aglycone (QC). The observed in vitro anti-diabetic activity of Q3X was further confirmed in in vivo animal model system. The type 2 diabetic animal model was established by feeding 5-weeks old male C57BL/6 mice with high-fat diet (HFD) for 10 weeks. These HFD-induced type 2 diabetic mice (n=5) were orally administered with Q3X (10 mg/kg body weight) for 4 weeks. For comparison, metformin (250 mg / kg body weight), which is well known anti-diabetic drug, was used. The oral administration of Q3X significantly reduced the serum levels of AST and ALT which were elevated by HFD, indicating that Q3X did not show any liver toxicity. The results showed that Q3X significantly reversed the HFD-induced elevated levels of serum glucose, insulin, and total cholesterol, and increased the expression of IRS2 and GLUT4 protein genes in the HFD-induced hyperglycemic mouse muscle tissues. The histopathological analysis and immunohistochemistry of pancreas tissues showed that Q3X dramatically reduced the abnormally increased (hypertrophic) size of the langerhans islet and β-cell caused by HFD, suggesting that Q3X treatment reversed the insulin resistance developed by HFD. It was also shown that the in vivo anti-diabetic effect of Q3X (10 mg/kg body weight) was comparable to that of metformin (250 mg/kg body weight), indicating that Q3X was, at least similar, or more effective than metformin in amelioration of HFD-induced type 2 diabetes. Taken collectively, these findings clearly demonstrated that Q3X, a natural flavonoid glycoside, exerts a significant anti-diabetic effect against HFD-induced type 2 diabetes by enhancing glucose uptake via increased expression of IRS2 and GLUT4, upregulating both IRS2-PI3K-Akt signaling in insulin signaling pathway and AMPK pathway, improving glucose tolerance, and ameliorating pancreatic β-cell hyperplasia and thus suggested that Q3X can be a potential therapeutic option for diabetes treatment. The results also showed that Q3X was more effective than quercetin aglycone (QC) in glucose uptake via enhanced expression of IRS2 and GLUT4 in PA-induced insulin resistant C2C12 myoblast cells. These results suggested that Q3X can be a potential therapeutic option for type 2 diabetes treatment.
Diabetes mellitus (DM), known as diabetes, is a group of metabolic disorders characterized by chronic hyperglycemia, which is a major risk factor for cardiovascular disease, metabolic syndrome, dyslipidemia, and renal disease. Diabetes is developed due to abnormally higher blood glucose level over long period of time, either as a result of impairment of insulin secretion or insulin resistance. Currently, many types of anti-diabetic drugs have been approved by the US Food and Drug Administration (FDA). However, due to various adverse effects of currently used anti-diabetic drugs, developing new therapeutic agents with better efficacy and/or less side effects have been increasingly important topics of researches. In particular, natural compounds, which may have less side effects on the human body, have gained more attention as plausible alternatives to synthetic chemical compounds for the treatment of diabetes. In this study, a natural flavonoid quercetin 3-O-xyloside (Q3X) was evaluated for its potential anti-diabetic properties using insulin resistance-induced C2C12 myoblast cells and high-fat diet-induced type 2 diabetic animal model mice. The insulin resistant cell model was established by treating C2C12 myoblast cells with palmitic acid (PA) for 16 h. The Q3X treatment for 24 h did not show any detectable level of cytotoxicity by up to 50 μM on both normal and differentiating C2C12 myoblast cells. The Q3X (0-40 μM) significantly and dose-dependently enhanced the glucose uptake in insulin resistance-induced C2C12 cells. The RT-PCR and Western blot analyses demonstrated that Q3X dramatically increased the expression of IRS2 and GLUT4 proteins and genes and also the phosphorylation of Akt and AMPK, which are the major marker proteins associated with glucose uptake and metabolism. These results demonstrated that Q3X exhibits a significant positive effect on glucose uptake through upregulation of the expression and translocation of GLUT4 protein and activation of both insulin signalling pathway and AMPK pathway in insulin resistance-induced C2C12 myoblast cells. The results also showed that Q3X more strongly enhanced the glucose uptake, expression of IRS2 and GLUT4 proteins and the phosphorylation of Akt and AMPK, than quercetin aglycone (QC). The observed in vitro anti-diabetic activity of Q3X was further confirmed in in vivo animal model system. The type 2 diabetic animal model was established by feeding 5-weeks old male C57BL/6 mice with high-fat diet (HFD) for 10 weeks. These HFD-induced type 2 diabetic mice (n=5) were orally administered with Q3X (10 mg/kg body weight) for 4 weeks. For comparison, metformin (250 mg / kg body weight), which is well known anti-diabetic drug, was used. The oral administration of Q3X significantly reduced the serum levels of AST and ALT which were elevated by HFD, indicating that Q3X did not show any liver toxicity. The results showed that Q3X significantly reversed the HFD-induced elevated levels of serum glucose, insulin, and total cholesterol, and increased the expression of IRS2 and GLUT4 protein genes in the HFD-induced hyperglycemic mouse muscle tissues. The histopathological analysis and immunohistochemistry of pancreas tissues showed that Q3X dramatically reduced the abnormally increased (hypertrophic) size of the langerhans islet and β-cell caused by HFD, suggesting that Q3X treatment reversed the insulin resistance developed by HFD. It was also shown that the in vivo anti-diabetic effect of Q3X (10 mg/kg body weight) was comparable to that of metformin (250 mg/kg body weight), indicating that Q3X was, at least similar, or more effective than metformin in amelioration of HFD-induced type 2 diabetes. Taken collectively, these findings clearly demonstrated that Q3X, a natural flavonoid glycoside, exerts a significant anti-diabetic effect against HFD-induced type 2 diabetes by enhancing glucose uptake via increased expression of IRS2 and GLUT4, upregulating both IRS2-PI3K-Akt signaling in insulin signaling pathway and AMPK pathway, improving glucose tolerance, and ameliorating pancreatic β-cell hyperplasia and thus suggested that Q3X can be a potential therapeutic option for diabetes treatment. The results also showed that Q3X was more effective than quercetin aglycone (QC) in glucose uptake via enhanced expression of IRS2 and GLUT4 in PA-induced insulin resistant C2C12 myoblast cells. These results suggested that Q3X can be a potential therapeutic option for type 2 diabetes treatment.
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