[학위논문]Agastache rugosa extract and its bioactive tilianin attenuate UVB-induced photoaging through the regulation of MAPK/AP-1 and TGF-β/Smad pathways원문보기
윤만석
(Graduate School, Yonsei University
Graduate Program in Biomaterials Science and Engineering Major in Biotechnology
국내박사)
자외선(Ultraviolet: UV)은 주름 형성 및 피부 수분 손실을 특징으로 하는 외인성 노화 또는 광노화의 주요 원인이다. 자외선의 만성적 노출은 활성산소종(reactive oxygen species: ROS)의 과다 생산을 촉진하여 피부 내부작용을 야기한다. Korean mint로 알려진 ...
자외선(Ultraviolet: UV)은 주름 형성 및 피부 수분 손실을 특징으로 하는 외인성 노화 또는 광노화의 주요 원인이다. 자외선의 만성적 노출은 활성산소종(reactive oxygen species: ROS)의 과다 생산을 촉진하여 피부 내부작용을 야기한다. Korean mint로 알려진 배초향(Agastache rugosa Kuntze)은 항산화, 항염증, 항동맥경화증 등의 생리활성을 지니고 있다. 선행 연구에서는 인간각질세포를 이용하여 항산화 방어시스템 조절을 통한 배초향의 항광노화 효과에 대해 발표하였다. 틸리아닌(Tilianin)은 배초향의 주요 생리활성물질이며 항산화, 항당뇨, 항고혈압 등의 다양한 생리활성이 보고되었다. 하지만, 동물실험을 통해 표준화된 배초향 추출물(Agastache rugosa Kuntze extract: ARE) 및 틸리아닌의 항광노화 효과에 대해서는 평가된 바 없다. 따라서, 본 연구에서는 무모쥐(hairless mouse)에서 경구투여를 통한 ARE와 틸리아닌의 항광노화 효과를 평가하고자 한다. 본 연구에서는 12주 동안 반복적으로 무모쥐의 등에 UVB를 노출시켰으며, 100과 250 mg/kg/day의 농도로 ARE를, 10 mg/kg/day의 농도로 틸리아닌을 각각 경구 투여하였다. 대조군과 비교하여, UVB를 처리한 군에서의 주름관련 지표가 현저하게 증가했다. 그러나 ARE와 틸리아닌은 주름 관련 지표를 유의하게 감소시켰다. 이는 ARE와 틸리아닌이 UVB에 의한 주름 형성을 억제하였음을 의미한다. 또한, UVB의 조사는 홍반 및 멜라닌 지수를 증가시켰지만, ARE와 틸리아닌은 각각의 수치를 유의한 수준으로 감소시켰다. UVB 처리군에서 증가한 피부 두께가 ARE와 틸리아닌 처리에 의해 감소하였다. 추가적으로 ARE와 틸리아닌의 처리는 피부 탄성을 증가시키고, 피부 조직 내 elastosis를 감소시켰다. UVB가 조사된 무모쥐의 피부에서 수분 함유량, 경피수분손실도 (transepidermal water loss: TEWL), 히알루론산 함량을 측정하여 ARE와 틸리아닌이 피부 보습에 미치는 효과를 평가하였다. UVB 조사에 의해 감소된 피부 내 수분 함유량이 ARE와 틸리아닌의 처리에 의해 회복되었다. 대조군과 비교하여 UVB의 처리는 TEWL을 증가시켰으나 ARE와 틸리아닌은 이를 감소시켰다. 또한, ARE와 틸리아닌은 UVB에 의해 감소된 히알루론산 함량을 회복시켰다. 이와 동일하게, 히알루론산 합성효소의 mRNA 발현이 ARE와 틸리아닌에 의해 상향 조절되었다. UVB는 콜라겐 함량을 감소시킴으로써 세포외기질의 구조를 파괴하여 피부 주름을 형성한다. 조직학적으로 대조군과 비교하여 UVB군에서 콜라겐 섬유의 감소를 관찰하였다. 이와 동일하게, 콜라겐 함량을 대변하는 hydroxyproline의 함량이 대조군과 비교하여 UVB군에서 현저하게 감소되었다. 이와는 반대로, ARE와 틸리아닌은 세포외기질 내의 콜라겐 밀도와 hydroxyproline의 양을 현저하게 증가시켰다. 콜라겐 함량은 transforming growth factor beta (TGF-β)/Smad 세포 신호 경로와 mitogenactivated protein kinase (MAPK)/activator protein 1 (AP-1) 경로에 의해 결정된다. TGF-β/Smad 경로는 콜라겐 유전자의 발현을 조절하는 주요 세포 신호전달경로이다. ARE와 틸리아닌은 TGF-β/Smad 경로를 활성화시켜 콜라겐 관련 유전자의 mRNA 발현을 향상시켰다. MAPK/AP-1경로는 콜라겐을 분해하는 matrix metalloproteinases (MMPs) 발현을 조절하여 세포외기질의 구조를 붕괴시킨다. ARE와 틸리아닌은 MAPK/AP-1 경로를 비활성화함으로써 MMPs의 mRNA 발현을 크게 하향 조절하였다. 따라서, ARE와 틸리아닌은 TGF-β/Smad 신호전달을 활성화시키고, MAPK/AP-1 기전을 억제함으로써 UVB가 조사된 피부 내의 콜라겐 함량을 증가시킨다. Catalase와 glutathione peroxidase (GPx)의 mRNA 발현이 UVB 처리에 의해 유의하게 감소된 반면, ARE 및 틸리아닌은 이들 유전자의 발현을 촉진하였다. 대조군과 비교하여 UVB처리는 nuclear factor-kappa B (NF-κB)의 단백질 발현을 증가시켰다. 그러나, ARE와 틸리아닌에 의해 NF-κB 단백질 발현이 상당한 수준으로 감소하였다. UVB로 인한 피부 내 염증반응의 중간 매개체인 NF-κB는 핵 내로 이동하여 염증성 사이토카인의 발현을 상향 조절한다. ARE 및 틸리아닌은 UVB에 의해 증가된 interleukin (IL)-1β, IL-6 및 tumor necrosis factor alpha (TNF-α)의 mRNA 발현을 유의하게 감소시켰다. 이는 ARE와 틸리아닌이 NF-κB의 단백질 발현 수준을 감소시킴으로써 염증성 사이토카인의 mRNA 발현을 하향 조절시켰음을 의미한다. 종합적으로, 본 연구에서는 배초향과 틸리아닌이 광노화의 잠재적 예방 및 치료제가 될 수 있음을 제시하였다.
자외선(Ultraviolet: UV)은 주름 형성 및 피부 수분 손실을 특징으로 하는 외인성 노화 또는 광노화의 주요 원인이다. 자외선의 만성적 노출은 활성산소종(reactive oxygen species: ROS)의 과다 생산을 촉진하여 피부 내부작용을 야기한다. Korean mint로 알려진 배초향(Agastache rugosa Kuntze)은 항산화, 항염증, 항동맥경화증 등의 생리활성을 지니고 있다. 선행 연구에서는 인간각질세포를 이용하여 항산화 방어시스템 조절을 통한 배초향의 항광노화 효과에 대해 발표하였다. 틸리아닌(Tilianin)은 배초향의 주요 생리활성물질이며 항산화, 항당뇨, 항고혈압 등의 다양한 생리활성이 보고되었다. 하지만, 동물실험을 통해 표준화된 배초향 추출물(Agastache rugosa Kuntze extract: ARE) 및 틸리아닌의 항광노화 효과에 대해서는 평가된 바 없다. 따라서, 본 연구에서는 무모쥐(hairless mouse)에서 경구투여를 통한 ARE와 틸리아닌의 항광노화 효과를 평가하고자 한다. 본 연구에서는 12주 동안 반복적으로 무모쥐의 등에 UVB를 노출시켰으며, 100과 250 mg/kg/day의 농도로 ARE를, 10 mg/kg/day의 농도로 틸리아닌을 각각 경구 투여하였다. 대조군과 비교하여, UVB를 처리한 군에서의 주름관련 지표가 현저하게 증가했다. 그러나 ARE와 틸리아닌은 주름 관련 지표를 유의하게 감소시켰다. 이는 ARE와 틸리아닌이 UVB에 의한 주름 형성을 억제하였음을 의미한다. 또한, UVB의 조사는 홍반 및 멜라닌 지수를 증가시켰지만, ARE와 틸리아닌은 각각의 수치를 유의한 수준으로 감소시켰다. UVB 처리군에서 증가한 피부 두께가 ARE와 틸리아닌 처리에 의해 감소하였다. 추가적으로 ARE와 틸리아닌의 처리는 피부 탄성을 증가시키고, 피부 조직 내 elastosis를 감소시켰다. UVB가 조사된 무모쥐의 피부에서 수분 함유량, 경피수분손실도 (transepidermal water loss: TEWL), 히알루론산 함량을 측정하여 ARE와 틸리아닌이 피부 보습에 미치는 효과를 평가하였다. UVB 조사에 의해 감소된 피부 내 수분 함유량이 ARE와 틸리아닌의 처리에 의해 회복되었다. 대조군과 비교하여 UVB의 처리는 TEWL을 증가시켰으나 ARE와 틸리아닌은 이를 감소시켰다. 또한, ARE와 틸리아닌은 UVB에 의해 감소된 히알루론산 함량을 회복시켰다. 이와 동일하게, 히알루론산 합성효소의 mRNA 발현이 ARE와 틸리아닌에 의해 상향 조절되었다. UVB는 콜라겐 함량을 감소시킴으로써 세포외기질의 구조를 파괴하여 피부 주름을 형성한다. 조직학적으로 대조군과 비교하여 UVB군에서 콜라겐 섬유의 감소를 관찰하였다. 이와 동일하게, 콜라겐 함량을 대변하는 hydroxyproline의 함량이 대조군과 비교하여 UVB군에서 현저하게 감소되었다. 이와는 반대로, ARE와 틸리아닌은 세포외기질 내의 콜라겐 밀도와 hydroxyproline의 양을 현저하게 증가시켰다. 콜라겐 함량은 transforming growth factor beta (TGF-β)/Smad 세포 신호 경로와 mitogenactivated protein kinase (MAPK)/activator protein 1 (AP-1) 경로에 의해 결정된다. TGF-β/Smad 경로는 콜라겐 유전자의 발현을 조절하는 주요 세포 신호전달경로이다. ARE와 틸리아닌은 TGF-β/Smad 경로를 활성화시켜 콜라겐 관련 유전자의 mRNA 발현을 향상시켰다. MAPK/AP-1경로는 콜라겐을 분해하는 matrix metalloproteinases (MMPs) 발현을 조절하여 세포외기질의 구조를 붕괴시킨다. ARE와 틸리아닌은 MAPK/AP-1 경로를 비활성화함으로써 MMPs의 mRNA 발현을 크게 하향 조절하였다. 따라서, ARE와 틸리아닌은 TGF-β/Smad 신호전달을 활성화시키고, MAPK/AP-1 기전을 억제함으로써 UVB가 조사된 피부 내의 콜라겐 함량을 증가시킨다. Catalase와 glutathione peroxidase (GPx)의 mRNA 발현이 UVB 처리에 의해 유의하게 감소된 반면, ARE 및 틸리아닌은 이들 유전자의 발현을 촉진하였다. 대조군과 비교하여 UVB처리는 nuclear factor-kappa B (NF-κB)의 단백질 발현을 증가시켰다. 그러나, ARE와 틸리아닌에 의해 NF-κB 단백질 발현이 상당한 수준으로 감소하였다. UVB로 인한 피부 내 염증반응의 중간 매개체인 NF-κB는 핵 내로 이동하여 염증성 사이토카인의 발현을 상향 조절한다. ARE 및 틸리아닌은 UVB에 의해 증가된 interleukin (IL)-1β, IL-6 및 tumor necrosis factor alpha (TNF-α)의 mRNA 발현을 유의하게 감소시켰다. 이는 ARE와 틸리아닌이 NF-κB의 단백질 발현 수준을 감소시킴으로써 염증성 사이토카인의 mRNA 발현을 하향 조절시켰음을 의미한다. 종합적으로, 본 연구에서는 배초향과 틸리아닌이 광노화의 잠재적 예방 및 치료제가 될 수 있음을 제시하였다.
Chronic exposure to ultraviolet (UV) radiation is regarded as a major cause of extrinsic aging or photoaging of skin, which is characterized by wrinkle formation and skin dehydration. The UV radiation exerts its adverse effects on skin by inducing the overproduction of reactive oxygen species. Agast...
Chronic exposure to ultraviolet (UV) radiation is regarded as a major cause of extrinsic aging or photoaging of skin, which is characterized by wrinkle formation and skin dehydration. The UV radiation exerts its adverse effects on skin by inducing the overproduction of reactive oxygen species. Agastache rugosa Kuntze, known as Korean mint, possesses a wide spectrum of biological properties including anti-oxidation, anti-inflammation, and anti-atherosclerosis. Previous studies have reported that A. rugosa protected human keratinocytes against UVB (280-320 nm) irradiation by restoring the anti-oxidant defense system. Tilianin is the main bioactive compound found in A. rugosa. It has been reported that tilianin possesses various biological activities, such as anti-hypertensive, anti-diabetic, and anti-oxidant effects. However, the anti-photoaging effect of standardized A. rugosa extract (ARE) and tilianin in animal models have not yet been evaluated. In this study, ARE at 100 and 250 mg/kg/day and tilianin at 10 mg/kg/day were orally administered to hairless mice along with repetitive UVB exposure for 12 weeks. Compared to the control (CON) group, wrinkle parameters in the UVB group were remarkably increased. However, ARE and tilianin treatments significantly reduced the wrinkle parameters, indicating that ARE and tilianin inhibit UVB-induced wrinkle formation. Additionally, erythema index and melanin index, which were aggravated in UVB group, were significantly diminished by ARE and tilianin. The skinfold thickness, which was increased by UVB irradiation, was significantly reduced by ARE and tilianin. Also, the oral administration of ARE and tilianin not only increased skin elasticity but also reduced elastosis. The effects of ARE and tilianin on skin moisture in UVB-irradiated hairless mice were evaluated by measuring skin hydration, transepidermal water loss (TEWL), and hyaluronic acid (HA) level. UVB irradiation reduced skin hydration; however, this value was increased by ARE and tilianin treatments. Compared to that of the CON, TEWL was significantly increased by UVB irradiation but it was recovered in the ARE and tilianin. Also, ARE and tilianin improved the HA level which was reduced by UVB irradiation. These results were consistent with that the mRNA expression of HA synthase was upregulated by ARE and tilianin. UVB disrupts the structure of the extracellular matrix (ECM) by reducing the contents of collagen, consequently resulting in the formation of wrinkle. The decreases in collagen fibers were histologically observed in the UVB group. Consistently, compared to the CON group, the amounts of hydroxyproline, which is an indicator of matrix collagen level, were significantly reduced in the UVB group. Conversely, ARE and tilianin markedly increased the density of collagen and hydroxyproline levels. Two cellular singling pathways, transforming growth factor beta (TGF-β)/Smad pathway and mitogen-activated protein kinase/activator protein 1 (MAPK/AP-1) pathway determine collagen contents. The TGF-β/Smad pathway is a major cell signaling transduction pathway that regulates the expression of collagen-related genes. ARE and tilianin stimulated the TGF-β/Smad signaling, consequently raising the mRNA levels of collagen-related genes. The MAPK/AP-1 pathway collapses the structure of ECM by regulating matrix metalloproteinase (MMP) expression which is involved in collagen degradation. ARE and tilianin significantly downregulated the mRNA expression of MMP by inactivating the MAPK/AP-1 pathway. Thus, ARE and tilianin increased collagen contents in UVB-exposed skin by activating the TGF-β/Smad signaling pathway and decreasing the MAPK/AP-1 pathway. In UVB-irradiated dorsal skin, the mRNA expressions of catalase and glutathione peroxidase were significantly reduced, whereas ARE and tilianin upregulated these gene expressions. UVB treatment increased the protein expression of nuclear factor-kappa B (NF-κB), compared to the CON group; however, its level of protein expression was significantly lowered by ARE and tilianin. NF-κB, a mediator of UVB-induced inflammatory responses, upregulates the expression of inflammatory cytokines by being translocated into nucleus. ARE and tilianin significantly reduced the UVB-induced mRNA expression of interleukin (IL)-1β, IL-6, and tumor necrosis factor alpha. This implies that ARE and tilianin downregulated the mRNA expression of inflammatory cytokines by decreasing NF-κB protein expression level. Collectively, this study suggests that A. rugosa and tilianin can be potential preventive and therapeutic agents for photoaging.
Chronic exposure to ultraviolet (UV) radiation is regarded as a major cause of extrinsic aging or photoaging of skin, which is characterized by wrinkle formation and skin dehydration. The UV radiation exerts its adverse effects on skin by inducing the overproduction of reactive oxygen species. Agastache rugosa Kuntze, known as Korean mint, possesses a wide spectrum of biological properties including anti-oxidation, anti-inflammation, and anti-atherosclerosis. Previous studies have reported that A. rugosa protected human keratinocytes against UVB (280-320 nm) irradiation by restoring the anti-oxidant defense system. Tilianin is the main bioactive compound found in A. rugosa. It has been reported that tilianin possesses various biological activities, such as anti-hypertensive, anti-diabetic, and anti-oxidant effects. However, the anti-photoaging effect of standardized A. rugosa extract (ARE) and tilianin in animal models have not yet been evaluated. In this study, ARE at 100 and 250 mg/kg/day and tilianin at 10 mg/kg/day were orally administered to hairless mice along with repetitive UVB exposure for 12 weeks. Compared to the control (CON) group, wrinkle parameters in the UVB group were remarkably increased. However, ARE and tilianin treatments significantly reduced the wrinkle parameters, indicating that ARE and tilianin inhibit UVB-induced wrinkle formation. Additionally, erythema index and melanin index, which were aggravated in UVB group, were significantly diminished by ARE and tilianin. The skinfold thickness, which was increased by UVB irradiation, was significantly reduced by ARE and tilianin. Also, the oral administration of ARE and tilianin not only increased skin elasticity but also reduced elastosis. The effects of ARE and tilianin on skin moisture in UVB-irradiated hairless mice were evaluated by measuring skin hydration, transepidermal water loss (TEWL), and hyaluronic acid (HA) level. UVB irradiation reduced skin hydration; however, this value was increased by ARE and tilianin treatments. Compared to that of the CON, TEWL was significantly increased by UVB irradiation but it was recovered in the ARE and tilianin. Also, ARE and tilianin improved the HA level which was reduced by UVB irradiation. These results were consistent with that the mRNA expression of HA synthase was upregulated by ARE and tilianin. UVB disrupts the structure of the extracellular matrix (ECM) by reducing the contents of collagen, consequently resulting in the formation of wrinkle. The decreases in collagen fibers were histologically observed in the UVB group. Consistently, compared to the CON group, the amounts of hydroxyproline, which is an indicator of matrix collagen level, were significantly reduced in the UVB group. Conversely, ARE and tilianin markedly increased the density of collagen and hydroxyproline levels. Two cellular singling pathways, transforming growth factor beta (TGF-β)/Smad pathway and mitogen-activated protein kinase/activator protein 1 (MAPK/AP-1) pathway determine collagen contents. The TGF-β/Smad pathway is a major cell signaling transduction pathway that regulates the expression of collagen-related genes. ARE and tilianin stimulated the TGF-β/Smad signaling, consequently raising the mRNA levels of collagen-related genes. The MAPK/AP-1 pathway collapses the structure of ECM by regulating matrix metalloproteinase (MMP) expression which is involved in collagen degradation. ARE and tilianin significantly downregulated the mRNA expression of MMP by inactivating the MAPK/AP-1 pathway. Thus, ARE and tilianin increased collagen contents in UVB-exposed skin by activating the TGF-β/Smad signaling pathway and decreasing the MAPK/AP-1 pathway. In UVB-irradiated dorsal skin, the mRNA expressions of catalase and glutathione peroxidase were significantly reduced, whereas ARE and tilianin upregulated these gene expressions. UVB treatment increased the protein expression of nuclear factor-kappa B (NF-κB), compared to the CON group; however, its level of protein expression was significantly lowered by ARE and tilianin. NF-κB, a mediator of UVB-induced inflammatory responses, upregulates the expression of inflammatory cytokines by being translocated into nucleus. ARE and tilianin significantly reduced the UVB-induced mRNA expression of interleukin (IL)-1β, IL-6, and tumor necrosis factor alpha. This implies that ARE and tilianin downregulated the mRNA expression of inflammatory cytokines by decreasing NF-κB protein expression level. Collectively, this study suggests that A. rugosa and tilianin can be potential preventive and therapeutic agents for photoaging.
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