[국내논문]감국(Chrysanthemum indicum L.) 추출물이 MC3T3-E1 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향 Effects of Chrysanthemum indicum L. Extract on the Growth and Differentiation of Osteoblastic MC3T3-E1 Cells원문보기
본 연구에서는 감국에탄올 추출물이 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 분석하여 골다공증 관련 식물성 에스트로젠으로써의 이용 가능성을 확인하고자 하였다. 감국 에탄올 추출물은 30~100 ${\mu}g/mL$ 농도 범위에서 조골세포의 증식을 유의적으로 증가시켰으며, 100 ${\mu}g/mL$ 농도에서 대조군 대비 최대 122% 세포성장을 나타내었다. 이러한 세포증식 유도는 estrogen antagonist인 tamoxifen 처리 시 상쇄되어 estrogen 유사효과에 의한 것으로 사료되었다. MC3T3-E1 세포의 분화에 미치는 영향을 살펴보고자 대표적 분화지표인 ALP 효소활성, collagen 함량, mineralization 수준을 측정한 결과, 10, 30 ${\mu}g/mL$ 농도에서 ALP 활성의 유의적 증가와 200 ${\mu}g/mL$ 농도에서 collagen 함량과 mineralization의 유의적인 증가를 확인하였으며, ALP 활성, collagen 함량 모두 tamoxifen 처리에 의해 증가 효과가 상쇄되어 estrogen 유사작용에 의한 것으로 사료된다.
본 연구에서는 감국 에탄올 추출물이 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 분석하여 골다공증 관련 식물성 에스트로젠으로써의 이용 가능성을 확인하고자 하였다. 감국 에탄올 추출물은 30~100 ${\mu}g/mL$ 농도 범위에서 조골세포의 증식을 유의적으로 증가시켰으며, 100 ${\mu}g/mL$ 농도에서 대조군 대비 최대 122% 세포성장을 나타내었다. 이러한 세포증식 유도는 estrogen antagonist인 tamoxifen 처리 시 상쇄되어 estrogen 유사효과에 의한 것으로 사료되었다. MC3T3-E1 세포의 분화에 미치는 영향을 살펴보고자 대표적 분화지표인 ALP 효소활성, collagen 함량, mineralization 수준을 측정한 결과, 10, 30 ${\mu}g/mL$ 농도에서 ALP 활성의 유의적 증가와 200 ${\mu}g/mL$ 농도에서 collagen 함량과 mineralization의 유의적인 증가를 확인하였으며, ALP 활성, collagen 함량 모두 tamoxifen 처리에 의해 증가 효과가 상쇄되어 estrogen 유사작용에 의한 것으로 사료된다.
Chrysanthemum indicum L. (Asteraceae) is a common traditional herbal medicine used for the treatment of inflammation, hypertension, and respiratory diseases due to its strong antagonistic function against inflammatory cytokines. In this study, the effects of Chrysanthemum indicum L. extract (CIE) on...
Chrysanthemum indicum L. (Asteraceae) is a common traditional herbal medicine used for the treatment of inflammation, hypertension, and respiratory diseases due to its strong antagonistic function against inflammatory cytokines. In this study, the effects of Chrysanthemum indicum L. extract (CIE) on the function of osteoblastic MC3T3-E1 cells and the production of local factors in osteoblasts were investigated. CIE (100 ${\mu}g/mL$) significantly increased the growth of MC3T3-E1 cells and caused a significant elevation of alkaline phosphatase (ALP) activity, and the deposition of collagen and calcium in the cells (p<0.05). The effect of CIE in increasing cell growth, ALP activity, and collagen content was completely prevented by the presence of 1 ${\mu}M$ tamoxifen, suggesting that CIE's effect might be partly involved in estrogen-related activities. These results indicate that the enhancement of osteoblast functionality by CIE may prevent osteoporosis and inflammatory bone diseases.
Chrysanthemum indicum L. (Asteraceae) is a common traditional herbal medicine used for the treatment of inflammation, hypertension, and respiratory diseases due to its strong antagonistic function against inflammatory cytokines. In this study, the effects of Chrysanthemum indicum L. extract (CIE) on the function of osteoblastic MC3T3-E1 cells and the production of local factors in osteoblasts were investigated. CIE (100 ${\mu}g/mL$) significantly increased the growth of MC3T3-E1 cells and caused a significant elevation of alkaline phosphatase (ALP) activity, and the deposition of collagen and calcium in the cells (p<0.05). The effect of CIE in increasing cell growth, ALP activity, and collagen content was completely prevented by the presence of 1 ${\mu}M$ tamoxifen, suggesting that CIE's effect might be partly involved in estrogen-related activities. These results indicate that the enhancement of osteoblast functionality by CIE may prevent osteoporosis and inflammatory bone diseases.
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문제 정의
본 연구에서는 감국 에탄올 추출물이 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 분석하여 골다공증 관련 식물성 에스트로젠으로써의 이용 가능성을 확인하고자 하였다. 감국 에탄올 추출물은 30~100 μg/mL 농도 범위에서 조골세포의 증식을 유의적으로 증가시켰으며, 100 μg/mL 농도에서 대조군 대비 최대 122% 세포성장을 나타내었다.
본 연구에서는 조골세포와 유사한 대사적 특징을 가지고 있는 mouse calvaria 유래의 MC3T3-E1 세포를 이용하여 감국 에탄올 추출물이 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 분석하여, 골다공증 예방을 위한 식물성 에스트로젠으로서의 이용가능성을 탐색하고자 하였다.
Fukayama와 Tashjian(36)은 ALP가 몇몇 조골세포주에서 calcuim uptake에 관여함을 보고하기도 하여 여러 후행 연구들에서 조골세포의 ALP 활성을 분화지표로 사용하였다(26,27). 본 연구에서도 감국 에탄올 추출물의 조골세포 활성 및 분화효과를 살펴보기 위한 지표로 ALP 활성을 측정하였다. 그 결과 10~30 μg/mL 농도범위에서 농도 의존적인 증가 경향과 30 μg/mL 농도에서 최고 122%의 ALP 활성을 확인하였으며(p<0.
제안 방법
Collagen 합성에 대한 영향: 감국 에탄올 추출물이 조골 세포의 분화를 증가시키는지 알아보기 위해 Sirius Redbased colorimetric assay를 사용하여 조골세포의 collagen 합성능을 측정하였다(Fig. 3). 감국 에탄올 추출물 처리 시 collagen 함량은 농도 의존적인 증가 경향을 보였으며, 200μg/mL 농도에서 125%의 함량 증가를 나타내어 유의적인 차이를 보였다(Fig.
MC3T3-E1 조골세포를 2×104 cell/well 농도로 48-well plate에 분주한 후 세포가 90% 포화되게 자라면 10 mM βglycerophosphate와 50 μg/mL ascorbic acid를 함유한 배지로 교환하여 2일마다 배지를 갈아주며 분화를 유도하였다.
MC3T3-E1 조골세포를 48-well plate에 분주(2×104/well)하여 2일간 배양한 후, 시료의 최종 농도가 3, 10, 30, 100 및 200 μg/mL이 되도록 처리하여 48시간 동안 배양하였다.
단백질량은 상등액 50 μL 중 5 μL를 96 well plate에 넣은 후 Bio-Rad 단백질 정량 시약(Bio-Rad, Hercules, CA, USA)를 이용하여 정량하였다. p-nitrophenol에 대한 표준곡선그래프와 500 nm에서 측정한 각 시료 처리군별 p-nitrophenol의 흡광도로부터 산출한 활성도를 정량한 단백질량으로 나누어 단위단백질 함량당 효소활성도(unit/mg protein)를 산출하였다. 효소활성은 대조군에 대한 백분율로 나타내었다.
감국 에탄올 추출물이 조골세포의 증식에 미치는 영향을 알아보기 위하여 세포독성을 보이는 농도와 최적 작용농도를 MTT assay를 통해 알아보았다. 예비실험 결과를 통해 감국 에탄올 추출물의 적정 작용 농도 범위를 10~200 μg/mL로 결정하고, 10, 30, 100, 200 μg/mL 농도로 시료를 첨가하여 48시간 배양한 후 MTT assay로 세포 성장에 미치는 영향을 측정하였다(Fig.
배양 후 MTT 시약을 5 mg/mL 농도로 20 μL를 각 well에 첨가하여 2시간 더 배양한 후 배지를 제거하고 DMSO를 200 μL씩 첨가하여 생성된 불용성의 formazan 결정을 용해시켜 ELISA reader(Spectra MAX M2, Molecular Device, Sunnyvale, CA, USA)로 570 nm에서 흡광도(OD)를 측정하였다.
분화유도를 위하여 10 mM β-glycerol phosphate와 50 μg/mL ascorbic acid를 첨가하여 분화유도 배지로 사용하였으며, 2~3일 간격으로 배지를 교환해주었다.
예비실험 결과를 통해 감국 에탄올 추출물의 적정 작용 농도 범위를 10~200 μg/mL로 결정하고, 10, 30, 100, 200 μg/mL 농도로 시료를 첨가하여 48시간 배양한 후 MTT assay로 세포 성장에 미치는 영향을 측정하였다(Fig. 1).
1% Triton X-100을 첨가해 30분간 세포를 lysis 시킨 후 13,000 rpm에서 5분간 원심분리 하였다. 원심분리 후 상등액을 취하고 ALP kit(Asan Pharm, Seoul, Korea)를 사용하여 ALP 활성을 측정하였다. 단백질량은 상등액 50 μL 중 5 μL를 96 well plate에 넣은 후 Bio-Rad 단백질 정량 시약(Bio-Rad, Hercules, CA, USA)를 이용하여 정량하였다.
음건된 감국에 시료무게의 10배량(w/v)의 70% ethanol을 첨가하여 100oC 항온수조에서 3시간 동안 환류추출 하였고, 이 과정을 3회 반복하였다. 추출액은 여과지(Whatman No.
조골세포 분화 10일 후 각 농도별 시료를 처리하여 48시간 배양하였다. 분석을 위해 배지를 제거하고 PBS로 세척한 뒤, 70% EtOH로 실온에서 1시간 동안 고정시켰다.
조골세포 분화 6일 후 각 농도별 시료를 처리하여 48시간 배양하였다. 배양한 세포는 DPBS로 세척한 후 0.
대상 데이터
MC3T3-E1 조골세포(RCB1126, osteoblast-like cell line from C57BL/6 mouse calvaria)는 10% heat-inactivated fetal bovine serum(FBS), 1% 항생제(100 U/mL penicillin100 μg/mL streptomycin)를 함유한 α-modified minimal essential medium(α-MEM, Gibco BRL, Grand Island, NY, USA) 배지로 37℃, 5% CO2 하에서 배양하며 세포밀도가 90% 정도 포화되면 0.02% EDTA-0.05% trypsin용액을 사용하여 계대배양 하면서 실험에 사용하였다.
감국(Chrysanthemun indicum L.)은 경북 영주시 풍기읍에서 2008년 7월에 구매하여 음건(陰乾) 후 사용하였다. 추출용 에탄올을 비롯한 실험에 사용한 시약들은 Sigma Chemical Co.
추출액은 여과지(Whatman No. 1, Kent, England)로 여과하여 회전진공농축기(EYELA, Tokyo Rikakikai Co., Ltd., Tokyo, Japan)로 감압농축한 후 동결건조 하여 분말시료를 얻었고(yield: 25.3%, w/w), 이를 100% dimethylsulfoxide(DMSO)에 녹인 후 여과(Whatman PVDF 0.45 μm)하여 실험에 사용하였다.
데이터처리
실험결과는 평균과 표준오차(mean±SEM, n=6)로 나타내었으며, 통계분석은 SAS program(V8, SAS Institute, Cary, NC, USA)을 이용한 one-way ANOVA(p<0.05)을 실시하여 Duncan's multiple range test에 의해 시료간의 유의적 차이를 검정하였다.
이론/모형
분화과정의 중요한 mineralization 지표는 Alizarin Red staining을 사용하여 calcium의 침착 정도를 측정하였다. 무기질화 형성능을 측정하기 위해 alizarin red로 염색하여 염색된 석회화물을 10% cetylpyridinium chloride로 녹여 OD값을 측정하여 상대활성을 나타낸 결과, 감국 에탄올 추출물에 대해 농도 의존적으로 mineralization의 증가 경향을 보였으며, 분화 12일째 200 μg/mL 농도에서 111% mineralization을 보이며 대조군에 비해 유의적인 차이를 나타내었다(p<0.
시료의 농도별 처리에 따른 조골세포의 증식 정도는 Green 등(22)의 방법에 따라 3-(3,4-dimethylthiazolyl-2)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide(MTT) assay로 측정하였다. MC3T3-E1 조골세포를 48-well plate에 분주(2×104/well)하여 2일간 배양한 후, 시료의 최종 농도가 3, 10, 30, 100 및 200 μg/mL이 되도록 처리하여 48시간 동안 배양하였다.
조골세포의 collagen 합성능력은 Tullberg-Reinert와 Jundt(23)의 방법으로 측정하였다. 조골세포 분화 6일 후 각 농도별 시료를 처리하여 48시간 배양하였다.
성능/효과
MC3T3- E1 세포의 분화에 미치는 영향을 살펴보고자 대표적 분화지표인 ALP 효소활성, collagen 함량, mineralization 수준을 측정한 결과, 10, 30 μg/mL 농도에서 ALP 활성의 유의적 증가와 200 μg/mL 농도에서 collagen 함량과 mineralization의 유의적인 증가를 확인하였으며, ALP 활성, collagen 함량 모두 tamoxifen 처리에 의해 증가 효과가 상쇄되어 estrogen 유사작용에 의한 것으로 사료된다.
MC3T3-E1 조골세포는 감국 에탄올 추출물(CIE) 처리 시 농도 의존적인 세포 증가 경향을 보였으며, 특히 100 μg/mL 농도에서 122%의 세포증식을 보여 유의적인 차이를 나타내었다(Fig. 1A).
감국 에탄올 추출물 처리 시 collagen 함량은 농도 의존적인 증가 경향을 보였으며, 200μg/mL 농도에서 125%의 함량 증가를 나타내어 유의적인 차이를 보였다(Fig. 3A).
감국 에탄올 추출물 처리에 의한 MC3T3-E1 조골세포의 ALP 활성은 Fig. 2A에서 보는 바와 같이 10~30 μg/mL 농도에서 농도 의존적인 증가 경향을 보였으며 30 μg/mL 농도에서 최대 122%의 ALP 활성을 나타내었다(p<0.05).
감국 에탄올 추출물은 30~100 μg/mL 농도 범위에서 조골세포의 증식을 유의적으로 증가시켰으며, 100 μg/mL 농도에서 대조군 대비 최대 122% 세포성장을 나타내었다.
그 결과 10~30 μg/mL 농도범위에서 농도 의존적인 증가 경향과 30 μg/mL 농도에서 최고 122%의 ALP 활성을 확인하였으며(p<0.05), tamoxifen 처리 시 시료에 의한 ALP 활성 증가효과가 상쇄되는 결과를 얻었다.
그러나 골조직의 estrogen receptor(ER)에 antagonist(anti-estrogen reagent)로써 estrogen 반대효과 기전을 보이는 tamoxifen(24, 25) 1 μM을 122%의 세포성장을 보였던 100 μg/mL 농도의 시료와 병행 처리 시 시료처리에 의한 세포성장 증가 효과가 억제되는 것이 관찰되었다(Fig. 1B).
Luteolin, apigenin 등이 주요성분인 감국 에탄올 추출물 역시 MC3T3-E1 조골세포 증식에 유효한 효과가 있는 것으로 판단되었다. 또한 estrogen antagonist인 tamoxifen 처리에 의해 성장 증가가 억제되는 것으로 보아 감국 추출물의 MC3T3-E1 조골세포에 대한 증식유도는 estrogen 유사효과에 의한 것으로 유추할 수 있었다. MC3TC-E1 조골세포의 증식 촉진 정도는 금앵자 추출물(100 μg/mL) 처리 시 대조군 대비 최대 140% 정도의 성장률을 나타내었다고 보고한 Lee(28)의 연구결과나 복분자 추출물 10 μg/mL 처리 시 140% 정도의 성장효과를 보고한 Lee와 Lee(29)의 결과보다는 낮았으나, 대두 에탄올 추출물 50~100 μg/mL 농도에서 최대 117%의 성장률을 확인한 Choi(30)의 결과에 비하여는 다소 높은 세포성장을 나타낸 것으로 보였다.
무기질화 형성능을 측정하기 위해 alizarin red로 염색하여 염색된 석회화물을 10% cetylpyridinium chloride로 녹여 OD값을 측정하여 상대활성을 나타낸 결과, 감국 에탄올 추출물에 대해 농도 의존적으로 mineralization의 증가 경향을 보였으며, 분화 12일째 200 μg/mL 농도에서 111% mineralization을 보이며 대조군에 비해 유의적인 차이를 나타내었다(p<0.05)(Fig. 4).
3B). 이는 조골세포의 초기 분화 지표인 ALP 활성 측정 결과에서와 마찬가지로 감국추출물이 조골세포의 collagen 합성능을 증가시키는 가능성이 있으며 이러한 증가 효과는 tamoxifen 처리에 의해 상쇄되는 것으로 보아 estrogen 유사효과에 의한 것으로 유추해볼 수 있었다.
후속연구
Park 등(44)은 미역취 메탄올 추출물 10 μg/mL 농도에서 MC3T3-E1 조골세포 분화 9~18일 사이 mineralization이 급격히 증가하여 18일째에 최대에 이르러 대조군에 비해 약 1.6배(160%)에 달했으며, genistein 1 μM 농도에서도 최대 약 1.3배(130%) 증가됨을 확인하였다고 보고하였는데, 본 연구에서는 분화유도기간이 12일로 상대적으로 짧아 증가율이 다소 낮게 나타난 것으로 보이며 추후 분화기간을 연장하여 관찰해 볼 필요가 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
골조직은 무엇인가?
골조직은 교원질, 수산화인회석 등의 무기질로 구성된 세포외기질과 조골세포, 파골세포, 골세포 등 여러 종류의 세포들로 구성되어 있는 매우 복잡하고 활동적인 조직이다(1). 조골세포와 파골세포의 작용을 매개로 일생동안 끊임없이 형성과 흡수를 반복하며 골재형성 과정을 진행해 나간다(2).
감국은 무엇인가?
감국(Chrysanthemum indicum Linne)은 국화과에 속하는 다년생 초본으로, 우리나라 중부 이남의 산간지역에 널리 분포하는 야생국화이며 예로부터 궁중에서는 국화주로, 민가에서는 고혈압 환자들이 약술로 애용하여 왔다(15). 한의학에서는 해열, 소염, 혈압강하, 두통 완화 등을 목적으로 이용되고 있으며 최근 여러 연구들을 통해 항균, 항염증, 면역조절, 항산화, 항암활성 등이 보고되고 있다(16-18).
감국의 주요 성분에는 무엇이 있는가?
한의학에서는 해열, 소염, 혈압강하, 두통 완화 등을 목적으로 이용되고 있으며 최근 여러 연구들을 통해 항균, 항염증, 면역조절, 항산화, 항암활성 등이 보고되고 있다(16-18). 주요 성분으로는 flavonoid 화합물인 luteolin, apigenin, apigenin 7-O-β-D-glucoside, luteolin 7-O-β-D-glucoside과 sesquiterpene lactone 화합물인 cumambrin A, cumambrin B, arteglasin A 및 angeloyljadin 등이 알려져 있다(19). 이들 성분 중 luteolin은 항염증, 항암, 항산화 및 estrogen receptor를 매개로 한 조골세포의 기능 증진 활성이 보고된 바 있고(20,21), apigenin 역시 조골세포의 증식 및 기능증진 효과에 대한 보고가 있어(20), 감국의 phytoestrogen 효과를 기대해 볼 수 있을 것으로 생각된다.
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