전 세계적으로 염증성 장질환의 발병률이 지속적인 증가추세를 보이는 가운데, 그 원인과 기전에 대한 적극적인 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 아직 뚜렷한 치료제의 개발은 미비한 실정이다. 염증성 장질환의 원인에는 유전적, 후생유전적, 환경적 요인 외에도 숙주의 면역상태 등이 복합적으로 영향을 미치는 것으로 보고되어 있으며 특히 환경적인 요인 중 식이는 장 건강에 큰 영향을 미친다. 인간의 소화 작용에 의해 분해되지 않고 장까지 도달하는 난소화성 식이 섬유소는 장내 미생물의 먹이로 사용되고 선택적으로 바람직한 장내 미생물인 프로바이오틱스(probiotics)의 성장에 영향을 주는 프리바이오틱스(prebiotics)의 기능을 수행함으로써 장 건강에 긍정적인 영향을 준다고 알려져 있다. 최근 풍부한 식이 섬유소롤 함유하고 있는 해조류 유래 다당류의 프리바이오틱스로의 기능이 대두되면서 장 건강 증진을 위한 기능성 물질로써의 역할과 그 기전 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 해조류 유래 다당류, 주로 후코이단과 라미나린 등이 장 건강과 장내 미생물의 성장에 미치는 영향 및 염증성 장질환의 재발과 치료를 위한 잠재적인 기능성 원료로써 가능성을 in vitro와 in vivo 실험 결과를 바탕으로 논의해 보도록 하겠다.
전 세계적으로 염증성 장질환의 발병률이 지속적인 증가추세를 보이는 가운데, 그 원인과 기전에 대한 적극적인 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 아직 뚜렷한 치료제의 개발은 미비한 실정이다. 염증성 장질환의 원인에는 유전적, 후생유전적, 환경적 요인 외에도 숙주의 면역상태 등이 복합적으로 영향을 미치는 것으로 보고되어 있으며 특히 환경적인 요인 중 식이는 장 건강에 큰 영향을 미친다. 인간의 소화 작용에 의해 분해되지 않고 장까지 도달하는 난소화성 식이 섬유소는 장내 미생물의 먹이로 사용되고 선택적으로 바람직한 장내 미생물인 프로바이오틱스(probiotics)의 성장에 영향을 주는 프리바이오틱스(prebiotics)의 기능을 수행함으로써 장 건강에 긍정적인 영향을 준다고 알려져 있다. 최근 풍부한 식이 섬유소롤 함유하고 있는 해조류 유래 다당류의 프리바이오틱스로의 기능이 대두되면서 장 건강 증진을 위한 기능성 물질로써의 역할과 그 기전 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 해조류 유래 다당류, 주로 후코이단과 라미나린 등이 장 건강과 장내 미생물의 성장에 미치는 영향 및 염증성 장질환의 재발과 치료를 위한 잠재적인 기능성 원료로써 가능성을 in vitro와 in vivo 실험 결과를 바탕으로 논의해 보도록 하겠다.
The incidence of inflammatory bowel disease(IBD) has increased continuously in worldwide, but no cure have been discovered. The etiology of IBD may include various factors such as genetics, epigenetic, environment as well as host immune system. Among the environmental factors of IBD, diet heavily in...
The incidence of inflammatory bowel disease(IBD) has increased continuously in worldwide, but no cure have been discovered. The etiology of IBD may include various factors such as genetics, epigenetic, environment as well as host immune system. Among the environmental factors of IBD, diet heavily influences gut health, especially non-digestible dietary fiber can have a great impact on selective growth of beneficial gut microbiota called probiotics. Seaweeds have been consumed in Asia countries and are a rich source for dietary fiber. Accumulated data have suggested the possibility of utilizing seaweed derived oligosaccharides as prebiotics to prevent IBD and its recurrence. In this review, seaweed derived oligosaccharides such as fucoidan and laminarin regarding gut health and potential therapeutic tools for IBD will be discussed based on studies conducted in vitro and in vivo models.
The incidence of inflammatory bowel disease(IBD) has increased continuously in worldwide, but no cure have been discovered. The etiology of IBD may include various factors such as genetics, epigenetic, environment as well as host immune system. Among the environmental factors of IBD, diet heavily influences gut health, especially non-digestible dietary fiber can have a great impact on selective growth of beneficial gut microbiota called probiotics. Seaweeds have been consumed in Asia countries and are a rich source for dietary fiber. Accumulated data have suggested the possibility of utilizing seaweed derived oligosaccharides as prebiotics to prevent IBD and its recurrence. In this review, seaweed derived oligosaccharides such as fucoidan and laminarin regarding gut health and potential therapeutic tools for IBD will be discussed based on studies conducted in vitro and in vivo models.
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문제 정의
해조류의 항염증과 관련된 연구들은 다양하게 보고되어 있으나, 해조류 추출물이 장내 염증과 특히 IBD의 재발 및 예방효과에 관련된 연구들은 제한적이며, 다양한 해조류 유래 다당류의 스크리닝보다는 이미 다른 건강증진 효과가 알려져있는 후코이단과 라미나린 등의 해조류 유래 다당류에 관련된 연구 결과들이 주를 이루고 있는 점과 해조류 혹은 해조류 유래 다당류 추출물을 대상으로 한 임상연구 결과가 아직은 미비하여 이에 대한 논의를 다루지 못하는 점 등이 본 연구의 한계점이라고 하겠다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서는 최근 우리나라에서도 발병률이 크게 증가하고 있는 IBD의 증상개선과 빈번한 재발을 방지하기 위한 잠재적 치료적 차원의 기능성 원료 측면에서 해조류 유래 다당류의 연구 결과들과 다양한 연구 방법을 고찰함으로써 새로운 시각에서 해조류 유래 다당류의 개념을 제시하고자 한다.
여러 가지 IBD의 원인들 중 환경적인 요인, 특히 본 총설의 초점인 식이의 경우 IBD의 병태생리에 큰 영향을 미치는 것으로 여겨지고 있는데, 지금까지 보고된 IBD 증상에 부정적인 영향을 주는 식이/성분으로는 육류, 지방, 사탕, 과자 등의 가공식품 및 패스트푸드 등이 있으며, 반면 긍정적인 영향을 주는 식품들로는 식이섬유, 과일, 채소, 오메가-3 지방산, 비타민D 등이 보고된 바 있다[9]. 보다 구체적인 다양한 식이와 IBD의 병태 생리에 대한 고찰은 선행 타 총설에서 보고된 바 있으며[9], 본 총설에서는 좀 더 세분화된 주제로 해조류 유래 다당류들의 잠재적인 IBD 증상 개선 및 재발을 방지하기 위한 예방적 차원의 접근에 대해 in vitro와 in vivo 연구결과를 중심으로 논하도록 하겠다.
본 총설에서는 세포와 동물 기반의 실험결과를 바탕으로 현재까지 보고된 해조류 유래 다당류가 장 건강에 영향을 주는 요인들과 그 기전을 살펴보았다. 현재까지 보고된 해조류 유래 다당류 중 장 건강에 대한 건강증진 효과 측면에서는 특히 갈조류에 속하며 다시마과에서 유래된 다당류가 주를 이루고 있음을 확인하였다.
본 총설에서는 해조류 유래 다당류와 장 건강에 초점을 두어 in vitro와 in vivo 연구들을 바탕으로 해조류 유래 다당류의 잠재적인 장내 염증개선과 장 상피세포의 투과성 감소 등을 통한 장 건강 개선 효과에 대해 살펴보았다. 해조류의 항염증과 관련된 연구들은 다양하게 보고되어 있으나, 해조류 추출물이 장내 염증과 특히 IBD의 재발 및 예방효과에 관련된 연구들은 제한적이며, 다양한 해조류 유래 다당류의 스크리닝보다는 이미 다른 건강증진 효과가 알려져있는 후코이단과 라미나린 등의 해조류 유래 다당류에 관련된 연구 결과들이 주를 이루고 있는 점과 해조류 혹은 해조류 유래 다당류 추출물을 대상으로 한 임상연구 결과가 아직은 미비하여 이에 대한 논의를 다루지 못하는 점 등이 본 연구의 한계점이라고 하겠다.
여러 가지 해조류 추출물이 장 건강에 미치는 영향을 아래와 같이 in vitro와 in vivo 연구 결과를 위주로 정리한 내용을 [표 1]과 같이 요약을 하였으며, 이들 연구 결과를 세부적으로 살펴보도록 하겠다.
이에 본 총설에서는 염증성 장질환에 대해 살펴보고 해조류 유래 다당류의 종류와 현재까지 보고된 해조류의 장 염증 개선효과와 장 투과성에 미치는 영향을 in vitro와 in vivo 실험 결과들을 정리하여 해조류 및 해조류 추출물이 제시하는 잠재적인 IBD의 예방과 개선 효과 및 그 조절기전에 대해 논하도록 하겠다.
제안 방법
나아가 다시마 추출물+프로바이오틱스 투여군은 조직학적 점수의 증가와 염증성 사이토카인 IL-1β, IL-6, IL-12 발현의 현저한 감소 등 다시마와 프로바이오틱스의 시너지 효과를 확인하였다.
설치류의 대장암 세포주인 CMT-93를 이용하여 5종의 후코이단 추출물(0-5.0 μg/mL)과 10 μg/mL LPS를 동시에 처치하여 72시간 배양한 후 항염증효과를 관찰하였다.
예를 들어 약물을 이용한 IBD 유사 동물 모델로는 dextran sodium sulfate(DSS)나 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid(TNBS)가 사용되었으며, 유전자의 변화(transgenic) 혹은 제거(knockout) 를 통한 동물모델에는 IL-7 transgenic mice, IL-2 knockout mice, 및 IL-10 knockout mice 등이 있다. 이러한 동물 모델을 이용하여 레스버레트롤(resveratrol), 커큐민(curcumin), 비타민 D와 프로바이오틱스의 섭취는 체중저하를 막고, 배변의 일관성(stool consistency) 의 증가 및 점막의 형태 개선 효과 등의 결과들을 도출하였다[24]. 더불어 이런 여러 가지 IBD의 증상 개선 및 예방 효과에 대한 구체적인 기전에 대한 연구를 위해 좀 더 세밀한 in vitro 모델이 제안되었는데, 대표적인 세포주로 인간의 장막의 상피세포주인 Caco-2 세포와 IBD에서 기전에 영향을 준다고 알려져 있는 염증유발 세포인 대식세포와의 co-culture system 등[그림 1]이 이용되어 오고 있다[25].
이와 같이 지금까지 보고된 다양한 해조류 유래 다당류가 in vitro 모델에서 공통적으로 유의적인 장 건강 증진 효과를 가지지는 못하였으나, 갈조류 유래 다당류인 후코이단의 경우에는 여러 세포기반 실험을 통해 항염증 효과와 밀착연접 관련 단백질의 발현 증가 등을 통한 장벽기능 개선 효과를 제시하였다.
7 세포를 배양하는 co-culture model을 사용함으로써 in vivo의 장내 염증 상황을 재현할 수 있는 in vitro 모델을 선보였다[그림 1]. 즉, 염증이 활발한 IBD 환자의 장내로 모집되는 대표적인 면역세포인 대식세포와의 cross-talk을 in vitro모델을 통해 연구하고자 하는 접근법을 사용하여, 갈조류인 다시마과 Laminaria Japonica Areschoug에서 추출한 함황 다당류인 후코이단은 Caco-2로부터의 염증성 사이토카인 IL-8 유전자의 발현을 억제하였다. 이는 후코이단의 처치가 LPS로 염증 유도한 RAW264.
성능/효과
나아가 다시마 추출물+프로바이오틱스 투여군은 조직학적 점수의 증가와 염증성 사이토카인 IL-1β, IL-6, IL-12 발현의 현저한 감소 등 다시마와 프로바이오틱스의 시너지 효과를 확인하였다. 결과적으로 DSS로 IBD 유도한 쥐모델에서 다시마 열수 추출물은 염증 완화에 효과적이였으며, 나아가 다시마 추출물과 프로바이오틱를 함께 섭취하였을 때에는 장 건강의 개선에 시너지 효과를 나타냈다.
0 μg/mL)과 10 μg/mL LPS를 동시에 처치하여 72시간 배양한 후 항염증효과를 관찰하였다. 그 결과 5종의 갈조류 중에서 Kjellmaniella crassifolia와 Cladosiphon okamuranus에서 추출한 후코이단이 LPS 로 자극된 CMT-93의 IL-6 생산을 각 22%, 29% 감소시켰으며, 농도 의존적으로 IL-6의 감소비율을 증가시켰다. 이러한 후코이단의 IL-6 감소의 기전은 부분적으로 후코이단이 염증신호를 활발하게 하는 p65 NF-kB의 핵으로의 이동을 저해하기 때문임을 보여주었다.
다음으로 Smith 등[31]은 다시마과의 Laminaria digitata에서 추출한 라미나린을 각 2가지 농도(300ppm 혹은 600ppm)로 3주간 섭취한 돼지의 회장에서의 점액 단백질, 뮤신(mucin)의 발현을 관찰하였다. 그 결과 라미나린을 첨가한 식이를 섭취한 실험군은 대조군에 비해 결장의 점액 단백질인 MUC2와 MUC4의 유의적으로 증가를 관찰하였으며, 이를 통한 점막 상피 보호효과를 보여주었다[31]. 즉, 다시마에서 추출한 라미나린의 섭취는 장 상피 겔 층의 구성성분이며 일차 면역에 중요한 역할을 하는 뮤신(mucin)의 발현을 증가시킴으로써, 장 상피 보호에 효과적인 역할을 수행하며 동시에 병원균의 성장을 저해하였다.
대조군(DSS 처리군), 다시마 추출물 투여군(100mg/kg과 300mg/kg), 프로바이오틱스 투여군(300mg/kg), 다시마 추출물 (100mg/kg과 300mg/kg)+프로바이오틱스(300mg/kg) 투여군, 정상군 등의 7개의 실험군으로 나눠 7일간 각 시료를 경구 투여한 결과, 다시마 추출물 투여는 대장의 길이가 짧아지는 것을 억제하고, 조직학적 점수를 증가시켰으며, 염증성 사이토카인인 IL-1β와 IL-6 발현 수준을 감소시켜, 대장염 증상의 현저한 완화효과를 관찰하였다.
7 세포로부터 분비되는 TNF-α 생산의 저하가 부분적으로 영향을 준다고 보고하였다[30]. 더불어 co-culture system에서 후코이단의 처치는 LPS로 느슨해진 Caco-2세포의 장 투과성을 다시 회복시키는 효과를 보여주었다.
해조류 추출물섭취는 아기 돼지의 맹장과 결장에서 단쇄지방산의 생산을 증가시켰으나, 염증성 사이토카인인 interferon(IFN)-γ, IL-1α와 TNF-α 등 발현에는 유의적인 영향을 주지 않았다. 더불어 대장의 형태학적 변화 혹은 혈액 내 면역반응에는 미비한 효과만을 나타냈고, enterobacteria, bifidobacteria와 lactobacilli 등의 장내 균총의 수를 감소시켰다.
5 mg/mL 농도에서 가장 뛰어난 장벽 기능의 보호효과가 나타났다. 더불어 후코이단은 산화 스트레스로 증가된 장 투과성을 감소시켰고, 밀착연접의 내재단백질인 claudin-1과 claudin-2의 발현 또한 회복시켰다.
그 결과 라미나린을 첨가한 식이를 섭취한 실험군은 대조군에 비해 결장의 점액 단백질인 MUC2와 MUC4의 유의적으로 증가를 관찰하였으며, 이를 통한 점막 상피 보호효과를 보여주었다[31]. 즉, 다시마에서 추출한 라미나린의 섭취는 장 상피 겔 층의 구성성분이며 일차 면역에 중요한 역할을 하는 뮤신(mucin)의 발현을 증가시킴으로써, 장 상피 보호에 효과적인 역할을 수행하며 동시에 병원균의 성장을 저해하였다. 이와 같이 Reilly 등[29]과 Smith 등[31]의 연구에서는 해조류 유래 라미나린을 첨가한 사료가 돼지의 장 건강 측면에서 다른 효과를 보고하였는데, 이는 각 연구에서 이용된 해조류 다당류의 추출 원료의 차이, 다당류의 순도 및 농도의 차이, 사료섭취의 기간, 실험에 이용한 돼지 연령의 차이 등이 복합적으로 영향을 미치는 것으로 사료된다.
5 mg/mL)으로 장벽의 보호 기능을 보여주었다. 특히 후코이단 2.5 mg/mL 농도에서 가장 뛰어난 장벽 기능의 보호효과가 나타났다. 더불어 후코이단은 산화 스트레스로 증가된 장 투과성을 감소시켰고, 밀착연접의 내재단백질인 claudin-1과 claudin-2의 발현 또한 회복시켰다.
해조류 추출물섭취는 아기 돼지의 맹장과 결장에서 단쇄지방산의 생산을 증가시켰으나, 염증성 사이토카인인 interferon(IFN)-γ, IL-1α와 TNF-α 등 발현에는 유의적인 영향을 주지 않았다.
본 총설에서는 세포와 동물 기반의 실험결과를 바탕으로 현재까지 보고된 해조류 유래 다당류가 장 건강에 영향을 주는 요인들과 그 기전을 살펴보았다. 현재까지 보고된 해조류 유래 다당류 중 장 건강에 대한 건강증진 효과 측면에서는 특히 갈조류에 속하며 다시마과에서 유래된 다당류가 주를 이루고 있음을 확인하였다. 현 시점에서 제안 가능한 해조류 유래 다당류의 장 건강 기능 증진의 기전으로는 1) 장에 존재하는 여러 종류 세포의 보전, 2) 장 상피세포의 밀착연접의 유지, 3) 염증 시 장세포로 모여드는 염증세포(예, 대식세포)에서의 항염증 효과, 4) 단쇄지방산의 생산 증가, 5) 미생물 균총의 변화 등이 복합적으로 존재한다[19][25][30][31].
후속연구
장 건강에 긍정적인 영향을 주는 중요한 환경적 요인 중 식이, 특히 난소화성 다당류는 장내 미생물 균총의 구성뿐만 아니라 미생물 무리의 대사 생성물과 숙주의 면역기능에도 영향을 미치므로 해조류 유래 다당류 또한 잠재적으로 장 건강을 위한 천연소재로써 기능성 원료로의 이용 가능성이 예상된다. 더불어 궁극적으로 IBD 환자의 증상 개선과 재발 방지를 위한 기능성 원료의 발견 및 개발을 위해 체계적으로 다양한 종류의 장 건강에 영향을 주는 해조류/해조류 추출물의 스크리닝과 해조류 유래 다당류와 다양한 종류의 프로바이오틱스 조합의 잠재적인 시너지 효과에 대한 in vivo 기반의 실험과 활발한 기전 연구 등을 통한 해조류 유래 다당류와 장건강의 깊이 있는 이해가 필요하겠다.
본 총설에서는 해조류 유래 다당류와 장 건강에 초점을 두어 in vitro와 in vivo 연구들을 바탕으로 해조류 유래 다당류의 잠재적인 장내 염증개선과 장 상피세포의 투과성 감소 등을 통한 장 건강 개선 효과에 대해 살펴보았다. 해조류의 항염증과 관련된 연구들은 다양하게 보고되어 있으나, 해조류 추출물이 장내 염증과 특히 IBD의 재발 및 예방효과에 관련된 연구들은 제한적이며, 다양한 해조류 유래 다당류의 스크리닝보다는 이미 다른 건강증진 효과가 알려져있는 후코이단과 라미나린 등의 해조류 유래 다당류에 관련된 연구 결과들이 주를 이루고 있는 점과 해조류 혹은 해조류 유래 다당류 추출물을 대상으로 한 임상연구 결과가 아직은 미비하여 이에 대한 논의를 다루지 못하는 점 등이 본 연구의 한계점이라고 하겠다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서는 최근 우리나라에서도 발병률이 크게 증가하고 있는 IBD의 증상개선과 빈번한 재발을 방지하기 위한 잠재적 치료적 차원의 기능성 원료 측면에서 해조류 유래 다당류의 연구 결과들과 다양한 연구 방법을 고찰함으로써 새로운 시각에서 해조류 유래 다당류의 개념을 제시하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
장관의 역할은?
장관은 음식물 소화, 흡수, 배설의 기능 외에도 장관 점막의 면역학적 기능으로 관내 미생물 또는 이들의 부산물, 독소, 항원 등의 혈류로의 유입을 막는 방어벽으로의 이중적인 역할을 수행한다[1]. 건강한 장 점막 세포는 일정한 세포 사이 간격을 유지하지만, 자극이나 손상에 의해 세포 사이의 밀착연접(tight junction)의 기능 저하는 장 투과성을 증가시킨다[2].
염증성 장질환의 원인으로 보고된 요인에는 무엇이 있는가?
전 세계적으로 염증성 장질환의 발병률이 지속적인 증가추세를 보이는 가운데, 그 원인과 기전에 대한 적극적인 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 아직 뚜렷한 치료제의 개발은 미비한 실정이다. 염증성 장질환의 원인에는 유전적, 후생유전적, 환경적 요인 외에도 숙주의 면역상태 등이 복합적으로 영향을 미치는 것으로 보고되어 있으며 특히 환경적인 요인 중 식이는 장 건강에 큰 영향을 미친다. 인간의 소화 작용에 의해 분해되지 않고 장까지 도달하는 난소화성 식이 섬유소는 장내 미생물의 먹이로 사용되고 선택적으로 바람직한 장내 미생물인 프로바이오틱스(probiotics)의 성장에 영향을 주는 프리바이오틱스(prebiotics)의 기능을 수행함으로써 장 건강에 긍정적인 영향을 준다고 알려져 있다.
전문가들이 바라본 우리나라 염증성 장 질환 발병률의 향후 동향은 어떨 것으로 예측되는가?
식생활의 서구화 및 비만인구의 증가와 더불어 세계적으로 그 발병률이 가파르게 증가하고 있는 염증성 장 질환(inflammatory Bowel Disease, IBD)은 재발과 호전을 반복하는 만성적 위장관 염증질환으로, 아직까지 정확한 발생원인은 밝혀지지 않았으나 축척된 연구결과들에 의하면 IBD는 환경적, 후생유전적, 유전적 요인과 숙주의 면역계 등이 복합적으로 작용한다고 보고되어있다[4]. 과거 서구의 흔한 질병으로 알려져 온 IBD의 발병률이 최근 10년간 우리나라에서도 꾸준히 증가하고 있으며, 전문가들은 우리나라의 IBD 발병률이 조만간 서구의 경우와 유사해질 것으로 예측하고 있다[5]. 현재 염증성 장질환의 치료에는 주로 아미노살리실레이트(aminosalicylates), 코르티코스테로이드(corticosteroids), TNF(tumor necrosis factor)-α 억제제 등의 항생제와 면역 억제제가 사용되고 있으나, 이러한 약제들로 근본적인 IBD의 치료가 어려운 한계점과 약물의 장기 복용에 따른 부작용 및 IBD의 재발과 나아가 대장암으로의 진행 등의 문제를 동반하고 있어 보다 근본적인 치료법 및 예방책이 요구되고 있는 실정이다[6].
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