[논문]마우스를 이용한 비만연구에서 활용되는 물리적 표현형 분석 기술

김현경; 고광웅

doi:10.23093/fsi.2018.51.1.37

마우스를 이용한 비만연구에서 활용되는 물리적 표현형 분석 기술
Physical Phenotype Analysis in Obesity Study in vivo 원문보기

식품과학과 산업 = Food science and industry, v.51 no.1, 2018년, pp.37 - 44

Abstract ▼ AI-Helper

The prevalence of obesity is continually increasing in South Korea; about 1/3 of adults are diagnosed with obesity and 1/2 of adults are overweight in 2016. Abnormal body fat mass increased the risk factors of metabolic syndrome (including hypertension, type II diabetes, dyslipidemia), chronic kidney failure, osteoarthritis, and cardiovascular disease. Ministry of Food and Drug Safety (MFDS) in Korea established the validation and approval system for "functional food" based on related laws and regulations. According to the guideline of MFDS, the biomarkers for obesity study in vitro, in vivo, and clinical trial are well summarized. The analysis of physical phenotypes is necessary condition to study further molecular phenotypes and pathway analysis in vivo study. Thus, we will review currently available physical phenotype analysis; dual energy X-ray absorptiometry (DEXA) and Oxylet gas analysis will be examined in-depth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 일부 사례에서 확인할 수 있듯이 엄밀한 물리적 표현형 개선 검증 없이 세부기전에만 매몰되는 위험성이 남아 있다. 따라서 본 논문에서는 체지방 감소 연구에 필수적인 물리적 표현형 바이오마커와 관련한 최신 측정 장비 원리 및 중요성을 설명하고 과학적 정확도와 정밀도를 제고하는 연구에 대해 논의하고자 한다.
본 논문에서는 실험 동물에서 검증 가능한 다양한 물리적 표현형과 이를 측정하는 최신 장비에 대한 원리와 중요성에 대해 설명하였다. 체지방 및 체성분 분석을 위해 임피던스 기계, CT, NMR 등 여러 장비들이 개발되었지만 안전성과 정확성 등의 여러 가지 단점을 내포하고 있다.

제안 방법

또 다른 연구에서는 고지방/고콜레스테롤 식이를 급여한 마우스에 자작나무 추출물을 12주간 농도별로 경구투여하였다(그림 2; unpublished). 11주차에 Oxylet 기기를 통해 실험동물의 호흡량을 측정하였다. 외부 자극이 없는 장소에서 24시간 동안 이루어졌으며 아침 8시부터 저녁 8시까지 낮 시간, 저녁 8시부터 다음날 아침 8시까지 밤 시간으로 설정하였다.
이는 고농도 투여군의 낮은 체중이 제지방이 아닌 체지방의 감소로 인한 것이라는 판단을 할 수 있었다. 물리적 표현형을 근거로 관련 전사인자와 핵심 단백질을 선발하고 이들의 단백질 및 mRNA 발현량을 정량분석하여 분자생물학적 세부 작용 기전을 구명하였다. 그 결과, 간 조직의 지질생합성(de novo lipogenesis) 저해와 백색지방 조직의 지방 분화의 억제를 통한 체중 감소로 밝혀졌다.
11주차에 Oxylet 기기를 통해 실험동물의 호흡량을 측정하였다. 외부 자극이 없는 장소에서 24시간 동안 이루어졌으며 아침 8시부터 저녁 8시까지 낮 시간, 저녁 8시부터 다음날 아침 8시까지 밤 시간으로 설정하였다. 그 결과 음성대조군 대비 추출물 고농도 투여군에서 활동시간인 밤 시간에 에너지 소비량이 증가하였으며, 호흡계수는 0.
측정된 이산화탄소 배출량을 산소 소비량으로 나눠주어 호흡계수(respiratory quotient, RQ)를 계상한다. Livesey와 Elia (1988)에 따르면 호흡계수는 1.

성능/효과

이와 유사하게 Kim 등 (2017)의 연구에서 중쇄 지방산 기능성 유지를 20주간 급여한 마우스에 동일한 방법으로 매주 체중을 측정하고 4주 간격으로 DEXA 체성분을 측정하였다. 그 결과 18주부터 20주까지 음성대조군 대비 고농도 급여군에서 유의적으로 낮은 체중을 보였다. 체지방은 12주부터 20주까지 낮은 체지방을 보였으며 제지방은 차이를 보이지 않았다.
외부 자극이 없는 장소에서 24시간 동안 이루어졌으며 아침 8시부터 저녁 8시까지 낮 시간, 저녁 8시부터 다음날 아침 8시까지 밤 시간으로 설정하였다. 그 결과 음성대조군 대비 추출물 고농도 투여군에서 활동시간인 밤 시간에 에너지 소비량이 증가하였으며, 호흡계수는 0.71에 가깝게 나타났다. 이를 근거로 실험군에서 추출물에 의한 에너지 대사가 증가했음을 확인할 수 있다.
물리적 표현형을 근거로 관련 전사인자와 핵심 단백질을 선발하고 이들의 단백질 및 mRNA 발현량을 정량분석하여 분자생물학적 세부 작용 기전을 구명하였다. 그 결과, 간 조직의 지질생합성(de novo lipogenesis) 저해와 백색지방 조직의 지방 분화의 억제를 통한 체중 감소로 밝혀졌다.
예를 들어 Choi 등 (2017)은 고지방식이로 비만을 유도한 마우스에게 한방 소재(태음조위탕)를 급여한 후 항비만 효과를 연구한 논문은 가스분석기를 이용하여 산소 소비량과 이산화탄소 배출량을 측정하였다. 그 결과, 선행 측정된 체중 감소가 에너지 소비량 증가에 의한 것이라는 가설을 제시할 수 있었으며, 이후 대사적 표현형과 분자생물학적 기전 분석을 종합하여 실험물질의 항비만 기능성을 검증하였다. 이와 유사하게 진행된 Choi 등 (2017)의 연구에서는 차로 널리 알려진 마테를 이용하여 지질 대사를 중심으로 하는 대사증후군에 미치는 영향을 분석하였다.
이 결과에 따라 체지방의 감소가 낮은 체중의 근거임을 확인할 수 있었다. 또한 혈액 분석에서 혈중 중성지방과 콜레스테롤이 감소하였음을 확인하였다. 이후 단백질 정량분석을 통해 백색지방에서 지방 분해 기전과 갈색지방에서 열발생 증가로 인한 체중 감소였음을 확인하였다.
측정 결과, 경구투여 9주차부터 12주차까지 고농도 투여군에서 음성대조군(CTL) 대비 낮은 체중을 보였다. 또한, 고농도 투여군에서 12주차에 낮은 체지방률을 나타내었으며 제지방량은 차이를 나타내지 않았다. 이는 고농도 투여군의 낮은 체중이 제지방이 아닌 체지방의 감소로 인한 것이라는 판단을 할 수 있었다.
에너지 소비 지표를 측정할 수 있는 장비 Oxylet은 24시간 동안 실험동물의 호흡량을 실시간으로 측정하는 기기로 체지방 감소의 세부 기전을 특정할 근거를 제시해준다. 이 결과를 통해 실험동물의 에너지 소비에 대한 질적/양적 분석이 가능하며, 보다 구체적으로 근육 조직의 β-산화와 갈색지방조직의 열발생 기전의 근거를 확보할 수 있다. 두 가지 장비는 모두 정확하게 측정할 수 있는 물리적 지표로 사용 이점이 더 많지만 가격이 비싸고 측정자나 장비 교정(calibration)에 따라 수치 차이가 발생할 수 있다는 점이 더 해결되어야 할 문제로 남아있다.
또한 혈액 분석에서 혈중 중성지방과 콜레스테롤이 감소하였음을 확인하였다. 이후 단백질 정량분석을 통해 백색지방에서 지방 분해 기전과 갈색지방에서 열발생 증가로 인한 체중 감소였음을 확인하였다. 이처럼 최근 여러 연구자들이 DEXA를 통한 체성분 분석 결과를 근거로 하여 추후 확장된 신호전달체계를 세부적으로 밝히는 연구를 진행하고 있다.
이와 유사하게 진행된 Choi 등 (2017)의 연구에서는 차로 널리 알려진 마테를 이용하여 지질 대사를 중심으로 하는 대사증후군에 미치는 영향을 분석하였다. 저자는 고지방 식이로 비만이 유도된 C57BL/6J마우스에서 마테에 의해 에너지 소비량이 증가하며, 추가로 제시된 혈중 지질분석, 조직학, 효소활성 결과를 종합하여 마테의 지질항상성 개선 효과를 검증하였다.
추후 근육에서 β-산화 관련 기전이 증가하였음을 단백질 정량분석을 통해 확인하였다.
한 예로, Ahn과 Go (2017)의 연구에서 고지방식이로 비만을 유도한 C57/BL6 마우스에 식물 유래 추출물(PineXol)을 12주간 경구투여하고, 4주 간격으로 DEXA를 이용하여 체성분을 측정하였다(그림 1). 측정 결과, 경구투여 9주차부터 12주차까지 고농도 투여군에서 음성대조군(CTL) 대비 낮은 체중을 보였다. 또한, 고농도 투여군에서 12주차에 낮은 체지방률을 나타내었으며 제지방량은 차이를 나타내지 않았다.

후속연구

추후 근육에서 β-산화 관련 기전이 증가하였음을 단백질 정량분석을 통해 확인하였다. 이처럼 가스분석기에 의해 도출되는 질적/양적 물리적 표현형 검증은 추후 세부 기전 검증 및 대사 표현형 확정에 아주 중요한 토대를 제시할 수 있다.
비만 연구에 있어서 실험동물의 체중과 정확한 체성분 분석은 핵심적인 물리적 표현형으로 이용된다. 체중의 감소가 제지방, 골밀도, 수분 등 다른 성분 감소에 의하지 않고 체지방의 감소에 의한 것이 확인되어야만 한다. 현재 이뇨작용 촉진을 통한 체중 감소나 근육손상 및 골밀도에 부정적인 영향을 주었던 일부 건강기능성 원료는 그 사용이 제한되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DEXA의 단점은?	DEXA (dual-energy X-ray absorptiometry)는 내장지방면적, 피하지방면적, 총 지방면적을 측정하기에 용이하며 제지방량 측정이 가능하다. 하지만 기기 비용이 많이 들고 인체가 방사선에 일부 노출된다는 단점이 있다. 단층촬영법(computer tomography, CT)은 X선이 체조직을 통과하면서 횡단 영상을 측정하는 방법으로 지방 분포를 정확히 보여주는 장점이 있으나 비용이 비싸고 방사선에 노출되어 신체에 영향을 주는 단점이 있다.
	비만의 특징과 악화에 미치는 요소는?	특히 심각하게 나타나는 지표 중 하나는 소아비만으로 6~18세 소아 청소년 중 약 10%에 해당하는 70만명이 비만으로 나타났다(Ha와 Kim, 2016). Taxtsoglou와 Iliadis (2015)는 이러한 비만은 생활습관성 질환으로 음주, 흡연, 적은 운동량, 경제적인 여건 등에 의해 악화된다고 보고하였다. 대한비만학회(2018)는 체지방의 증가는 제2형 당뇨병, 고혈압, 실혈관계질환, 골관절염, 신부전증 등 대사질환 위험성을 4배 이상 증가시켰다고 발표했다.
	체지방의 증가하면 어떤 문제가 생기나?	Taxtsoglou와 Iliadis (2015)는 이러한 비만은 생활습관성 질환으로 음주, 흡연, 적은 운동량, 경제적인 여건 등에 의해 악화된다고 보고하였다. 대한비만학회(2018)는 체지방의 증가는 제2형 당뇨병, 고혈압, 실혈관계질환, 골관절염, 신부전증 등 대사질환 위험성을 4배 이상 증가시켰다고 발표했다. 2013년에는 이상지질 혈증 치료를 목적으로 하는 약제 복용 비율이 2003년 대비 5배 이상 증가하였다(The Korean Society of Lipid and Atherosclerosis, 2015).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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