Biological activities of 6-formyl umbelliferone and shrimp by-products on oxidative stress related diseases

Abstract

산화는 몸에서 일어나는 정상적이고 필요한 과정이며 분자, 원자 또는 이온에 의한 반응 중에 전자가 손실 되는 것이다. 안정한 원자인 활성산소는 외부껍질 전자의 수를 보충 하기 위해 다른 물질과 즉시 반응하며 병원균을 퇴치하는데 도움을 줄 수 있지만, 몸을 손상시키고 질병과 노화를 초래할 수 있다. 또한, 활성산소의 노출과 지속적인 발생은 산화적 스트레스를 유발시키며, 염증, 고혈압, 치매 등 각종 질병을 발생시키는 원인이 될 수 있다. 본 연구는 산화적 스트레스와 관련된 질병을 대상으로 하여 이를 예방하고 치료에 도움을 줄 수 있는 천연물 유래 기능성 물질의 효과를 확인하였다. 바디나물 추출물에서 분리된6-포르밀 움벨리페론 (6FU)은 지질다당류 (LPS)로 인하여 심화된 염증환경에서 질소산화물(NO) 발생을 완화하였다. 질소산화물의 역기능으로 염증을 심화시키는 산화적 스트레스로 알려져 있으며, 질소 산화물의 발생감소는 세포질에서 핵으로 이동하는 ERK1/2와 NF-κB의 활동이 억제되어 질소산화물의 발생을 유도하는iNOS 효소 생성의 감소가 이루어졌고, 염증 상태를 더욱 심화시키는COX-2의 발현 감소로 효과적으로 염증을 억제하는 경로를 확인하였다. 뿐만 아니라 평상시 면역반응을 촉진하여 몸을 방어하는 기작에 사용되지만, 염증반응을 촉진 시킬 수 있는 종양괴사인자(TNF-α), 인터루킨(IL)-1β, IL-6 등의 사이토 카인의 발생을 감소시켜 염증을 억제 시킬 수 있는 효과를 증명하였다. 지속 가능한 자원의 개발은 인류의 미래를 위한 중요한 가치를 지니고 있다. 특히, 갑각류의 부산물은 폐기물로 버려지고 있어, 이를 활용하여 산화적 스트레스와 관련된 질병의 예방에 도움을 줄 수 있는 기능성 물질로 연구 하고자 하였다. 동해안을 중심으로 북쪽분홍새우, 도화새우, 물렁가시 붉은새우 등 도화새우과의 새우는 단백질, 칼슘, 비타민 등이 함유되어 영양소가 풍부하다고 알려져 있다. 머리, 껍질, 꼬리를 포함한 새우 부산물을 아세톤과 디클로로메탄 유기용매를 이용하여 추출하고, 치매를 예방하는데 도움을 줄 수 있는 효과를 확인하였다. 치매환자에서 발견되는 뇌세포의 병변현상은 다양하고 이를 타깃으로 치매를 억제하는 기능성 연구는 계속해서 보고 되고 있다. 그 중 뇌세포간의 신경전달물질로 알려진 아세틸콜린을 콜린과 아세테이트로 분리하여 신경전달물질의 이동을 차단하는 효소인 아세틸콜린에스테라제의 활성을 억제 하는 것은 치매예방의 좋은 전략 중 하나로 알려져 있다. 실험에 이용된 새우 부산물 중에서도 도화새우의 아세톤 추출물은 항산화 실험과 환원력 측정에서 다른 새우 추출물에 비해 높게 나타났으며, 콜린에스테라제 억제효과 및 총 카로티노이드함량에서도 높게 측정되어 활용 가능성이 높을 것으로 예상된다. 다음은 새우 부산물에 가수분해효소를 이용하여 펩타이드를 분리하고 산화적 스트레스 관련 고혈압의 억제효과를 확인하였다. 우리 몸의 혈압은 레닌-엔지오텐신-알도스테롤시스템 (RAAS)에 의하여 조절되며, 혈압을 상승시킬때 작용하는 엔지오텐신변환효소 (ACE)의 활성을 억제하여 고혈압 예방에 도움을 줄 수 있는 실험을 진행하였다. 북쪽 분홍새우 부산물은 알칼라아제, 프로타멕스, 플라보자임, 파파인, 트립신5종의 효소에 의해 가수분해되었다. 그 중 프로타멕스효소에 의해 분리된 물질에서 항산화 및 엔지오텐신변환효소 활성억제가 가장 높게 나타났다. 프로타멕스 가수분해물을 질량별로 3그룹으로 분리하여 (<3 kDa, 3-10 kDa, >10 kDa)활성을 비교하였고, 항산화 효과는 <10 kDa에서 ACE 억제활성도는10 kDa > 에서 더 강력하였다. 본 연구 에서는 산화적 스트레스와 관련된 질병을 예방하고 치료하는데 도움을 줄 수 있는 기능성 물질에 대해서 그 효과를 확인하였다. 6-포르밀 움벨리페론의 항염증효과는 2019년 영국분자의학저널(Int. J. Mol. Med)에, 새우 부산물을 이용한 치매 및 고혈압 예방 실험은 각각 2014년, 2016년 수산 과학회지에 개제되었다.

The balance of reducing and oxidizing state is essential for cell viability, activation, proliferation, and organ function. Furthermore, disorder of the normal redox state result in toxic effects through the production of free radicals and peroxides. The excess reactive oxygen species (ROS) or dysfunction of the antioxidant system lead to oxidative stress which influenced a number of diseases such as inflammation, hypertension, Alzheimer's disease and could be neutralized by antioxidants for help in preventing diseases. 6-formyl umbelliferone (6FU) derived from Angelica decursiva showed the attenuation of the nitric oxide level and down-regulation of over-activated inflammation. Pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin (IL)-1β and IL-6 were decreased by 6FU treatment without cell cytotoxicity in lipopolysaccharide (LPS) stimulated RAW264.7 cells. Moreover, translocation activities of ERK1/2 and NF-κB from the cytoplasm to the nucleus were suppressed, which can inhibit translations of pro-inflammatory proteins such as iNOS and COX-2. It is important to reduce biological wastes and study for sustainable resources. Inedible parts of shrimp were engaged to prevent for hypertension and Alzheimer's diseases. Around the eastern coast of Korea, the shrimp of the family Pandalidae such as Pandalus borealis, Pandalus hypsinotus, and Pandalopsis japonicaare known for abundant in nutrients containing protein, calcium, vitamins. The shrimp by-products including the head, shell, and tail were extracted by acetone and dichloromethane (CH2Cl2). The acetone extract of P. hypsinotus exhibited more effective in antioxidant activity with high total carotenoid contents and inhibition of cholinesterase which is known for a good strategy against Alzheimer's disease. P. borealis by-products were hydrolyzed by enzymes such as alcalase, protamex, flavourzyme, papain, and trypsin for determining the antioxidant and angiotensin Ⅰ-converting enzyme (ACE) inhibitory activity which is associated with hypertension. The protamex hydrolysate showed potent antioxidant and ACE inhibitory activities. The anti-oxidative effect of protamex hydrolysate fractions (< 3 kDa, 3-10 kDa, and > 10 kDa) showed more potent in < 10 kDa and ACE inhibitory activity showed in > 10 kDa, respectively. The 6FU single compound is recommended for the treatment of over-expressed inflammation with antioxidant effect and shrimp by-products are valuable to preventive medicine in oxidative stress, hypertension, and Alzheimer’s disease.