Published online Oct 10, 2023.
https://doi.org/10.4163/jnh.2023.56.5.469
Abstract
Purpose
Obesity has emerged as a critical global public health concern as it is associated with and increases susceptibility to various diseases. This condition is characterized by the excessive enlargement of adipose tissue, primarily stemming from an inequity between energy intake and expenditure. The purpose of this study was to investigate the potential of sweet pumpkin powder in mitigating obesity and metabolic disorders in leptin-deficient obese (ob/ob) mice and to compare the effects of raw sweet pumpkin powder (HNSP01) and heat-treated sweet pumpkin powder (HNSP02).
Methods
Leptin-deficient obese mice were fed a diet containing 10% HNSP01 and another containing 10% HNSP02 for 6 weeks.
Results
The supplementation of ob/ob mice with HNSP01 and HNSP02 resulted in decreased body weight gain, reduced adipose tissue weight, and a smaller size of lipid droplets in the adipose tissue and liver. Furthermore, the ob/ob-HNSP01 and ob/ob-HNSP02 supplemented groups exhibited lower levels of triglycerides, total cholesterol, low-density lipoprotein cholesterol, fasting blood glucose, and insulin, as well as a reduced atherogenic index in comparison with the control group. Molecular analysis also demonstrated that the intake of HNSP01 and HNSP02 resulted in a diminished activation of factors associated with fatty acid synthesis, including acetyl-CoA carboxylase and fatty acid synthase, while concurrently enhancing factors associated with lipolysis, including adipose triglyceride lipase and hormone-sensitive lipase, in the adipose tissue.
Conclusion
Taken together, these findings collectively demonstrate the potential of sweet pumpkin powder as a functional food ingredient with therapeutic properties against obesity and its associated metabolic disorders, such as insulin resistance and dyslipidemia.
서론
비만 인구 증가는 지난 수십 년 동안 심각한 전 세계 공중 보건 문제가 되고 있다. 비만은 체지방이 비정상적으로 축적된 의학적 상태로 정의되며, 에너지 섭취와 소비의 불균형으로 인해 지방조직이 과도하게 팽창하는 것이 특징이다. 비만은 에너지 섭취와 소비의 불균형이 보편적인 원인으로 운동 부족, 정신적 문제, 부적절한 식습관, 유전적인 원인 및 내분비계 장애 등 다양한 원인으로 인해 발병한다 [1, 2]. 비만은 제2형 당뇨병, 심혈관 질환, 고지혈증, 고혈압, 비알코올성 지방간 및 특정 암 등 생명을 위협하는 질병의 발병 위험을 높일 수 있다 [3, 4].
지방 조직의 과도한 지방 축적은 지방산 유입 및 새로운 지방 생성 경로의 자극을 통해 지방세포 (adipocytes) 내에 중성지질 (triglycerides)이 축적되어 발생한다. 따라서 전지방세포 (preadipocytes)가 성숙한 지방세포로 전환되는 분화 과정이 지방 축적이 일어나기 위해 필수적으로 필요하다 [5]. Sterol regulatory element-binding protein-1c (SREBP-1c), peroxisome proliferators-activator receptor-γ, CCAAT/enhancer binding protein-α와 같은 adipogenic transcription factor는 지방세포 분화가 일어나는 동안 주요 조절자로 간주된다 [6, 7]. 이러한 인자는 지방합성 (lipogenesis)에 관여하는 효소인 지방산 합성효소 (fatty acid synthase, FAS) 및 아세틸-CoA 카복실레이스 (acetyl-CoA carboxylase, ACC)의 발현을 자극한다 [8]. 이러한 효소의 활성화는 아세틸-CoA를 지방산으로 전환시키고 혈장에 존재하는 지방산과 중성지질을 세포 내로 흡수시킨다 [9]. 반대로, 지방분해 (lipolysis)는 중성지방 분해 과정으로, adipose triglyceride lipase (ATGL), 호르몬 민감성 리파아제 (hormone-sensitive lipase, HSL)에 의해 중성지질이 가수분해되어 지방분해를 시작한다 [10, 11]. 또한, AMP-activated protein kinase의 인산화는 SREBP-1c의 억제를 통해 지방산의 β-산화를 활성화하고 지방산 합성을 포함한 지방합성과정 경로를 억제한다 [8]. 따라서 비만의 예방 및 치료를 위해서는 지방생성 억제 및 지방분해 촉진 효능을 지닌 물질의 투여가 효과적이다.
최근 건강에 대한 관심이 증가함에 따라 부작용을 일으키지 않는 천연성분을 이용한 기능성 식품에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다 [12, 13, 14]. 본 연구에서는 해남에서 재배된 단호박이 동물모델에서 체지방 감소 및 대사질환 예방에 미치는 효과를 관찰하여 기능성을 평가하였다. 단호박은 서양호박 (Cucurbita maxima)의 한 품종으로 당호박, 밤호박으로도 불리우며 재래호박보다 당도가 높아 선호도가 높다. 90년대 후반부터 국내에서 재배가 증가하고 있으며, 특히 최근에는 전라남도 해남에서 활발하게 재배되고 있다. 여러 국내연구에서 단호박을 첨가한 빵류, 막걸리, 국수 등 식품 개발 연구가 진행되었으며, 항산화 효능을 확인한 연구가 보고된 바 있다 [15, 16, 17]. 서양호박에 대한 항비만 및 대사질환에 미치는 영향을 확인한 연구는 보고된 바 있으나 해남 단호박의 기능성 평가에 대한 연구결과는 발표된 바 없다. 따라서 본 연구는 ob/ob 마우스를 이용한 비만유발 동물모델에서 해남 단호박 투여가 체지방 감소 및 대사질환 예방에 미치는 효과 관찰을 목표로 하였다. 또한 일반적으로 단호박을 열처리하여 섭취하므로 본 연구에서는 단호박분말과 열처리 단호박분말을 모두 평가하여 효능을 비교하였다.
연구방법
실험재료
해남 (Jeollanamdo, South Korea)에서 재배된 단호박의 씨를 제거하여 잘게 다진 후 실온에서 이틀동안 건조시킨 후 40°C에서 하루동안 건조하여 수분을 제거하였다. 건조된 단호박을 분쇄기로 분쇄한 후 100 mesh 체망에 걸러 얻은 분말을 본 실험의 단호박분말 (HNSP01)로 사용하였다. 씨를 제거하여 잘게 다진 단호박을 오븐에서 160–180°C으로 40분동안 열처리를 하여 HNSP01와 같이 건조, 분쇄한 후 100 mesh 체망에 걸러 얻은 분말을 본 실험의 열처리 단호박분말 (HNSP02)로 사용하였다.
실험동물
본 연구는 전남대학교 동물실험윤리위원회의 승인 (CNU IACUC-YB-2021-133)을 받아 진행하였다. 사용된 동물은 중앙실험동물 (Seoul, Korea)에서 생후 5주 된 male ob/ob 마우스와 대조군으로 사용한 male C57BL/6 마우스를 공급받아 사용하였다. 명암은 12시간 light/dark cycle, 온도는 23 ± 2°C, 상대습도는 50 ± 5%인 조건에서 1주 동안 적응기를 거쳐 실험에 이용하였다. 적응기간 동안 AIN93 식이와 음용수는 자유롭게 섭취하도록 하였으며 체중을 측정하여 평균체중에 가까운 개체를 무작위 법으로 한 군당 8마리씩 분리하였다. 일반식이 조성에서 옥수수전분 10%을 제외하고 단호박분말을 10% 첨가하여 각각 식이를 제조하였다. C57BL/6 마우스 (normal control, NC), ob/ob 마우스 (ob/ob), 500 mg/kg b.w. 키토산 식이 섭취 ob/ob 마우스 (ob/ob-positive control [PC]), 10% 단호박분말 포함 식이섭취 ob/ob 마우스 (ob/ob-HNSP01), 10% 열처리 단호박분말 포함 식이섭취 ob/ob 마우스 (ob/ob-HNSP02)로 군을 분리하여 각 식이를 6주간 공급하였다. 실험 수행 기간 중 일주일에 2번 체중과 식이섭취 변화를 관찰하였으며, 실험 종료시기에는 체중과 식이섭취량 변화를 이용하여 식이효율 (feed efficiency ratio)을 계산하였다.
조직 hematoxylin & eosin (H&E) 염색을 통한 지방구 크기 관찰
실험종료 후 희생한 동물의 간조직과 지방조직을 10% formalin (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에 고정시킨 후, 이것을 Calci-Clear Rapid (National Diagnostics, Atlanta, GA, USA)에 24시간 동안 탈회하였다. 다시 10% formalin에 2일간 고정하여 파라핀에 고정한 다음 미세절단기를 이용하여 박절하였다. 파라핀에 고정한 조직을 7 μm의 크기로 잘라 슬라이드를 제작하였고, H&E 염색으로 지방구 크기를 비교하였다. 염색된 슬라이드는 조직절편을 Olympus IX71 (Olympus, Tokyo, Japan) 광학현미경으로 관찰하고 Olympus 6LH100HG (Olympus) 카메라로 촬영하였다.
이상지질혈증 바이오마커 측정
실험종료 후 희생한 동물의 혈액을 채취하여 총 지질 (Triglyceride Quantification Kit; Biomax, Seoul, Korea), 총 콜레스테롤, high-density lipoprotein (HDL)-콜레스테롤, low-density lipoprotein (LDL)-콜레스테롤 (Cholesterol Assay Kit; Biomax) 수치를 확인하였다. 이러한 수치를 이용하여 동맥경화지수 (atherogenic Index, AI)와 high-density lipoprotein cholesterol and total cholesterol ratio (HTR)을 계산하였다.
혈당 및 혈중 호르몬 측정
실험종료 후 희생한 동물의 혈액을 채취하여 공복혈당, 인슐린, 글루카곤, adiponectin (assay kit; BioVision, Waltham, MA, USA) 수치를 확인하였고, 공복혈당과 인슐린 수치를 이용하여 homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMA-IR)을 계산하였다.
Real-time polymerase chain reaction (real-time PCR)
RNeasy Mini Kit (QIAGEN, Hilden, Germany)를 이용하여 지방조직의 RNA를 추출한 뒤 iScript™ cDNA Synthesis Kit (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA)를 이용하여 cDNA로 합성하였다. 유전자들의 발현을 측정하기 위하여 SYBR Green (iQ SYBR Green Supermix; Bio-Rad Laboratories)을 이용한 실시간 정량 PCR을 (Bio-Rad Laboratories) 실시하였다. 유전자 증폭 반응에 사용할 각각의 Primer 염기서열은 Table 1에 나타내었다. 95°C에서 10분 동안 hot start한 후 95°C에서 15초, 57°C에서 15초, 72°C에서 30초 간 40 cycling으로 PCR 분석을 시행하였다. 모든 cycle이 완료된 후, primer의 특이성을 확인하기 위해 melting curve 분석을 실시하였다. 결과의 분석은 Bio-Rad에서 제공하는 CFX Maestro™ Analysis Software (Bio-Rad Laboratories)로 분석하였다.
Table 1
Primer sets used for real-time polymerase chain reaction
단백질 정량 및 Western blot
지방조직을 protease inhibitor가 첨가된 lysis buffer를 넣어 균질화하여 ice에 두어 일정 시간 유지 후 원심분리 (12,000 rpm, 20분, 4°C)하여 단백질을 분리하였다. 단백질 정량은 Protein Assay Dye Reagent Concentrate (Bio-Rad Laboratories)를 이용한 Bradford법으로 정량하였다. Sample buffer (4X)를 이용하여 100 μg protein/20 μL으로 샘플을 준비하였고, sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel (10%)을 이용하여 loading하여 전기영동으로 분리하였다. Nitrocellulose membrane으로 단백질을 전이한 후, TBST buffer에 용해시킨 5% skim milk (TBS containing 0.5% Tween 20)로 1시간 동안 blocking을 하고, 1차 항체 (Cell Signaling Technology, Beverly, MA, USA)를 4°C에서 12시간 반응시켰다. 그 뒤 membrane을 horseradish peroxidase가 중합된 2차 항체 (Cell Signaling Technology)에 60분간 반응시키고, enhanced chemiluminescent (Amersham Pharmacia Biotech, Buckinghamshire, UK)를 이용해 발색한 후 Easy photo를 사용하여 촬영하였다. 촬영된 blot band 이미지의 밀도를 비교하였다.
통계
실험 결과는 SPSS 25.0 software (IBM, Armonk, NY, USA)를 이용하여 분석하였으며, 모든 측정 항목의 결과는 평균 (mean) ± 표준편차 (standard deviation)로 표시하였다. 군간 평균 차이를 one-way analysis of variance로 확인한 후 군간의 통계적 유의성을 Duncan’s multiple range test를 이용하여 검증하였으며 5% 이내에서 통계적 유의성을 부여하였다 (p < 0.05).
결과
체중, 식이효율, 조직무게 및 지방구 크기 변화
실험기간 6주 후 단호박분말 포함 식이 섭취가 ob/ob 마우스의 체중변화, 식이효율, 체지방무게에 미치는 영향을 실험한 결과는 Table 2와 같다. 실험동물의 체중변화, 체지방무게는 6주 동안 ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되어 정상적으로 비만이 유도되었음을 확인할 수 있었다. 반면 ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군 모두가 ob/ob 군에 비해 유의적으로 체중증가와 체지방무게가 감소한 것을 확인하였다. 흥미롭게도 ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과비교하여 식이섭취량이 유의적으로 높았으며, 그에 따른 식이효율이 유의적으로 감소하였음을 확인하였다 (p < 0.05).
Table 2
Effects of sweet pumpkin powder on the body weight, FER, and organ weights in ob/ob mice
실험종료 후 지방조직과 간조직의 지방구의 크기를 관찰하기 위하여 동물을 희생시킨 후 부고환 흰색지방조직과 간조직 H&E 염색을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 1과 같다. 부고환 흰색지방조직의 크기는 ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 지방구의 크기가 커진 상태를 육안으로 확인할 수 있었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군에서 감소되었음을 확인하였다. 간조직의 지방 축적을 확인한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 지방구 형성이 크게 증가되었음을 확인하였고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군에서 감소되었음을 확인하였다.
Fig. 1
Effects of sweet pumpkin powder on size of lipid droplets in the adipose tissue and liver from ob/ob mice.
NC: the normal C57BL/6 mice control group; ob/ob: leptin-deficient ob/ob mice control group; ob/ob-positive control (PC): ob/ob mice were fed with a diet containing 500 mg/kg (body weight) chitosan; ob/ob-HNSP01: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% raw sweet pumpkin powder; ob/ob-HNSP02: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% heat-treated sweet pumpkin powder.
이상지질혈증 바이오마커 변화
실험종료 후 희생한 동물의 혈액을 채취하여 중성지질을 확인한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 감소되었다 (p < 0.05). ob/ob-HNSP01 군은 유의적인 차이는 보이지 않았지만 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 2A). 총 콜레스테롤 (total cholesterol)과 LDL-콜레스테롤은 ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 감소되었다 (p < 0.05) (Fig. 2B and C). HDL-콜레스테롤은 ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 증가되었지만 ob/ob-HNSP02 군은 유의적인 차이가 없었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 2D). ob/ob 마우스에서는 총 콜레스테롤의 수치 증가로 인한 HDL-콜레스테롤이 정상 마우스보다 높게 측정되었기 때문에 이상지질혈증 유발을 비교하기 위해서는 HDL-콜레스테롤의 수치보다 총 콜레스테롤 중 HDL-콜레스테롤이 차지하는 비율인 HTR을 비교하는 것이 정확하다고 판단하였다. HTR을 비교하였을 때 NC 군과 비교하여 ob/ob 군이 유의적으로 감소하였지만 ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 증가되었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 2E). 동맥경화지수 (AI)를 계산하여 비교한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 감소되었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 2F).
Fig. 2
NC: the normal C57BL/6 mice control group; ob/ob: leptin-deficient ob/ob mice control group; ob/ob-positive control (PC): ob/ob mice were fed with a diet containing 500 mg/kg (body weight) chitosan; ob/ob-HNSP01: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% raw sweet pumpkin powder; ob/ob-HNSP02: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% heat-treated sweet pumpkin powder. LDL, low-density lipoprotein; HDL, high-density lipoprotein; HTR, high-density lipoprotein cholesterol and total cholesterol ratio. Different letters (a > b > c > d) indicate a significant difference with p < 0.05 as determined by Duncan’s multiple range test.
Effects of sweet pumpkin powder on triglyceride (A), total cholesterol (B), LDL cholesterol (C), HDL cholesterol (D), HTR (E), and atherogenic index (F) in ob/ob mice.
Values are presented as mean ± standard deviation.
혈당 및 혈중 호르몬 변화
본 연구에서 혈중 아디포넥틴 (adiponectin)의 수치를 확인한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 감소되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 증가되었으며, NC 군과 유의적인 차이가 없었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 3A). 단호박분말 섭취가 인슐린 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위해 혈당 조절 호르몬과 혈당을 측정하였다. 글루카곤 (glucagon)은 모든 그룹에서 유의적인 차이를 보이지 않았지만 (Fig. 3B), 혈중 인슐린 (insulin)과 혈당은 ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 감소되었으며, NC 군과 유의적인 차이가 없었다 (p < 0.05) (Fig. 3C and D). HOMA-IR을 계산한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군은 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 감소되었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 3E). 이러한 결과에 따라 단호박분말 섭취는 비만에 의한 인슐린 저항성을 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 3
NC: the normal C57BL/6 mice control group; ob/ob: leptin-deficient ob/ob mice control group; ob/ob-positive control (PC): ob/ob mice were fed with a diet containing 500 mg/kg (body weight) chitosan; ob/ob-HNSP01: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% raw sweet pumpkin powder; ob/ob-HNSP02: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% heat-treated sweet pumpkin powder. HOMA-IR, homeostasis model assessment of insulin resistance; ns, not significant. Different letters (a > b > c > d) indicate a significant difference with p < 0.05 as determined by Duncan’s multiple range test.
Effects of sweet pumpkin powder on serum adiponectin (A), glucagon (B), insulin (C), glucose (D), and HOMA-IR (E) in ob/ob mice.
Values are presented as mean ± standard deviation.
지방합성 (lipogenesis)에 미치는 영향
지방조직에서 ACC의 mRNA 발현을 확인한 결과, ob/ob 그룹 간에 ACC mRNA 발현에는 큰 차이가 없었지만 (Fig. 4A), 단백질 인산화를 통한 ACC활성 감소에 대한 관찰에서는 ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02 군들은 ob/ob 군과 비교하여 ACC의 인산화가 유의적으로 증가되었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 4B). 이러한 결과에 따라 단호박분말 섭취는 ACC 인산화를 유도하여 지방산 합성을 감소시켰음을 확인할 수 있다. 지방조직에서 FAS의 mRNA 발현과 단백질 발현을 확인한 결과, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 증가되었고, ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02에서 ob/ob 군과 비교하여 유의적인 감소를 보였다 (p < 0.05) (Fig. 4C and D). 따라서 본 연구결과, 단호박분말 섭취가 지방조직에서 지방산 합성을 감소시키는 기전을 통해 항비만 효능을 보였다고 사료된다.
Fig. 4
NC: the normal C57BL/6 mice control group; ob/ob: leptin-deficient ob/ob mice control group; ob/ob-positive control (PC): ob/ob mice were fed with a diet containing 500 mg/kg (body wiehgt) chitosan; ob/ob-HNSP01: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% raw sweet pumpkin powder; ob/ob-HNSP02: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% heat-treated sweet pumpkin powder. ACC, acetyl-CoA carboxylase; p-ACC, phospho-acetyl-CoA carboxylase; FAS, fatty acid synthase; GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Different letters (a > b > c > d) indicate a significant difference with p < 0.05 as determined by Duncan’s multiple range test.
Effects of sweet pumpkin powder on the expression of ACC (A, mRNA; B, protein) and FAS (C, mRNA; D, protein) in white adipose tissue from ob/ob mice.
Values are presented as mean ± standard deviation.
지방분해 (lipolysis)에 미치는 영향
지방조직에서 lipoprotein lipase (LPL), ATGL, HSL의 mRNA 발현을 관찰한 결과 ob/ob 마우스 군 간에 모두 유의적인 차이를 보이지 않았음을 확인하였다 (Fig. 5A-C). 하지만 HSL의 활성화를 확인하기 위해 인산화 HSL 발현을 확인한 결과에서, ob/ob 군이 NC 군과 비교하여 유의적으로 감소되었고 ob/ob-PC, ob/ob-HNSP01, ob/ob-HNSP02에서 ob/ob 군과 비교하여 유의적으로 증가되었음을 확인하였다 (p < 0.05) (Fig. 5D). 따라서 본 연구결과, 단호박분말 섭취가 지방조직에서 지방산 분해효소의 활성화 감소가 억제되어 지방축적을 감소시킬 수 있었음을 확인하였다.
Fig. 5
NC: the normal C57BL/6 mice control group; ob/ob: leptin-deficient ob/ob mice control group; ob/ob-positive control (PC): ob/ob mice were fed with a diet containing 500 mg/kg (body weight) chitosan; ob/ob-HNSP01: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% raw sweet pumpkin powder; ob/ob-HNSP02: ob/ob mice were fed with a diet containing 10% heat-treated sweet pumpkin powder. LPL, lipoprotein lipase; ATGL, adipose triglyceride lipase; HSL, hormone-sensitive lipase; p-HSL, phospho-hormone-sensitive lipase; GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; ns, not significant. Different letters (a > b > c) indicate a significant difference with p < 0.05 as determined by Duncan’s multiple range test.
Effects of sweet pumpkin powder on the expression of LPL (A), ATGL (B), and HSL (C, mRNA; D, protein) in white adipose tissue from ob/ob mice.
Values are presented as mean ± standard deviation.
고찰
실험동물에서 비만을 유발하는 일반적인 방법으로 고열량식이 유도, 호르몬 변화 등을 포함한 유전형질을 변화하지 않는 동물모델과 ob/ob 마우스, db/db 마우스, otsuka long-evans tokushima fatty 랫트 등 유전형질 변이 동물모델이 사용된다 [18]. 이 중 ob/ob 마우스는 식욕 조절 호르몬인 렙틴을 발현하는 ob 유전자 돌연변이에 의해 렙틴이 만들어지지 못하게 되어 과도한 식이 섭취로 인한 비만이 나타난다 [19, 20]. 따라서 본 연구에서는 과잉에너지 섭취에 따른 비만유발 동물모델로 가장 적당한 ob/ob 모델을 이용하여 해남 단호박 투여의 효능을 확인하였으며, 이미 체중조절에 효능이 있다고 알려진 키토산을 양성대조군으로 비교하였다.
본 연구 결과에서 흥미롭게도 HNSP01와 HNSP02의 섭취에 의한 체중 및 체지방 감소는 식이섭취량 감소에 의해 나타나는 것은 아니였으며 오히려 식이섭취량을 증가시켰음에도 불구하고 체중과 지방조직 무게가 감소되었음을 보여주었다. 뿐만 아니라 단호박분말 섭취는 비만과 매우 높은 연관성을 지닌 질환인 제2형 당뇨병 및 이상지질혈증을 예방할 수 있음을 확인할 수 있었다. 제2형 당뇨병은 인슐린 저항성에 의한 혈당 조절이 어려워지는 질환으로 발병의 주요 원인 중 하나로 비만이 작용한다 [21]. 이상지질혈증 또한 비만이 주요 원인으로 작용할 수 있으며 혈중 고콜레스테롤혈증, 고중성지방혈증, 저고밀도지단백혈증 등의 지단백 대사 이상 형태로 나타나 동맥경화에 의한 심혈관질환의 발생 위험도를 높인다 [22]. 따라서 제2형 당뇨병, 이상지질혈증의 발생을 예방하기 위해서는 체중조절이 중요하며, 본 연구결과에서는 단호박분말 섭취가 예방에 도움을 줄 수 있음을 보여주었다.
아디포넥틴은 지방세포에서 분비되는 호르몬으로 식욕억제 효과와 지방의 이화 과정에 관여하며, 근육세포로 포도당이 유입되는 것을 촉진하여 인슐린 저항성을 개선시키는 요소로 작용한다 [23]. 이러한 작용으로 아디포넥틴이 비만, 당뇨병, 대사증후군 발병을 억제시킬 수 있는 요인으로 작용한다는 연구가 다수 발표되었다 [24, 25, 26]. 본 연구결과 단호박분말, 열처리 단호박분말 처리 모두 ob/ob 마우스에서 혈중 아디포넥틴의 수준을 유의적으로 증가시켰음을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 단호박분말 섭취가 아디포넥틴의 감소를 억제시켜 비만과 관련된 대사증후군 발병을 감소시킬 수 있다고 제안할 수 있다.
단호박분말 섭취가 지방대사에 미치는 생화학적 기전을 확인하기 위해 본 연구에서는 지방 조직 내 지방합성 및 지방분해 경로를 포함한 지질 대사를 확인하였다. 지방세포는 우리 몸에 필요한 에너지를 축적하는 세포로, 필요할 때 중성지방의 형태로 에너지를 저장하거나 이를 분해하여 에너지는 공급하여 지방대사에서 중요한 역할을 한다. 따라서 지방세포의 에너지 평형을 유지하기 위해 지방합성과 지방분해에 관여하는 많은 효소와 조절인자들이 작용하게 된다. 전지방세포에서 성숙한 지방세포로의 분화 이후 세포 내에 지방을 저장하는 역할을 할 수 있다. 과잉 칼로리의 섭취가 지속될 경우, 지방세포의 분화 촉진으로 세포 수가 증가되며 세포 내 중성지방 축적에 의한 크기도 증가되어 체지방 증가를 유도한다. 이렇게 중성지방으로 저장된 에너지는 필요할 때 지방세포에서 분해되어 에너지를 제공할 수 있으나, 과잉 에너지 섭취에 의해 비정상적으로 과도하게 증가된 중성지방에 의해 비만이 발생된다 [8, 27].
LPL이 활성화되면 혈중 chylomicron이나 very-low-density lipoprotein에 포함되어 있는 중성지질을 분해하여 지방산이 지방세포 내로 흡수되어 중성지방 형태로 저장되거나, de novo 지방합성 경로를 통해 새롭게 생성된 지방산들이 중성지방으로 저장된다. ACC의 탈인산화를 통한 활성화는 지방산 생합성의 개시 기전에 관여하며, FAS의 활성화에 의해 탄소를 사슬의 신장을 통해 지방산이 합성되므로 ACC와 FAS는 지방 축적에서 중요한 역할을 한다 [8]. 흥미롭게도 본 연구에서는 단호박분말 보충이 ob/ob 마우스의 지방 조직에서 지방합성경로와 관련된 단백질 발현 및 활성화를 유의하게 감소시킨다는 결과를 보여주었다. 이러한 결과는 단호박분말 섭취가 지방합성을 억제함으로써 지방 조직 무게 및 지방세포 크기를 감소시킬 수 있다는 것을 시사한다.
지방분해는 ATGL이 중성지질을 디글리세리드 (diacylglyceride, DG)로 분해하는 단계, HSL이 DG를 모노글리세리드 (monoacylglyceride, MG)로 분해하는 단계, monoglyceride lipase가 MG를 글리세롤 (glycerol)과 유리 지방산으로 분해하는 3단계가 있다. 이러한 지방분해 과정은 1개 중성지방에서 1개 글리세롤 분자와 3개 유리지방산을 생산하게 된다. 지방분해 과정 중 HSL의 활성화 단계는 지방 분해를 조절하는 핵심 효소 중 하나로 여러 호르몬 및 신호 분자에 의해 조절된다. 아드레날린과 노르에피네프린과 같은 이화작용을 촉진하는 호르몬은 지방세포에 결합하여 HSL 활성을 촉진시켜 지방합성을 억제시키고 지방분해를 촉진시켜 에너지를 공급시킨다 [10, 11]. 본 연구에서는 단호박분말 보충에 의한 ATGL과 HSL의 mRNA의 변화를 보이지 않았지만, HSL의 인산화를 통한 활성화를 촉진시켰음을 확인하였다. 따라서 단호박분말 섭취가 지방세포 내 저장된 지방의 분해를 촉진하여 체중조절에 도움을 줄 수 있다고 판단된다.
단호박은 카로티노이드와 비타민, 무기질을 풍부하게 함유하여 영양학적으로 우수하며 기능성 식품소재로서 가치가 높으며, 다양한 가공을 통해 식품 개발에 응용할 수 있는 가능성이 높다. 단맛을 지녔지만 식이섬유를 다량 함유한 저칼로리 식품이며 과육이 노란색을 띄어 식욕을 자극하므로 식품으로서 활용도가 높은 식품소재이다 [28]. 단호박에 다량 함유되어있는 카로티노이드는 전임상연구를 통해 비만, 대사성 염증, 인슐린 저항성 및 간 지방증 등을 예방하는 기전이 밝혀져 있다 [29]. 가공 조건에 따라 단호박의 베타카로틴 및 루테인 함량이 변화한다고 보고되었으나 [30], 본 연구에서 단호박 분말의 열처리 유무에 따라 항비만 효능에 차이가 없었음을 확인하여 정확한 활성 물질을 탐구하는 연구가 추가적으로 필요할 것이다.
요약
본 연구에서는 ob/ob 마우스를 이용한 비만유발 동물모델에서 단호박분말 투여가 체지방 감소에 효과적인지 확인하기 위하여 6주간 식이를 통해 10% 단호박분말을 투여하였다. 그 결과, 단호박분말과 열처리 단호박분말을 섭취한 ob/ob 마우스에서 식이섭취량이 증가하였음에도 불구하고 체중과 지방조직 무게가 감소되었음을 확인하였으며 비만에 의한 인슐린 저항성과 이상지질혈증을 예방할 수 있음을 확인하였다. 체중 감소 효능의 기전을 확인하기 위해 지방합성과 지방분해에 관여하는 인자들의 mRNA와 단백질 발현을 관찰한 결과, 단호박분말과 열처리 단호박분말을 섭취한 ob/ob 마우스에서 지방합성 인자들의 활성이 감소되었고, 지방분해에 관련하는 효소의 활성이 증가되었음을 확인하였다 (Fig. 6). 따라서 본 연구의 결과를 통해 단호박분말 섭취는 비만이 유도된 ob/ob 마우스에서 지방조직의 지방분해 증가와 지방합성 감소를 통해 체중 감소 효능 및 비만에 의한 대사질환 발생을 예방할 수 있다고 제안한다.
Fig. 6
FAS, fatty acid synthase; ACC, acetyl-CoA carboxylase; HSL, hormone-sensitive lipase; ATGL, adipose triglyceride lipase; LPL, lipoprotein lipase; VLDL, very-low-density lipoprotein; LDL, low-density lipoprotein.
Effect of sweet pumpkin powder on lipid metabolism.
Our study demonstrated that sweet pumpkin powder exerted a suppressive effect on lipogenesis. This was achieved by reducing the expression of FAS and ACC. Additionally, sweet pumpkin powder was found to enhance lipolysis and β-oxidation processes. This effect was attributed to the up-regulation of HSL activation and increased adiponectin levels.
Funding:This work was supported by grants from Food Research and development of local agricultural products (Haenamgun).
Conflict of Interest:There are no financial or other issues that might lead to conflict of interest.
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