Anti-obesity Compounds of Sweet Potato Cultivar and the Validation of their Content

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Obesity is a major global health concern, associated with metabolic disorders and chronic diseases. The anti-obesity potential of Ipomoea batatas L.(Sweet potato) leaves, a readily available agricultural byproduct, has not been previously investigated. This study aimed to evaluate the anti-obesity effects of sweet potato stem and leaf extracts and to identify bioactive compounds for potential therapeutic applications. As an initial investigation, a hot water extract of sweet potato stems (WIB) was tested in a high-fat diet (HFD)-induced obese mouse model. C57BL/6 mice were fed a HFD and orally treated with WIB at doses of 100 and 300 mg/kg. WIB treatment significantly reduced body weight and fat mass, and improved blood lipid profiles. In addition, WIB decreased fat accumulation and regulated the expression of adipogenic proteins in liver and adipose tissues. WIB restored HFD-induced expression of sterol regulatory element-binding protein-1 (SREBP-1) and CCAAT/enhancer-binding protein alpha (C/EBPα), while also increasing AMP-activated protein kinase (AMPK) phosphorylation, suggesting that WIB can achieve its anti-obesity effects by modulating the AMPK signaling. WIB also upregulated thermogenic-related proteins, such as peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1α (PGC-1α), peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα), sirtuin 1 (SIRT1), uncoupling protein-1 (UCP-1), and cytochrome C oxidase subunit 4 (COX-IV) in brown adipose tissue, thereby enhancing energy expenditure. Given the comparable chemical composition between leaf and stem extracts and the practical advantages of harvesting leaves, sweet potato leaves were selected as the focus of this study. Extracts from four domestic cultivars (Hopungmi, Sodammi, Jinyulmi, and Tongchaeru) were prepared using three solvents (water, 30% ethanol, and 70% ethanol) and assessed for their anti-lipogenic activity using Oil Red O (ORO) staining. Among the extracts, the hot water extract of ‘Hopungmi’ leaves (WIL) demonstrated the strongest activity. Comprehensive profiling of WIL using UPLC-PDA-ESI-TOF-MS identified 11 major compounds. Ten of the identified compounds were further evaluated for anti-lipogenic activity, resulting in the isolation of chlorogenic acid and hyperoside as key bioactive constituents. A validated HPLC method was developed for the quantification of these marker compounds, with concentrations as 3.680 mg/g for chlorogenic acid and 0.918 mg/g for hyperoside in WIL. The developed HPLC method, utilizing a standard UV detector, provides a simple and efficient approach for the routine quantification of these markers, ensuring reliability without the need for advanced instrumentation. This study provides the first evidence of the anti-obesity potential of Ipomoea batatas leaf extracts, particularly WIL, and establishes a foundation for their development as functional ingredients. Further clinical investigations are warranted to confirm its efficacy in the management and treatment of obesity.

국문 초록 (Abstract)

비만은 전세계적으로 대사 질환 및 만성 질환과 연관된 주요한 건강 문제이다. Ipomoea batatas L.(고구마) 잎은 쉽게 접근 가능한 농업 부산물이지만, 항비만 잠재력에 대한 연구는 이루어진 바가 없다. 본 연구는 고구마 잎 추출물의 항비만 효과를 평가하고, 치료 응용을 위한 생리활성 화합물을 확인하는 것을 목표로 하였다.
예비 연구로, 고구마 줄기의 열수 추출물(WIB)을 고지방 식이(HFD)로 유도된 비만 마우스 모델에서 시험하였다. HFD를 급여받고 WIB(100 mg/kg, 300 mg/kg)를 경구 투여한 C57BL/6 마우스는 체중과 지방량이 유의미하게 감소하였고, 혈중 지질 수치가 개선되었다. WIB는 지방 축적을 줄이고 간과 지방 조직에서 지방 형성
단백질의 발현을 조절하였다. 또한, WIB는 HFD로 유도된 sterol regulatory element-binding protein-1(SREBP-1)과 CCAAT/enhancer-binding protein
alpha(C/EBPα)의 발현을 복원하고, AMP-활성화 단백질 키나아제(AMPK) 인산화를 증가시켜 AMPK 신호를 통해 항비만 효과를 나타냈다. WIB는 또한 갈색 지
방 조직에서 PGC-1α, PPARα, SIRT1, UCP-1, COX-IV와 같은 열생성 관련 단백질의 발현을 증가시켜 에너지 소비를 촉진하였다. 잎과 줄기 추출물의 화학적 조성이 유사하고, 잎이 수확하기에 더 용이하다는 점을 고려하여 본 연구에서는 고구마 잎을 연구의 주된 대상으로 선정하였다. 국내 4가지 품종(호풍미, 소담미, 진율미, 통채루)의 추출물을 물, 30% 에탄올, 70% 에탄올을 사용하여 제조하고, Oil Red O(ORO) 염색법을 통해 항지질축적 활성을 평가하였다. 이 중 호풍미 잎의 70% EtOH 추출물이 가장 강력한 활성을 나타냈다. 그러나 70% 에탄올을 식품 원료의 용매로 사용하는 것은 용매 특성상 독성이 나타날 가능성이 높으며, 실제로 소담미의 70% 에탄올 추출물에서 높은 농도에서 잠재적인 독성이 나타날 위험성이 확인되었다. 이에 독성이 위험성이 낮은 물을 추출용매로 선택하여 호풍미 잎의 열수 추출물(WIL)을 원료로 결정하였다. WIL을 UPLC-PDA-ESI-TOF-MS를 사용하여 정밀 분석한 결과, 11개의 주요 성분을 확인하였다. 그 중 10개의 성분을 추가로 ORO 실험한 결과, Chlorogenic acid와 Hyperoside가 주요 생리활성 성분으로 확인되었다. 이 두 지표 화합물의 정량화를 위해 검증된 HPLC 방법을 개발하였다. 개발된 방법은 직선성, LOD, LOQ, 적절한 정확도를 나타내었다. 함량측정결과 WIL에서 Chlorogenic acid는 3.680 mg/g, Hyperoside는 0.918 mg/g로 확인되었다. 이 방법은 표준 UV 검출기를 활용하여 복잡한 장비 없이 간단하고 효율적인 정량 분석을 가능하게 한다. 본 연구는 Ipomoea batatas L. 잎 추출물, 특히 WIL의 항비만 효능 잠재력을 입증한 최초의 연구로, 기능성 원료로 개발하기 위한 기초를 마련하였다. 비만 관리 및 치료에서의 효능을 확인하기 위한 추가적인 임상 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction １
• 1.1 Obesity １
• 1.2 Adipose Tissue and Its Role in Obesity １
• 1.3 Sweet Potato(Ipomoea batatas L.) ２
• 1.4 Specific aims ４
• 2 Method and Material ５
• 2.1 Materials ５
• 2.2 Ipomoea batatas L. Stem and Leaf Preparation, Identification, and Standardization ５
• 2.2.1 Plant Matrials ５
• 2.2.2 Extraction ７
• 2.2.3 Compound Identification ８
• 2.2.4 Validation of Analysis Method ９
• 2.3 Animals and Experimental Design １２
• 2.4 Boday Fat Composition Analysis １３
• 2.5 Hematoxylin and Eosin (H&E) Staining Analysis １３
• 2.6 Protein Extraction and Western Blot Analysis １３
• 2.7 Biochemical Examination of Blood Plasma １３
• 2.8 Oil Red O staining １４
• 2.9 Statistical Analysis １４
• 3 Results １５
• 3.1 Anti-obesity Effects of Ipomoea batatas L. Stems (WIB) １５
• 3.1.1 WIB Lessens the Body Weight Gain in HFD Mice １５
• 3.1.2 WIB Modified the Fat Composition in HFD-induced Mice １７
• 3.1.3 WIB Ameliorates the Lipid Parameters in Blood Plasma of HFD-induced Mice １９
• 3.1.4 WIB Reduced Hypertrophy of Lipid Droplets and Adipogenesis in Subcutaneous Tissue of HFD Mice １９
• 3.1.5 WIB Prevents Hepatic Lipid Accumulation in Liver Tissue of HFD-induced Mice ２１
• 3.1.6 WIB Upregulates the Levels of Thermogenic-Related Proteins in BAT of HFD-induced Mice ２３
• 3.2 Extraction of Sweet Potato leaves from Four Cultivars with Three Solvents ２４
• 3.2.1 Extraction yields ２４
• 3.2.2 Anti-lipogenic effects (Oil red O staining) ２５
• 3.3 Identification of Compounds in the Water extract of ‘Hopungmi’ leaves (WIL) ２８
• 3.3.1 UPLC and UV spectrum Analysis ２８
• 3.3.2 UPLC-PDA-ESI-TOF-MS analysis for compounds indentification ３０
• 3.3.3 Anti-lipogenic effects of bioactive compounds(Oil red o staning) ４５
• 3.4 Development and Validation of a HPLC method for the standardization of WIL using Chlorogenic acid and Hyperoside ４８
• 3.4.1 Marker Compounds ４８
• 3.4.2 Method Validation ４８
• 4 Discussion ７２
• 5 Conclusion ７６
• 6 Reference ７７
• 7 국문초록 ８２