Targeted Metabolomic Profiling of Age-Dependent Acute Metabolic Responses to Cholecalciferol in Healthy Koreans = 표적 대사체학 연구를 이용한 한국인에서 콜레칼시페롤 투여에 따른 연령 의존적 대사 반응 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Vitamin D is a fat-soluble vitamin synthesized in the skin upon exposure to ultraviolet B radiation and converted into its active form through hydroxylation in the liver and kidneys. It plays various physiological roles, including the regulation of calcium and phosphorus homeostasis, immune modulation, and antioxidant activity. In particular, vitamin D contributes to the alleviating of oxidative stress by maintaining mitochondrial function and regulating reactive oxygen species (ROS) pathways. However, despite the various health benefits of vitamin D for the body, approximately 95% of the Korean population suffer from vitamin D deficient. This study aimed to measure baseline vitamin D concentration and profile the metabolites of healthy Koreans and to investigate age-related differences in metabolic responses to cholecalciferol administration in the young (<30 years) and the elderly (≥65 years) groups using a targeted metabolomics approach.
To evaluate baseline vitamin D concentrations and its associated metabolic signatures, blood and plasma samples were collected from 42 healthy participants (mean age: 28.8 years). In the separate cohorts, 5 young participants (mean age: 25.2 years) and 9 elderly participants (mean age: 69.8 years) received a single oral dose of 2,000 IU cholecalciferol. Blood samples were collected prior to administration to assess baseline vitamin D concentrations, and plasma samples were collected both before and after supplementation to evaluate metabolic changes. All participants provided written informed consent to participate in the study. The AbsoluteIDQ® p180 kit was used to profile metabolites for plasma samples.
At baseline, all participants in all groups exhibited insufficient vitamin D concentrations. In the healthy group, 133 metabolites were detected, including alanine, glutamate, glycine, lysine, valine, and lysophosphatidylcholine. These metabolites are associated with energy metabolism, antioxidant defense, and immune function. These associations were also observed in the young group prior to cholecalciferol administration.
While the young group showed no significant metabolic changes following cholecalciferol administration, the elderly group exhibited significant decreases in all 84 metabolites, each with a p-value below 0.05 indicating statistical significance. These metabolites included phosphatidylcholines, ether-linked phosphatidylcholines, sphingomyelins, acylcarnitines, glutamate, glycine, taurine, symmetric dimethylarginine, and kynurenine. The reduction in these metabolites was primarily associated with enhanced lipid metabolism, decreased ROS, and improved immune function.
These findings suggest that cholecalciferol single administration may indicate potential improvements in mitochondrial function and activation of metabolic pathways in the elderly group. This study shows that metabolic responses to vitamin D differ with age and provides basic reference for future research on age-related vitamin D metabolism.

국문 초록 (Abstract)

비타민 D 는 자외선 B 노출에 의해 피부에서 합성되는 지용성 비타민으로, 간과 신장에서 수산화 과정을 거쳐 활성형으로 전환된다. 비타민 D 는 칼슘 및 인의 항상성 조절, 면역 조절, 항산화 작용 등 다양한 생리적 역할을 수행한다. 특히, 비타민 D 는 미토콘드리아 기능을 유지하고 활성산소종(ROS) 경로를 조절하여 산화 스트레스를 완화하는데 기여하는 것으로 알려져 있다. 그러나 비타민 D 가 인체에 미치는 다양한 건강상 이점에도 불구하고, 한국인의 약 95%가 비타민 D 불충분 상태에 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구는 건강한 한국인을 대상으로 기저 비타민 D 농도를 측정하고, 표적 대사체학 접근법을 사용하여 대사체 프로파일을 분석하며, 청년층(30 세 미만)과 고령층(65 세 이상)의 비타민 D 농도를 정량하고, 콜레칼시페롤 단회 투여 후 나타나는 급성 대사 반응의 연령에 따른 차이를 조사하고자 하였다.
비타민 D 기저 농도 및 관련 대사체 프로파일링을 위해 건강한 대상자(평균 연령 28.8 세) 42 명으로부터 혈액 샘플을 수집하였다. 독립된 청년층(평균 연령 25.2 세) 5 명과 고령층(평균 연령 69.8 세) 9 명에게는 콜레칼시페롤 2,000 IU 를 단회 경구 투여하였다. 비타민 D 의 농도 측정을 위해 투여 전 혈액 샘플을 수집하였으며, 대사 변화를 평가하기 위해 투여 전과 투여 후 12 시간에 혈장 샘플을 수집하였다. 본 연구의 모든 참가자는 연구 참여에 대한 서면 동의서를 제출하였다. 혈장 내 대사체 프로파일링은 AbsoluteIDQ® p180 키트를 활용하여 수행되었다.
기저 상태에서 모든 그룹의 대상자는 비타민 D 농도가 불충분(insufficiency)하였다. 건강한 그룹에서는 알라닌, 글루타메이트, 글라이신, 라이신, 발린, 라이소포스파티딜콜린을 포함한 133 가지 대사체가 검출되었다. 이 대사체들은 에너지 대사, 항산화 방어, 그리고 면역 기능과 관련이 있었다. 이러한 대사 프로파일은 콜레칼시페롤 투여 전 청년층에서도 유사하게 관찰되었다.
청년층은 콜레칼시페롤 투여 후 유의미한 대사 변화가 관찰되지 않았으나, 고령층에서는 84 가지 대사체 모두 유의미한 감소를 보였으며, 각 대사체의 p 값은 0.05 미만으로 통계정 유의성을 나타내었다. 이 대사체들에는 포스파티딜콜린, 에테르 결합 포스파티딜콜린, 스핑고마일린, 아실카르니틴, 글루타메이트, 글라이신, 타우린, 대칭성 디메틸아르지닌, 키뉴레닌이 포함되었다. 이러한 대사체들의 감소는 주로 지질 대사 증가, 활성산소 감소, 그리고 면역 기능 개선과 관련이 있었다.
이러한 결과는 콜레칼시페롤 단회 투여로 고령층에서 미토콘드리아 기능을 향상시키고, 산화 스트레스 및 염증을 완화하는 대사 경로를 활성화할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 비타민 D 에 대한 대사 반응이 연령에 따라 다르게 나타날 수 있음을 보여주며, 향후 연령별 비타민 D 대사 반응에 대한 추가 연구의 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Material and methods 4
• 2.1. Materials and reagents 4
• 2.2. Sample collection 4
• 2.3. Sample preparation 5
• 2.4. Targeted metabolomics analysis 7
• 2.4.1 LC-MS/MS 7
• 2.4.2 FIA-MS/MS 8
• 2.5. Data processing and pathway analysis 8
• 2.6. Statistical analysis 9
• 3. Result 10
• 3.1 Demographic and clinical characteristics 10
• 3.2 Metabolic profiling and comparative analysis across groups 10
• 3.2.1 Metabolomic profiling in healthy group 10
• 3.2.2 Metabolomic comparison between young and elderly groups 11
• 3.3 Comparison of metabolic pathways across groups 11
• 4. Discussion 13
• 5. Conclusion 20
• Reference 21
• Abstract in Korean 26
• Tables and Figures 28