Artemisia japonica Thunb. attenuates particulate matters-induced oxidative stress and airway inflammation in RAW264.7 cells and mice = 제비쑥(Artemisia japonica Thunb.) 추출물의 미세먼지 노출에 의한 산화적 스트레스 및 기도 염증 완화 효과 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Exposure to particulate matter (PM), particularly airborne particles with an aerodynamic diameter of ≤10 μm (PM10), has been widely implicated in the exacerbation of inflammatory respiratory conditions. Artemisia japonica Thunb. (AJ) is a perennial medicinal plant of the Asteraceae family that is distributed throughout Korea and various regions of East Asia, including Russia (Ussuri), Japan, China, Taiwan, and the Philippines. In the present study, the anti-inflammatory and antioxidant properties of a methanolic extract of AJ were evaluated using PM10-stimulated RAW264.7 macrophages and a PM10-exposed mouse model. PM10 was intranasally administered to mice at a dose of 5 mg/kg for seven consecutive days, while AJ (50 or 100 mg/kg/day) or dexamethasone (3 mg/kg/day) was orally administered during the same period. AJ treatment significantly reduced the production of pro-inflammatory cytokines in bronchoalveolar lavage fluid and PM10-stimulated RAW264.7 cells, accompanied by a marked attenuation of inflammatory cell infiltration in lung tissues. Mechanistically, AJ enhanced antioxidant defense systems by activating nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2), leading to increased levels of glutathione, catalase, and superoxide dismutase, while concurrently suppressing reactive oxygen species generation and lipid peroxidation. In addition, AJ markedly inhibited Toll-like receptor 4 (TLR4) signaling and reduced phosphorylation of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) in both in vitro and in vivo PM10 exposure models. Taken together, these findings demonstrate that AJ alleviates PM10-induced airway inflammation and oxidative stress through coordinated activation of Nrf2-mediated antioxidant pathways and suppression of TLR4/MAPK-dependent inflammatory signaling, suggesting its potential as a therapeutic candidate for PM-induced airway inflammatory responses.
Keywords: Artemisia japonica Thunb.; particulate matter; airway inflammation; Nrf2/HO-1/NQO1; TLR4/MyD88; MAPK

국문 초록 (Abstract)

미세먼지(particulate matter; PM)는 염증성 호흡기 질환을 악화시키는 주요 환경 요인으로 알려져 있다. 제비쑥(Artemisia japonica Thunb.; AJ)은 국화과에 속하는 다년생 약용 식물로, 우리나라 전역을 포함하여 러시아 우수리, 일본, 중국, 타이완 및 필리핀 등 동아시아 지역에 널리 분포한다. 본 연구에서는 미세먼지로 유도된 기도 염증 및 산화 스트레스 모델에서 제비쑥 메탄올 추출물의 항염증 및 항산화 효과를 평가하였다. 미세먼지는 마우스에 5 mg/kg의 용량으로 7일간 비강 투여하였으며, 동일 기간 동안 제비쑥 메탄올 추출물(50 또는 100 mg/kg/day) 또는 덱사메타손(양성대조군, 3 mg/kg/day)을 경구 투여하였다. 또한 세포 실험에서는 RAW264.7 대식세포를 미세먼지로 자극하여 염증 반응을 유도하였다. 제비쑥 처리군은 미세먼지 단독 처리군과 비교하여 기관지폐포세척액(bronchoalveolar lavage fluid; BALF)과 미세먼지로 자극된 RAW264.7 세포에서 TNF-α, IL-1β 및 IL-6과 같은 염증성 사이토카인의 생성이 유의하게 감소하였다. 또한 제비쑥 투여는 미세먼지 노출로 증가된 폐 조직 내 염증세포 침윤을 현저히 완화하였다. 기전적으로, 제비쑥은 nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2)를 활성화하여 글루타치온(glutathione), 카탈라아제(catalase) 및 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(superoxide dismutase)의 수준을 증가시켰다. 반면, 미세먼지 노출로 증가된 활성산소종(reactive oxygen species; ROS) 생성과 지질 과산화 지표인 티오바르비투르산 반응성 물질(Thiobarbituric acid reactive substances; TBARS)의 생성은 제비쑥 처리에 의해 유의하게 억제되었다. 이러한 변화는 미세먼지에 의해 유도된 마우스 폐 조직과 RAW264.7 세포에서 산화 스트레스가 효과적으로 완화되었음을 시사한다. 또한 제비쑥은 미세먼지에 의해 활성화된 Toll-like receptor 4 (TLR4) 신호전달을 억제하였으며, p38MAPK, Erk 및 JNK를 포함한 mitogen-activated protein kinase (MAPK)의 인산화를 유의하게 감소시켰다. 이러한 효과는 세포 실험과 동물 실험 모두에서 일관되게 관찰되었다. 종합적으로, 제비쑥 메탄올 추출물은 미세먼지 단독 처리군과 비교하여 Nrf2 매개 항산화 방어 체계를 활성화하고 TLR4/MAP-의존적 염증 신호를 억제함으로써 미세먼지로 유도된 기도 염증과 산화 스트레스를 효과적으로 완화하였다. 이러한 결과는 제비쑥이 미세먼지에 의해 유도된 기도 염증 반응을 완화하는 데 효과적인 잠재적 천연 치료 후보 물질임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Materials and Methods 4
• 1. UPLC Q-TOF/MS analysis 4
• 2. Test compound and reagents 5
• 3. Cell culture and cell viability assay 6
• 4. Measurement of pro-inflammatory cytokine levels and oxidative stress markers 7
• 5. Immunoblotting 10
• 6. Measurement of 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging activity 11
• 7. Animal experimental procedure 11
• 8. Bronchoalveolar lavage fluid (BALF) analysis 12
• 9. Histopathological analysis 13
• 10. Measurement of oxidative stress markers in lung tissues 14
• 11. Statistical analysis 14
• III. Results 15
• 1. Bioactive components in AJ extract 15
• 2. Effects of AJ on pro-inflammatory cytokines in PM10-stimulated RAW264.7 cells 19
• 3. Effects of AJ on Nrf2/HO-1/NQO1 pathways and oxidative stress markers in PM10-
• stimulated RAW264.7 cells 21
• 4. Effects of AJ on TLR4/MyD88/NF-κB pathway in PM10-stimulated RAW264.7 cells 24
• 5. Effects of AJ on MAPK signaling in PM10-stimulated RAW264.7 cells 26
• 6. Effects of AJ on inflammatory cell counts and pro-inflammatory cytokine in BALF 28
• 7. Effects of AJ on PM10-induced lung histological changes in lung tissue 30
• 8. Effects of AJ on Nrf2/HO-1/NQO1 pathways and oxidative stress markers in PM10-
• exposed mice 32
• 9. Effects of AJ on TLR4/MyD88/NF-κB pathways in PM10-exposed mice 35
• 10. Effects of AJ on MAPK pathway in PM10-exposed mice 37
• IV. Discussion 39
• V. Conclusion 45
• References 46
• Abstract in Korean 53