ROS Scavenging Effect and Cell Viability of Opuntia humifusa Extract on Osteoblastic MC3T3-E1 Cells

국문 초록 (Abstract)

우리나라에서 자생하고 있는 천년초는 새로운 생리활성 물질을 생산할 수 있는 소재로 각광받고 있으며, mouse calvaria 유래의 MC3T3-E1 세포는 골세포의 세포 활성과 관련된 연구에서 유용하게 이용되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 MC3T3-E1 세포를 이용하여 천년초 추출물이 세포 증식에 미치는 영향과 ALP 활성, 조골세포의 골 형성을 위한 필수 인자인 collagen 합성에 대한 영향을 검토하고 세포사의 주요 인자인 ROS 에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 각 추출물의 수율은 껍질 열수 추출물이 35.2%로 가장 수율이 높았고, 다음으로 줄기열수 추출물, 껍질 에탄올 추출물, 씨 열수 추출물, 줄기 에탄올 추출물 순으로 나타났으며, 수율이 가장 낮은씨 에탄올 추출물은 20.6%였다. 각 추출물의 농도(1, 10 50, 100 ㎍/ml)에 따른 조골세포 성장에 미치는 영향을 MTT assay로 분석한 결과, 모든 군에서 대조군과 비교하여 유의적인 증식률을 나타내었으며 특히, 100 ㎍/ml 씨 열수 추출물을 첨가하였을 때, 대조군과 비교하여 가장 높은 120% 정도의 증식률을 나타내었다. 천년초 추출물이 ALP 활성에 미치는 영향을 조사한 결과, 천년초 추출물을 10~50 ㎍/ml 첨가하였을 때, 대조군과 비교하여 유의적으로 증가하였으며 특히, 씨 에탄올 추출물을 50 ㎍/ml 첨가하였을 때, 130% 이상의 ALP 활성을 증가시켜 조골세포의 분화에 영향을 줄 가능성이 제시 되었다. 천년초 추출물이 조골세포의 collagen 합성에 미치는 실험결과에서는 천년초 씨 열수 추출물과 씨 에탄올 추출물의 50~100 ㎍/ml 농도에서 높은 합성능을 나타내었으며 그 중 씨 열수 추출물 100 ㎍/ml 농도에서 가장 높은 collagen 합성능을 보였다. 천년초 추출물이 세포내 ROS 생성에 미치는 영향을 실험한 결과에서는 모든 천년초 추출물 처리에 의해 농도 의존적으로 형광 강도가 감소하는 경향을 보였으며 특히, 씨 열수 추출물의 100 ㎍/ml 경우, 대조군에 비해 54% 정도 ROS가 감소되어 천년초씨 추출물이 세포 내에서 높은 항산화력이 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 천년초 추출물이 조골세포의 증식, ALP 활성, collagen 합성 및 ROS 생성 저해를 촉진하여 골 생성에 영향을 줄 수 있는 것이 확인되었으며, 추출 용매와 관계없이 씨 추출물이 가장 높은 활성을 나타내었다. 천년초 씨 중의 활성 성분 구명을 위해 향후 구체적 기작 연구와 in vivo 연구가 병행된다면, 골다공증 예방과 관련된 기능성 식품의 천연소재 개발이 가능할 것이라 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the effect of the Opuntiahumifusa extracts on proliferation, alkaline phosphatase (ALP) activity, collagen synthesis and ROS level of a cell was investigated using an osteoblast. Opuntiahumifusawas separated intoOpuntiahumifusapeel (OH-P), seed (OH-Se) and stem (OH-St).These were subjected to extraction by using hot water and ethanol. The proliferation of the MC3T3-E1 osteoblastic cells that were treated with OH-Se water extract were increased by approximately 120%. Regarding the effects of OH-Se on ALP activity, the 50 μg/ml ethanol extract group showed the highest activity. The synthesis of collagen increased significantly in response to treatment with OH-Se water extract. The ROS scavenging effects of Opuntiahumifusawere investigated for involvement of oxidativedamage, cell culture and staining. Also, when OH-Se water extract 100 μg/ml was added, the ROS level decreased by 54%. These results indicate that Opuntiahumifusa extracts have an anabolic effect on bone through the promotion of osteoblastic differentiation, suggesting that it could be used for the treatment of common metabolic bone diseases.

목차 (Table of Contents)

• 서론
• 재료 및 방법
• 결과 및 고찰
• References
• 초록

참고문헌 (Reference)

1 신정민, "황금 추출물이 조골세포와 파골세포의 활성에 미치는 영향" 한국식품과학회 40 (40): 674-679, 2008

2 전민희, "톳 분획물이 조골세포의 증식 및 분화에 미치는 영향" 한국생명과학회 21 (21): 300-308, 2011

3 김대중, "천년초의 열수 및 에탄올 추출물의 항산화 및 항비만 활성" 한국식품저장유통학회 18 (18): 366-373, 2011

4 박민경, "천년초(Opuntia humifusa) 추물물의 사염화탄소를 처치한흰쥐에서의 간보호 효과" 한국식품과학회 37 (37): 822-826, 2005

5 김미진, "아보카도 과육, 과피 및 씨 추출물이 조골세포 분화 및 파골세포 형성에 미치는 영향" 한국식품영양과학회 40 (40): 919-927, 2011

6 윤진아, "손바닥선인장 복합물이 당뇨 쥐의 혈당 및 지질대사에 미치는 영향" 한국식품영양학회 22 (22): 48-56, 2009

7 Stein, G. S., "differentiation" 76 : 593-629,

8 Centrella, M., "Transforming growth factor B is a bifunctional regulator of replication and collagen synthesis in osteoblast-enriched cell cultures from fatal rat bone" 262 : 2869-2874, 1987

9 Herrision, G., "The phosphatidylinositol-glycolipid anchor on alkaline phosphatase facilitates mineralization initiation in vitro" 10 : 568-573, 1995

10 Canalis,E, "The hormonal and local regulation of bone formation" 4 : 62-77, 1983

11 Beckman, K. B, "The free radicaltheory ofaging matures" 78 : 547-581, 1998

12 Mone, Z, "Skeletal remodeling in health and disease" 13 : 791-801, 2007

13 Katagiri, T, "Regulatory mechanisms of osteoblast and osteoclast differentiation" 8 : 147-159, 2002

14 Kim,K.A, "Reactive oxygen species scavenging activity of salicornia herbacea extracts and its application to cosmetics" Graduate School of Seoul National University of Science and Technology 2004

15 Kinoshita, T., "Raf/MAPK and rapamycin-sensitive pathways mediate the anti-apoptotic function of p21Ras in IL-3-dependent hematopoietic cells" 15 : 619-627, 1997

16 Owen, T. A., "Progressive development of the rat osteoblast phenotype in vitro: relationships in expression of genes associated with osteoblast proliferation and differentiation during formation of the bone extracellular matrix" 143 : 420-430, 1990

17 Kim,M.J, "Physicochemical characteristics of Jeungpyun by different addition ratios of prickly pear powder during storage" Sungshin Women’s University 2008

18 Mody, L., "Oxidative stress modulates osteoblastic differentiation of vascular and bone cell" 31 : 509-519, 2001

19 Yoon, H. G., "Osteoblastic cell line MC3T3-E1 cell to the triiodothyronine" 44 : 49-58, 1993

20 Barr, S. J, "Nutrition, Exercise, and bone status in youth" 8 : 124-142, 1988

21 Kimble, R. B., "Interleukin-I receptor antagocist decrease bone loss and resorption in ovariectomized rats" 93 : 1959-1967, 1994

22 Nicholson, N. C., "Hydrogen peroxide inhibits giant cell tumer and osteoblast metabolism in vitro" 347 : 250-260, 1998

23 Cho,G.J, "Health Insurance Review & Assessment Service. South Korea"

24 Row, S. M., "Epidemiology of osteoporosis in Korea" 7 : 88-90, 1997

25 Park, J. C., "Effects of phloroglycinol isolated from Ecklonia stolonifera on the acetaminophen-Metabolizing enzyme system in rat" 29 : 448-452, 2000

26 Lee,J.R, "Effects of Cytokines on the Ostoeblastic Cells in Culture" Graduate School of Dankook University 1995

27 Jang,Y.J, "Effects of Acanthopanax senticosus vat. Subinermis (ASVS) leaf extract on promoting cell proliferation, differentiation, mineralization and osteogenesis-related gene expression in ROS 17/2.8 cells" Graduate School of Younsei University 2008

28 Lee,Y.S, "Effect of isoflavones on proliferation and oxidative stress of MC3T3-E1 osteoclast-like cells" 18 : 35-42, 2001

29 Canalis,E, "Effect of growth factors on bone cell replication and differentiation" 193 : 246-263, 1985

30 Kang,S.R, "Effect of ecklonia cava extracts on lipids and bone turnover markers in menopausal women" Graduate School of Silla University 2009

31 Lee,J.W, "Effect of Solidago Virga-aurea var. giagantea Mig. Root extract on the activity of osteoblastic cells and bone metabolism" Graduate School of Keimyung University 2004

32 Yoon,M.S, "Effect of Irradiation and Enzyme treatment on Viscosity of Cactus Cladodes and its Some Biological Activities" Graduate School of Chonnam University 2010

33 Noriyoshi, K., "Effect of 1,25-dihydroxyvitamin D3 on osteoblastic MC3T3-E1 cell" 118 : 940-947, 1986

34 Arlot, M., "Differential effects of teriparatide and alendronate on bone remodeling in postmenopausal women assessed by histomorphometric parameters" 20 : 1244-1253, 2005

35 Nijweide, P. J., "Cells of bone: proliferation, differentiation, and hormonal regulation" 66 : 855-886, 1986

36 Dragsted, L. O., "Cancer-protective factor in fruits and vegetables. Biocheminal and biological background" 72 : 116-135, 1993

37 Manolagas,S.C, "Basic regulatory mechanisms and implications for the pathogenesis and treatment of osteoporosis. Birth and death of bone cells" 21 : 115-137, 2000

38 Lee, N. Y., "Application of irradiation technology for development of functional natural materials" 10 : 26-31, 2005

39 Lee,K.S, "Antioxidant, Antimicrobial Effect of the Extracts of Cactus Cheonnyuncho (Opuntia humifusa) and Identification of Activity Substance" Graduate School of Hoseo University 2004