Studies on Anti-cancer and Anti-Inflammatory Effects of Organic Kimchi with Lactic acid bacteria

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper studies the biological activity related to antioxidant, anticancer and anti-inflammatory by mixing starter strains (Leuconostoc Mesenteroides + Lactiplantibacillus plantarum) and dead-nanometric Lactiplantibacillus plantarum (nF1) with organic kimchi, and the purpose is to identify their mechanism of action and provide a theoretical basis for the functionality of organic kimchi with starters and nF1 added in the future. The paper includes two studies, Study 1 investigated the functional evaluation, antioxidant and anticancer functions of OAK, an organic kimchi with starters (LM+LP) and nF1 added through in vitro experiments. Study 2 confirmed the anti-inflammatory activity of OAK in RAW 264.7 cells through in vitro experiments and investigated the anti-inflammatory and Natural Killer cell (NK cell) activity through C57BL/6 mouse splenocytes.
In Study 1, the purpose was to investigate the anticancer effect of organic kimchi supplemented with Starter (LM+LP) and nF1 on HT-29 human colorectal cancer cells. Four types of kimchi (standard kimchi [SK], commercial kimchi [CK], anti-cancer kimchi [AK] and organic anti-cancer kimchi [OAK]) were evaluated. As a result, among various types of kimchi, OAK showed the highest antioxidant activity and the highest growth inhibition rate against HT-29 cancer cells. In addition, through sensory evaluation, it was evaluated as similar to or better than SK and CK. The RT-qPCR results show that AK and OAK can effectively downregulate the mRNA expression of anti-apoptotic gene Bcl-2 and upregulate the mRNA expression of pro-apoptotic genes Bim, Bak, Bad, caspase 3 and caspase 9. The expressions of the cell cycle arrest genes p53 and p21 were also significantly increased. At the same time, OAK regulated the expression of Bcl-2 the least and showed the highest expression of p53, Bax, caspase 3 and caspase 9.
The above results indicate that OAK effectively inhibits the proliferation of HT-29 cancer cells by promoting cell death and cell cycle arrest, while maintaining the taste and flavor of conventional kimchi and enhancing the antioxidant functionality.
In Study 2, the effect of organic kimchi made by adding dead-nanometric Lactiplantibacillus plantarum, nF1, and the starters Leuconostoc mesenteriodes and Lactiplantibacillus plantarum, on RAW 264.7 cells and C57BL/6 mouse splenocytes was studied. A total of four types of kimchi were evaluated, and they consisted of standard kimchi [SK], commercial kimchi [CK], anticancer kimchi [AK], and organic anticancer kimchi [OAK]. As a result, OAK showed the highest anti-inflammatory effect and NK cell activity in LPS-induced RAW 264.7 cells and splenocytes. Nitric oxide (NO) production was significantly inhibited in RAW 264.7 cells and splenocytes treated with LPS, and the expression level was most similar to that of the CON. As a result of RT-qPCR in Raw 264.7 cells, the mRNA expression of pro-inflammatory cytokines such as IL-6, IL-1β and IFN-γ and inflammatory enzymes such as COX-2 and iNOS were significantly reduced in the kimchi sample treatment group. In particular, OAK showed the lowest expression level. At the same time, cytokine analysis using an ELISA kit confirmed that OAK suppressed the expression of TNF-α, IL-1β, and IFN-γ and increased the expression of IL-10. Through Western blot, it was confirmed that the expression of IκBα was increased and the expression of NF-κB p65 and COX-2 was decreased in RAW 264.7 cells treated with LPS. RT-qPCR and ELISA experiments in C57BL/6 mouse splenocytes, OAK suppressed the expression of IL-1β, IFN-γ, IL-12, IL-6, NF-κB p65 and NF-κB p105, and increased the expression of IL-10. In addition, the tendency to increase NK cell activity was confirmed by the response of splenocytes and Yac-1 cell.
These results show that organic kimchi with starter (LM+LP) and nF1 can be produced at a higher quality than standard kimchi or kimchi made with organic ingredients alone, and is more functional than standard kimchi by increasing antioxidant, anticancer, and anti-inflammatory activities.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 유산균 (starters) 균주 (Leuconostoc Mesenteroides (LM) + Lactiplantibacillus plantarum (LP))와 dead-nanometric Lactiplantibacillus plantraum인 nF1을 유기농 김치에 혼합하여 발효 후 항산화, 항암 및 항염증에 관련된 생물학적 활성을 in vitro 및 ex vivo 실험을 통해 연구하고, 이들의 작용 메커니즘을 규명하여 향후 유산균 starters 및 nF1을 첨가한 유기농 김치의 기능성에 대한 이론적 근거를 제공하는 것을 목적으로 하였다. 논문 전체에는 두 가지 연구가 포함되어 있는데, Study 1은 in vitro 실험을 통해 starters (LM+LP) 및 nF1을 첨가한 유기농 김치인 OAK의 관능 평가, 항산화 및 항암 기능성을 조사하였고, Study 2는 in vitro 및 ex vivo 실험을 통해 OAK (Organic Anticancer Kimchi)의 항염증 및 자연살해(NK)세포 활성을 조사하였다.
Study 1에서 starter 균주(LM+LP) 및 nF1을 첨가한 유기농 김치의 HT-29 인체 대장암 세포에 대한 항암 효과를 연구하였다. 4종의 김치(표준 김치[SK], 시판 김치[CK], 항암 김치[AK] 및 유기농 항암 김치[OAK])를 평가하였다. 그 결과 여러 종류의 김치 중에서 OAK가 최고의 항산화 활성과 HT-29 암세포에 대한 성장 억제율이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 관능평가를 통해 OAK는 SK 및 CK와 비슷하거나 혹은 더 좋은 김치로 평가되었다. RT-qPCR 결과는 SK 및 CK와 비교하여 AK 및 OAK가 anti-apoptosis 유전자인 Bcl-2의 mRNA 발현을 효과적으로 하향 조절하고 세포 주기 정지 유전자 p53, p21 및 pro-apoptotic 유전자 Bim, Bak, Bad, caspase 3 및 caspase 9 유전자의 mRNA 발현을 상향 조절할 수 있음을 보여주었다. 동시에 OAK는 Bcl-2의 발현을 가장 낮게 조절하였고 p53, Bax, Caspase 3 그리고 Caspase 9 의 발현을 가장 높이는 경향을 보였다. 위의 결과는 OAK가 기존 김치의 맛과 풍미는 유지하며 항산화 기능성을 높임과 동시에 세포 사멸과 세포주기 정지를 촉진하여 HT-29 암세포의 증식을 효과적으로 억제함을 나타내었다.
Study 2에서는 Dead-nanometric Lactiplantibacillus plantarum인 nF1과 종균인 Leuconostoc mesenteriodes, Lactiplantibacillus plantarum를 첨가하여 제조한 유기농 김치(OAK)가 RAW 264.7 세포와 C57BL/6 마우스 비장세포에 미치는 항염증과 NK 세포활성을 연구하였다. 총 4종의 김치(standard kimchi [SK], commercial kimchi [CK], anticancer kimchi [AK], organic anticancer kimchi [OAK])를 평가하였다. 그 결과, OAK는 LPS로 유도된 RAW 264.7 세포와 비장세포에서 가장 높은 항염증 효과와 NK 세포 활성을 보였다. LPS로 처리된 RAW 264.7 세포와 비장세포에서 산화질소(NO) 생성을 유의적으로 억제했으며, OAK에서 CON군과 가장 유사한 발현량을 보였다. Raw 264.7 세포에서 RT-qPCR 결과, IL-6, IL-1β, IFN-γ 와 같은 전염증성 사이토카인 및 COX-2, iNOS와 같은 염증성 효소의 mRNA 발현을 시료 처리군에서 유의적으로 감소되었으며 특히 OAK에서 가장 낮은 발현량을 보였다. 동시에 ELISA kit를 이용한 cytokines 분석에서는 OAK가 TNF-α, IL-1β 및 IFN-γ 발현을 억제하고 IL-10 발현을 증가시킨다는 것을 확인하였다. 한편 Western blot을 통해LPS로 처리된 RAW 264.7 세포에서 IκB-α의 발현이 증가되고 NF-κB p65와 COX-2의 발현을 감소시키는 것으로 나타났다. C57BL/6 마우스 비장세포에서 RT-qPCR 및 ELISA 실험을 통해 OAK는 IL-1β, IFN-γ, IL-12, IL-6, NF-κB p65 및 NF-κB p105의 발현을 억제하고 IL-10의 발현을 증가시켰다. 또한 splenocyte 와 Yac-1 cell 을 통해 비장세포 내 NK 세포의 활성이 증가되는 경향을 확인했다. 따라서 종균과 nF1을 첨가한 유기농 김치는 항염증 활성을 높일 수 있어 염증 치료에 적합한 발효식품으로 활용될 수 있다.
위의 결과는 starters(LM+LP) 균주와 사균체인 nF1을 첨가한 유기농 김치가 기존 김치, 혹은 단순히 유기농 재료로 만든 김치보다 일정한 품질로 제조가 가능하며 항산화, 항암 및 항염증 활성을 높여 기존의 김치보다 기능성을 높이는 결과를 보였다.