Effect of Chlorella vulgaris Intake on Antioxidative Capacity in Growing Rats Oxidatively Stressed with Dietary Cadmium

Abstract

This study was designed to examine the effect of chlorella intake on antioxidative capacity in rats oxidatively stressed with dietary cadmium (Cd). Sixty 14-week-old male Sprague-Dawley (SD) rats weighing 399.1 ± 0.8g were blocked into six groups, and provided experimental diets containing different chlorella levels (0, 3, or 5%) and Cd levels (0, 160 ppm) for 10 weeks. Food intake, body weight change, food efficiency ratio, organ weight, and fat pad weight were measured. To confirm safety of Cd/chlorella intake, serum AST and ALT activities, total protein and albumin concentrations were determined. To elucidate the antioxidant capacity of chlorella, plasma TAS, MDA concentration of plasma and liver, activities of antioxidant enzymes (SOD, GSHPx, catalase) in erythrocyte and liver, activities of radical generating enzyme (XO) in plasma and liver, quantity of superoxide radical generated in serum and liver, and the kidney 8-OHdG concentration were measured. Daily food intake, body weight change, and food efficiency ratio of the rats fed Cd-containing diets were significantly lower than the rats fed Cd-free diets. The chlorella-containing diets significantly affected these indexes, daily food intake was significantly lowered in rats fed 3% and 5% chlorella-containing diets and body weight change was significantly lowered in rats fed 5% chlorella-containing diets. Food efficiency ratio was significantly higher in rats fed Cd with 5% chlorella-containing diets than rats fed Cd with chlorella-free diets. Organ weight and fat pad weight of rats fed Cd-containing diets were significantly lower than those of rats fed Cd-free diets. Chlorella content did not influence both organ weight and fat pad weight. Serum AST and ALT activities, total protein and albumin concentrations were within the normal reference range of SD rats. Plasma TAS was not influenced by any dietary factor, there were no significant differences among the groups. In rats fed chlorella-free diets, plasma MDA concentration of the rats fed a Cd-containing diet was significantly higher than rats fed a Cd-free diet. Plasma MDA concentration was significantly lowered by chlorella containing diets regardless of its content. Liver MDA concentration was not significantly altered by Cd. In Cd-fed groups, the rats fed a 5% chlorella containing diet had significantly lower MDA concentrations than rats fed a chlorella-free diet. In erythrocyte, SOD, GSHPx, and catalase activities were not different among the groups. In liver, SOD and GSHPx activities were significantly lowered in rats fed Cd-containing diets than the rats fed Cd-free diets. There were no differences induced by the chlorella content. Catalase activity was not changed by any dietary factors. Dietary Cd markedly increased XO activities in plasma and liver. And 5% chlorella-containing diets significantly lowered plasma XO activity, and 3% chlorella-containing diets significantly lowered liver XO activity. The amount of superoxide radical generated in serum was significantly increased by Cd. In Cd fed groups, the rats fed a 3% chlorella-containing diet had significantly lower superoxide radical generation than the rats fed a chlorella-free diet. Liver superoxide radical generation was significantly altered by Cd and chlorella content. The amount of superoxide radical generated was increased by Cd, and decreased by chlorella intake. Kidney 8-OHdG concentration was not changed by any dietary factor. There were no significant differences among the experimental groups. In summary, Cd intake increased XO activities, superoxide radical generation, and MDA concentrations. These results indicated that oxidative stress was increased by dietary Cd. Chlorella intake did not alter antioxidant enzyme activities, but reduced radical generating enzyme activity. In addition, the amount of superoxide radical generation was decreased, and MDA concentration was also significantly lowered in Cd-fed groups. Since chlorella might have the effect of improving antioxidative capacity, chlorella could be a helpful food material for the prevention of diseases induced by oxidative stress.;본 연구에서는 클로렐라의 섭취가 카드뮴으로 산화스트레스를 유도한 흰쥐의 항산화능에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 평균체중이 399.1 ± 0.8 g인 14주령 Sprague-Dawley종 수컷 흰 쥐 60마리를 군당 10마리씩 6군으로 나누어 10주간 사육하였다. 세 군 (Cd(-))에는 카드뮴을 공급하지 않고 나머지 3군 (Cd(+))에는 160 ppm의 카드뮴(CdCl2: 325 ppm)을 식이에 혼합하여 공급하였으며 각각에 AIN-93G diet를 기본식이로 하여 클로렐라를 식이무게의 0%, 3%, 5%로 공급하였다. 희생 2주 전부터 카드뮴 공급군에게 매일 10,000 ppm의 카드뮴 0.2 ml (Cd: 2 mg)를 경구투여 하였고, 카드뮴 비공급군은 3차 증류수를 경구투여 하였다. 실험기간 중 실험동물의 식이 섭취량과 체중 증가량을 측정하였으며, 희생 후 간, 신장, 비장, 부고환지방 및 신장주변지방의 무게를 측정하였다. 카드뮴 및 클로렐라 시료가 간기능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 혈청의 aspartate aminotransferase (AST)와 alanine aminotransferase (ALT)의 활성을 측정하였고, 단백질 영양 상태를 평가하기 위하여 혈청 내 총 단백과 알부민 농도를 측정하였다. Radical 포획능을 측정하기 위하여 혈장의 Total Antioxidant status (TAS)를 측정하였으며, 산화적 스트레스를 분석하기 위하여 간과 혈장의malondialdehyde (MDA) 농도를 측정하였다. 활성산소종을 제거하는 효소로 적혈구와 간의 superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GSHPx), catalase (CAT)의 활성을 측정하였으며, 간과 혈장에서 활성산소종을 생성하는 xanthine oxidase (XO)의 활성을 측정하였다. 실험시료가 활성산소의 생성량에 미치는 영향을 알아보기 위하여 세포와 조직에 손상을 주는 활성산소 중 superoxide radical의 생성량을 대표적으로 측정하였다. 또한 DNA의 손상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 신장의 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG) 농도를 측정하였다. 실험 기간 동안의 식이 섭취량 및 체중 증가량은 카드뮴 공급군이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 낮았고, 클로렐라 섭취에 의하여 유의적으로 감소하였다. 식이효율 또한 카드뮴 공급군이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 낮았으나, Cd(+)-5% 클로렐라군이 Cd(+)-0% 클로렐라군에 비하여 유의적으로 높았다. 장기무게와 지방조직 무게 역시 카드뮴 공급군이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 낮았으나, 클로렐라 수준에 따른 차이는 나타나지 않았다. 혈청의 AST와 ALT의 활성은 카드뮴 공급군이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 높았으나 클로렐라 공급에 의한 차이는 나타나지 않았고, 모든 군이 Sprague-Dawley의 정상 임상기준치 (AST: 39~262 U/L, ALT: 20~60 U/L)에 해당하였다. 혈청 총 단백과 알부민 농도는 카드뮴 공급에 의해 낮아졌고, 총 단백의 경우 클로렐라의 공급에 의하여 유의적으로 낮아졌으나 모든 군이 정상수준 (총단백: 5.9~7.9 g/dL, 알부민: 2.8~4.4 g/dL)에 해당하였다. 혈장의 TAS의 경우 모든 군에서 유의적인 차이가 없었다. 혈장의 MDA 농도는 Cd(+)-0% 클로렐라군이 Cd(-)-0% 클로렐라군에 비하여 유의적으로 높았으며, 클로렐라에 의해 유의적인 영향을 받아 3% 클로렐라 공급군과 5% 클로렐라 공급군의 MDA 농도가 클로렐라 비공급군에 비하여 유의적으로 낮았다. 간의 MDA 농도의 경우 카드뮴에 의한 유의적인 차이는 없었으나Cd(+)-5% 클로렐라군의 MDA 농도는 Cd(+)-0% 클로렐라군에 비하여 유의적으로 낮았다. 적혈구의 SOD, GSHPx, CAT의 활성은 카드뮴과 클로렐라 수준에 따른 영향을 받지 않아 모든 군 간 유의적인 차이가 없었다. 간의 항산화 효소의 활성을 보면, SOD와 GSHPx의 활성은 카드뮴에 의한 영향을 받아 카드뮴 공급군의 효소활성이 카드뮴 비공급군보다 낮았으나 클로렐라 수준에 따른 차이는 나타나지 않았고, CAT활성은 카드뮴과 클로렐라 수준에 영향을 받지 않아 군 간 유의적인 차이가 없었다. 혈장의 XO 활성은 카드뮴 공급에 의하여 유의적으로 높아졌으며 Cd(+)-5% 클로렐라군의 활성은 Cd(+)-0% 클로렐라군에 비하여 유의적으로 낮았다. 간의 XO 활성은 카드뮴과 클로렐라 수준에 의한 영향을 받아 카드뮴 공급군의 활성이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 높았으며 3% 클로렐라 공급군은 클로렐라 비공급군에 비하여 유의적으로 활성이 낮았다. 혈청의superoxide radical의 생성량은 카드뮴 공급에 의하여 유의적으로 증가하였으며, Cd(+)-3% 클로렐라군은 Cd(+)-0% 클로렐라군에 비하여 그 수준이 유의적으로 낮았다. 간에서는 카드뮴과 클로렐라 수준에 의한 유의적인 영향을 받아 카드뮴 공급군의superoxide radical 생성량이 카드뮴 비공급군에 비하여 유의적으로 높았고, 클로렐라 공급에 의하여 유의적으로 감소했다. 신장의 8-OHdG농도는 카드뮴과 클로렐라 수준에 영향을 받지 않아 군 간 유의적인 차이가 없었다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 카드뮴 공급에 의하여 XO의 활성이 증가하고 superoxide radical의 생성량과 MDA 수준 또한 증가하여 산화 스트레스가 유발되었음을 알 수 있었다. 클로렐라의 공급은 항산화 효소의 활성에는 영향을 미치지 못하였으나, radical 생성 효소의 활성을 억제하고 radical의 생성량 또한 감소시키는 효과를 나타내었으며 카드뮴 공급군에서 유의적으로 지질과산화물 생성을 감소시켰다. 결론적으로 클로렐라의 공급은 흰 쥐의 항산화능을 개선시키는 효과를 나타내었으며, 이러한 효과는 산화적 스트레스를 받은 상태에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 따라서 클로렐라는 산화 스트레스로 유발되는 질병 예방에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.