Effects of onion flesh or peel feeding on antioxidative capacity and iron metabolism in 16-month-old rats oxidatively stressed with dietary iron

Abstract

This study was designed to investigate the effects of onion flesh or peel feeding on the antioxidative capacity and iron (Fe) metabolism in 16-monthold rats oxidatively stressed by dietary Fe. A total of 120 Sprague-Dawley male rats were blocked into 15 groups and raised for 3 months with onion-free control diets, onion diets containing either 5%(w/w) dried powder of onion flesh and peel or ethanol extract from equal amounts of each dried powder, and with low- (5ppm), medium- (35ppm), or high- (350ppm) Fe levels. Total polyphenols, quercetin, β-carotene, vitamin C, and α-tocopherol contents and total antioxidant status (TAS) level were measured to identify the amount of antioxidative substances in onion samples. The dependent variables for antioxidative capacity were plasma TAS, total carotenoids, queretin and isorhamnetin levels, the thiobarbituric acid reactive substance (TBARS) levels in the plasma and liver, brain 8-isoprostane level, cellular DNA damage in the kidney and brain, superoxide dismutase (SOD) activities in the erythrocyte and liver, xanthine oxidase (XO) activities in the plasma and liver, brain amyloid-βprotein level, and plasma acetylcholine esterase activity. The dependent variables related to Fe metabolism were hemoglobin concentration, plasma Fe level, total Fe binding capacity (TIBC), degree of transferrin saturation, total Fe and ferritin levels in the liver and brain, and liver and brain transferrin receptors (TfR). Total polyphenols, quercetin, and TAS levels were highest in peel ethanol extract among onion samples, followed by peel powder, flesh ethanol extract, and flesh powder. Antioxidative vitamin contents were relatively low compared to total polyphenol content, or quercetin content in onion samples. Total antioxidant status levels in the onion peel samples were more than double those in the onion flesh samples. Among experimental diets, the content of all antioxidant substances except vitamin C was highest in the peel powder diet, followed by the peel ethanol extract diet, the flesh powder diet, and the flesh ethanol extract diet. Total polyphenols and quercetin contents were relatively high in the four onion diets compared to antioxidative vitamin contents. Plasma TAS level was decreased with a low-Fe or high-Fe level and increased with onion diets, especially peel diets, regardless of dietary Fe level. Plasma quercetin and isorhamnetin levels were markedly increased with provision of onion peel powder with any dietary Fe level. Dietary Fe level was related plasma quercetin level significantly: Rats fed high-Fe diet had significantly lower plasma quercetin levels than those fed low-Fe or medium-Fe diet. Specifically, the plasma quercetin level of the low-Fe peel powder group (LPP) was about 4 times higher than that of high-Fe peel powder group (HPP). Liver TBARS level was increased with low-Fe or high-Fe diet and decreased with onion flesh ethanol extract or peel diets, regardless of dietary Fe level. Brain 8-isoprostane level was increased with a low-Fe or high-Fe level and decreased markedly by four onion diets with a medium-Fe level, especially flesh powder diet. However, rats fed low-Fe peel diets had a slightly higher level of brain 8-isoprostane than rats fed low-Fe control diet. There was no significant decrease in cellular DNA damage in the kidney and brain tissue among rats fed the onion flesh or peel diets. In the brain tissue, feeding of peel powder with a low-Fe level increased cellular DNA damage. Liver SOD activity of the high-Fe groups was higher than those of the low-Fe or medium-Fe groups. The effect of onion feeding on liver SOD activity differed according to dietary Fe level. Liver SOD activity was decreased with the onion diets with a low-Fe level, whereas it was increased with the onion diets with a medium-Fe level. Liver XO activity was significantly decreased with feeding of onion peel, especially peel ethanol extract. Brain soluble and insoluble amyloid-β protein levels were significantly affected by dietary Fe level. However, there was no significant difference in soluble amyloid-β protein levels among the experimental groups. Rats fed medium-Fe or high-Fe diet had significantly higher insoluble amyloid-βprotein levels than rats fed low-Fe diet. Plasma acetylcholine esterase activity was not significantly affected by dietary Fe level, but by onion feeding. Plasma acetylcholine esterase activity of the onion feeding groups tended to be lower than that of the control groups. Specifically, peel ethanol extract diet lowered plasma acetylcholine esterase activity significantly. Plasma Fe status, as indicated by hemoglobin concentration, plasma Fe level, TIBC level, and degree of transferrin saturation was not changed by dietary treatment. The peel powder diet slightly lowered plasma Fe level and degree of transferrin saturation with a high-Fe level. Liver and brain total Fe levels of the low-Fe groups were significantly lower than those of the medium-Fe or high-Fe groups. Rats fed high-Fe diet had higher liver ferritin levels than rats fed medium-Fe diet. Rats fed low-Fe diet had higher levels of brain ferritin than rats fed medium-Fe diet and even slightly higher levels than rats fed high-Fe diet, although the brain Fe levels of the low-Fe groups were significantly lower than those of the medium-Fe and high- Fe groups. The liver TfR level of the low-Fe groups was significantly higher than that of the medium-Fe and high-Fe groups, while brain TfR level was not significantly affected by any dietary treatment. In conclusion, both low-Fe intake and high-Fe intake were not beneficial to the aged rats in terms of increasing lipid peroxidation, although cellular DNA damage and amyloid-β accumulation were not observed. Onion flesh and peel intake enhanced antioxidative capacity with a medium-Fe and high-Fe level. Onion flesh diets enhanced antioxidative capacity regardless of dietary Fe level by lowering lipid peroxidation in the body and elevating the plasma TAS level. Onion peel diets enhanced antioxidative capacity by lowering the liver TBARS level and liver XO activity and by elevating plasma TAS and quercetin levels. However, onion peel intake should be carefully recommended with low-Fe diet to the elderly population because cellular DNA damage may be increased in the brain. Dietary Fe and onion feedings did not affect plasma Fe status, while low-Fe diet lowered liver and brain total Fe stores. Therefore, a medium-Fe level, which is the requirement, may be suitable for maintaining antioxidative capacity as well as keeping optimal Fe status and onion flesh or peel diet may be beneficial to the elderly population in terms of antioxidative capacity and the prevention of aging process in the brain. ;본 연구에서는 양파육질 및 껍질의 건분과 에탄올추출물의 섭취가 철분으로 산화스트레스를 유도한 노령흰쥐의 항산화능과 철분대사에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 평균체중이 618±6g인 16개월령 Sprague-Dawley종 수컷 흰쥐 120마리를 저철분군(5ppm), 중철분군(35ppm), 고철분군(350ppm)으로 나누고 네 가지의 양파시료를 첨가한 군과 비첨가군으로 나누어 3개월간 사육하였다. 양파 육질 및 껍질의 건분군은 동결건조한 분말을 식이무게의 5%(w/w)로 첨가하였고, 육질 및 껍질의 에탄올추출물군은 식이의 5%에 상응하는 건분을 에탄올로 추출한 후 동결건조하여 식이에 첨가하였다. 우선 양파시료에 함유되어 있는 총 polyphenols, quercetin, β-carotene, vitamin C, α-tocopherol의 함량을 분석하였고 시료의 total antioxidant status (TAS) 수준을 측정하였다. 실험동물의 항산화능 변화를 알아보고자 혈중 TAS, 총 카로테노이드, quercetin 및 isorhamnetin 등 항산화 물질의 수준을 측정하였고, 혈장과 간의 지질과산화물 (thiobarbituric acid reactive substances, TBARS) 함량 및 뇌의 지질과산화물 (8-isoprostanes) 함량을 분석하였고, 신장 및 뇌의 DNA손상 정도(8-hydroxy-2'-deoxyguanosine 농도) 와 적혈구와 간의 superoxide dismutase (SOD) 활성, 혈장과 간의 xanthine oxidase (XO) 활성을 측정하였으며, 뇌의 amyloid-β 단백질 함량 및 혈장내 acetylcholine esterase의 활성을 측정하였다. 실험식이가 철분대사에 미치는 영향을 알아보기 위해 혈중 헤모글로빈, 혈장내 철분, total iron binding capacity (TIBC), 트렌스훼린 포화도 (transferrin saturation, Ts)를 측정하였으며 간과 뇌의 총철분, ferritin 및 transferrin receptor (TfR) 수준을 측정하였다. 네 가지 양파 시료 중 총 polyphenols, quercetin의 함량은 껍질 에탄올추출물이 가장 높았고, 그 다음으로 껍질 건분, 육질 에탄올추출물, 육질 건분의 순이었다. Quercetin을 비롯한 총 polyphenols의 함량에 비하여 항산화비타민인 β-carotene, vitamin C 및 α-tocopherol 의 함량은 매우 낮았다. 양파시료중의 TAS 수준은 껍질 건분 및 껍질 에탄올추출물이 육질 건분 및 에탄올 추출물보다 2배이상 높았다. 일일 평균 식이섭취량은 껍질건분군에서 높았으나 총 체중증가량 및 식이100g 섭취량당 총체중증가량은 모든 실험군간에 유의적인 차이가 없었고 저철분-육질에탄올추출군에서 다소 높았다. 체중 100g 당 장기무게에서도 모든 실험군간에 유의적인 차이가 없었다. 혈장의 TAS 수준은 중철분군이 저철분 및 고철분군들에 비해 유의적으로 높았으며, 양파껍질군들이 대조군보다 유의적으로 높았고 양파시료군들에서 높은 경향을 보였다. 총 카로테노이드 함량은 모든 실험군간에 유의적인 차이가 없었다. 혈장내 quercetin의 수준을 측정한 결과, 식이내 quercetin 함량이 가장 높았던 껍질 건분군의 혈장내 quercetin 수준이 가장 높았으며 그 다음으로 껍질 에탄올추출물 건분군에서 높았다. 또한 식이 철분수준이 낮을수록 혈장내 quercetin 수준이 높았는데, 따라서 저철분-껍질건분군 (LPP) 의 혈중 quercetin 수준이 가장 높았다. 혈장의 TBARS함량은 혈장의 경우 양파시료의 첨가에 따라 달라서 육질 건분군이 대조군에 비해 유의적으로 낮았으며 철분수준에 의한 영향은 유의적은 아니나 중철분군보다 저철분 및 고철분군들에서 높았다. 간내 TBARS함량은 식이 철분수준 및 양파의 섭취에 따라 유의적으로 달라서 저철분군에서 가장 높았고, 중철분군에서 가장 낮았다. 그리고 대조군에 비하여 양파육질에탄올추출군, 껍질건분 및 에탄올추출군에서 유의적으로 낮았다. 뇌의 지질과산화물 측정을 위해 8-isoprostane을 측정한 결과, 저철분 및 고철분군들의 8-isoprostane 함량이 현저히 증가하였고, 중철분군들에서는 네 가지 양파시료의 섭취로 감소하였으며 저철분군들에서는 껍질 건분 및 에탄올추출군에서 대조군에 비해 유의적은 아니지만 다소 높은 것으로 나타났다. 신장조직의 8-OHdG 수준은 모든 실험군간에 유의적인 차이는 나타나지 않았으나 저철분군이 중철분 및 고철분군에 비하여 낮은 경향을 보였으며 양파시료의 섭취로 감소되는 경향을 보였다. 뇌의 8-OHdG 수준은 중철분 및 고철분군에서는 대조군에 비하여 네 가지 양파시료의 섭취시 낮은 경향을 보였으며 특히 저철분군에서는 양파시료섭취에 따른 영향이 달리 나타나서 껍질 건분의 섭취는 대조군에 비해 8-OHdG 수준을 오히려 증가시키는 것으로 나타났다. 적혈구내 SOD 활성은 식이인자에 의한 유의적인 영향은 아니나 고철분-대조군에서 가장 높았으며 저철분-껍질에탄올추출군, 고철분-껍질건분군 및 에탄올추출군에서 다소 낮았다. 식이인자에 의한 영향은 적혈구 보다는 간의 SOD 활성에서 보다 뚜렷하여 저철분 및 중철분군에 비하여 고철분군에서 유의적으로 높았으며, 양파시료의 영향은 식이철분수준에 따라 다르게 나타나서 중철분군에서는 양파시료의 섭취로 활성이 다소 증가하였던 반면, 저철분 및 고철분군들에서는 효소활성이 대조군에 비해 오히려 감소하는 경향을 보였다. 혈장내 XO 활성은 고철분군에서 유의적으로 감소하였으며 양파 시료의 섭취에 따른 영향은 나타나지 않았다. 그러나 간에서의 XO 활성은 고철분군에서 유의적으로 높았으며 양파시료의 영향이 유의적으로 나타나서 껍질 에탄올추출군이 XO 활성이 대조군에 비하여 현저하게 낮았다. Amyloid-β protein의 함량을 측정한 결과, soluble 형태의 함량은 모든 실험군간에 유의적인 차이는 나타나지 않았으나 고철분군에서 다소 높은 경향이었으며, insoluble 형태의 함량은 중철분 및 고철분군들에서 저철분 군에 비하여 유의적으로 높았으나 양파시료의 첨가에 따른 차이는 없었다. 뇌의 acetylcholine esterase의 활성정도를 반영하는 혈장내 acetylcholine esterase의 측정 결과, 모든 실험군간에 유의적인 차이는 없었으나 양파시료의 섭취로 낮아지는 경향을 보였다. 혈중 헤모글로빈, 혈장내 철분, TIBC 및 트렌스훼린 포화도 수준은 모든 실험군간에 유의적인 차이가 없었다. 다만 고철분군에서 껍질건분군 (HPP) 의 트렌스훼린 포화도 및 혈장내 철분수준이 다소 낮았으나 유의적이지는 않았다. 간과 뇌조직의 철분함량은 저철분군에서 유의적으로 낮았으나 고철분군은 중철분군에 비하여 차이가 없었다. 간의 ferritin 함량은 고철분 군에서 유의적으로 높았으며 뇌의 ferritin 함량은 모든 실험군간에 유의적인 차이는 없었으나 저철분군에서 양파 껍질 건분 및 에탄올추출물의 섭취시 높은 경향을 보였다. 간의 TfR 수준은 식이철분수준의 영향이 나타나서 저철분군에서 증가하였으며 양파시료에 따른 영향은 없었다. 뇌의 TfR수준은 모든 실험군간에 유의적인 차이가 없었다. 결론적으로 식이 철분수준이 노령쥐의 항산화능에 미치는 영향을 살펴보면, 저철분 및 고철분 식이의 섭취는 신장 및 뇌의 DNA의 손상과 뇌의 amyloid-β 단백질의 축적에는 영향을 미치지 않더라도 지질과산화물을 증가시킴으로써 항산화능을 저하시킬 수 있으므로 권장량에 해당하는 수준(35ppm)의 철분 섭취가 노인기의 산화적 손상을 방지하기 위해 권장될 수 있다고 사료된다. 식이내 5%(w/w) 수준으로 양파시료를 공급하였을 때 육질시료의 경우에는 식이철분수준이 권장량보다 낮거나 혹은 높은 경우에도 혈장, 간 및 뇌의 지질과산화물을 감소시켰고 혈장내 TAS 수준을 증가시켰으며 껍질 시료의 경우에는 혈장내 TAS 및 quercetin 수준을 유의적으로 증가시킴으로써 간의 지질과산화물과 xanthine oxidase의 활성을 감소시켜 노령쥐의 항산화능을 증진시켰다. 그러나 혈중 quercetin 수준이 가장 높았던 껍질건분식이는 권장량의 14%에 해당하는 낮은 철분 식이섭취와 병행될 때 뇌조직과 같은 산화적 스트레스에 민감한 조직에서는 오히려 산화스트레스를 증가시킬 가능성을 나타내었다. 철분대사의 측면에서는 저철분 및 고철분의 섭취는 혈중 철분관련지표에는 유의적인 영향을 미치지 않더라도 간 및 뇌 등의 조직내 철분수준의 증감을 유도할 수 있으므로 권장량 수준의 철분섭취가 노인기의 체내 철분수준의 유지에 적절하다고 생각된다. 또한 본 연구에서 사용한 식이내 5% 수준의 양파 시료의 공급은 노령쥐의 철분대사에는 유의적인 영향을 미치지 않았다. 따라서 양파의 육질 및 껍질 부위는 뇌를 비롯하여 체내 항산화능 증진을 위한 식물자원으로서 활용 가능하며 이와 같은 양파시료의 섭취와 함께 권장량에 해당하는 철분을 섭취하는 것이 노인기의 건강증진 및 노화방지에 도움이 될 것으로 사료된다.