Effects of D-Psicose on Glucose and Lipid Metabolism

Abstract

D-Psicose (D-ribo-2-hexulose), a C-3 epimer of D-fructose, is known as a "rare sugar" present in small quantities in nature. It currently became commercially available through the hydrolysis and isomerization of sucrose. Several researchers suggest that D-psicose decreases fat accumulation, however the underlying mechanism has not yet been investigated. In experiment Ⅰ, there was an investigation on the direct effects of D-psicose on adiposity as well as hyperlipidemia in Sprague-Dawley (SD) rats fed high-fat (HF) or high- fructose (HFC) diets. Food intake, body weight, fat accumulation, adipokine level, and mRNA levels of the lipid metabolism related genes were determined after an administration of experimental diets for 15 weeks. Body weight and fat accumulation were significantly reduced in rats fed D-psicose compared to the control group. On the other hand, the effect of D-psicose on insulin sensitivity and adipokines release were also investigated. Plasma concentration of insulin, C-peptide, and leptin were significantly decreased (P<0.05) in the D-psicose group compared to the control group. Also, HOMA-IR was significantly decreased in the D-psicose group compared to the control group. We investigated mRNA levels of fatty acid oxidation and lipogenesis related genes. In experiment Ⅱ, it was postulated that D-psicose might inhibit sugar uptake selectively at the intestinal level given that the intestine has unique distribution of glucose transporters compared to other organs. The inhibitions of D-psicose on 2-deoxyglucose (DG) or fructose uptake were compared in various cells such as Caco-2 (intestine), HepG2 (liver), 3T3-L1 (adipose tissue), C2C12 (muscle), AtT20 (pituitary), and LLC-PK1 (kidney) cells, showing selective inhibition on the Caco-2 and LLC-PK1 cells. Silencing of each gene coding for facilitated glucose transporters revealed that GLUT2 and GLUT5 were target glucose transporters for the inhibition of D-psicose on glucose and fructose uptakes. Other glucose transporters including GLUT1 and GLUT3 were unaffected by D-psicose. D-Psicose inhibition was more potent for the fructose uptake than for the glucose uptake but both showed dose-dependency. The involvement of GLUT2 was confirmed by using the GLUT2 overexpressed pituitary cell system. Furthermore, to test the physiological relevance of in vitro findings, an oral glucose tolerance test (OGTT) was performed in SD rats by concomitant administration of maltose (glucose + glucose) or sucrose (glucose + fructose) with D-psicose in various ratios. D-psicose showed higher potency for sucrose loading, showing significant reduction in the maximum concentration of blood sugar at 30 min (P=0.0002). Taken together, these novel findings add evidence that the co-administration of D-psicose with fructose and/or glucose selectively inhibit sugar absorption via GLUT2 or GLUT5. However, the circulating D-psicose may not give any further inhibition on glucose uptake in other organs related to glucose and lipid metabolism. We suggest that D-psicose may be useful as a new sugar substitute and food ingredient in the obesity epidemic through limitation of intestinal energy access. These results suggest that D-psicose could prove to be a superior sugar substitute.;본 연구에서는 D-psicose가 구조적으로 유사한 포도당 또는 과당과 함께 흡수될 때 glucose uptake 경로(transporter)를 in vitro 실험에서 확인하였으며, 대사적으로 중요한 기관인 간, 근육, 지방, 뇌, 신장조직의 cell line을 사용하여 glucose uptake inhibition을 확인하였다. 또한, 생물학적인 동등성을 확인하기 위해, 고지방 및 고과당 식이를 섭취한 흰쥐에서 D-psicose의 효능을 확인하였다. 선행 연구를 근거로 하여, 중요한 대사 조직인 간과 지방조직에서 지방축적 정도를 확인 시 간세포(HepG2) cell 에서 지방산의 overloading을 유도하였을 때, glucose, fructose 및 D-psicose의 fat accumulation을 확인하였으나, 각 군당 유의적인 차이가 없었다. 또한 지방 세포(3T3-L1)에서 D-Psicose를 다양한 농도(0, 5, 10, 20 mM)에서 지방 분화를 확인한 결과 각 군당 유의적인 차이가 없는 것을 확인하였다. In vivo에서는 D-psicose를 식이에 혼합하여 공급하였다. 고지방식이군(총 에너지의 60%를 지방)에 0, 2.5, 5, 7.5% D-psicose를 함께 총 15주간 사육하였다. 실험 종료 후, 7.5% D-psicose 섭취군에서는 체중과 지방조직의 무게가 유의적으로 감소하였다. 이로 인해 지방세포에서 생성 및 분비되는 호르몬인 렙틴 또한 혈중 농도 및 지방조직의 렙틴 유전자 발현 모두 유의적으로 감소하였다. 또한 비만에 간접적으로 영향을 주는 혈중 인슐린 농도는 유의적으로 감소한 반면 지방조직의 인슐린 수용체의 유전자 발현이 유의적으로 증가하였다. 이와 함께 인슐린 저항성을 나타내는 HOMA-IR도 유의적으로 감소하였다. 그 외에도 간조직(SREBP-1c, ACC, G6PD, FAS, PPARa, CPTa, ACO) 과 지방조직(PPARr, SREBP-1c, ACO, CPTa, HSL)에서 확인한 결과 유의적인 차이는 없었으나, 간에서는 지방 합성과 관련된 효소인 FAS가 감소하는 경향을 보였으며, 지방 산화와 관련된 효소인 CPT와 ACO가 증가하는 경향을 보였다. 지방 조직에서는 지방산화와 관련된 효소인 HSL와 CPTa가 증가하는 경향을 보였다. 고과당식이 (총식이 무게의 58%를 과당)에 D-psicose를 0 또는 5% 식이에 혼합하여 15주간 사육하였다. 실험 종료 후, 5% D-psicose 섭취군은 체중 및 지방조직의 무게가 감소하였으며, 이로 인해 지방세포에서 생성 및 분비되는 호르몬인 렙틴 또한 혈중 농도와 지방조직의 유전자 발현 모두 유의적으로 감소하였다. 또한 혈중 인슐린 농도가 유의적으로 감소한 반면 지방조직의 인슐린 수용체의 유전자 발현은 유의적으로 증가하였다. 이에 따라 인슐린 저항성을 나타내는 지표인 HOMA-IR과 C-peptide 농도 또한 유의적으로 감소하였다. 간에서 aldolase 활성도가 증가하는 경향이 나타났는데 이로 인해, 포도당의 생성이 증가하였음에도 불구하고, 간 및 근육의 글리코겐의 함량에는 차이가 없는 것으로 나타났다. 지방 조직에서 초기 염증지표인 MCP-1의 유전자 발현이 감소하는 경향을 보였다. 혈액, 간, 및 분변의 지질 농도에는 변화가 없었으며, Adiponectin 및 resistin, TNFa, IL-6에는 변화가 없었다. 그 외에도 간조직(SREBP-1c, ACC, G6PD, FAS, PPARa, CPTa, ACO) 과 지방조직(PPARr, SREBP-1c, ACO, CPTa, HSL)에서 확인한 결과 유의적인 차이는 없었으나, 간에서는 지방 합성과 관련된 효소인 ACC가 감소하는 경향을 보였으며, 지방 산화와 관련된 효소인 ACO가 증가하는 경향을 보였다. 지방 조직에서는 지방산화와 관련된 효소인 HSL가 증가하는 경향을 보였다. In vitro 실험에서는 D-psicose가 구조적으로 유사한 포도당 및 과당과 함께 섭취 시, 체내 흡수율에 미치는 영향을 알아 보기 위해, Caco-2 cell을 이용하여 glucose uptake inhibition 실험을 하였다. 그 결과, 포도당과 과당 모두 흡수를 저해하였으며, 구조적으로 유사한 과당의 흡수를 더 크게 저해시키는 것으로 확인하였다. 간(HepG2), 근육(C2C12), 지방(3T3-L1), 뇌(AtT20), 신장(LLC-PK1)의 세포계(cell line)에서 glucose uptake inhibition을 확인한 결과에서는 포도당과 과당의 흡수를 저하하지 않았다. 이는 D-psicose가 특정 transporter를 이용하여 흡수될 것으로 사료되어, 이를 확인하기 위하여, siRNA 실험기법을 이용해 특정 glucose transporter (GLUTs; GLUT 1, 2, 3, 5)를 knockdown시킨 후, glucose uptake inhibition test를 통해 특정 GLUT의 이용 여부를 확인하였다. 또한 GLUT2 overexpression cell line인 AtT20ins를 이용해 uptake inhibition을 확인한 결과, glucose와 fructose uptake가 모두 소폭 감소하였으며, 감소폭은 과당이 더 큰 것으로 확인되었다. 생물학적인 연관성을 확인하기 위하여, 4주령의 수컷 흰쥐를 대상으로 내당능장애 검사를 진행하였다. 이 때, maltose (2g/kg BW) 또는 sucrose(2g/kg BW)와 함께 D-psicose (0, 0.5, 1, 2g/kg BW)를 공급한 후, 0, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180분 동안 혈당을 확인하였다. 그 결과, D-psicose의 함량에 따라, maltose군에는 변화가 없었으나, sucrose와 D-psicose 혼합 섭취군과 sucrose 단독 섭취군을 비교하였을 때, 경구투여 30분 후의 혈당과 peak height가 유의적으로 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과들을 통해 D-psicose에 의해 체중 및 지방조직 무게의 감소와 이에 따른 렙틴과 인슐린 분비 감소는 흡수된 D-psicose가 기능을 나타내는 것이 아니라, 포도당과 과당의 흡수를 저하시켜 체내 지방 생성을 감소시킬 가능성이 있는 것으로 나타났으며, D-psicose는 장내에서 당류의 흡수를 저해함으로써 비만을 예방하기 위한 새로운 당 대체물로써 유용할 것으로 사료된다. 추후 연구에서는 동물 및 인체를 대상으로 D-psicose가 포도당 및 과당과 함께 섭취 시, 흡수 및 배설과 관련된 bioavailability 실험이 이루어져야 할 것으로 보인다.