Combination of Agastache rugosa and voluntary wheel running exercise protects from sarcopenia in aged mice

Abstract

배초향(AR)은 항산화 및 항염증 기능을 가진 다양한 폴리페놀을 함유하고 있어, 동아시아에서 치료제로 흔히 사용되고 있다. 하지만 골격근에서의 AR의 효능은 아직 많이 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 자발적인 휠 달리기 운동(VWR)을 수행하고 AR을 섭취하는 것이 노화로 인한 골격근의 근감소증 개선에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 2주간의 적응 기간 후, 40주 령 된 수컷 C57BL/6J 마우스를 대조군(CON), AR 저용량 섭취 군(ARL, 100 mg/kg/일), 고용량 섭취 군 (ARH, 200 mg/kg/일), 운동군(EXC), 그리고 운동과 AR 고용량 섭취를 함께한 군 (EXH)의 5개 그룹으로 나누었다 (n=8). AR 투여 그룹은 4주 동안 경구 투여로 AR 추출물을 공급받았고, 그렇지 않은 군에게 같은 자극을 주기 위해 동일한 양의 증류수를 경구 투여하였다. 운동 군에서 달린 횟수는 카운터 기계를 사용하여 매일 모니터링하였다. 노령 mouse에서 근감소증 조절에 대한 AR과 VWR의 효과를 조사하기 위해 근육 조직의 표현형과 분자 및 조직학적 특성을 평가하였다. 그 결과 고용량 AR은 장딴지 근육의 무게를 효과적으로 증가시킴을 알 수 있었다. 특히, 운동만 했을 경우에는 눈에 띄는 차이가 없었으나, AR 공급과 VWR을 함께할 경우 근육 무게가 크게 늘어났다. 또한, 유전자 레벨에서 AR과 VWR의 효과를 분석해 보았다. 노화 시 골격근에서 속근이 매우 빠르게 감소하여 근 감소증의 주요 요인으로 작용하는데, AR과 VWR의 결합은 이러한 속근 섬유의 유전자 발현을 증가시키는 것을 확인하였다. 이는, 조직학적 분석을 통해 근육의 단면적을 측정한 결과에도 영향을 미친 것으로 보인다. AR과 VWR을 병용했을 때 대퇴 사두근과 장딴지 근육 모두에서 가장 효과적으로 근육 단면적이 넓어짐을 확인하였다. 위의 결과들을 통해, AR 공급과 VWR 결합 시 근육 비대의 가능성을 확인하였다. 그뿐만 아니라, AR과 VWR은 각각 CON 군에 비하여 근육 위축을 촉진하는 FOXO1의 활성화를 방해하여 핵으로의 이동을 막아 근감소 억제에 영향을 주었다. 또한, AR 및 VWR은 FOXO3a와 그의 하위 인자인 MuRF-1의 단백질 발현도 억제하였다. 하지만, AR 투여와 VWR을 함께한 경우에 이를 더욱 효과적으로 억제하는 양상을 보였다. 그뿐만 아니라, VWR은 운동으로 인한 단백질 전환 현상으로 인해 MuRF-1과 Atrogin-1, 그리고 myostatin의 유전자 발현을 상당히 증가시켰다. 하지만 운동을 하면서 AR을 공급받은 경우 이러한 단백질 전환 현상이 극복되어 EXH 군에서 위의 유전자 발현이 EXC 군에 비해 상당히 줄어듦을 확인하였다. 대조적으로, EXH 그룹은 mTOR 경로의 하위 기질인 p70S6K의 단백질 활성화를 증가시켜 근육 비대에 관여하는 경향성을 보여주었다. 또한 고용량 AR 투여 및 VWR은 근육의 분화 및 성숙을 촉진하는 myogenin의 유전자 발현을 증가시켰으나, AR 섭취와 VWR을 함께 할 경우에 더욱 증가함을 확인하였다. 종합해 보면, VWR은 근육 합성을 촉진하지만, 단백질 전환으로 인한 근육 감소를 극복하지 못했고, 고용량의 AR 섭취만으로도 근육 위축을 막을 가능성이 있지만, AR과 VWR을 함께한다면 단백질 전환으로 인한 근육 분해를 억제하는 동시에 근육 합성을 AR만 섭취할 때 보다 더욱 효과적으로 증가시켰다. 결론적으로 AR 투여와 VWR을 결합하는 것은 노화로 인한 근감소증 치료에 유망한 후보가 될 수 있을 것으로 사료된다. ;Agastache rugosa (AR) is commonly used as a treatment in East Asia and contains a variety of polyphenols, but its efficacy in improving sarcopenia is unknown. The aim of this study was to investigate the effects of AR combined with voluntary wheel running exercise (VWR) on improving sarcopenia in aged skeletal muscle. After 2 weeks of acclimation period, male 40-week-old C57BL/6J mice were divided into five groups (n=8/group): control (CON), Low-dose AR-treated (ARL, 100 mg/kg/day), High-dose AR-treated (ARH, 200 mg/kg/day), exercise (EXC), and EXC + ARH (EXH) group. AR-treated groups were fed AR extract by oral administration for 4 weeks. The daily wheel running distance was monitored using a counter machine. To investigate the additive effect of AR supplementation and VWR on modifying sarcopenia in aged mice, the molecular and histological characteristics of muscle tissues were evaluated. Although each AR and VWR were likely to increase muscle mass and size of the muscle fibers, the combination of AR and VWR had a greater effect on muscle hypertrophy. The reduction of fast-type muscle fiber, one of the main factors of sarcopenia, was effectively altered by combining AR with VWR (p < 0.05). EXH significantly hindered the activation of FOXO factors, which promotes muscle atrophy. EXH effectively reduced protein expression of FOXO3a (p = 0.0036) and considerably down-regulated the relative gene expression of its downstream targets, MuRF-1(p = 0.0062) and Atrogin-1(p = 0.0045) in skeletal muscle. Also, AR and VWR inhibited the activation of FOXO1 in the skeletal muscle nucleus. In contrast, EXH group had a tendency to increase the protein expression of p-p70S6K, a substrate of the mTOR pathway, regulating muscle hypertrophy. In addition, AR and VWR increased gene expression of Myogenin (p = 0.0001), which promotes muscle maturation. Taken together, AR supplementation alone could prevent muscle atrophy, and had potential to promote hypertrophy. In addition, even though VWR alone did not overcome the protein turnover, combination of AR with VWR suppressed muscle degradation due to protein turnover, while increasing muscle synthesis. Therefore, supplementation of AR together with VWR could be a promising candidate for alleviating sarcopenia during aging.