The effects of alternative sweeteners, phyllodulcin, leucrose, and turanose, on metabolic diseases and inflammatory disease in vivo and in vitro

Abstract

In recent years, the prevalence and incidence of metabolic diseases, including type 2 diabetes (T2D) and obesity, and inflammatory bowel disease (IBD) have been increased. High intake of foods containing sugar is the one of risk factors for obesity, T2D, and IBD. Thus, it is important to develop alternative sweeteners that can reduce sugar intake. There are two types of alternative sweetener, high-intensity sweeteners and low-intensity sweeteners. Previous studies have shown that high-intensity sweeteners, particularly artificial sweeteners such as aspartame and saccharine, have a controversial effect on metabolic diseases. Phyllodulcin is one of isocumarin derivatives from Hydrangea and is well-known as a high-intensity sweetener with no calorie. Many functional effects of Hydrangea leaf extracts and its derivatives have been reported, including anti-ulcer, anti-diabetic, and anti-fungal effects. However, the effect of phyllodulcin as a single substance of hydrangea is insufficient in metabolic diseases. Thus, we evaluated the effects of phyllodulcin on metabolic diseases using db/db mice and high-fat diet-induced mice models, which are representative metabolic diseases model of obesity and T2D. As a result, phyllodulcin, a natural high-intensity sweetener, alleviated obesity and T2D alterations by regulating the progression of non-alcoholic liver disease (NAFLD), glucose homeostasis, and fat accumulation. Several studies have reported the effect of low-intensity sweeteners on metabolic and chronic diseases. In particular, sucrose isomer has been reported to have an effect on metabolic diseases by reducing blood glucose levels and plasma TG levels in spite of only difference of structure between sucrose (O-α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside) and sucrose isomers. However, there is a lack of research on inflammatory diseases of sucrose isomers. Leucrose (D-glucosyl-α(1-5)-D-fructopyranose) and turanose (D-glucopyranosyl-α(1-3)-D-fructopyranose) are sucrose isomers and have less than 50% sweetness of sucrose. These sucrose isomers are already confirmed to regulate fat accumulation in 3T3-L1 adipocytes. In the present study, we demonstrated the effect of leucrose and turanose as sucrose substitutes on inflammatory diseases using dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis mice model. As a result, sucrose isomers, leucrose and turanose, attenuated the inflammation-related metabolic dysfunctions by reducing inflammatory responses. Thus, these results suggest the potential therapeutic benefit of these sweeteners, phyllodulcin, leucrose, and turanose, as alternative sweeteners by reducing sucrose intake.;비만과 당뇨병은 대표적인 대사질환으로 수십 년 동안 전 세계적으로 급증하고 있는 대표적인 질병이다. 이와 더불어, 염증성 장질환은 설사와 혈변이 계속되는 질환으로, 대표적으로 궤양대장염(ulcerative colitis)과 크론병(Crohn's disease)이 있다. 염증성 장질환의 유병률 또한 전세계에서 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 질병들의 원인 중 하나로 지목되고 있는 것이 설탕의 섭취이다. 따라서 설탕의 섭취를 줄이고 대사질환 및 염증성 장질환을 완화시킬 수 있는 대체 감미료를 개발하는 것이 중요한 과제이다. 본 연구에서는 제2형 당뇨병 모델 마우스를 이용하여 필로둘신에 의한 간에서의 지방축적 및 혈당 조절기전을 입증하고자 하였다. 필로둘신은 10 또는 20 mg/kg 몸무게를 기준으로 경관급식(gavage)을 통하여 마우스에게 4주 동안 공급하였다. 제2형 당뇨병 모델 마우스에서 필로둘신의 투여로 식이 및 식수 섭취량이 유의적으로 감소하는 것을 관찰하였으며, 공복혈당, 당화혈색소 및 혈중 중성지방 수치 또한 유의적으로 감소하였다. 간 조직에서의 비알콜성 지방간의 발달에 영향을 미치는 지방생성, 염증성 사이토카인, 산화적 스트레스 및 섬유화 기전이 모두 필로둘신 투여군에서 조절되는 것을 관찰하였다. 이와 더불어, 필로둘신 투여군에서 제2형 당뇨병군에 비하여 간에서의 당신생합성의 저하도 확인하였다. 또한, 6주 동안 60% 고지방식이를 투여하여 비만이 유도된 마우스에 필로둘신을 20 또는 40 mg/kg 몸무게를 기준으로 7주 동안 가바지로 공급한 연구에서는 고지방식이군에 비하여 필로둘신 투여군에서 피하지방의 무게와 혈중지질수치가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 혈청에서의 렙틴, 아디포넥틴 및 공복혈당의 수치가 비만유도군에 비하여 유의적으로 개선되는 것을 관찰하였다. 더불어 에너지 소비를 촉진하여 항비만효과를 나타내는 백색지방의 갈색지방화(fat browning)의 유전자 발현이 피하지방에서 비만유도군에 비하여 유의적으로 높게 확인되었다. 갈색지방화에 관여하는 시상하부의 brain-derived neurotrophic factor-tropomyosin receptor kinase B (BDNF-TrkB) 기전의 단백질 발현 또한 증가하는 것을 확인 하였다. 이 연구를 통하여, 필로둘신이 간에서의 지질 및 당 대사를 개선시키고, 피하지방의 백색지방을 갈색지방으로 변화를 유도함을 밝혔다. 이는 필로둘신이 비만 및 당뇨 질환의 예방 및 진행에 도움을 주는 고감미 감미료로서 활용될 수 있는 증거를 제시한다. 더불어 설탕의 이성질체인 류크로즈의 염증성장질환에서의 항염증 효과를 평가하기 위하여, Dextran sulfate sodium (DSS)로 염증성장질환을 유도한 마우스에 식이 중에서 설탕의 25% 또는 50%를 류크로즈로 대체하여 공급하였다. 류크로즈 투여군에서 disease activity index (DAI)가 감소하고, 대장길이 및 염증성 마커인 myeloperoxidase (MPO)가 개선되는 것을 확인하였다. 또한, 대장에서의 염증성 사이토카인 및 단백질 마커들이 류크로즈 투여군에서 감소하는 것을 관찰하였다. 대장 대식세포의 M2 타입 변화 마커가 류크로즈 투여군에서 증가하는 것을 보였다. 이는 대식세포인 Raw 264.7 세포에서 미디어의 포도당함량 중 25% 또는 50%를 류크로즈로 대체하였을 때에도 M2 타입의 마커 발현이 증가하는 동일한 결과가 나타났다. 이와 더불어 염증성장질환에서 증가하는 문(phylum)분류에서 대장미생물인 Verrucomicrobia가 유의적으로 감소하는 것을 확인하였다. 또다른 설탕의 이성질체인 튜라노즈의 염증성장질환에서의 항염증 효과를 평가하였다. DSS로 염증성장질환을 유도한 마우스에 식이 중에서 설탕의 25% 또는 50%를 튜라노즈로 대체하여 공급하였다. 튜라노즈 투여군에서 DAI가 감소하고, 대장길이 및 MPO 활성도가 개선되는 것을 확인하였다. 대장에서 염증성장질환에서 증가하는 micro RNA-21과 히스톤아세틸레이션이 튜라노즈 투여군에서 유의적으로 감소하는 것을 확인하였다. 이와 더불어, 대장에서의 염증성 사이토카인의 mRNA 및 염증성 단백질 발현들이 튜라노즈 투여군에서 감소하는 것을 관찰하였다. 위의 설탕 이성질체 연구에서 류크로즈가 대장에서의 염증관련인자들을 감소시키고 대장 대식세포의 M2 타입으로의 분화를 유도하여 염증성장질환을 개선시켰으며, 튜라노즈가 miR-21과 히스톤아세틸레이션을 조절하여 염증성장질환의 증상을 개선시킴을 확인하였다. 따라서 류크로즈와 튜라노즈 모두 설탕 대체제로서 염증성장질환으로 인해 변형된 대사작용들의 회복을 높여 관련 질병들을 예방 및 치료할 수 있는 잠재력이 있는 것으로 사료된다.