A multitarget mechanism of mistletoe phytochemicals in suppressing age-related muscle weakness and atrophy

Abstract

Sarcopenia is a gradual loss of skeletal muscle mass and function with aging, leading to negative health outcomes and poor quality of life. For almost two decades, many studies have been studied to demonstrate the effects of nutritional supplementation, especially protein, amino acid, and vitamin D, for the management of sarcopenia. Recently, plant-based foods have received attention as treatment sources to attenuate loss of muscle mass and strength in older adults due to the presence of phytochemical components. Phytochemicals are increasingly considered to play a key role in the beneficial health effects through the interaction of multiple components in botanical foods. Therefore, the first aim of this study is to provide an overview of the most relevant data reported in the literature on dietary phytochemicals that inhibit the age-related loss of muscle mass and strength and to examine the methodologies used to evaluate the impact on muscle health in older adults. The secondary aim of this study is to identify the synergistic actions of phytochemicals and molecular multi-target mechanisms in suppressing age-related muscle weakness and atrophy by applying innovative strategy to perform systems biological network analysis and correlation analysis using multi-omics data obtained from a comprehensive clinical study.;고령화 사회로 진입하면서 노인들의 근육량, 근력 및 신체활동능력의 감소는 점차 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 근감소증은 근육량과 근육강도의 소실로 정의되며, 이는 낙상 및 골절 위험의 증가, 심폐기능 감소, 대사증후군 및 인슐린 저항성 증가로 이어진다. 근감소증은 다양한 위험요인과 메커니즘에 의해 발전되나, 신체활동 부족, 알코올 섭취, 흡연 및 영양부족 등 중재 가능한 생활양식 및 영양요소에 의해 악화될 수 있다고 보고된다. 특히, 최근에는 식물성 식품에 함유되어 있는 생리활성물질이 노인의 근육량 유지 및 근력 향상에 도움을 줄 수 있는 성분으로서 주목받고 있다. 따라서 본 연구에서는 첫번째로 식물생리활성물질의 근육량, 근력, 및 신체활동능력 개선 효과를 확인하는 임상연구의 최신 동향을 검토하고 체계적인 문헌고찰 및 메타 분석을 통해 효능을 확인하고자 하였다. 두번째로는 그 중 노화로 인한 근육의 약화와 위축을 억제하는 효과가 있는 겨우살이 식물생리활성물질의 다중타겟 작용기전을 오믹스 데이터를 이용한 타겟 네트워크 및 신호전달 경로 분석으로 규명하고자 하였다. 식물생리활성물질의 메타분석을 위해 MEDLINE, Cochrane library, Web of science 및 KoreaMed에서 문헌을 검색하였으며, 확인된 자료 305건 중 선정/제외 기준에 부합되는 14건의 연구를 선별하였다. 선정된 연구들은 총 528명의 건강한 노인 대상자를 포함하고 있으며 연령대는 49.8세에서 80.2로 분포되어 있었다. 교차설계 연구 1건을 제외한 13건의 연구가 모두 평행설계로 디자인되었다. 식물생리활성물질이 노인의 근력에 미치는 효과크기는 손악력의 경우 0.90 kg으로 산출되었으며, 신체활동능력에 미치는 효과크기는 일어서서 걷기 검사 (TUG), 의자에서 일어나기 (30SCST), 6분보행검사 (6MWT)가 각각 -0.50 초, 2.73 회, 29.36 m으로 산출되어 근력과 신체활동능력 지표에서 식물생리활성물질이 효과가 있음을 확인하였다. 본 메타분석을 통해 식물생리활성물질의 근력, 근육량 및 신체활동능력에 대한 효과를 확인하였으나, 식물에 함유되어 있는 생리활성물질은 다양하고 타겟 기전 또한 복잡한 경로를 거쳐 이루어지므로 이러한 다중타겟 작용기전에 대한 연구의 중요성을 함께 시사하였다. 이에 따라 본 연구에서는 노화로 인한 근육의 약화와 위축을 억제하는 효과가 있는 겨우살이추출물의 생리활성물질 및 오믹스 분석을 통해 다중타겟 작용기전을 규명하고자 하였다. 평행설계, 무작위 배정, 이중맹검, 대조식품 비교를 통해 겨우살이추출물을 12주간 섭취한 연구에서 혈액 샘플을 채취하여 (n=10/group) Affimetrix microarray와 GC-TOF-MS를 이용하여 말초혈액의 전사체와 혈장에서의 대사체 분석을 진행하였다. Orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA)와 student’s t-test 분석을 통해 겨우살이군에서 유의적으로 차이를 보인 22개의 대사체와 70개의 전사체를 선별하였다. 선별된 오믹스 마커들은 두 가지 전략을 통해 타겟-신호전달경로 네트워크를 구축하고자 하였다. 먼저 오믹스 마커들 중 유의적인 상관관계가 있는 81개의 마커들을 Pearson 상관분석을 통해 선별하였다 (∣r∣ ≥ 0.7, p <0.05). 한편, 생물학적 빅데이터 기반의 가상인체모델 시스템인 CODA를 활용하여 겨우살이에 함유되어 있는 19개의 활성성분 및 선별된 오믹스 마커들을 모두 CODA에 매핑하여 천연물-성분-타겟-표현형으로 구성된 4단계 네트워크를 구축하였다. 결과적으로 Pearson 상관분석을 통해 얻은 81개의 타겟과 CODA 네트워크를 통해 얻은 1,881개의 타겟 중 교집합에 해당하는 31개의 타겟을 이용하여 Kyoto Encyclopedia Genes and Genomes (KEGG) 데이터베이스를 이용해 타겟이 영향을 주는 신호전달경로를 탐색하였다. 분석 결과, 겨우살이 성분들이 MTOR, IGF1R, 및 RPS6KB1의 발현을 증가시킴으로써 단백질 합성에 영향을 끼쳤으며, PTEN 및 TSC2의 발현을 감소시킴으로써 단백질 분해에 영향을 끼쳤음을 확인하였다. 또한 IRS1, INSR, 및 GSK3A의 발현을 증가시킴으로써 제2형 당뇨, 인슐린 저항성, 비알콜성 지방간 등의 내분비계 대사질환과도 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 또한 palmitic acid, palmitoleic acid와 같은 지방산을 조절함으로써 지질대사에도 관여하는 것을 알 수 있었다. 본 연구는 노화로 인한 근육의 약화와 위축을 억제하는 효과가 있는 겨우살이 식물생리활성물질의 다중타겟 작용기전을 오믹스 데이터를 이용하여 규명한 첫 번째 연구라는 점에서 의의가 있으며, 추후 분석에서는 단백질체 및 메타게놈 등 다양한 오믹스 분석을 통해 더욱 정교하고 자세한 작용 매커니즘을 규명할 수 있을 것으로 기대된다.