Stearidonic acid-enriched oil attenuates inflammation and promotes mitochondrial biogenesis in obese rats

Abstract

n-3 polyunsaturated fatty acids （n-3 PUFAs） are well known for their anti-obesity and anti-inflammatory properties. Among them, stearidonic acid （SDA） exhibits a higher conversion efficiency to eicosapentaenoic acid （EPA） than α-linolenic acid （ALA）, suggesting its potential to confer superior metabolic benefits. However, the effects of SDA on obesity-related metabolic dysfunction remain poorly understood. This study aimed to evaluate the effects of SDA on inflammation and mitochondrial biogenesis in obese rats. For this purpose, SDA-enriched oil （SO） was produced from SDA-rich ahiflower seed oil （AO） via Candida rugosa lipase–catalyzed hydrolysis, which increased the SDA content by approximately 2.1-fold. The metabolic effects associated with increased SDA content were evaluated by comparing AO and SO. Four-week-old male Sprague–Dawley rats were randomly assigned to four groups （n = 6 per group） and fed experimental diets for 9 weeks. The diets consisted of a chow diet （CHOW）, a high-fat diet （HFD; 45% of calories from lard）, and HFD in which 10% of the lard was substituted with AO or SO （HFD+AO or HFD+SO）. Body weight and food intake were monitored weekly throughout the experimental period. After sacrifice, lipid profiles in serum and liver were assessed, and histological and molecular analyses were performed to evaluate lipid metabolism, inflammation, and mitochondrial biogenesis. Compared with the HFD and HFD+AO groups, the HFD+SO group showed significantly lower body weight gain and improved serum and hepatic lipid profiles, with no changes in energy intake or fat absorption efficiency. Furthermore, adipose tissue mass and lipid accumulation in adipose tissues were significantly decreased in the HFD+SO group. In epididymal white adipose tissue （eWAT）, SO suppressed glycerol-3-phosphate dehydrogenase activity and downregulated the expression of genes related to fatty acid uptake and lipogenesis, but upregulated the expression of genes related to fatty acid oxidation. SO suppressed nuclear factor kappa B （NF-κB） activity and reduced mRNA and protein levels of pro-inflammatory cytokines in eWAT, brown adipose tissue （BAT）, and gastrocnemius muscle, while increasing the expression of the anti-inflammatory cytokine interleukin-10. Serum levels of pro-inflammatory cytokines were also reduced in the HFD+SO group. Particularly, SO reduced macrophage infiltration and upregulated the expression of genes associated with an anti-inflammatory M2 phenotype in eWAT. To investigate the direct regulatory effects of SO on macrophages, RAW 264.7 cells were treated with SO under lipopolysaccharide stimulation. Treatment with SO inhibited reactive oxygen species production and NF-κB activity, and reduced the expression of pro-inflammatory mediators. The HFD+SO group showed higher mitochondrial DNA content and upregulated expression of mitochondrial biogenesis-related genes in BAT and gastrocnemius muscle. Furthermore, the HFD+SO group increased muscle mass and myofiber cross-sectional area in gastrocnemius muscle. The HFD+SO group upregulated the fatty acid oxidation-related genes and downregulated the expression of muscle atrophy–related genes. The activities of AMP-activated protein kinase and sirtuin1 in eWAT, BAT, and gastrocnemius muscle were increased. Collectively, SO more effectively alleviated inflammation and promoted mitochondrial biogenesis than AO. These findings suggest that SO may serve as a promising nutritional strategy for the prevention of obesity-related metabolic disorders.;N-3 다중불포화지방산 （n-3 polyunsaturated fatty acids, n-3 PUFAs）은 항비만 및 항염증 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 그 중 스테아리돈산（stearidonic acid, SDA）은 α-리놀렌산（α-linolenic acid, ALA）보다 에이코사펜타엔산（eicosapentaenoic acid, EPA）으로의 전환 효율이 높아 우수한 대사적 이점을 나타낼 가능성이 있다. 그러나 비만 관련 대사 장애에 대한 SDA의 효과는 아직 충분히 규명되지 않아 본 연구에서는 SDA가 비만 쥐에서 염증 및 미토콘드리아 합성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위해 SDA가 풍부한 아히플라워 씨 유（ahiflower seed oil, AO）를 Candida rugosa lipase를 이용한 가수분해 반응을 통해 SDA 함량을 약 2.1배 증가시킨 SDA 강화 오일（SDA-enriched oil, SO）을 제조하였으며, SDA 함량이 다른 AO와 SO를 비교하여 SDA 농도 증가에 따른 대사적 효과를 평가하였다. 생후 4주령의 수컷 Sprague–Dawley 랫드를 무작위로 네 군（n = 6/군）으로 나누어 9주간 실험식이를 급여하였다. 실험군은 일반식이（CHOW）, 고지방식이（HFD; 총 에너지의 45%를 라드로 구성）, 그리고 HFD에서 라드의 10% （w/w）를 AO 또는 SO로 대체한 군 （HFD+AO, HFD+SO）으로 구성하였다. 실험 기간 동안 체중과 식이 섭취량을 매주 측정하였다. 실험 종료 후 혈청과 간의 지질 프로필을 분석하였으며, 지질 대사, 염증 반응, 미토콘드리아 생합성을 평가하기 위해 조직학적 및 분자생물학적 분석을 수행하였다. 그 결과, HFD+SO군은 HFD 및 HFD+AO군에 비해 에너지 섭취량과 지방 흡수 효율의 변화 없이 체중 증가량이 유의하게 감소하였고, 혈청 및 간의 지질 프로필이 개선되었다. 또한 HFD+SO 군에서는 지방조직 무게와 지방조직 내 지질 축적이 유의하게 감소하였다. 또한, 부고환 백색 지방조직（epididymal white adipose tissue, eWAT）에서 SO는 glycerol-3 phosphate dehydrogenase 활성을 억제하고 지방산 흡수 및 지질 합성과 관련된 유전자 발현을 하향 조절한 반면, 지방산 산화와 관련된 유전자 발현은 상향 조절하였다. eWAT, 갈색지방조직 （brown adipose tissue, BAT） 및 비복근에서 SO는 NF-κB 활성을 억제하고 전염증성 사이토카인의 mRNA 및 단백질 발현을 감소시키는 동시에 항염증성 사이토카인인 interleukin-10의 발현을 증가시켰으며 혈청 내 전염증성 사이토카인 농도 역시 감소하였다. 특히 eWAT에서 SO는 대식세포 침윤을 감소시키고 항염증성 M2 표현형과 관련된 유전자 발현을 증가시켰다. SO의 대식세포에 대한 직접적인 조절 효과를 확인하기 위해 RAW 264.7 대식세포에 lipopolysaccharide로 염증을 유도한 후 SO를 처리한 결과, 활성산소종 생성과 NF-κB 활성을 억제하고 전염증성 매개 인자의 발현을 감소시켰다. HFD+SO 군은 BAT와 비복근에서 미토콘드리아 DNA 함량과 미토콘드리아 생합성 관련 유전자 발현을 증가시켰다. 또한 비복근의 무게와 근섬유 단면적을 증가시켰으며, 지방산 산화 관련 유전자 발현을 상향 조절하고 근위축 관련 유전자 발현을 하향 조절하였다. 아울러 eWAT, BAT 및 비복근에서 AMPK와 SIRT1의 활성이 증가하였다. 종합적으로, SO는 AO에 비해 염증을 더욱 효과적으로 완화하고 미토콘드리아 생합성을 촉진하는 것으로 나타났다. 따라서 SO는 비만 관련 대사질환 예방을 위한 유망한 영양학적 전략으로 활용될 수 있음을 시사한다.