Antiulcer Activity, Toxicity, and Possible Mechanisms of Action of Opuntia ficus-indica Fruit-Derived Materials

Abstract

위염은 주로 짠 음식과 매운 음식을 주로 먹는 한국 성인들에게 흔한 질병이 다. 일반적으로 증상에는 상복부 통증, 메스꺼움, 구토, 복통, 소화 불량 및 복부 팽 만감이 있다. 위염은 병태생리학적으로 위 공격 인자 (산, 펩신, 헬리코박터 파일로 리)와 위 점막 방어 인자 (위 점액, 중탄산염 분비, 프로스타글란딘 및 점막 세포의 선천적인 저항성) 사이의 불균형으로 발병한다. 위궤양 치료제로 여러 약물이 사용 되고 있다. 그러나 이러한 치료제에는 부작용이 있다. 부작용이 적은 새로운 위염 치료제 개발이 절실히 요구되고 있다. 식물은 잠재적인 치료제를 가지고 있을 것으 로 생각되어 약용 식물에서 새로운 화합물을 찾기 위한 노력이 계속되고 있다. Opuntia ficus-indica (선인장과) (백년초)는 많은 국가에서 전통 의약품으로 사용 되고 있다. 대한민국의 제주도에서는 건강 식품 제조 용도로 널리 재배되고 있다. 본 연구는 백년초 열매 추출물을 위염 치료 천연물의약품으로 개발하기 위해 수행 되었다. OF-80E (백년초 열매 80% 에탄올 추출물)의 항궤양 활성은 에탄올, 비스테로 이드성 항염증제 (인도메타신, 아스피린 및 디클로페낙) 및 스트레스 유발 위염 랫 트 모델을 사용하여 평가하였다. 그 결과는, 시판된 약물인 스티렌정 (Stillen® tablet) 및 뮤코스타정 (Mucosta® tablet)과 비교하였다. 또한, OF-80E의 급성독성, 아만성독성, 유전독성 및 안전성 약리 연구는 인간의 안전한 섭취를 위해 경제협력 개발기구 지 침 및 우수실험실관리 규정에 따라 평가하였다. 마지막으로, 위염 모델에서 OF-80E 의 항궤양작용의 가능한 메커니즘은 생화학 및 분자 분석을 사용하여 설명하였다. AGS 세포를 이용한 아스피린 유도 세포독성 억제 시험을 기반으로 성분 분리 를 통하여 백년초 열매로부터 분리하고, 전자이온화 질량분석법과 핵자기 공명 분 광법을 포함한 분광 분석을 통해 두 종의 활성 화합물을 동정하였다. 두 종의 항궤 양 성분은 플라보노이드인 aromadendrin과 narcissin으로 확인되었다. IC50 값으로 보 면, flavone인 aromadendrin (<0.5 μM)과 flavonol인 narcissin (<0.5 μM)은 다른 flavones인 naringenin (5.9 μM), eriodictyol (>10 μM), taxifolin (1.1 μM) 및 다른 flavonols인 kaempferol, quercetin 및 isokaempfride (>10 μM) 보다 AGS 세포를 이용한 아스피린 유도 세포독 성 억제 효과가 우수하였다. OF-80E는 시판된 약물보다 공격인자에 대해서 위 점막 손상을 보호하는 효과 가 우수하였다. 에탄올, 비스테로이드성 항염증제 및 스트레스 유발 위염 랫트 모델 에서, OF-80E는 시판된 약물에 비해 효과적으로 위 출혈성 병변과 조직학적 조직 손상을 억제하였다. 단회 경구투여 독성연구에서 OF-80E의 개략적인 치사량은 SD 랫트의 암, 수 모두에서 10000 mg/kg 이상으로 확인되었다. 13주 반복 경구투여 독성연구에서 OF- 80E의 무독성량은 SD 랫트의 암, 수 모두에서 2000 mg/kg/day로 확인되었다. 4주 반 복 경구투여 독성 연구에서 OF-80E의 최대내성용량은 비글견 암, 수 모두에서 1500 mg/kg/day로 확인되었다. Salmonella typhimurium과 Escherichia coli를 이용한 복귀돌연 변이 시험에서 OF-80E는 돌연변이를 유발하지 않았다. Chinese hamster lung 세포를 이용한 염색체 이상시험에서 OF-80E는 염색체 이상을 유발하지 않았다. 소핵시험에 서 OF-80E는 동물 골수세포에서 소핵을 유발하지 않았다. OF-80E를 5000 mg/kg 이하 로 설치류에 단회 경구 투여했을 때, ICR 마우스의 중추신경계에 영향을 미치지 않 았고, SD 랫트의 호흡기계에 영향을 미치지 않았다. OF-80E는 500 μg/mL 농도까지 human ether-a-go-go related gene 채널에 영향을 미치지 않는 것으로 보아, OF-80E는 심 혈관계에 미치는 영향이 낮을 것으로 확인되었다. OF-80E는 AGS 세포에서 아스피린에 의해 감소되고, 랫트에서 인도메타신에 의해 감소한 glutathione을 증가시켰다. OF-80E는 AGS 세포에서 아스피린에 의해 감 소한 prostaglandin E2의 농도를 증가시켰다. 인도메타신 유도 위염 랫트에서 감소된 부착성 위점액은 OF-80E의 처리에 의해 합성되고 분비되었다. OF-80E는 인도메타신 유도 랫트의 위 점막에서 myeloperoxidase의 활성을 억제하고, 스트레스 유도 위염 랫트의 위 점막에서 tumor necrosis factor-α를 감소시켰다.

Gastritis is a common disease among Korean adults who take mainly very salty and spicy foods. Usually, symptoms include epigastric pain, nausea, vomiting, abdominal pain, indigestion, and bloating. Pathophysiology of gastritis is due to a lack of equilibrium between the gastric aggressive factor (acid, pepsin, and Helicobacter pylori) and the mucosal defense factor (gastric mucus, bicarbonate secretion, prostaglandins, and innate resistance of the mucosal cells). There are several types of medicines used to treat a gastric ulcer. However, these treatments have side effects. There is a pressing need to develop a new gastritis treatment with fewer side effects. Plants are regarded to represent a reservoir of potential therapeutics and therefore the efforts to search for novel compounds from medicinal plants have been continued. Opuntia ficus-indica (Cactaceae) has been used in traditional medicine of many countries. It is widely cultivated in Jeju Island, Korea, for use in the manufacture of health foods. The aim of this study was to develop O. ficus-indica fruits extract as an antiulcer botanical drug. The antiulcer activity of OF-80E (80% ethanol extract of O. ficus-indica fruits) was assessed using the ethanol-, non-steroidal anti-inflammatory drugs (indomethacin, aspirin, and diclofenac)-, and stress-induced gastritis rat models. The results were compared with those of commercially available drugs, Stillen® tablet and Mucosta® tablet. In addition, the acute toxicity, sub-chronic toxicity, genotoxicity, and safety pharmacology studies of OF-80E were analyzed under Organization for Economic Cooperation and Development guideline and Good Laboratory Practice regulations for human safe consumption. Finally, the possible mechanism underlying the antiulcer actions of OF-80E in gastritis models were elucidated using biochemical and molecular analyses. Inhibition of aspirin-induced cytotoxicity in AGS cells assay-guided fractionation of the O. ficus-indica fruits led to the identification of two active compounds through spectroscopic analyses, including electron ionization mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The two antiulcer constituents were the flavonoids aromadendrin and narcissin. Based on the IC50 values, the flavone, aromadendrin (<0.5 μM), and the flavonol, narcissin (<0.5 μM), were more effective in inhibition of aspirin-induced cytotoxicity in AGS cells than other flavones, naringenin (5.9 μM), eriodictyol (>10 μM) and taxifolin (1.1 μM), and flavonols, kaempferol, quercetin, and isokaempfride (>10 μM). OF-80E was more effective than commercially available drugs to protect gastric mucosal damage against aggressive factors. In ethanol-, non-steroidal anti-inflammatory drugs-, and stress-induced gastritis rat models, OF-80E inhibited gastric hemorrhagic lesions and histological tissue damage effectively comparing than commercially available drugs. In a single dose oral toxicity study, the approximate lethal dose of OF-80E in both male and female of Sprague Dawley (SD) rats was higher than 10000 mg/kg. In a 13-week repeated oral toxicity study, the no observed adverse effect level of OF-80E was 2000 mg/kg/day for both sexes of SD rats. In a 4-week repeated oral toxicity study, the maximum tolerance dose of OF-80E was 1500 mg/kg/day for both sexes of beagle dogs. In Salmonella typhimurium and Escherichia coli reverse mutation studies, OF-80E did not cause mutation. In a chromosome aberration test, OF-80E did not cause chromosomal aberration in Chinese hamster lung cells. In micronucleus assay, OF-80E did not induce micronuclei in the mammalian bone marrow cells. Single oral administration of OF-80E to rodent at below 5000 mg/kg did not affect the central nervous system of ICR mice and did not induce adverse effects on the respiratory system of SD rats. OF-80E did not effect on the human ether-a-go-go related gene channel up to the concentration of 500 μg/mL, indicating that the effect of OF-80E on cardiovascular system was to be low. OF-80E increased glutathione reduced by aspirin in AGS cells and decreased by indomethacin in rats. OF-80E increased prostaglandin E2 levels reduced by aspirin in AGS cells. Decreased adherent mucus was synthesized and stimulated, by OF-80E pretreatment in indomethacin-induced gastritis rats. OF-80E inhibited myeloperoxidase activity in indomethacin-induced rat gastric mucosal and reduced tumor necrosis factor-α in stress-induced rat gastric mucosal.