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The effects of fucoxanthin and its regulatory mechanisms in osteoclast and osteoblast differentiation

Other Titles
 푸코잔틴이 파골세포 및 조골세포 분화에 미치는 영향과 그 조절 기전 
 College of Medicine (의과대학) 
 Dept. of Internal Medicine (내과학교실) 
Issue Date
To maintain bone health, the balance between bone formation by osteoblasts and bone resorption by osteoclasts is crucial. Fucoxanthin (FX), a marine carotenoid abundant in edible brown seaweeds, exhibits several beneficial effects on health, including anti-inflammatory, anti-cancer, anti-obesity, and cerebro-protective effects. However, several studies focusing on the effect of FX on bone remodeling showed inconsistent results, and its target molecule during bone remodeling has not yet been clarified. Hence, the aim of this study was to investigate the effects of FX on osteoclast and osteoblast differentiation and its detailed regulatory mechanisms within these cell lines. Our results showed that FX significantly inhibited osteoclast differentiation and bone resorption ability in RAW264.7 cells induced by the soluble receptor activator of nuclear factor κB ligand (sRANKL) or mouse tumor necrosis factor-α (mTNF-α)/interleukin-6 (mIL-6). Intracellular signaling analysis revealed that FX specifically decreased the phosphorylation of ERK and p38 and increased nucleus translocation of phosphorylated Nrf2, leading to decreased production of matrix-metalloproteinase 9 (MMP-9) Additionally, FX promoted osteoblastic differentiation and mineralization from MC3T3-E1 cells upon alkaline phosphatase (ALP) and Alizarin red S staining. FX upregulated the expression of osteoblastogenic markers, including ALP, Runx2, osteocalcin, and type I collagen, by activation of the Smad3 pathway on MC3T3-E1. According to these combined results, FX may be a valuable therapeutic agent that can treat and prevent diseases associated with bone loss.

골건강을 유지하기 위해선 조골세포에 의한 골형성 및 파골세포에 의한 골흡수의 적절한 균형이 중요하다. 푸코잔틴은 식용가능한 갈조류에 풍부한 해양 카로이티노이드로 항염증, 항종양, 항비만, 뇌보호 효과 등 건강에 여러 긍정적한 효과를 나타낸다. 하지만 골 재형성 과정에 푸코잔틴이 미치는 영향에 대한 연구 결과들은 일관적이지 않고, 아직 푸코잔틴이 작용하는 부위는 밝혀지지 않았다. 이에, 본 연구의 목적은 푸코잔틴이 조골세포 및 파골세포 분과에 미치는 영향과 그 자세한 조절 기전을 밝히고자 하였다. RAW264.7 세포를 수용성 RANK 리간드 (RANKL) 또는 항종양괴사인자-α/인터류킨-6로 자극하여 파골세포로 분화시켰을 때, 푸코잔틴 치료는 파골세포로의 분화를 억제하고 골 흡수능을 억제하는 것을 확인하였다. 세포내 신호전달 경로에 대한 분석에서 푸코잔틴은 ERK와 P38의 인산화를 억제하고 Nrf2의 인산화 및 핵내 이동을 촉진하여, 결과적으로 기질 금속단백분해효소 (MMP)-9의 생산을 감소시켰다. 또한 MC3T3-E1 세포를 이용한 조골세포 실험에서 푸코잔틴이 조골세포로의 분화 및 미네랄화 작용을 항진시킴을 알칼리성 인산분해효소(ALP) 및 alizarin red S 염색을 통해 확인하였다. 푸코잔틴은 ALP, Runx2, osteocalcin, 제 1형 콜라겐 같은 조골관련 유전자들의 발현을 증가시켰으며, Smad3의 활성화에 영향을 미침을 확인하였다. 결과를 종합하면, 푸코잔틴은 골소실을 동반하는 여러 골대사 질환을 치료하고 예방하는 유용한 치료제가 될 수 있을 것이다.
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Yonsei Authors
Ha, You Jung(하유정)
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