Sargassum fulvellum extract and its active compound Fucosterol attenuate skeletal muscle atrophy by activating the PI3K/Akt pathway

국문 초록 (Abstract)

근위축증은 근섬유의 크기와 수의 감소로 정의되며 부동화, 노화, 만성질환과 같은 원인에 의해 발생한다. 근위축증은 기대수명, 삶의 질, 이동성의 감소를 야기한다. 모자반(Sargassum fulvellum)은 모자반과 갈조류로서 항암, 항산화, 항염 등의 생리활성이 알려져 있다. Fucosterol은 식물성스테롤로서 모자반이나 미역 등의 갈조류로부터 분리되며 생리활성으로 항당뇨, 항산화, 항염 등이 알려져 있다. 그러나 모자반과 그의 활성성분 fucosterol의 근위축증 개선 효과에 대한 연구는 진행된 바 없다. 본 연구에서는 모자반 추출물(S. fulvellum extract; SFE) 및 fucosterol의 근위축증 억제 효과 및 근기능 증진 효과를 tumor necrosis factor-alpha (TNF-α)를 처리한 마우스 근관세포(C2C12 myotube)세포와 부동화된C57BL/6J 마우스의 뒷다리 근육에서 검증하였다.
분자적 수준에서, SFE와 fucosterol은 세포모델과 동물모델에서 전염증성 싸이토카인 TNF-α와 interleukin-6 (IL-6)의 발현을 억제시켰으며, phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt를 활성 시키는 것을 통해 mammalian target of rapamycin (mTOR)신호전달체계를 조절시켜 근단백질 합성을 촉진하고 forkhead box O3a (FoxO3a)의 전사 과정을 조절하여 atrogin-1과 muscle ring finger 1 (MuRF1)의 발현을 감소시켜 근단백질 분해를 억제시켰다. 동물모델에서 SFE와 fucosterol은 근육부피, 근육량, 근단면적을 증가시켜 근력을 회복시켰다.
이 결과는 SFE와 fucosterol이 PI3K/Akt 신호전달체계를 타겟팅하여, 근위축증을 억제하고 근기능을 증진시키는 것을 입증한다. 따라서 SFE와 fucosterol은 근위축증을 억제하고 근기능을 증진시키는 소재로서 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Muscle atrophy, characterized by a reduced size and number of myofibers, occurs by immobilization, aging, and several chronic diseases. Muscle atrophy results in declining in life expectancy, quality of life, and mobility. Sargassum fulvellum, commonly called Mojaban in Korea, belongs to the brown algae of Sargassaceae family. It reportedly has anti-cancer, anti-oxidative, anti-pyretic, and anti-inflammatory activities. Fucosterol is a phytosterol isolated from brown algae such as S. fulvellum and Undaria pinnatifida with reported activities including anti-cancer, anti-diabetes, anti-oxidation, and anti-inflammation. However, there have been no studies on effects of S. fulvellum and its active compound fucosterol on muscle atrophy and the muscle function. This study examined whether S. fulvellum ethanol extract (SFE) and fucosterol attenuated skeletal muscle atrophy in C2C12 myotubes treated with tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) and immobilized hindlimb muscles of C57BL/6J mice.
At the molecular level, SFE and fucosterol inhibited the expression of TNF-α and interleukin-6 (IL-6) which are proinflammatory cytokines that accelerate muscle atrophy. SFE and fucosterol increased muscle protein synthesis by upregulating the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway and downregulated proteolysis-related biomarkers such as forkhead box O3a (FoxO3a), atrogin-1, and muscle ring finger 1 (MuRF1) by stimulating the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt pathway in vitro and in vivo. SFE and fucosterol significantly restored the muscle strength by increasing the muscle volume, mass, and myofiber cross-sectional area in mice.
These results demonstrate that SFE and fucosterol attenuate muscle atrophy and improve the muscle function by targeting the PI3K/Akt pathway. So, SFE and fucosterol could be used as an agent to prevent muscle atrophy and improve the muscle function.