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Role of metabolism by intestinal bacteria
      in chemical-induced toxicity


                     Jeong Hye Gwang
             Department of Toxicology, College of
           Pharmacy, Chungnam National University



                                                    Toxicology LAB
장내세균총은 의약품의 대사에 영향을 미치는
          가?




                      Toxicology LAB
•   500-1000 different species
•   >1014 bacteria in body
•   Diverse metabolic activity
•   Anaerobic condition
•   Lots of substrates exist.
•   From mouth to rectum


I, ileum
C, cecum
A, ascending colon
T, transverse colon
D, descending colon
S/R, sigmoid/rectum

Sousa et al., IJP 363: 1-25 (2008)
 Reduction: azo- & nitro-group, sulfoxide, double bond
 Hydrolysis
 Dehydroxylation
 Acetylation/deacetylation
 Cleavage of N-oxide bond
 Proteolysis
 Denitration
 Deconjugation
 Thiazole-ring opening
 Deglycosylation
 N-Demethylation
장내미생물에 의한 대사의 영향


   장간재순환에 의한 배설 지연

   독성대사체의 생성

   발암대사체의 생성

   무독화

   약리활성 대사체의 생성

   대사 및 독성에 있어 종차의 원인

   Host 조직에서는 생성되지 않는 새로운 대사체의 생성

   투여경로에 따른 독성 차이의 원인



                                     Toxicology LAB
장내미생물에 의한 대사체 독성 연구

 화학물질    대사능을 갖는 장내세균이 매우 다양함

   대사 후 독성을 유발하는 예가 많음: arbutin, geniposide, aucubin 등

   장내미생물 대사계 (ex: fecalase)를 개발하여 장내미생물 대사에 의한
    독성평가 활용이 시도되고 있음

   In vivo 독성 평가시험: 무균동물이나 무균동물에 특정 장내미생물 정
    착시킨 모델동물의 활용기법이 진행 중임




                                                     Toxicology LAB
장내미생물에 의한 대사 독성 연구: arbutin


Arbutin
                             HQ




          Food Chem. Toxicol., 44: 1940-1947, 2006

                                                     Toxicology LAB
장내미생물에 의한 대사 독성 연구




        CH3                           CH2OH                              CH2O-glucuronide
O2N           NO2    CYP      O2N         NO2         UDP-GT     O2N         NO2



2,6-dinitrotoluene         2,6-dinitrobenzylalcohol
                                                                           간에서 소장으로 배설


         CH2OH                                                           CH2O-glucuronide
                                    nitroreductase
O2N          NH2                                                  O2N        NO2
                                     -glucuronidase

           소장에서 간으로 재흡수

        CH2OH                  CH2OH                            CH2OH          단백질 및
O2N         NH2 CYP O2N            NHOH                   O2N       NHOX       DNA 와
                                            acetylation                        공유결합
                                            sulfation
 2-amino-6-nitro-                           X=-COCH3                    -XO-
 benzylalcohol                                -SO3H
                                                                                 Toxicology LAB
장내미생물에 의한 대사 독성 연구




                     Toxicology LAB
장내미생물에 의한 대사 독성 연구

  In vivo 무균동물 시험: Single cell gel electrophoresis (Comet assay)

              liver




              colon




(GF: Germ free, HFA: human flora associated, IQ: 2-amino-3-methyl-3H-imidazo[4,5-f]quinoline )
                                                                                                 Toxicology LAB
연구의 목적
 다양한 in vitro 장내미생물 대사계를 활용한 독성평가
 기술의 개발
  장내미생물 배양계
  Human fecal preparation (fecalase)
  Intestinal microbial enzyme mix


 장내미생물 대사 후 동물세포 배양계에서의 독성평가
 기술 개발
   Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced cytotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced genotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced immunotoxicity

                                                    Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 독성 평가

 활성산소종(reactive oxygen species) 관련 독성평가: ROS 생성능 조사.
 세포독성 평가: lactate dehydrogenase(LDH) assay, MTT reduction test.
 Apoptosis 유발능 평가: 세포 사멸 유전자(Bax)와 세포 사멸 억제 유전자(Bcl-2, BCl-XL)의 발현,
caspase-3 활성 및 TUNEL assay.
                                                                      TUNEL staining



장내 미생물
 대사체




                                                                              Toxicology LAB
독성평가 수행물질
                                  Geniposide
                                   Genipin



    Arbutin
 Hydroquinone



                                 Baicalin
                                 Bacialein



                methyl-paraben
                benzoic acid



                                               Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 독성 평가


장내미생물 배양법을 이용한 미생물
대사체 독성 평가시험법 개발을 위한
시험균주
• Bifidobacterium longum HY81, B.
  longum HY82, B. adolescentis HY83
• Bacteroides fragilis KCTC3688



최소영양배지 조성을 위한 배지 조건
• 증균배지: 미생물을 처음부터 접종하여 증
  균시키면서 물질의 대사 유도
• 혐기희석액: 대수기의 균주를 접종시켜 미
  생물의 증식은 일어나지 않고 물질의 대사
  만 유도




증균배지 및 혐기희석액에 시험물질을 대사시켜 대사체 분석  장내미생물 배양법을 통한 대사체 독성평가 가능성 확인
증균배지 및 혐기희석액의 세포독성  최소영양배지 조성 확립
신속한 in vitro 독성평가가 가능한 장내미생물 배양기술 확립



                                                                  Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 독성 평가




 대사전 물질인 arbutin과 독성대사체인 hydroquinone의 동시 정량 분석법 확립
 증균배지 및 혐기희석액 내에서 장내미생물에 의한 대사로 arbutin 양은 감소하고 대사체인 hydroquinone 의 생성 확인
 장내미생물의 종류 및 배양조건에 따라 시험물질의 대사능에 현저한 차이가 있음을 규명  개인 간 장내미생물총의 조성
차이에 따라 장내에서의 화학물질 대사에 있어서 현저한 개인차를 보일 수 있음을 확인


                                                                            Toxicology LAB
B. adolescentis 배양에서 arbutin의 대사



                                                                                                                                          Hydroquinone



                                                                                                                                           Arbutin


            8.3

                                                                                             120
            7.8
                                                                                                                                                Arbutin


                                                                           Concentration ( g/ml)
                                                                                             100
Log value




            7.3                                                                                                                                 Hydroquinone
                                                                                                   80
                                                        Control
            6.8                                                                                    60
                                                        Arbutin
                                                                                                   40
            6.3
                                                                                                   20

            5.8
                                                                                                    0
                  0        4        8     12    16           20       24                                0          4         8       12        16         20      24       28
                                        Time (hr)
                                                                                                                                     Time (hr)
                      Growth curves of Bifidobacterium adolescentis                                         Production of hydroquinone from arbutin in the culture media
장내미생물 대사체의 독성 평가
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.8

                                                                                                                                                                                                                                                                 MTT assay
                                                                  120
                                                                                                                                                                                                                      120
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.7        arbutin
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            hydroquinone
                                  Cell viability (% of control)




                                                                  100




                                                                                                                                                                       Cell viability (% of control)
                                                                                                                                                                                                                      100




                                                                                                                                                                                                                                                                                                             DEVD-pNA cleavage
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.6

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Caspase-3 assay




                                                                                                                                                                                                                                                                                                               (FU/mg protein)
                                                                   80                                                                                                                                                                                                                                                            0.5
                                                                                                                                                                                                                                       80

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.4
                                                                   60
                                                                                                                                                                                                                                       60
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.3

                                                                   40                                                                                                                                                                  40                                                                                        0.2

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.1
                                                                   20                                                                                                                                                                  20
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.0

                                                                       0                                                                                                                                                                   0                                                                                           NA       1uM        100uM   1mM   10mM
                                                                                NA   1uM   10uM 100uM      1mM   2.5mM    5mM    10mM                                                                                                                NA   1uM    10uM 100uM     1mM    2.5mM   5mM   10mM
                                                                                                      Arbutin                                                                                                                                                              Hydroquinone
                                                                                                                                                                        1200
                                                        120
                                                                                                                                                                        1100


                                                                                                                                          LDH leakage (% of control)
  LDH leakage (% of control)




                                                                                                                                                                        1000
                                                                                                                                                                                                                                                   LDH assay
                                                        100
                                                                                                                                                                                       900

                                                                  80                                                                                                                   800

                                                                                                                                                                                       700

                                                                  60                                                                                                                   600

                                                                                                                                                                                       500
                                                                  40                                                                                                                   400

                                                                                                                                                                                       300
                                                                  20                                                                                                                   200

                                                                                                                                                                                       100
                                                                  0
                                                                                                                                                                                                                   0
                                                                            NA       1uM   10uM    100uM   1mM    2.5mM    5mM    10mM
                                                                                                                                                                                                                                                    NA    1uM    10uM   100uM   1mM    2.5mM   5mM    10mM
                                                                                                       Arbutin
                                                                                                                                                                                                                                               7                           Hydroquinone
                                                                  1.4
                                                                                                                                                                                                                                               6
       DCF fluorescnce (Fold of control)




                                                                                                                                                                                                       DCF fluorescnce (Fold of control)




                                                                  1.2

                                                                                                                                                                                                                                               5
                                                                                                                                                                                                                                                   ROS assay
                                                                  1.0

                                                                                                                                                                                                                                               4
                                                                  0.8

                                                                                                                                                                                                                                               3
                                                                  0.6

                                                                                                                                                                                                                                               2
                                                                  0.4


                                                                  0.2                                                                                                                                                                          1


                                                                  0.0                                                                                                                                                                          0
                                                                           NA        1uM    10uM     100uM       1mM      5mM      10mM                                                                                                             NA     1uM     10uM    100uM      1mM      5mM   10mM

                                                                                                      arbutin                                                                                                                                                             Hydroquinone



MTT 및 LDH assay 로 세포독성 평가, 활성산소 영향 평가, caspase-3 활성 및 APOPercentage 방법으로 세포사멸 평가
원물질 arbutin 자체의 세포독성은 나타나지 않았음
Hydroquinone 자체에서 세포독성 발현 - 100 M 이상의 농도에서는 MTT 및 LDH assay, ROS 생성능, capase-3 활성, APOPercentage 방법
모두에서 세포독성 확인
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 독성 평가



                                                                                                                                                                                                            NA
                                                                    NA                                                                               NA                                                     Arbutin -3mM
                                160                                 Arbutin -3mM                                     160                             Arbutin -3mM                                           Arbutin -1.5mM
                                                                    Arbutin -1.5mM                                                                                                                    160   Arbutin -1mM
                                                                                                                                                     Arbutin -1.5mM
                                140                                 Arbutin -1mM                                                                     Arbutin -1mM




                                                                                                                                                                      Cell viability (% of control)
Cell viability (% of control)




                                                                                                                     140                                                                              140




                                                                                     Cell viability (% of control)
                                120                                                                                  120                                                                              120

                                100                                                                                  100                                                                              100

                                 80                                                                                  80                                                                                80


                                 60                                                                                  60                                                                                60


                                 40                                                                                                                                                                    40
                                                                                                                     40

                                 20                                                                                                                                                                    20
                                                                                                                     20

                                                                                                                                                                                                        0
                                 0                                                                                    0                                                                                        CM medium        CM medium+Bac. fragilis
                                         BL medium    BL medium+Bif. Longum HY81                                           BL medium   BL medium+Bif. Longum HY82




                                증균배지를 이용해 실제로 장내미생물과 arbutin 배양시 독성변화를 측정
                                확립된 MTT assay로 간세포주에 관한 세포독성 분석
                                증균배지로 이용된 BL 및 CM 배지 자체에 arbutin 처리시 세포독성 유발되지 않았음
                                BL 및 CM 배지에 Bifi. longum HY81, Bif. longum HY82, Bacteroides fragilis 균주와 arbutin을 각각 처리하여 함께 배양 - Bifi. longum
                                HY81, Bif. longum HY82 배양액에서 세포독성이 강하게 나타남
                                이는 장내미생물이 arbutin 대사에 관여하여 세포독성을 유발하는 대사체를 생성시켰음을 의미



                                                                                                                                                                                                                             Toxicology LAB
장내세균효소 복합체 fecalase의 제조


시험관내 실험 (in vitro)에서 간장 대사 반응계를 대신하여 사용되고 있는 간의 마
이크로조말 (microsomal) 효소 화합물인 S9 혼합액처럼, 인체의 소화관내 대사반
응계를 대신할 수 있는 장내세균효소 복합체 (fecalase)을 제조

Fecalase를 이용하여, 경구투여되는 식품과 의약품의 독성을 평가할 수 있는                     새
로운 독성평가 방법의 개발




                      Fecalase의 제조 및 합성기질을 이용한 효소활성 측정




                                                         Toxicology LAB
Fecalase에 의한 대사체의 독성평가




장내세균효소 복합체(Fecalase) 에 의한 독성물질 대사체의 독성평가
장내세균 효소 복합체(Fecalase) 에 의해서 Arbutin→ Hydroquinone으로 대사됨
Fecalase의 대사 독성 물질에 대한 독성 평가를 하기 위하여 LDH, MTT, caspase-3 방법을 활용하여 조사한 결과 장내세균 효소 복합체에 의한
대사체(Arbutin→ Hydroquinone)에서 세포 독성이 증가됨을 확인하였음
                                                                            Toxicology LAB
Fecalase에 의한 대사체의 독성평가




           장내미생물 대사 독성 물질에 대한 안전성 평가를 하기 위하여 TUNEL
           assay 방법을 활용하여 조사한 결과 장내세균 효소 복합체에 의한
           대 사 체 (Arbutin→ Hydroquinone) 에 서 세 포 사 멸 이 증 가 됨 을
           확인하였음
           장내세균 효소복합체에 반응된 arbutin은 Bax의 단백질 발현을
           증가시켰으며, Bcl-2의 단백질 발현을 농도 의존적으로 억제시켰음
           항산화제를(NAC) 전 처리한 결과 장내세균 효소복합체(fecalase)에
           반응된 arbutin에 증가된 ROS 생성능 및 세포독성이 억제되었음


                                                   Toxicology LAB
장내 미생물 대사효소계
           (intestinal microbial enzyme mix)의 제조

  소화관 대사계를 시험관내 실험에서 대신 할 수 있는 분변효소액인 fecalase를 개
  발하였으나 fecalase 는 안정성이 낮고, 상시 이용이 힘들다는 단점이 있음

  시험관내 실험 (in vitro)에서 분변 효소액(이하 Fecalase)을 대체할 수 있는 장내 미
  생물 대사효소계 (intestinal microbial enzyme mixture, 이하 enzyme mix)를 제조




장내세균총을 대신할 수 있는 microbial enzyme mix를 만들기 위하여 강하고 다양한 효소활성을 나타내는 9개의 균주를 선별하였음
9개 분리균주를 5 mix, 7 mix 및 9 mix 한 효소혼합액의 21개 효소활성 측정


                                                                         Toxicology LAB
Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한
                        대사체의 독성 평가




장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교

장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 arbutin을 MTTassay 방법을 이용하여 세포 독성을 조사한 결과 장내세균 효소복합체
및 장내미생물 대사효소계에 반응된 arbutin에 의해서 세포 독성이 증가하였음

Arbutin의 경우 장내미생물 대사효소계가 장내세균 효소복합체보다 독성 대사체 생성을 증가시켰을 것으로 사료됨

                                                                                   Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 독성 평가
                                                                                                                  0.3
                                                                                                                                                    geniposide
             Cell viability (% of control)   140                                 geniposide                                                         genipin
                                                                                 genipin




                                                                                              DEVD-pNA cleavage
                                             120




                                                                                                (FU/mg protein)
                                                                                                                  0.2

                                             100

                                              80
                                                                                                                  0.1
                                              60

                                              40
                                                                                                                  0.0
                                              20

                                               0                                                                        NA   50uM   100uM   200uM   500uM
                                                   NA   50uM     100uM   200uM     500uM
                                             180
                                                          geniposide
                                             160
   LDH leakage (% of control)




                                                          genipin
                                             140

                                             120

                                             100

                                              80

                                              60

                                              40

                                              20

                                               0
                                                   NA   50uM     100uM   200uM     500uM



MTT 및 LDH assay 로 세포독성 평가, caspase-3 활성 및 APOPercentage 방법으로 세포사멸 평가
원물질 geniposide 자체의 세포독성은 나타나지 않았음
Genipin 자체에서 세포독성 발현 - 100 M 이상의 농도에서는 MTT 및 LDH assay, capase-3 활성, APOPercentage 방법 모두에서 세포독성
확인

                                                                                                                                                      Toxicology LAB
Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한
                        대사체의 독성 평가




장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교

장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide을 MTT assay , Bcl-2 family, caspase assay방법을 이용하여 세포 독성을
조사한 결과 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide에 의해서 세포 독성이 증가하였음

                                                                                    Toxicology LAB
Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한
                         대사체의 독성 평가




장내세균 효소복합체와 장내미생물 대사효소계 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교

원물질인 baicalin, methyl-paraben 에서 독성을 나타났으며, baicalein, benzoic acid의 경우 원 물질의 독성 보다 세포 독성이 적었음. 장내세균
효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 baicalin의 경우 세포 독성이 baicalein보다 세포 독성이 적음을 확인하였음

Baicalein 및 methyl-paraben의 경우 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에서 다른 물질로 대사되어 독성이 나타나지 않은 것으로
사료됨



                                                                                        Toxicology LAB
Conclusion


                      β-glucosidase
                                                              Cytotoxicity
                      Intestinal
                      microflora
Arbutin, Geniposide                   Hydroquinone, Genipin




     장내미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 세포생존율
     과 apoptosis 등의 독성지표를 통하여 평가


     Fecalase와 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme
     mix)를 이용한 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교



                                                                     Toxicology LAB
   Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced cytotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced genotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced immunotoxicity

                                                    Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 유전 독성 평가

    DNA 손상 관련 유전자 발현을 활용한 유전독성 평가.
  p53 유전자 발현 및 활성을 이용한 유전독성 평가.
  8-Oxoguanine glycosylase (OGG1) 발현을 이용한 유전독성 평가.




장내 미생물 대차체에 의한 유전독성 영향을 p53 및 8-oxoguanine glycosylase (OGG1)유전자 발현을 통한 분석.




                                                                              Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 유전 독성 평가
  Comet assay 및 in vitro 소핵시험을 통한 유전독성 연구.

  장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내 약물대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 유
  전독성 평가기술 개발 및 대사활성 비교.




장내 미생물 대사체에 의한 유전 독성에 대한 영향을 comet
assay 방법을 구축하여 평가
                                       장내 미생물 대사체에 의한 유전 독성에 대한 영향을 in vitro
                                       소핵 assay 방법을 구축하여 평가

                                                                    Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 유전 독성 평가




                                                                                                                                                                                                                      Relavive p53 gene expression
                                                                                                                                                                                                                                                     14          Geniposide
                                                   P-53
                                                                                                                                                                                                                                                     12          Genipin
                                               GAPDH
                                                                                                                                                                                                                                                     10
                                                                 NA     1          10                                   25         50   125
                                                                                                                                                                                                                                                     8
                                                                                  Geniposide (uM)
                                                                                                                                                                                                                                                     6
                                                                                                                                                                                                                                                     4
                                                   P-53                                                                                                                                                                                              2

                                               GAPDH                                                                                                                                                                                                 0




                                                                                                                                                                                      Relavive OGG1 gene expression
                                                                 NA      1         10                                   25         50    125                                                                                         4.0                   NA     1 uM      5 uM    10 uM 50 uM 100 uM
                                                                                   Genipin (uM)                                                                                                                                      3.5                        Geniposide
                                                                                                                                                                                                                                                                Genipin
                                                                                                                                                                                                                                     3.0
DCF fluorescnce (Fold of control)




                                                                                                                                                                                                                                     2.5
                                                                                    DCF fluorescnce (Fold of control)


                                    1.4                                                                                 2.5

                                    1.2
                                                                                                                        2.0
                                                                                                                                                                                                                                     2.0
                                    1.0                                                                                                                                                                                              1.5
                                                                                                                        1.5
                                    0.8
                                                                                                                                                                                                                                     1.0
                                    0.6                                                                                 1.0
                                                                                                                                                                                                                                     0.5
                                    0.4
                                                                                                                        0.5                                                                                                          0.0
                                    0.2
                                                                                                                                                                                                                                                          NA     1 uM    5 uM      10 uM 50 uM 100 uM
                                    0.0                                                                                 0.0
                                          NA   20 uM 50 uM 100 uM 200 uM 500 uM                                               NA    20 uM 50 uM 100 uM 200 uM 500 uM




                                                                                                                                                                       Relative p53 luciferase activity
                                                          geniposide                                                                           genipin                                                                        14                               Geniposide
                                                                                                                                                                                                                                                               Genipin
                                                                                                                                                                                                                              12




                                                                                                                                                                              (Fold of control)
                                               장내 미생물 대사체에 의한 유전독성 영향을 p53, 8-oxoguanine                                                                                                                                      10
                                               glycosylase(OGG1) 유전자 발현을 통한 분석                                                                                                                                                               8

                                                                                                                                                                                                                                             6
                                               장내미생물에 의한 대사체(Geniposide→ Genipin)의 p53, OGG1
                                                                                                                                                                                                                                             4
                                               유전자 발현에 대한 영향을 조사한 결과 Geniposide의 대사체인
                                               Genipin 에서 p53, OGG1 유전자 및 p53 활성이 증가됨을                                                                                                                                                       2
                                               확인하였음. 전구 물질인 Geniposide는 영향이 없음                                                                                                                                                              0
                                                                                                                                                                                                                                                          NA    1 uM     5 uM   10 uM 50 uM 100 uM

                                                                                                                                                                                                                                                                                            Toxicology LAB
Fecalase에 의한 대사체의 유전 독성 평가

                                                                                    12




                                              Relavive p53 gene expression
                                                                                                  without Fecalase
                                                                                    10            with Fecalase

                                                                                         8

                                                                                         6

                                                                                         4

                                                                                         2

                                                                                         0
                                                                                             NA          1 uM        50 uM        100 uM
                                                                                                                     Geniposide




                                                         Relavive OGG1 gene expression
                                                                                         4
                                                                                                  without Fecalase
장내세균 효소 복합체에 의한 대사체의 유전독성                                                                         with Fecalase
영 향 을 p53, 8-oxoguanine glycosylase (OGG1)
                                                                                         3
유전자 발현을 통한 분석

장 내 세 균 효 소 복 합 체 (fecalase) 에 Geniposide 을                                              2
첨 가 하 여 대 사 를 유 도 한 후 p53, OGG1 유 전 자
발현에 대한 영향을 조사한 Geniposide의 대사체인
Genipin 에서 p53, OGG1 유전자 및 p53 활성이                                                       1
증가됨을 확인하였음. 전구 물질인 Geniposide는
영향이 없음
                                                                                         0
                                                                                             NA           1 uM        50 uM       100 uM

                                                                                                                 Geniposide


                                                                                                                                  Toxicology LAB
Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한
        대사체의 유전 독성 평가




                    장내세균 효소복합체과 장내미생물 대사효소계의 유전독성
                    평가기술 개발 및 대사활성 비교

                    장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된
                    genipin의 경우 DNA손상이 발생이 높아 comet tail의 이동성이
                    증가하였음

                    In vitro 소핵시험 방법을 활용하여 유전 독성을 조사한 결과
                    장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된
                    genipin에 의해서 소핵 생성능이 증가하였음




                                                   Toxicology LAB
Conclusion


                β-glucosidase
                                          Genotoxicity
                Intestinal
                microflora
                                Genipin
  Geniposide



 장내 미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 유전자                 발
 현(p53, OGG1)을 통한 유전독성 평가기술 개발


 Comet assay 및 in vitro 소핵시험을 이용하여 장내미생물에      대한
 유전독성 평가기법 개발




                                                Toxicology LAB
   Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced cytotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced genotoxicity

    Role of metabolism by intestinal bacteria in
    chemical-induced immunotoxicity

                                                    Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 면역 독성 평가
  전사인자 활성화 기법을 활용한 독성평가기술의 개발
 염증관련 COX-2의 발현을 이용한 면역독성 평가기술 개발
 염증 반응 관련 주요 전사조절인자인 NF- B, AP-1 등의 활성 측정 (transient transfection)
 염증 반응 관련 유전자인 COX-2 promoter 활성 측정 (transient transfection)


                     signaling pathways leading to inflammation

                     장내 미생물 대사체              TPA, LPS, TNF-


            Cytoplasm                                           PG synthesis
                          NIK         MEKK-1           MAPKK

                         IKK-
           I B NF- B                                  MAPK
                                    AP-1

                                              NF- B             COX-2
                        I B NF- B


                              Nucleus                                   NO
                                                                               O2-   ONOO -
                                                                iNOS

                                      AP-1
                                               COX-2
                            NF- B
                                                iNOS


                                                                                       Toxicology LAB
장내미생물 대사체의 면역 독성 평가




                                                                                    Relative NF-kB luciferase activity Relative COX-2 luciferase activity
                                                           Geniposide                                                                                       4
                                120                        Genipin                                                                                                   Geniposide
                                                                                                                                                                     Genipin

Cell viability (% of control)
                                100                                                                                                                         3




                                                                                                                                (Fold of control)
                                                                                                                                                                 COX-2 Luc
                                 80
                                                                                                                                                            2
                                 60

                                 40                                                                                                                         1

                                 20
                                                                                                                                                            0
                                  0                                                                                                                             NA        10 uM    50 uM   100 uM
                                       NA     10 uM    50 uM   100 uM                                                                                       3
                                                                                                                                                                     Geniposide
                                                                                                                                                                     Genipin




                                                                                             (Fold of control)
                                                                                                                                                            2    NF-kB Luc



                                                                                                                                                            1




                                                                                                                                                            0
                                                                                                                                                                NA         10 uM   50 uM   100 uM
                                                                                                                                                            5




                                                                                       Relative AP-1 luciferase activity
                                                                                                                                                                      Geniposide
                                                                                                                                                            4         Genipin




                                                                                               (Fold of control)
                                                                                                                                                                  AP-1 Luc
                                장내 미생물 대사체에 의한 면역독성 영향을 COX-2 유전자                                                                                           3
                                발현 및 전사조절인자 (NF-κB, AP-1) 활성을 통한 분석
                                                                                                                                                            2
                                장 내 미 생 물 에 의 한 대 사 체 (Geniposide→ Genipin) 의 면 역
                                독성과 관련된 단백질인 COX-2 유전자 발현 및 주요 전사 조절                                                                                        1
                                인자의 활성을 조사한 결과 Geniposide의 경우 COX-2 발현에
                                여향이 없었으나 장내미생물(β-glucosidase)에 의해 가수분해된                                                                                     0
                                Genipin은 NF-κB, AP-1의 전사 조절인자의 활성화를 통하여                                                                                         NA         10 uM   50 uM    100 uM
                                COX-2 발현을 증가시킴을 확인하였음
                                                                                                                                                                                           Toxicology LAB
Fecalase에 의한 대사체의 면역 독성 평가

Relative COX-2 luciferase activity
                                     4




                                                                                         Relative NF-kB luciferase activity
                                                                                                                              3
                                                without Fecalase
                                                with Fecalase                                                                          without Fecalase
                                     3                                                                                                 with Fecalase
         (Fold of control)




                                                                                                  (Fold of control)
                                                                                                                              2

                                     2

                                                                                                                              1
                                     1


                                     0                                                                                        0
                                          NA          10 uM        50 uM        100 uM                                            NA       10 uM          50 uM   100 uM
                                                                  Geniposide                                                                         Geniposide



                                     4
                                                                                                                   장내세균 효소 복합체에 의한 대사체의 면역독성
Relative AP-1 luciferase activity




                                               without Fecalase                                                    영향을 COX-2 유전자 발현 및 전사조절인자
                                               with Fecalase                                                       (NF-κB, AP-1) 활성을 통한 분석
                                     3
        (Fold of control)




                                                                                                                   Geniposide 을 장 내 세 균 효 소 복 합 체 에 동 시
                                     2                                                                             배양하여 마우스 대식세포주에 처리한 결과
                                                                                                                   Geniposide와 장내세균 효소복합체 (fecalase)에
                                                                                                                   배 양 한 조 건 에 서 Geniposide 가 Genipin 로
                                     1                                                                             대사되어 NF-κB, AP-1의 전사 조절인자의 활성
                                                                                                                   및 COX-2 발현을 증가시킴

                                     0
                                          NA         10 uM         50 uM       100 uM
                                                              Geniposide

                                                                                                                                                                           Toxicology LAB
Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한
        대사체의 면역 독성 평가




                    장내세균 효소복합체과 장내미생물 대사효소계의 면역독성
                    평가기술 개발 및 대사활성 비교

                    장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된
                    geniposide 에 의 해 서 COX-2 promoter 의 활 성 이 증 가
                    하였음

                    장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된
                    geniposide 에 서 NF-κB, AP-1 의 활 성 이 증 가 됨 을
                    확인하였으며 장내미생물 대사효소계과 장내세균
                    효 소 복 합 체 의 geniposide 의 대 사 활 성 반 응 은 차 이 가
                    나타나지 않았음



                                                         Toxicology LAB
Conclusion


                  β-glucosidase
                                            Immunotoxicity
                  Intestinal
                  microflora
  Geniposide                      Genipin



 장내 미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 염증관련 유
 전자 발현을 활용한 면역독성 평가기법 개발


 전사인자 활성화 기법을 활용한 독성평가기술 개발


 Fecalase와 intestinal microbial enzyme mix를 활용한 면역독성 평
 가 기술 개발
                                                   Toxicology LAB
Conclusion
국내에 연구기반이 거의 없던 in vitro 장내미생물 대사독성 기술을                    확립:
장내미생물 배양계, fecalase, intestinal microbial enzyme mix


식품, 천연물 및 의약품 등의 안전성 평가를 위해서 장내미생물에 의한 대사
및 독성연구의 필요성 및 중요성을 입증 및 제시.


식품, 천연물 및 의약품 등의 in vitro 독성 평가에 S9 mix와 함께 fecalase 및
intestinal microbial mix를 적용하여 평가할 필요성 제시.


신약개발 시 장내미생물에 의한 대사를 확인할 필요성 제시.


장내미생물에 의한 화학물질의 대사 및 대사로 인한 약리 및 독성작용의 변
화와 관련된 연구의 활성화 및 이에 대한 지속적인 연구가 필요함.



                                                       Toxicology LAB
ACKNOWLEDGEMENTS:
영남대학교 정태천 교수
영남대학교 강미정 박사
한국야쿠르트 안영태 박사
경희대학교 김동현 교수
경희대학교 이용섭 교수               약학대학Toxicology LAB
경희대학교 여희경                  College of Pharmacy-CNU


                hgjeong@cnu.ac.kr

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5.약물대사 발표자료 정혜광-110914

  • 1. Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced toxicity Jeong Hye Gwang Department of Toxicology, College of Pharmacy, Chungnam National University Toxicology LAB
  • 2. 장내세균총은 의약품의 대사에 영향을 미치는 가? Toxicology LAB
  • 3. 500-1000 different species • >1014 bacteria in body • Diverse metabolic activity • Anaerobic condition • Lots of substrates exist. • From mouth to rectum I, ileum C, cecum A, ascending colon T, transverse colon D, descending colon S/R, sigmoid/rectum Sousa et al., IJP 363: 1-25 (2008)
  • 4.  Reduction: azo- & nitro-group, sulfoxide, double bond  Hydrolysis  Dehydroxylation  Acetylation/deacetylation  Cleavage of N-oxide bond  Proteolysis  Denitration  Deconjugation  Thiazole-ring opening  Deglycosylation  N-Demethylation
  • 5. 장내미생물에 의한 대사의 영향  장간재순환에 의한 배설 지연  독성대사체의 생성  발암대사체의 생성  무독화  약리활성 대사체의 생성  대사 및 독성에 있어 종차의 원인  Host 조직에서는 생성되지 않는 새로운 대사체의 생성  투여경로에 따른 독성 차이의 원인 Toxicology LAB
  • 6. 장내미생물에 의한 대사체 독성 연구  화학물질 대사능을 갖는 장내세균이 매우 다양함  대사 후 독성을 유발하는 예가 많음: arbutin, geniposide, aucubin 등  장내미생물 대사계 (ex: fecalase)를 개발하여 장내미생물 대사에 의한 독성평가 활용이 시도되고 있음  In vivo 독성 평가시험: 무균동물이나 무균동물에 특정 장내미생물 정 착시킨 모델동물의 활용기법이 진행 중임 Toxicology LAB
  • 7. 장내미생물에 의한 대사 독성 연구: arbutin Arbutin HQ Food Chem. Toxicol., 44: 1940-1947, 2006 Toxicology LAB
  • 8. 장내미생물에 의한 대사 독성 연구 CH3 CH2OH CH2O-glucuronide O2N NO2 CYP O2N NO2 UDP-GT O2N NO2 2,6-dinitrotoluene 2,6-dinitrobenzylalcohol 간에서 소장으로 배설 CH2OH CH2O-glucuronide nitroreductase O2N NH2 O2N NO2 -glucuronidase 소장에서 간으로 재흡수 CH2OH CH2OH CH2OH 단백질 및 O2N NH2 CYP O2N NHOH O2N NHOX DNA 와 acetylation 공유결합 sulfation 2-amino-6-nitro- X=-COCH3 -XO- benzylalcohol -SO3H Toxicology LAB
  • 9. 장내미생물에 의한 대사 독성 연구 Toxicology LAB
  • 10. 장내미생물에 의한 대사 독성 연구 In vivo 무균동물 시험: Single cell gel electrophoresis (Comet assay) liver colon (GF: Germ free, HFA: human flora associated, IQ: 2-amino-3-methyl-3H-imidazo[4,5-f]quinoline ) Toxicology LAB
  • 11. 연구의 목적  다양한 in vitro 장내미생물 대사계를 활용한 독성평가 기술의 개발  장내미생물 배양계  Human fecal preparation (fecalase)  Intestinal microbial enzyme mix  장내미생물 대사 후 동물세포 배양계에서의 독성평가 기술 개발
  • 12. Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced cytotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced genotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced immunotoxicity Toxicology LAB
  • 13. 장내미생물 대사체의 독성 평가 활성산소종(reactive oxygen species) 관련 독성평가: ROS 생성능 조사. 세포독성 평가: lactate dehydrogenase(LDH) assay, MTT reduction test. Apoptosis 유발능 평가: 세포 사멸 유전자(Bax)와 세포 사멸 억제 유전자(Bcl-2, BCl-XL)의 발현, caspase-3 활성 및 TUNEL assay. TUNEL staining 장내 미생물 대사체 Toxicology LAB
  • 14. 독성평가 수행물질 Geniposide Genipin Arbutin Hydroquinone Baicalin Bacialein methyl-paraben benzoic acid Toxicology LAB
  • 15. 장내미생물 대사체의 독성 평가 장내미생물 배양법을 이용한 미생물 대사체 독성 평가시험법 개발을 위한 시험균주 • Bifidobacterium longum HY81, B. longum HY82, B. adolescentis HY83 • Bacteroides fragilis KCTC3688 최소영양배지 조성을 위한 배지 조건 • 증균배지: 미생물을 처음부터 접종하여 증 균시키면서 물질의 대사 유도 • 혐기희석액: 대수기의 균주를 접종시켜 미 생물의 증식은 일어나지 않고 물질의 대사 만 유도 증균배지 및 혐기희석액에 시험물질을 대사시켜 대사체 분석  장내미생물 배양법을 통한 대사체 독성평가 가능성 확인 증균배지 및 혐기희석액의 세포독성  최소영양배지 조성 확립 신속한 in vitro 독성평가가 가능한 장내미생물 배양기술 확립 Toxicology LAB
  • 16. 장내미생물 대사체의 독성 평가 대사전 물질인 arbutin과 독성대사체인 hydroquinone의 동시 정량 분석법 확립 증균배지 및 혐기희석액 내에서 장내미생물에 의한 대사로 arbutin 양은 감소하고 대사체인 hydroquinone 의 생성 확인 장내미생물의 종류 및 배양조건에 따라 시험물질의 대사능에 현저한 차이가 있음을 규명  개인 간 장내미생물총의 조성 차이에 따라 장내에서의 화학물질 대사에 있어서 현저한 개인차를 보일 수 있음을 확인 Toxicology LAB
  • 17. B. adolescentis 배양에서 arbutin의 대사 Hydroquinone Arbutin 8.3 120 7.8 Arbutin Concentration ( g/ml) 100 Log value 7.3 Hydroquinone 80 Control 6.8 60 Arbutin 40 6.3 20 5.8 0 0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24 28 Time (hr) Time (hr) Growth curves of Bifidobacterium adolescentis Production of hydroquinone from arbutin in the culture media
  • 18. 장내미생물 대사체의 독성 평가 0.8 MTT assay 120 120 0.7 arbutin hydroquinone Cell viability (% of control) 100 Cell viability (% of control) 100 DEVD-pNA cleavage 0.6 Caspase-3 assay (FU/mg protein) 80 0.5 80 0.4 60 60 0.3 40 40 0.2 0.1 20 20 0.0 0 0 NA 1uM 100uM 1mM 10mM NA 1uM 10uM 100uM 1mM 2.5mM 5mM 10mM NA 1uM 10uM 100uM 1mM 2.5mM 5mM 10mM Arbutin Hydroquinone 1200 120 1100 LDH leakage (% of control) LDH leakage (% of control) 1000 LDH assay 100 900 80 800 700 60 600 500 40 400 300 20 200 100 0 0 NA 1uM 10uM 100uM 1mM 2.5mM 5mM 10mM NA 1uM 10uM 100uM 1mM 2.5mM 5mM 10mM Arbutin 7 Hydroquinone 1.4 6 DCF fluorescnce (Fold of control) DCF fluorescnce (Fold of control) 1.2 5 ROS assay 1.0 4 0.8 3 0.6 2 0.4 0.2 1 0.0 0 NA 1uM 10uM 100uM 1mM 5mM 10mM NA 1uM 10uM 100uM 1mM 5mM 10mM arbutin Hydroquinone MTT 및 LDH assay 로 세포독성 평가, 활성산소 영향 평가, caspase-3 활성 및 APOPercentage 방법으로 세포사멸 평가 원물질 arbutin 자체의 세포독성은 나타나지 않았음 Hydroquinone 자체에서 세포독성 발현 - 100 M 이상의 농도에서는 MTT 및 LDH assay, ROS 생성능, capase-3 활성, APOPercentage 방법 모두에서 세포독성 확인 Toxicology LAB
  • 19. 장내미생물 대사체의 독성 평가 NA NA NA Arbutin -3mM 160 Arbutin -3mM 160 Arbutin -3mM Arbutin -1.5mM Arbutin -1.5mM 160 Arbutin -1mM Arbutin -1.5mM 140 Arbutin -1mM Arbutin -1mM Cell viability (% of control) Cell viability (% of control) 140 140 Cell viability (% of control) 120 120 120 100 100 100 80 80 80 60 60 60 40 40 40 20 20 20 0 0 0 CM medium CM medium+Bac. fragilis BL medium BL medium+Bif. Longum HY81 BL medium BL medium+Bif. Longum HY82 증균배지를 이용해 실제로 장내미생물과 arbutin 배양시 독성변화를 측정 확립된 MTT assay로 간세포주에 관한 세포독성 분석 증균배지로 이용된 BL 및 CM 배지 자체에 arbutin 처리시 세포독성 유발되지 않았음 BL 및 CM 배지에 Bifi. longum HY81, Bif. longum HY82, Bacteroides fragilis 균주와 arbutin을 각각 처리하여 함께 배양 - Bifi. longum HY81, Bif. longum HY82 배양액에서 세포독성이 강하게 나타남 이는 장내미생물이 arbutin 대사에 관여하여 세포독성을 유발하는 대사체를 생성시켰음을 의미 Toxicology LAB
  • 20. 장내세균효소 복합체 fecalase의 제조 시험관내 실험 (in vitro)에서 간장 대사 반응계를 대신하여 사용되고 있는 간의 마 이크로조말 (microsomal) 효소 화합물인 S9 혼합액처럼, 인체의 소화관내 대사반 응계를 대신할 수 있는 장내세균효소 복합체 (fecalase)을 제조 Fecalase를 이용하여, 경구투여되는 식품과 의약품의 독성을 평가할 수 있는 새 로운 독성평가 방법의 개발 Fecalase의 제조 및 합성기질을 이용한 효소활성 측정 Toxicology LAB
  • 21. Fecalase에 의한 대사체의 독성평가 장내세균효소 복합체(Fecalase) 에 의한 독성물질 대사체의 독성평가 장내세균 효소 복합체(Fecalase) 에 의해서 Arbutin→ Hydroquinone으로 대사됨 Fecalase의 대사 독성 물질에 대한 독성 평가를 하기 위하여 LDH, MTT, caspase-3 방법을 활용하여 조사한 결과 장내세균 효소 복합체에 의한 대사체(Arbutin→ Hydroquinone)에서 세포 독성이 증가됨을 확인하였음 Toxicology LAB
  • 22. Fecalase에 의한 대사체의 독성평가 장내미생물 대사 독성 물질에 대한 안전성 평가를 하기 위하여 TUNEL assay 방법을 활용하여 조사한 결과 장내세균 효소 복합체에 의한 대 사 체 (Arbutin→ Hydroquinone) 에 서 세 포 사 멸 이 증 가 됨 을 확인하였음 장내세균 효소복합체에 반응된 arbutin은 Bax의 단백질 발현을 증가시켰으며, Bcl-2의 단백질 발현을 농도 의존적으로 억제시켰음 항산화제를(NAC) 전 처리한 결과 장내세균 효소복합체(fecalase)에 반응된 arbutin에 증가된 ROS 생성능 및 세포독성이 억제되었음 Toxicology LAB
  • 23. 장내 미생물 대사효소계 (intestinal microbial enzyme mix)의 제조 소화관 대사계를 시험관내 실험에서 대신 할 수 있는 분변효소액인 fecalase를 개 발하였으나 fecalase 는 안정성이 낮고, 상시 이용이 힘들다는 단점이 있음 시험관내 실험 (in vitro)에서 분변 효소액(이하 Fecalase)을 대체할 수 있는 장내 미 생물 대사효소계 (intestinal microbial enzyme mixture, 이하 enzyme mix)를 제조 장내세균총을 대신할 수 있는 microbial enzyme mix를 만들기 위하여 강하고 다양한 효소활성을 나타내는 9개의 균주를 선별하였음 9개 분리균주를 5 mix, 7 mix 및 9 mix 한 효소혼합액의 21개 효소활성 측정 Toxicology LAB
  • 24. Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한 대사체의 독성 평가 장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 arbutin을 MTTassay 방법을 이용하여 세포 독성을 조사한 결과 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 arbutin에 의해서 세포 독성이 증가하였음 Arbutin의 경우 장내미생물 대사효소계가 장내세균 효소복합체보다 독성 대사체 생성을 증가시켰을 것으로 사료됨 Toxicology LAB
  • 25. 장내미생물 대사체의 독성 평가 0.3 geniposide Cell viability (% of control) 140 geniposide genipin genipin DEVD-pNA cleavage 120 (FU/mg protein) 0.2 100 80 0.1 60 40 0.0 20 0 NA 50uM 100uM 200uM 500uM NA 50uM 100uM 200uM 500uM 180 geniposide 160 LDH leakage (% of control) genipin 140 120 100 80 60 40 20 0 NA 50uM 100uM 200uM 500uM MTT 및 LDH assay 로 세포독성 평가, caspase-3 활성 및 APOPercentage 방법으로 세포사멸 평가 원물질 geniposide 자체의 세포독성은 나타나지 않았음 Genipin 자체에서 세포독성 발현 - 100 M 이상의 농도에서는 MTT 및 LDH assay, capase-3 활성, APOPercentage 방법 모두에서 세포독성 확인 Toxicology LAB
  • 26. Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한 대사체의 독성 평가 장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide을 MTT assay , Bcl-2 family, caspase assay방법을 이용하여 세포 독성을 조사한 결과 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide에 의해서 세포 독성이 증가하였음 Toxicology LAB
  • 27. Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한 대사체의 독성 평가 장내세균 효소복합체와 장내미생물 대사효소계 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교 원물질인 baicalin, methyl-paraben 에서 독성을 나타났으며, baicalein, benzoic acid의 경우 원 물질의 독성 보다 세포 독성이 적었음. 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 baicalin의 경우 세포 독성이 baicalein보다 세포 독성이 적음을 확인하였음 Baicalein 및 methyl-paraben의 경우 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에서 다른 물질로 대사되어 독성이 나타나지 않은 것으로 사료됨 Toxicology LAB
  • 28. Conclusion β-glucosidase Cytotoxicity Intestinal microflora Arbutin, Geniposide Hydroquinone, Genipin  장내미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 세포생존율 과 apoptosis 등의 독성지표를 통하여 평가  Fecalase와 장내미생물 대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)를 이용한 세포사멸 평가기술 개발 및 대사활성 비교 Toxicology LAB
  • 29. Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced cytotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced genotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced immunotoxicity Toxicology LAB
  • 30. 장내미생물 대사체의 유전 독성 평가 DNA 손상 관련 유전자 발현을 활용한 유전독성 평가.  p53 유전자 발현 및 활성을 이용한 유전독성 평가.  8-Oxoguanine glycosylase (OGG1) 발현을 이용한 유전독성 평가. 장내 미생물 대차체에 의한 유전독성 영향을 p53 및 8-oxoguanine glycosylase (OGG1)유전자 발현을 통한 분석. Toxicology LAB
  • 31. 장내미생물 대사체의 유전 독성 평가 Comet assay 및 in vitro 소핵시험을 통한 유전독성 연구. 장내세균 효소복합체(fecalase)과 장내 약물대사효소계(intestinal microbial enzyme mix)의 유 전독성 평가기술 개발 및 대사활성 비교. 장내 미생물 대사체에 의한 유전 독성에 대한 영향을 comet assay 방법을 구축하여 평가 장내 미생물 대사체에 의한 유전 독성에 대한 영향을 in vitro 소핵 assay 방법을 구축하여 평가 Toxicology LAB
  • 32. 장내미생물 대사체의 유전 독성 평가 Relavive p53 gene expression 14 Geniposide P-53 12 Genipin GAPDH 10 NA 1 10 25 50 125 8 Geniposide (uM) 6 4 P-53 2 GAPDH 0 Relavive OGG1 gene expression NA 1 10 25 50 125 4.0 NA 1 uM 5 uM 10 uM 50 uM 100 uM Genipin (uM) 3.5 Geniposide Genipin 3.0 DCF fluorescnce (Fold of control) 2.5 DCF fluorescnce (Fold of control) 1.4 2.5 1.2 2.0 2.0 1.0 1.5 1.5 0.8 1.0 0.6 1.0 0.5 0.4 0.5 0.0 0.2 NA 1 uM 5 uM 10 uM 50 uM 100 uM 0.0 0.0 NA 20 uM 50 uM 100 uM 200 uM 500 uM NA 20 uM 50 uM 100 uM 200 uM 500 uM Relative p53 luciferase activity geniposide genipin 14 Geniposide Genipin 12 (Fold of control) 장내 미생물 대사체에 의한 유전독성 영향을 p53, 8-oxoguanine 10 glycosylase(OGG1) 유전자 발현을 통한 분석 8 6 장내미생물에 의한 대사체(Geniposide→ Genipin)의 p53, OGG1 4 유전자 발현에 대한 영향을 조사한 결과 Geniposide의 대사체인 Genipin 에서 p53, OGG1 유전자 및 p53 활성이 증가됨을 2 확인하였음. 전구 물질인 Geniposide는 영향이 없음 0 NA 1 uM 5 uM 10 uM 50 uM 100 uM Toxicology LAB
  • 33. Fecalase에 의한 대사체의 유전 독성 평가 12 Relavive p53 gene expression without Fecalase 10 with Fecalase 8 6 4 2 0 NA 1 uM 50 uM 100 uM Geniposide Relavive OGG1 gene expression 4 without Fecalase 장내세균 효소 복합체에 의한 대사체의 유전독성 with Fecalase 영 향 을 p53, 8-oxoguanine glycosylase (OGG1) 3 유전자 발현을 통한 분석 장 내 세 균 효 소 복 합 체 (fecalase) 에 Geniposide 을 2 첨 가 하 여 대 사 를 유 도 한 후 p53, OGG1 유 전 자 발현에 대한 영향을 조사한 Geniposide의 대사체인 Genipin 에서 p53, OGG1 유전자 및 p53 활성이 1 증가됨을 확인하였음. 전구 물질인 Geniposide는 영향이 없음 0 NA 1 uM 50 uM 100 uM Geniposide Toxicology LAB
  • 34. Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한 대사체의 유전 독성 평가 장내세균 효소복합체과 장내미생물 대사효소계의 유전독성 평가기술 개발 및 대사활성 비교 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 genipin의 경우 DNA손상이 발생이 높아 comet tail의 이동성이 증가하였음 In vitro 소핵시험 방법을 활용하여 유전 독성을 조사한 결과 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 genipin에 의해서 소핵 생성능이 증가하였음 Toxicology LAB
  • 35. Conclusion β-glucosidase Genotoxicity Intestinal microflora Genipin Geniposide  장내 미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 유전자 발 현(p53, OGG1)을 통한 유전독성 평가기술 개발  Comet assay 및 in vitro 소핵시험을 이용하여 장내미생물에 대한 유전독성 평가기법 개발 Toxicology LAB
  • 36. Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced cytotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced genotoxicity  Role of metabolism by intestinal bacteria in chemical-induced immunotoxicity Toxicology LAB
  • 37. 장내미생물 대사체의 면역 독성 평가 전사인자 활성화 기법을 활용한 독성평가기술의 개발  염증관련 COX-2의 발현을 이용한 면역독성 평가기술 개발  염증 반응 관련 주요 전사조절인자인 NF- B, AP-1 등의 활성 측정 (transient transfection)  염증 반응 관련 유전자인 COX-2 promoter 활성 측정 (transient transfection) signaling pathways leading to inflammation 장내 미생물 대사체 TPA, LPS, TNF- Cytoplasm PG synthesis NIK MEKK-1 MAPKK IKK- I B NF- B MAPK AP-1 NF- B COX-2 I B NF- B Nucleus NO O2- ONOO - iNOS AP-1 COX-2 NF- B iNOS Toxicology LAB
  • 38. 장내미생물 대사체의 면역 독성 평가 Relative NF-kB luciferase activity Relative COX-2 luciferase activity Geniposide 4 120 Genipin Geniposide Genipin Cell viability (% of control) 100 3 (Fold of control) COX-2 Luc 80 2 60 40 1 20 0 0 NA 10 uM 50 uM 100 uM NA 10 uM 50 uM 100 uM 3 Geniposide Genipin (Fold of control) 2 NF-kB Luc 1 0 NA 10 uM 50 uM 100 uM 5 Relative AP-1 luciferase activity Geniposide 4 Genipin (Fold of control) AP-1 Luc 장내 미생물 대사체에 의한 면역독성 영향을 COX-2 유전자 3 발현 및 전사조절인자 (NF-κB, AP-1) 활성을 통한 분석 2 장 내 미 생 물 에 의 한 대 사 체 (Geniposide→ Genipin) 의 면 역 독성과 관련된 단백질인 COX-2 유전자 발현 및 주요 전사 조절 1 인자의 활성을 조사한 결과 Geniposide의 경우 COX-2 발현에 여향이 없었으나 장내미생물(β-glucosidase)에 의해 가수분해된 0 Genipin은 NF-κB, AP-1의 전사 조절인자의 활성화를 통하여 NA 10 uM 50 uM 100 uM COX-2 발현을 증가시킴을 확인하였음 Toxicology LAB
  • 39. Fecalase에 의한 대사체의 면역 독성 평가 Relative COX-2 luciferase activity 4 Relative NF-kB luciferase activity 3 without Fecalase with Fecalase without Fecalase 3 with Fecalase (Fold of control) (Fold of control) 2 2 1 1 0 0 NA 10 uM 50 uM 100 uM NA 10 uM 50 uM 100 uM Geniposide Geniposide 4 장내세균 효소 복합체에 의한 대사체의 면역독성 Relative AP-1 luciferase activity without Fecalase 영향을 COX-2 유전자 발현 및 전사조절인자 with Fecalase (NF-κB, AP-1) 활성을 통한 분석 3 (Fold of control) Geniposide 을 장 내 세 균 효 소 복 합 체 에 동 시 2 배양하여 마우스 대식세포주에 처리한 결과 Geniposide와 장내세균 효소복합체 (fecalase)에 배 양 한 조 건 에 서 Geniposide 가 Genipin 로 1 대사되어 NF-κB, AP-1의 전사 조절인자의 활성 및 COX-2 발현을 증가시킴 0 NA 10 uM 50 uM 100 uM Geniposide Toxicology LAB
  • 40. Fecalase 및 microbial enzyme mix에 의한 대사체의 면역 독성 평가 장내세균 효소복합체과 장내미생물 대사효소계의 면역독성 평가기술 개발 및 대사활성 비교 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide 에 의 해 서 COX-2 promoter 의 활 성 이 증 가 하였음 장내세균 효소복합체 및 장내미생물 대사효소계에 반응된 geniposide 에 서 NF-κB, AP-1 의 활 성 이 증 가 됨 을 확인하였으며 장내미생물 대사효소계과 장내세균 효 소 복 합 체 의 geniposide 의 대 사 활 성 반 응 은 차 이 가 나타나지 않았음 Toxicology LAB
  • 41. Conclusion β-glucosidase Immunotoxicity Intestinal microflora Geniposide Genipin  장내 미생물에 시험물질을 첨가하여 대사를 유도한 후 염증관련 유 전자 발현을 활용한 면역독성 평가기법 개발  전사인자 활성화 기법을 활용한 독성평가기술 개발  Fecalase와 intestinal microbial enzyme mix를 활용한 면역독성 평 가 기술 개발 Toxicology LAB
  • 42. Conclusion 국내에 연구기반이 거의 없던 in vitro 장내미생물 대사독성 기술을 확립: 장내미생물 배양계, fecalase, intestinal microbial enzyme mix 식품, 천연물 및 의약품 등의 안전성 평가를 위해서 장내미생물에 의한 대사 및 독성연구의 필요성 및 중요성을 입증 및 제시. 식품, 천연물 및 의약품 등의 in vitro 독성 평가에 S9 mix와 함께 fecalase 및 intestinal microbial mix를 적용하여 평가할 필요성 제시. 신약개발 시 장내미생물에 의한 대사를 확인할 필요성 제시. 장내미생물에 의한 화학물질의 대사 및 대사로 인한 약리 및 독성작용의 변 화와 관련된 연구의 활성화 및 이에 대한 지속적인 연구가 필요함. Toxicology LAB
  • 43. ACKNOWLEDGEMENTS: 영남대학교 정태천 교수 영남대학교 강미정 박사 한국야쿠르트 안영태 박사 경희대학교 김동현 교수 경희대학교 이용섭 교수 약학대학Toxicology LAB 경희대학교 여희경 College of Pharmacy-CNU hgjeong@cnu.ac.kr