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골 재형성은 파골 세포에 의한 골 재흡수와 조골 세포에 의한 골 형성 간의 균형이 필요하다^1,2). 파골세포의 과도한 분화와 활성화는 이들 세포 간의 불균형으로 인해 폐경 후 골다공증, 치주염, 류마티스 관절염 등 골밀도가 낮고 골 파괴가 일어나는 골질환의 발병과 관련이 있다³⁾.

이 중, 폐경 후 골다공증은 폐경 후 여성의 삶의 질에 심각한 영향을 미치며, 골다공증 관련 골절은 노년층 여성의 장애 및 사망의 주요 원인이다. 폐경 후 여성의 거의 절반이 골다공증성 골절을 경험할 것으로 추정된다⁴⁾. 폐경 후 골다공증은 에스트로겐의 결핍이 중요한 원인으로 알려져 있으며, 에스트로겐의 결핍은 골 흡수를 증가시키고 혈중 칼슘의 농도가 증가함에 따라 파골세포의 활성화로 인해 발생한다⁵⁾. 최근 비스포스포네이트, 에스트로겐, 칼슘 보충제, 비타민 D 대사산물 등 다양한 약물이 골다공증 치료제로 사용되고 있으나 질 출혈, 심부정맥 혈전색전증, 유방암, 자궁암, 비정형 대퇴골 골절, 턱 괴사 등의 부작용이 나타난다^6-9). 현재 이러한 부작용을 보완하기 위한 대안적 치료 전략으로 기능성 식품 및 의약품 자원으로 각광받고 있는 천연물 발굴에 집중하고 있다.

아시아 쌀(Oryza sativa L., Gramineae)은 세계 인구의 절반 이상이 주식으로 사용하는 중요한 작물이다¹⁰⁾. 한국에서 나도근으로 알려진 O. sativa의 뿌리는 소화 개선, 해열, 냉한 및 당뇨병 치료 등 한국과 중국에서 여러 가지 의학적 용도를 사용되고 있다¹¹⁾. O. sativa의 추출물은 항바이러스, 항종양, 항균 및 항멜라닌생성 효과 등 다양한 약리학적 효과를 나타낸다^12-15). 이전 연구들에서 O. sativa의 파이토케미컬 분석 결과, diterpenoids¹²⁾, gibberellins^12,14), phenolic¹⁵⁾, 및 phytosterols¹⁶⁾ 화합물을 포함한 많은 생리활성 화합물의 존재를 보고하였다. 그러나 O. sativa 추출물 또는 추출물에서 분리된 새로운 화합물이 골다공증과 관련된 골대사에 대한 효과는 명확하게 알려져 있지 않다.

난소적출 동물은 폐경 후 여성의 생리학적, 병리학적 변화를 연구하기 위해 전 세계적으로 사용되는 동물모델이며 에스트로겐 변화, 혈청 내 골교체율(bone turnover rate)의 상승, 칼슘의 장내흡수 저하, 비만 및 골 미네랄 감소를 야기시킨다¹⁷⁾.

본 연구는 O. sativa 추출물에서 분리된 새로운 화합물의 혈장 안정성과 대사 안정성을 평가하여 화합물의 유효성을 확인하고, 이 화합물을 사용하여 난소적출로 유도된 골다공증 동물모델에서 골밀도 및 골대사와 관련된 생화학적 지표를 확인하여 골다공증 개선 효과를 나타낼 수 있는지를 알아보기 위한 예비 연구이다.

골 대사는 항상 일정한 평형상태를 이루며, 조골세포, 파골세포의 상호작용에 의한 골 형성과 골 흡수의 균형으로 적절하게 유지된다¹⁹⁾. 그러나 골 대사의 불균형으로 인한 골 흡수가 골 형성보다 많아져 골밀도가 감소하게 되면 골다공증 등 다양한 골 질환이 발생할 수 있다³⁾.

폐경 후 골다공증은 폐경 후 여성에서 골밀도 감소 및 골절 위험 증가를 특징으로 하는 대사 장애이며, 감소된 에스트로겐, 칼슘섭취 부족, 호르몬 불균형 및 유전적인 요인 등이 중요한 원인으로 보고되었다²⁰⁾. 적절한 치료가 없을 시 골절 등이 발생하여 심각한 문제를 초래한다.

현재 비스포스포네이트, 에스트로겐 등 다양한 약물이 골다공증 치료제로 사용되고 있으나 질 출혈, 심부정맥 혈전색전증, 유방암, 비정형 대퇴골 골절, 턱 괴사 등의 부작용이 나타난다^6-9). 따라서 부작용이 적은 천연물과 한약재 발굴에 초점을 맞추고 있으며, 대안적 치료 전략으로 개발하려는 노력을 하고 있다.

O. sativa의 뿌리는 한국에서 나도근으로 알려져 있으며, 위와 폐를 보호하고 구토와 해열을 개선하는 등 한국과 중국에서 다양한 의학적 용도를 사용되고 있다^21,22). O. sativa의 추출물은 phytosterols, polysaccharides, glycans, diterpenoids, gibberellins, 및 phenolic과 같은 파이토케미컬을 가지고 있으며 항종양, 항균, 항바이러스 및 항멜라닌 생성 효과 등 다양한 약리학적 효과를 나타낸다고 보고되었다²²⁾. 그러나 O. sativa 뿌리 추출물 또는 추출물에서 분리된 새로운 화합물이 골다공증과 관련된 골대사에 대한 효과는 명확하게 알려져 있지 않다.

본 연구는 골다공증 마우스모델에서 나도근으로 알려진 O. sativa의 뿌리 추출물에서 분리된 새로운 화합물(oryzativol A)의 유효성을 평가하고, 골밀도 및 골대사와 관련된 생화학적 지표를 확인하여 골다공증 개선 효과를 알아보았다.

먼저, O. sativa 뿌리 추출물에서 분리된 oryzativol A의 생체 내 연구에 적용할 수 있는지를 알아보기 위해 혈장 안정성과 대사 안정성을 평가하여 화합물의 유효성을 확인하였다. 본 연구에서 0.5 mg/mL 농도의 oryzativol A를 0, 1, 4, 8, 24시간별 혈장 안정성을 분석한 결과 0 시간을 기준으로 모든 시간에서 80% 이상의 혈장 안정성을 보여주었다. 이러한 결과를 바탕으로 혈장에서 일어나는 가수분해에 대해 oryzativol A는 매우 안정적인 물질일 것이라고 판단된다. 또한, oryzativol A의 대사 안정성 평가를 위해 CYP 효소의 활성을 측정한 결과 5 μM oryzativol A 처리 5분부터 40분까지 CYP3A4의 활성이 약 20% 정도 감소됨을 확인할 수 있었다. Oryzativol A에 의한 CYP3A4의 활성 감소는 oryzativol A가 CYP3A4의 저해제일 가능성을 암시하며, CYP3A4 효소에 의하여 oryzativol A가 불활성 되거나 극성 물질로 변화되어 배설될 가능성이 적음을 알 수 있었다. 따라서 생체 내에서 oryzativol A가 효과적으로 잔류하여 약물 효과가 높아질 것으로 기대할 수 있으며 생체 내 대사 유효성이 높을 것이라 판단된다. 종합하였을 때, oryzativol A의 간 대사 정도 및 약물간의 상호작용을 예측할 수 있으며 이를 기반으로 동물 실험 여부의 유효성을 판단할 수 있었다.

본 연구에서 8주간의 약물 투여기간 동안 oryzativol A에 의한 이상 반응을 보이는 동물은 관찰되지 않았다.

난소 절제술은 에스트로겐 결핍과 관련된 골 손실과 폐경 후 골다공증의 임상증상을 유발하는 것으로 잘 알려져 있다¹⁷⁾. 따라서 본 연구에서는 마우스의 골다공증을 유발하기 위해 난소 절제술을 시행하였다. 그 결과 oryzativol A의 투여 직전 난소 절제를 받은 실험군의 체중은 정상대조군과 비교하였을 때 유의하게 증가하였다. 이러한 현상은 에스트로겐 결핍으로 인해 지방세포의 분화를 촉진시켜 지방조직을 축적하여 난소 절제 후 체중이 증가한다는 이전 연구와 일치하였다^23,24). 또한, Oryzativol A 투여군의 체중 증가율은 실험대조군에 비해 낮았다. 최근 oryzativol A가 지방세포 분화에 관여하는 유전자의 발현을 억제하여 지방세포 생성을 감소시키는 것으로 보고하였다¹⁸⁾. 이러한 결과는 oryzativol A가 체중 감소에 유용한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 투여 8주차에는 oryzativol A 고용량군(50 mg/kg)보다 저용량군(5 mg/kg)의 체중 증가율이 실험대조군 대비 유의하게 낮았다. 체중의 감소가 발생하는 부분은 10배의 용량 차이에도 낮은 용량에서 더 낮은 체중을 보임이 관찰되었다. 이것이 약물에 의한 영향인지는 추후 독성 시험과 추가 시험에서 재연되는지 확인할 필요가 있다고 판단되었다.

골다공증을 진단하는 가장 유용한 지표로 골밀도를 측정하는 것으로 알려져 있다. 골밀도 측정 결과, 전 측정 기간 동안 실험군의 골밀도가 정상대조군에 비해 유의하게 낮았다. 이는 난소 적출로 의한 에스트로겐의 감소가 파골세포의 분화를 억제하는 osteoprotegerin(OPG)을 감소로 인해 골밀도가 낮아지므로 골다공증을 유발시킨다는 기존 연구와 같은 결과를 보여주었다^24,25). 또한, 난소 절제 후 oryzativol A 투여 8주차에 고용량군(50 mg/kg)의 골밀도(0.1063 ± 0.0053 g/cm²)가 실험대조군(0.0999 ± 0.0064 g/cm²)에 비해 유의하게 증가하였다. 이전 연구에서 oryzativol A가 골세포로의 분화를 촉진하는 Runx2 발현을 높이는 것으로 보고하였다¹⁸⁾. 이러한 결과는 oryzativol A가 골밀도를 증가시켜 골다공증을 개선시킬 수 있음을 시사한다.

ALT, AST 및 ALP는 간세포 내에 존재하며 간세포가 파괴되면 혈중 농도가 증가하게 되므로 간 기능 검사 표지자로 사용된다. Oryzativol A가 간 독성에 영향을 미치는지를 확인하기 위해, 간 기능 관련 효소인 ALT, AST, ALP의 혈중 농도 변화를 측정하였다. 그 결과 정상대조군에서 ALT, AST, ALP의 농도 수준을 실험군과 비교하였을 때 유의미한 차이를 보여주지 않았으며 이는 oryzativol A 투여가 간 독성을 나타내지 않는다는 것을 시사한다. 따라서 oryzativol A는 생체 내 장기간 투여 시 안전성을 가지는 물질이라고 판단하였다.

추가적으로 골 기능 검사 표지자로 사용되는 ALP, 칼슘(Ca), 인(P)의 혈중 농도를 확인하여 oryzativol A 투여가 골형성과 칼슘대사에 영향을 미치는지를 확인하였다. ALP는 간세포뿐만 아니라 골아세포에도 많이 존재하며, 뼈 무기질 침착을 증진시키고, 골재형성이 활발할 때 혈중 내에서 증가하는 특징을 보이는 골 기능 검사의 지표로 사용된다^26,27). 본 연구에서 정상대조군과 실험군 또는 실험대조군과 oryzativol A 투여군 사이에는 유의미한 차이를 보여주지 않았다. 하지만 정상대조군에 비해 실험군에서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 특히, oryzativol A 고용량군에서 가장 증가하는 경향을 보여주어 oryzativol A가 골 형성에 약간의 효과가 있는 것으로 사료된다. 하지만 보다 명확한 결과를 확인하기 위해 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.

뼈 속에 칼슘이 빠져나가면 골밀도가 떨어지고 보상 차원으로 골아세포는 혈액 내 칼슘을 운반하여 뼈를 생성한다. 또한 우리 몸은 혈액 속에 칼슘 농도를 일정하게 유지하려고 하는데 혈액 내 칼슘 농도가 떨어지게 되면 부갑상선 호르몬이 파골세포를 자극하여 뼈를 파괴해서 뼈 속의 칼슘을 혈액으로 이동시켜 다시 혈액 속에 칼슘 농도를 맞춰준다²⁸⁾. 또한, 폐경 후 여성은 에스트로겐 결핍으로 인해 혈중 칼슘을 뼈로 흡수하지 못하고 혈중 칼슘농도를 증가 시킨다고 알려져 있다²⁹⁾. 대표적인 뼈의 무기질 성분 중 하나인 인도 칼슘과 마찬가지로 골아세포 수를 증가시켜 골형성을 일으키며, 난소 절제술에 의해 골다공증으로 유도된 마우스 뼈에서 인의 농도가 감소하는 것으로 알려져 있다³⁰⁾. 하지만 본 연구에서 정상대조군과 실험군 간에 칼슘 농도는 유의미한 차이를 보이지 않았다. 다만 oryzativol A 투여군이 실험대조군에 비해 칼슘은 약간 증가하고 인은 감소하는 경향을 보여주었다. 정상대조군과 실험대조군에서 인의 농도 수준을 비교하였을 때 실험대조군에서 유의미하게 증가하는 것을 나타냈다. 또한, 실험대조군과 oryzativol A 고용량군을 비교하였을 때 oryzativol A 고용량군의 인의 농도가 유의미하게 감소하는 것을 확인하였다. oryzativol A 투여량 증가에 따라 골다공증 유발로 비정상화된 혈중 Ca/P의 비율을 정상대조군의 혈중 Ca/P 비율에 가깝게 개선시키는 것으로 보여주었다. 이는 oryzativol A 투여가 혈중 칼슘과 인의 비율 정상화를 통해 골형성을 촉진하고 골다공증을 개선할 수 있는 가능성을 보여주었다.

이상의 결과를 종합해보면, 난소 절제술을 시행한 동물 모델에서 oryzativol A를 경구 투여한 결과 혈장 및 대사 안정성을 보였고, 간 독성을 보이지 않았다. Oryzativol A 고용량군에서 실험대조군에 비해 골밀도가 유의하게 증가하는 것을 확인하였다. 또한, ALP 농도는 실험대조군 대비 oryzativol A 고용량군에서 증가하는 경향을 보여주었다. Oryzativol A 투여량 증가에 따라 골다공증 유발로 비정상화된 혈중 Ca/P의 비율을 정상대조군의 혈중 Ca/P 비율에 가깝게 개선시키는 것으로 보여주었다. 따라서 oryzativol A 고용량군 투여는 골다공증 개선에 효과적인 것으로 사료된다.

본 연구는 O. sativa 뿌리 추출물에서 분리된 oryzativol A의 골다공증 개선효과의 유효성을 알아보기 위한 예비연구이다. 본 연구를 통해 oryzativol A의 생체 내 대사 안정성을 확인하였으며, 골다공증 동물모델에서 골다공증 개선 효능과 8주 투여 안전성을 확인한 바, 신규화합물 oryzativol A가 골형성을 촉진하는 골다공증 예방 및 개선용 의약품으로 개발할 가능성이 충분하다고 판단할 수 있었다. 하지만 추후 더 낮은 농도에서 골다공증 개선효과를 확인하거나 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다.