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KR20160050858A - Development of Mouse Model for Alzheimer's Disease and Reduction of AD Symptoms through Consumption of Kimchi Lactic Acid Bacteria - Google Patents

Development of Mouse Model for Alzheimer's Disease and Reduction of AD Symptoms through Consumption of Kimchi Lactic Acid Bacteria Download PDF

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KR20160050858A
KR20160050858A KR1020140149955A KR20140149955A KR20160050858A KR 20160050858 A KR20160050858 A KR 20160050858A KR 1020140149955 A KR1020140149955 A KR 1020140149955A KR 20140149955 A KR20140149955 A KR 20140149955A KR 20160050858 A KR20160050858 A KR 20160050858A
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South Korea
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light
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amyloid beta
kimchi
ptau
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강민서
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Abstract

알츠하이머성 치매 (Alzheimer's disease; AD)는 기억장애와 인지능력 감소의 원인이 되는 신경계 질환이며 Amyloid beta 와 hyperphosphorylated tau (pTau) 단백질의 축적으로 인한 신경손상이 주원인이다. 이들 단백질의 변화를 수반하는 동물 모델의 제작은 AD 치료법 방법을 개발하는 데 중요하게 고려되는 부분이다. 본 연구에서는 빛에 대한 노출변화가 Amyloid beta 와 pTau 단백질의 뇌 조직 내 함량, 인지 장애, 장 내 세균의 조성에 영향을 줄 것이라고 가정하였고, 김치국물에 포함된 유산균을 동물 모델에 공급하여 AD 증상이 변화하는 지 평가하였다. 또한 서로 다른 빛 노출 조건에 놓여진 세 그룹의 생쥐에게 두 가지 행동반응 검사, 즉 grip strength test와 object recognition test를 시행하였다. 실험결과, 대조군 생쥐의 기억지수는 빛 제한 그룹과 빛 과다노출 그룹 보다 1.5배 더 높았으며, 뇌에서 분석된 Amyloid beta 와 pTau 단백질의 양은 빛 제한 그룹에서 높게 나타났다. 또한, 인지 기능은 빛이 제한되면 감소되었다. 이 결과는 빛에 비정상적으로 노출되는 것이 AD와 같은 증상을 유발할 수 있으며 이러한 환경에 노출된 동물을 AD 병태모델로서 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 그 다음으로 각 생쥐의 장 내 세균을 분류해 보아 빛 조건의 변화가 장 내 세균 조성의 불균형에 원인이 된다는 것을 증명하였다. 이 후 빛 제한 그룹이나 빛 과다노출 그룹의 생쥐 모두에게 김치 국물을 공급한 후 object recognition test 등 위와 동일한 검사를 실시하였는데, 장 내 세균 조성의 균형이 회복되었으며, 빛 과다노출 그룹은 인지능력이 의미 있게 개선되었다. 또한 빛 제한 그룹의 Amyloid beta 와 pTau 단백질 함량이 유지되었으며 다른 그룹에서는 적은 양의 증가가 관찰되었다. 결론적으로 빛 제한 그룹에서 나타난 AD 증상을 근거로 할 때 AD병태모델 제작이 가능하며 장 내 세균 조성은 인지기능, 뇌 조직의 Amyloid beta 와 pTau 단백질 함량에 영향을 미칠 수 있다. Alzheimer's disease (AD) is a neurological disorder that causes memory impairment and cognitive decline and is the main cause of nerve damage due to the accumulation of amyloid beta and hyperphosphorylated tau (pTau) proteins. The production of animal models involving these protein changes is an important consideration in the development of AD therapy methods. In this study, it was assumed that changes in exposure to light would affect the brain tissue content, cognitive impairment, and composition of intestinal bacteria in the amyloid beta and pTau protein, and the lactic acid bacteria contained in kimchi soup were supplied to the animal model, . Three groups of mice placed under different light exposure conditions were subjected to two behavioral response tests: grip strength test and object recognition test. As a result, the memory index of the control mice was 1.5 times higher than that of the light restriction group and the light overexposure group, and the amount of amyloid beta and pTau protein analyzed in the brain was higher in the light restriction group. Cognitive function was also reduced when the light was limited. These results indicate that abnormal exposure to light can cause symptoms such as AD and that animals exposed to these conditions can be used as an AD condition model. Next, by classifying the bacteria in the intestines of each mouse, it was proved that the change of the light condition causes the imbalance of bacterial composition in the intestines. After that, Kimchi broth was supplied to both the light restriction group and the light overexposed group, and the same test as object recognition test was performed. The balance of the bacterial composition in the intestine was restored, and the light overexposure group . Amyloid beta and pTau protein contents of the light restriction group were maintained, and a small increase was observed in the other groups. In conclusion, it is possible to construct an AD condition model based on the symptoms of AD in the light restriction group, and the intestinal bacterial composition may affect the cognitive function, the amount of amyloid beta and pTau protein in brain tissue.

Description

알츠하이머 병태 모델 개발 및 김치 유산균 섭취를 통한 알츠하이머 증상완화{Development of Mouse Model for Alzheimer's Disease and Reduction of AD Symptoms through Consumption of Kimchi Lactic Acid Bacteria}[Background Art] [0002] Development of a model of Alzheimer's disease and alleviation of symptoms of Alzheimer's disease by ingesting lactic acid bacteria of Kimchi [

본 발명은 알츠하이머 병태 모델 개발 및 김치 유산균 섭취를 통한 알츠하이머 증상완화에 관한 것이다.The present invention relates to the development of a model of Alzheimer's disease condition and alleviation of Alzheimer's symptoms through ingestion of Kimchi lactic acid bacteria.

알츠하이머성 치매의 원인은 아직 규명되지 않았지만, 대두되고 있는 중요한 원인 중 두 가지가 Amyloid beta 와 pTau 단백질이다. Amyloid beta는 전구체인 APP (amyloid precursor protein)의 절단에 의해 생성되며, APP 는 alpha-secretase, beta- secretase, gamma-secretase 의 활성에 의해 절단되는데, 만일, APP가 alpha-secretase에 의해 절단되면 용해성이 유지되며 sAPP의 형태로 독성이 없지만, APP가 beta- secretase와 gamma-secretase에 의해 절단되면 Amyloid beta 가 생성되는 것이다. Amyloid beta 의 가장 흔한 형태가 Amyloid beta40과 Amyloid beta42인데, Amyloid beta 가 일정 농도 이상으로 축적되면 서로 결합하여 점차적으로 oligomer 또는 plaques로 쌓이게 된다고 한다. Amyloid beta 의 축적은 신경소교세포 (microglia)를 활성화 시키고 신경 염을 유발하여 퇴행성 뇌 질환에 이르게 한다. 결과적으로 Amyloid beta 에 의한 신경독성이 학습과 기억 세포를 손상시켜 알츠하이머성 치매의 인지 결손을 일으키는 것이다. 따라서 고농도의 Amyloid beta는 AD 생성확률을 높여준다고 볼 수 있다. The cause of Alzheimer's dementia has not yet been elucidated, but two of the major causes that are emerging are Amyloid beta and pTau protein. Amyloid beta is produced by cleavage of the precursor amyloid precursor protein (APP) and APP is cleaved by the activities of alpha-secretase, beta- secretase and gamma-secretase. If APP is cleaved by alpha-secretase, Is maintained and is not toxic in the form of sAPP, but amyloid beta is produced when APP is cleaved by beta- secretase and gamma-secretase. The most common forms of amyloid beta are amyloid beta40 and amyloid beta42. When amyloid beta accumulates above a certain concentration, it binds to each other and gradually accumulates as oligomers or plaques. Accumulation of amyloid beta activates microglia and triggers neuritis, leading to degenerative brain disease. As a result, neurotoxicity caused by amyloid beta can damage learning and memory cells, resulting in cognitive deficits in Alzheimer's dementia. Therefore, high concentration of amyloid beta increases the probability of AD production.

pTau는 알츠하이머 치매의 또 다른 잠재적인 원인 요소인데, 원래 Tau는 미세소관 (microtubules)을 안정화 시켜 신경세포의 구조를 유지하는 데 도움을 주는 단백질이다. 하지만 AD 환자에서 비정상적으로 과 인산화 (hyperphosphorylation) 가 되면 Tau 단백질은 더 이상 기능을 하지 못하는 신경섬유다발을 형성한다. pTau is another potential cause of Alzheimer 's dementia. Tau is a protein that helps stabilize microtubules and maintain neuronal structure. However, when abnormally hyperphosphorylated in AD patients, the Tau protein forms a bundle of nerve fibers that no longer functions.

한편, 양질의 수면을 취하지 못하거나 수면 무 호흡 등도 뇌 세포 외부에 Ab 플라크의 축적을 유발하여 AD 진행을 촉진할 수 있다고 한다. 인간과 생쥐 모델 실험으로 Amyloid beta 주야주기성 (Amyloid beta diurnal pattern) 으로 Amyloid beta의 축적을 증명하였으며, 수면 조절로 Amyloid beta 의 축적을 변화시킬 수 있다는 것 역시 밝혀졌다. (Lucey & Bateman. 2014) On the other hand, sleeping without good sleep or sleep apnea can cause the accumulation of Ab plaques outside the brain cells and promote AD progression. Human and mouse models have demonstrated the accumulation of amyloid beta as an amyloid beta diurnal pattern, and it has been shown that amyloid beta accumulation can be altered by sleep regulation. (Lucey & Bateman, 2014)

이 외에도 AD가 세균과 관련이 있다는 몇 가지 연구가 있는데, 세균 또는 바이러스에 의한 감염 축적 (infectious burden, IB)이 AD의 병인으로 심각하게 고려되고 있다. Bu 등 (2014)에 의하면 Amyloid beta와 염증성 사이토카인이 두 세 가지 병원균에 감염되었을 때 보다 네 다섯 가지의 병원성 세균에 감염되었을 때 더 많은 양이 관찰되었다고 한다. 말하자면, CMV, HSV-1, B.  burgdorferi , C.  pneumoniae, H.  pylori에 의한 IB는 AD의 원인 물질이 될 수 있는 것이다. 더욱이 Itzhaki 등 (1997)에 의하면 APOE-e4 (apolipoprotein E e4) 운반체와 HSV-1 (herpes simplex virus type 1) 은 둘 다 심각하게 손상된 AD의 원인이 될 수 있다고 보고하고 있다. 따라서 이러한 연구들은 AD가 외부원인 물질로부터의 감염과 관련이 있다는 것을 증명하고 있다. 이와 반대로 생균제 (probiotics)의 사용으로 AD 를 조절할 수 있는데, 인체에 1014 마리의 미생물이 있으며 이들 중 대부분은 장 내 세균으로 존재한다. 이들 장내 세균이 뇌 신경계를 조절한다는 흥미로운 연구가 보고되어 있다. (Bhattacharjee et al, 2013)In addition, there are several studies that show that AD is related to bacteria. Infectious burden (IB) caused by bacteria or virus is seriously considered as a pathogenesis of AD. Bu et al. (2014) reported that amyloid beta and inflammatory cytokines were more abundant when infected with four or five pathogenic bacteria than when infected with two pathogens. In other words, IB caused by CMV, HSV-1, B. burgdorferi , C. pneumoniae and H. pylori could be the causative agent of AD. Furthermore, Itzhaki et al. (1997) report that both APOE-e4 (apolipoprotein E e4) carriers and HSV-1 (herpes simplex virus type 1) can cause severe AD. Thus, these studies demonstrate that AD is associated with infection from external causative agents. Conversely, the use of probiotics can control AD, with 10 14 microorganisms in the body, most of which are present in intestinal bacteria. Interestingly, these intestinal bacteria control the brain nervous system. (Bhattacharjee et al, 2013)

AD의 병원성을 확인하기 위해서는 이상적인 AD 동물모델을 개발하는 것이 중요하다. 현재, 유전적으로 변형된 형질전환 동물 모델을 AD 연구에 사용 하고 있는데, 이러한 모델은 AD 병원성을 유도하는 데 많은 시간이 소요된다. 특히 AD환자의 대부분이 65세 이상인데 AD 형질전환 동물 모델은 고령에서 발생하는 AD보다는 오히려 조기에 발현되는 AD와 더욱 유사하다. It is important to develop an ideal AD animal model to confirm the pathogenicity of AD. Currently, genetically modified transgenic animal models are used in AD studies, which take a long time to induce AD pathogenicity. In particular, most of the AD patients are over 65 years old, and the AD transgenic animal model is more similar to the AD that develops early rather than to AD.

따라서, 본 연구는 서로 다른 빛 조건이 알츠하이머 치매의 증상과 관련이 있는 지 알아보고, 이러한 빛 조건 변화에 노출된 동물로 AD 병태 모델을 개발할 수 있는 지 가능성을 확인해 보고자 하였다. 또한 김치 유산균의 공급으로 생쥐 장 내 세균의 조성 변화를 유도한 후 AD 증상을 감소시킬 수 있는 지 알아보기 위해 다양한 뇌신경 행동반응 검사와 Amyloid beta와 pTau 단백질 분석을 실시하였다.Therefore, this study investigates whether the different light conditions are related to the symptoms of Alzheimer 's dementia and to ascertain the possibility of developing an AD condition model in animals exposed to these light conditions changes. In addition, various neurobehavioral tests and amyloid beta and pTau protein analysis were performed to determine whether the supply of Kimchi lactic acid bacteria could induce changes in bacterial composition in the intestine and then reduce AD symptoms.

본 발명은 알츠하이머 병태 모델 개발 및 김치 유산균 섭취를 통한 알츠하이머 증상완화하는 것을 특징으로 하는 김치 유산균 섭취를 포함하는 알츠하이머 증상의 완화 방법을 제공한다.The present invention provides a method for alleviating symptoms of Alzheimer's disease including the intake of Kimchi lactic acid bacteria, which is characterized by development of an Alzheimer's disease model and alleviation of symptoms of Alzheimer's disease through intake of Kimchi lactic acid bacteria.

전체 42일간 진행된 여러 실험의 결과에 따라 몇 가지 결론이 도출되었다. Several conclusions were drawn based on the results of various 42-day experiments.

첫 번째 결론은 빛 제한 조건이 4주의 짧은 기간 동안에도 Amyloid beta의 증가를 촉진시킨다는 것이다. 또한 인지 능력 검사에서도 빛 제한 그룹의 기억지수가 가장 낮았다. 따라서 빛 제한 환경은 짧은 기간 동안 AD 병태 모델을 제작하는 효과적이라는 것을 의미한다. The first conclusion is that the light restriction condition promotes the increase of amyloid beta even during a short period of 4 weeks. In the cognitive ability test, the memory limit of the light restriction group was the lowest. Thus, the light restriction environment means that it is effective to construct the AD condition model for a short period of time.

빛과 잠은 여러 가지로 관련이 있다. 만일 빛이 있는 상태라면 깊고 효율적인 수면이 방해될 것이고 이와 관련된 연구들은 본 실험 결과를 뒷받침한다. 빛은 AD 환자의 수면 패턴과 행동을 개선시킬 수 있는데, 수면방해와 AD와의 상관관계를 밝히기 위한 연구가 진행되어 이를 증명하였다. AD 환자는 흔히 수면-각성 사이클 (sleep-wake cycles)의 변화를 경험하게 되며, 수면 문제로 고통 받은 환자들이 2년 내에 AD 로 진행되는 경우가 있다. (Sterniczuk et al, 2013) 또한 Holtzman 등 (2012)은 수면방해가 뇌 신경 세포 주변에 Amyloid beta의 수준을 변화시킨다는 것을 발견하였다. Light and sleep are related in many ways. If light is present, deep and efficient sleep will be hindered, and related studies support this experimental result. Light can improve sleep pattern and behavior in AD patients, and research has been conducted to demonstrate the correlation between sleep disturbance and AD. Patients with AD often experience changes in sleep-wake cycles, and patients who suffer from sleep problems may progress to AD within two years. (Sterniczuk et al., 2013). Holtzman et al. (2012) also found that sleep disturbance changes the level of amyloid beta around the brain neurons.

두 번째로, 각 그룹이 서로 다른 양의 빛에 노출되었을 때 장 내 세균 조성에 있어서 균형이 무너질 수 있다는 것이다. 사람들이 오고 가고 빛 조건을 바꾸는 등 환경의 변화에 노출된 생쥐에게는 이러한 변화가 큰 스트레스로 작용하여 장 내 세균 총의 불균형을 유도하고 이러한 장 내 세균의 불균형은 AD의 증상과 관련된 인지 능력의 손상이나 Amyloid beta의 증가 등이 유발되는 것이다. 김치국물의 공급은 김치 공급 전 이미 Amyloid beta와 pTau 함량이 일정 수준 이상 도달한 생쥐에게는 AD 증상의 악화를 막아주었지만, 일정 수준에 도달하지 않았을 때에는 극단적인 환경에 지속적으로 노출된 생쥐에서 Amyloid beta와 pTau 단백질 함량이 증가하였다. Second, when each group is exposed to different amounts of light, the balance in the intestinal bacterial composition may collapse. In mice exposed to environmental changes, such as when people come and go and change light conditions, these changes act as major stresses, leading to an imbalance in intestinal bacterial counts, and imbalances in these intestinal bacteria may lead to impaired cognitive abilities And increased amyloid beta. The supply of Kimchi soup prevented the deterioration of AD symptoms in mice that had already reached a certain level of amyloid beta and pTau before kimchi supply, but when they did not reach a certain level, And pTau protein content were increased.

김치는 다양한 양념과 채소로 만들어진 한국의 전통 발효 식품이며 (Bang et al, 2008), Kim 등 (2009)은 김치에서 식이섬유, 미네랄, 젖산, 유익균 등이 발견되었다고 보고하였다. Choi 등 (2014)의 연구에 의하면 사물 인지 능력은 김치 국물의 공급으로 개선되며 김치 추출액은 Amyloid beta의 작용을 감소시키고 뇌 손상을 막아준다고 한다. 또한 Jung 등 (2012)은 김치에서 분리된 Lactobacillus pentosus 와 같은 유산균이 기억력 감퇴를 막아준다는 것을 증명하였다. Kim et al. (2009) reported that dietary fiber, minerals, lactic acid, and beneficial bacteria were found in kimchi, which is a traditional Korean fermented food made of various spices and vegetables (Bang et al, 2008). According to a study by Choi et al. (2014), the object recognition ability is improved by the supply of kimchi soup, and the kimchi extract reduces the action of amyloid beta and prevents brain damage. In addition, Jung et al. (2012) showed that Lactobacillus lactoserobacteria such as pentosus have been shown to prevent memory loss.

AD와 장 내 세균과도 관계가 있는데, Bhattacharjee와 Lukiw (2013)는 뇌 기능의 활성에 대한 생균제의 영향을 분석하였는데, 생균제는 뇌에서 신경화학물질을 변화시키고 그 변화는 신경 면역 기능을 개선시키는 데 도움이 되기 때문에 AD를 치료하고 관리하는 데 효과가 있을 것이라 하였다. Bhattacharjee and Lukiw (2013) analyzed the effect of probiotics on the activity of brain function. The probiotic agent changes the neurochemicals in the brain and the changes improve the neuroimmunity function And that it will be effective in treating and managing AD.

결론적으로, 본 연구는 빛이 AD의 주요 원인 물질인 Amyloid beta의 생성에 중요한 역할을 하며, 스트레스에 지속적인 노출이 Amyloid beta와 pTau 단백질 함량을 증가시킨다는 것을 밝혀냈다. 김치 유래 유산균은 AD를 방지하는 역할을 하는 것으로 보이지만 김치 공급 이전에 이미 진행된 뇌 손상을 회복시켜 줄 수는 없었다. 또한 짧은 시간 내 빛 제한 환경으로 AD 병태 동물 모델을 생산 할 수 있을 것이다.
In conclusion, this study has shown that light plays an important role in the production of amyloid beta, a major causative agent of AD, and that sustained exposure to stress increases amyloid beta and pTau protein content. Lactic acid bacteria derived from Kimchi seemed to prevent AD, but could not restore the brain damage that had already occurred before Kimchi was supplied. It will also be possible to produce AD conditional animal models in a short time light restriction environment.

본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 도면을 첨부하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 도면에 의하여 제한되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram illustrating a system for controlling a display apparatus according to an embodiment of the present invention;

재료 및 방법Materials and methods

1. 생쥐1. Mouse

18마리의 12주령 ICR 생쥐를 각 6마리씩 빛 제한 그룹 (light restricted group)과 빛 과다노출 그룹 (light overexposed group), 대조군 그룹 (control group) 등 세 그룹으로 나누었다. 빛 제한 그룹은 실험이 진행되는 6주 동안 지속적으로 어두운 장소에 두었으며, 빛 과다노출 그룹은 6주 동안 지속적으로 밝은 장소에 두었다. 대조군 그룹은 낮 동안은 밝게 밤 동안은 어둡게 해 주었다. 세 그룹의 모든 생쥐의 체중은 매주 측정되었다. Sixteen 18-week-old ICR mice were divided into three groups, light restricted group, light overexposed group, and control group, each in six groups. The light restriction group was kept in a dark place for 6 weeks during the experiment and the light over-exposure group was kept in a constantly bright place for 6 weeks. The control group was bright during the day and dark during the night. Body weights of all three groups of mice were measured weekly.

2. 행동 반응 검사2. Action response test

4주 후, 생쥐의 운동 기능과 인지 기능에 빛 노출이 미치는 영향을 확인하기 위하여 grip strength test와 object recognition test의 두 가지 행동 반응 검사를 진행하였다. Grip strength test에서는 생쥐를 창살에 거꾸로 매달리게 해 놓고 떨어질 때까지 걸리는 시간을 측정하였다. (Kim, 2006) 인지 기능 검사로는 object recognition test를 시행하였다. 큰 박스 내부의 마주보는 양 끝에 두 개의 동일한 모양의 플라스크를 놓아두었으며, 생쥐를 한 마리씩 넣고 2분 동안 두어 사물을 기억하도록 하였다. 모든 생쥐를 동일한 상황에 노출시키는 데 약 15분 정도의 시간이 소요되었다. 그 다음 플라스크 하나를 다른 모양의 물체로 교체하였고 플라스크와 새로운 물체를 중심으로 각 1.5 cm 반경을 표시하였다. 두 개의 스톱워치를 이용하여 주어진 시간 안에 생쥐가 기존의 플라스크와 새로 교체된 물체의 1.5 cm 반경 내에서 머무는 시간을 측정하였다. 이렇게 측정된 수치를 이용하여 다음 계산식과 같이 기억지수 (memory index)를 환산하였다. Four weeks later, two behavioral response tests, grip strength test and object recognition test, were conducted to determine the effects of light exposure on motor function and cognitive function in mice. In the grip strength test, the mice were held upside down on the grate and the time taken for the mice to fall was measured. (Kim, 2006) Object recognition test was used for cognitive function test. Two identical flasks were placed at the opposite ends of the large box and one mouse was placed for 2 minutes to remember the objects. It took about 15 minutes to expose all mice to the same situation. One flask was then replaced with a different shaped object and a 1.5 cm radius was centered around the flask and the new object. Two stopwatches were used to measure the amount of time the mice stayed within a 1.5 cm radius of the old flask and the newly replaced object within a given time. Using the measured values, the memory index was converted as shown in the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

3. 3. AmyloidAmyloid beta40beta40 and pTaupTau 측정 Measure

Elisa Method를 이용하여 생쥐 뇌에서 Amyloid beta40과 pTau단백질 농도를 측정하였다. 생쥐의 뇌 조직을 protease inhibitor가 포함된 2 ml Ripa buffer에 넣고 균질화시켰으며 10,000 rpm에서 10분간 원심분리 하여 상층액을 회수하였다. Amyloid beta40의 농도를 측정하기 위하여 Human Amyloid beta (1-40) Assay Kit (IBL)를 사용하였는데 제품에서 제공된 방법에 따라 분석이 진행되었다. Amyloid beta40의 농도는 mg당 수치로 그래프에 나타내었다. pTau 측정은 TAU [pS199] Human ELISA Kit (invitrogen)를 이용하여 제공된 방법에 따라 진행되었다. pTau 단백질의 농도 역시 mg 당 수치로 그래프에 나타내었다.
Amyloid beta40 and pTau protein concentrations were measured in mouse brain using Elisa Method. Mouse brain tissue was homogenized in 2 ml Ripa buffer containing protease inhibitor and centrifuged at 10,000 rpm for 10 minutes to recover the supernatant. To determine the concentration of amyloid beta40, the human amyloid beta (1-40) Assay Kit (IBL) was used and the assay was performed according to the method provided in the product. The concentration of amyloid beta40 is shown in the graph per mg. pTau measurements were performed using the TAU [pS199] Human ELISA Kit (Invitrogen). The concentration of pTau protein is also shown in the graph per mg.

4. 장 내 세균 배양4. Bacterial culture in the intestine

A. 세균 배지의 준비A. Preparation of Bacterial Medium

두 개의 플라스크에 각 500 ml의 증류수를 넣은 다음 MRS agar (BD DifcoTM, France) 파우더 35 g을 각각 넣어 70 g/L의 MRS agar solution을 만들었다. 각 플라스크 입구를 알루미늄 호일로 막고 고온고압멸균기 (autoclave)에 넣은 다음 121 ℃, 1.2 기압에서 15 분간 멸균하였다. 이 후 멸균된 용액을 피펫을 이용하여 페트리디쉬에 25mL 씩 담은 다음 부어 굳혀서 MRS agar 배지를 만들었다. MRS broth (BD DifcoTM, France) 배지는 55 g/L의 용액을 만들어 멸균시킨 다음 식혀서 준비하였다.
Each of the two flasks was charged with 500 ml of distilled water and then added with 35 g of MRS agar (BD Difco , France) powder to prepare a 70 g / L MRS agar solution. Each flask inlet was covered with aluminum foil, placed in a high-temperature autoclave, and sterilized at 121 ° C and 1.2 atm for 15 minutes. After that, 25 mL of the sterilized solution was immersed in a Petri dish using a pipette, and then poured to make an MRS agar medium. MRS broth (BD Difco TM , France) medium was prepared by making a solution of 55 g / L and sterilized before cooling.

B. 생쥐 B. Mouse 분변의Fecal 회수 및 장 내 세균 배양 Collection and culture of intestinal bacteria

생쥐를 한 마리씩 다른 통에 넣고 배변을 할 때까지 기다린다. MRS broth 배지 1 ml를 넣은 12개의 마이크로 튜브 각 하나에 각 생쥐의 분변 한 개씩을 넣은 후 볼텍스 믹서 (vortex mixer)로 잘 풀어지도록 혼합하고 혼합액을 루프로 찍어 MRS agar에 streaking method 로 도말하였다. 하나의 agar plate에는 한 마리의 생쥐 분변 혼합액을 접종하였으며 모두 12개의 agar plate를 37 ℃ 배양기에 넣고 24시간 동안 배양하였다. 이 후 배양된 장 내 세균을 관찰하였다. Put one mouse in another and wait until you have a bowel movement. Each of the 12 microtubes containing 1 ml of the MRS broth medium was blotted with a vortex mixer. The mixture was looped and streaked onto the MRS agar. One agar plate was inoculated with one mouse feces mixture. Twelve agar plates were placed in a 37 ° C incubator for 24 hours. The cultured intestinal bacteria were observed.

C. 장내 세균의 분류C. Classification of intestinal bacteria

각 세균 콜로니 (colony)를 특징에 따라 분류한 후 분리 배양하였다. 루프로 각 콜로니를 찍어 MRS broth 배지와 혼합한 후 MRS agar 배지에 streaking method로 도말하고 37 ℃ 배양기에서 24시간 배양하였다. 하나의 MRS agar 배지에 한 종류의 세균이 배양될 때까지 이와 같은 분리 배양을 2, 3회 반복하였으며, 분리 배양된 세균 배지는 마크로젠 (한국)에 보내어 각 세균의 DNA sequencing과 BLAST test를 의뢰하였다. DNA sequencing은 16s rRNA 방법을 사용하였으며, 이를 바탕으로 세균의 종 (species)을 동정할 수 있었다. BLAST test는 세균의 DNA sequence를 밝혀낸 후 이미 밝혀진 세균들의 DNA sequence와 일치하는 지 알아보는 방법으로 수행되었다.
Each bacterial colony was classified according to the characteristics and then cultured separately. Each colony was looped and blended with MRS broth medium, streaked on MRS agar medium, and cultured in a 37 ° C incubator for 24 hours. This sort of culture was repeated 2 or 3 times until one kind of bacteria was cultured on one MRS agar medium. The separated culture broth was sent to Macrogen (Korea) for DNA sequencing of each bacteria and BLAST test . DNA sequencing was performed using the 16s rRNA method, and bacterial species could be identified based on this. The BLAST test was carried out by detecting the DNA sequence of the bacteria and then checking whether they match the DNA sequences of the bacteria already identified.

5. 생쥐에게 김치 국물 공급5. Supply Kimchi soup to mice

A. 김치 국물에서 유산균의 분리A. Isolation of lactic acid bacteria from Kimchi broth

김치에서 국물을 피펫으로 회수하였으며 MRS broth 배지와 혼합하였다. 루프로 혼합액을 찍어 streaking method로 MRS agar plate에 도말하였으며 37 ℃에서 24시간 배양하였다. 이 후 발생한 세균 콜로니를 특징에 따라 분류한 다음 분류된 한 종류의 콜로니를 하나의 MRS agar plate에 배양하였다. 분리배양은 2, 3회 반복되었으며 하나의 배지에 한 종류의 세균 콜로니만 증식하면 세균을 동정하였다.
The broth was recovered from kimchi by pipette and mixed with MRS broth medium. The mixture was streaked on the MRS agar plate by streaking method and cultured at 37 ° C for 24 hours. The bacterial colonies were classified according to their characteristics, and then one sort of colony was cultured on one MRS agar plate. Separation culture was repeated 2 or 3 times, and bacteria were identified when only one type of bacterial colony was propagated in one medium.

B. 생쥐에게 김치 국물 공급B. Supply Kimchi broth to mice

김치 유산균을 분리한 것과 동일한 종류의 김치를 구입하여 김치국물을 회수하였으며, 물과 1:2의 비율로 혼합하였다. 희석된 김치 국물은 빛 제한 그룹과 빛 과다노출 그룹의 생쥐에게 물 대신 공급되었으며, 2일에서 3일에 한번씩 신선한 용액으로 교체되었다. 김치 국물은 총 9일간 공급되었다. The kimchi broth was recovered by purchasing the same type of kimchi as that from which the Kimchi lactic acid bacteria were separated, and mixed with water at a ratio of 1: 2. The diluted kimchi juice was supplied to the light restriction group and the light overexposed group of mice in place of water and replaced with fresh solution every 2 to 3 days. Kimchi soup was supplied for 9 days in total.

C. 생쥐의 변화 관찰C. Observation of changes in mice

생쥐에게 김치국물을 공급한 후 나타난 변화를 관찰하기 위하여 grip strength test와 object recognition test를 실시하였다. 빛 과다노출 그룹의 생쥐 1번과 2번은 실험을 하기 전에 안락사를 시켰는데, 같은 그룹의 4번 생쥐가 이들 생쥐에게 난폭하게 공격하여 생쥐 1번과 2번은 행동이 어려울 정도로 심각하게 상처를 입었다. 나머지 모든 생쥐의 장내세균과 Amyloid beta와 pTau 단백질도 분석되었다.
To evaluate the changes of Kimchi after feeding Kimchi juice, we performed grip strength test and object recognition test. Mice 1 and 2 in the light overexposed group were euthanized before the experiment, in which 4 mice of the same group were attacked wildly by these mice, causing mice 1 and 2 to be seriously injured to such an extent that they were unable to act. Intestinal bacteria and amyloid beta and pTau protein were also analyzed in all other mice.

D. 장 내 세균의 분류D. Classification of bacteria in intestines

각 세균 콜로니는 특성에 따라 분류되었으며, 각 콜로니는 MRS broth 배지와 혼합한 후 MRS agar plate에 접종하고 37 ℃에서 24시간 배양되었다. 한 종류의 세균 콜로니가 분리 될 때까지 분리배양이 반복되었으며 각 세균의 DNA sequencing과 BLAST test를 분석하였다.
Each bacterial colony was classified according to its characteristics. Each colony was mixed with MRS broth medium and inoculated on MRS agar plate and cultured at 37 ° C for 24 hours. Separation culture was repeated until one type of bacterial colony was isolated. DNA sequencing and BLAST test of each bacteria were analyzed.

결과 result

1. 빛 노출에 따른 1. Light exposure AmyloidAmyloid betabeta Wow pTaupTau 단백질의 변화 Protein change

AD 원인 물질인 Amyloid beta40와 pTau 단백질이 뇌에 축적되는 것이 빛 노출과 관련이 있는 지 알아보기 위하여 4주 동안 빛이 제한되거나 과다 노출된 생쥐의 뇌를 분석하였다. 빛 제한 그룹의 생쥐 뇌에서는 높은 수준의 Amyloid beta40이 축적된 것으로 나타났지만 빛 과다 노출 그룹에서는 대조군 생쥐와 비슷한 정도의 Amyloid beta40 함량이 관찰되었다. 따라서 빛의 제한은 짧은 기간 내에 Amyloid beta의 축적을 유도하여 이를 이용하면 알츠하이머성 치매의 병태모델을 효과적으로 제작할 수 있을 것이다. To determine whether accumulation of amyloid beta40 and pTau protein, which are the causative agents of AD, in the brain is related to light exposure, we analyzed the brains of light-restricted or overexpressed mice for 4 weeks. Amyloid beta40 was found to accumulate in the light-restricted group of mice, but in the over-exposure group, amyloid beta40 content was similar to that of control mice. Therefore, the restriction of light induces the accumulation of amyloid beta in a short period of time, which can be used to effectively model the condition of Alzheimer's Dementia.

각 생쥐의 뇌에서 pTau 단백질의 함량도 측정하였다. 빛 제한 그룹과 빛 과다노출 그룹의 생쥐 뇌조직 내 pTau 단백질 함량은 구 그룹 모두에서 높게 나타났는데, 이는 빛의 비정상적인 노출이 pTau 수준을 높여 AD를 유도한다는 것을 의미한다. 대조군의 pTau 단백질은 다른 그룹에 비해 낮은 수치를 나타내었다. The content of pTau protein in each mouse brain was also measured. The pTau protein content in the mouse brain tissue of the light restriction group and the light overexposure group was higher in all the old groups, which means that abnormal exposure of light induces AD by increasing the level of pTau. The pTau protein of the control group was lower than the other groups.

2. 빛 노출 조건에 따른 생쥐의 행동 반응2. Behavioral responses of mice to light exposure conditions

빛 노출이 생쥐의 행동 반응에 영향을 주는 지 확인하기 위하여, 두 가지 행동 반응 검사 즉 운동 기능과 인지 기능 검사를 진행하였다. 운동 기능 검사로서 진행된 grip strength test는 케이지 위에 생쥐를 매달리게 한 후 떨어지는 시간을 측정한 것이다. 빛 제한 그룹의 생쥐가 떨어지는 시간이 다소 짧았지만 그 차이가 적어 무시해도 좋을 정도였다. 따라서 grip strength test 결과는 빛 과다노출 시 운동 기능에 많은 영향을 주는 것은 아니라는 것을 증명하였다. To determine if light exposure affects the behavioral response of mice, two behavioral response tests were performed: motor function and cognitive function test. The grip strength test, which was performed as a motor function test, measures the dropping time after hanging the mouse on the cage. The mice in the light restriction group had a shorter time to fall, but the difference was so small that they were negligible. Thus, the results of the grip strength test demonstrated that light overexposure did not significantly affect motor function.

Object recognition test를 위하여, 생쥐를 두 개의 동일한 플라스크가 놓여진 박스에 넣어 학습을 유도한 다음 플라스크 하나를 새로운 물체로 교체하여 생쥐가 새로운 물체에 흥미를 가지는 지 알아보았다. 대조군 생쥐는 대부분 원래 있었던 물체보다는 새로운 물체에 더 큰 흥미를 가져 호기심이 많은 행동을 보여주었지만 빛 제한 그룹과 빛 과다노출 그룹의 생쥐는 대조군보다 낮은 기억지수를 나타내었다. 기억지수는 생쥐가 물체에 흥미를 보이는 전체 시간에 비해 새로운 물체에 흥미를 보이는 시간의 비율을 나타내는 것인데, 실험결과는 빛 제한 혹은 빛 과다노출이 기억에 심각한 손상을 준다는 것을 증명하고 있다. For object recognition testing, the mice were placed in two identical flasks to induce learning, and then one of the flasks was replaced with a new object to see if the mouse was interested in the new object. Control mice showed more curiosity with new interest in new objects than most original ones, but mice in light and overexposed groups showed lower memory indices than controls. Memory indexes represent the percentage of time that a mouse is interested in a new object relative to the total time it is interested in the object. Experimental results have shown that light restriction or overexposure can cause serious damage to memory.

결과적으로 빛 제한 그룹은 Amyloid beta40과 pTau 단백질 함량은 크게 증가시키고 기억지수는 감소시키기 때문에 이를 이용하여 단 기간에 알츠하이머성 치매의 병태 모델을 생산이 가능하다는 것으로 보여주었다.
As a result, the light restriction group showed a significant increase in Amyloid beta40 and pTau protein content and a decrease in the memory index, indicating that it is possible to produce a condition model of Alzheimer's disease in a short period of time.

3. 빛 노출에 따른 장 내 세균의 변화3. Changes in intestinal bacteria due to light exposure

빛 제한 그룹과 빛 과다 노출 그룹의 생쥐에서 마리당 대조군보다 적은 종류의 장 내 세균이 분리되었다. 이것은 비정상적인 빛 노출이 장 내 세균의 다양성을 감소시키는 원인이라는 것을 의미한다. Less intestinal bacterial isolates were isolated from the light and overdose groups of mice than from the control. This means that abnormal light exposure is the cause of decreased bacterial diversity in the intestine.

각 그룹의 장내세균의 종류를 알아보면, 대조군에서는 B. tequilensis , B. subtilis , E. faecium , L. plantarum , B. thringiensis , L. sharericus가 분리되었으며, 빛 제한 그룹에서는 B. tequilensis, B. subtilis , E. faecium , E. gallinarum , L. plantarum가 분리되었다. 비록 빛 제한 그룹에서 생쥐 마리당 분리된 세균의 종류는 대조군보다 적었지만 그 그룹 생쥐 전체에서 분리된 장내세균의 종류는 대조군보다 더 많았다. 이 결과는 빛 제한 조건으로 인해 각 생쥐마다 장 내 세균의 종류가 서로 다르게 변했다는 것이며, 이는 빛 제한이 장내세균 총의 균형이 무너뜨린다는 것을 의미한다. 더욱이 빛 제한 그룹에서 발견된 E. gallinarum은 감염성 세균의 종류이다. (Gilmore, 2002) 이와 반대로 빛 과다 노출 그룹에서는 마리당 세균의 종류도 대조군보다 적었을 뿐 아니라 전체 집단의 세균의 다양성도 적었다. 따라서 빛의 과다노출이나 빛의 제한 조건 모두 장 내 세균의 균형을 무너뜨리는 원인이 된다는 것을 알 수 있었다. B. tequilensis , B. subtilis , E. faecium , L. plantarum , B. thringiensis and L. sharericus were isolated in the control group . subtilis , E. faecium , E. gallinarum and L. plantarum were isolated. Although the number of bacteria isolated from mice in the light restriction group was less than that of the control group, the number of intestinal bacteria isolated from the whole group of mice was higher than that of the control group. This result indicates that the light restriction limits the different types of bacteria in the intestines for each mouse, which means that light restriction destroys the intestinal bacterial gun balance. Furthermore, E. gallinarum found in the light restriction group is a class of infectious bacteria. (Gilmore, 2002). On the contrary, in the light over-exposure group, not only the number of bacteria per marine was lower than that of the control group, but also the bacterial diversity of the whole group was small. Thus, both overexposure of light and limiting conditions of light were found to be responsible for destroying the balance of bacteria in the intestines.

4. 김치 국물에서 분리된 유산균의 분석 및 김치 국물 공급 후 생쥐의 변화4. Analysis of Lactic Acid Bacteria Isolated from Kimchi Soup and Changes of Mice after Kimchi Soup Supply

AD의 치료제로서 생균제의 가능성을 언급한 연구와 같이 발효식품에서 생균제는 큰 역할을 한다. 본 연구에서는 한국의 대표적인 전통 식품 중의 하나인 김치를 이용하였다. 실험결과 김치에서는 모두 10 종류의 유산균이 확인되었는데, 유전적으로 정확히 동정된 것은 7종이었다. 첫 번째로 동정된 세균은 Leuconostoc mesenteroides 였으며, 항 종양 기능 및 섬유육종 감소 기능 등으로 잘 알려져 있다. (Kelkar et al. 1988) 두 번째는 Lactobaciullus curieae로 초두부에서 주로 발견되는 균이며 (Lei et al, 2013), 세 번째로 분석된 Bacillus sonorensis는 식품 보존 및 치료제로 널리 이용되고 있는 균이다. (Chopra et al, 2014) 그 외 Enterococcus faecium는 생균제로 널리 사용되는 균이며 (Kang and Lee, 2005), Bacillus subtilis는 항생제, 항 곰팡이제 외에도 다양한 효소를 생산하는 데 주로 이용되는 균이다. (Morikawa, 2006) Lactobacillus sakei는 어류와 육류에서 발견되며, 육류를 발효시키고 보존하는 역할을 한다. (Chailou, 2013) 이 세균은 부패 원인균을 막아주기 때문에 유산균 배양의 시작에 흔히 사용 된다. Bacillus pumilus는 식물 생장을 촉진시키는 균으로 알려져 있다. (Thomas, 2004)Probiotic agents play a major role in fermented foods, such as studies that mention the potential of probiotics as therapeutic agents for AD. In this study, kimchi which is one of representative traditional foods of Korea was used. As a result, ten kinds of lactic acid bacteria were identified in kimchi, and seven species were genetically identified. The first identified bacteria were Leuconostoc mesenteroides , And is well known for its antitumor function and fibrosarcoma reduction. (Kelkar et al. 1988). The second is Lactobaciullus curieae (Lei et al., 2013). Bacillus sonorensis is widely used as food preservation and remedy. (Chopra et al, 2014). Other Enterococcus faecium is widely used as a probiotic (Kang and Lee, 2005), and Bacillus subtilis is a widely used enzyme for producing various enzymes besides antibiotics and antifungal agents. (Morikawa, 2006) Lactobacillus Sakei are found in fish and meat, and serve to ferment and preserve meat. (Chailou, 2013) This bacterium is often used at the beginning of lactic acid bacteria culture because it prevents the causative bacteria of decay. Bacillus pumilus is known to promote plant growth. (Thomas, 2004)

세 그룹의 모든 생쥐의 장 내 세균 조성이 변화되었는데, 김치가 공급된 후에는 E. faecium , L. plantarum , L. sphaericus 등 세 종류의 세균만이 생쥐의 장 내에서 분리되었다. 비록 김치 국물 섭취로 인해 장 내 세균의 다양성이 증가되지 않았지만 생쥐가 먹는 것이 장 내 세균의 구성이 크게 영향을 준다는 것을 입증한 결과였다. 이는 김치와 같은 식품의 섭취로 인해 장 내 세균의 구성이 조절되었고 AD를 조절하는 데 생균제가 사용 가능하다는 것을 보여주는 결과이다. After the application of kimchi , only three species of bacteria such as E. faecium , L. plantarum and L. sphaericus were isolated in the intestines of the mice. Although the intake of kimchi soup did not increase the intestinal bacterial diversity, it was the result of proving that the eating of the mice greatly influences the composition of intestinal bacteria. This result shows that the intake of food such as kimchi controlled the composition of intestinal bacteria and that probiotics can be used to control AD.

김치 공급 후 장 내 세균의 변화뿐 아니라 인지 능력 개선에도 효과가 있는 지 알아보기 위하여 동일한 생쥐에 대하여 object recognition test를 진행하였고 기억지수를 측정하였다. 빛 과다 노출그룹에서는 김치 공급 후 인지능력이 유의하게 개선된 것을 관찰하였으나 빛 제한 그룹에서는 인지 능력이 개선되지 않았다. 앞서 빛 제한 그룹에서 Amyloid beta와 pTau 단백질 함량이 높았기 때문에 이미 뇌 손상이 진행되었을 것이다. 이 때문에 김치의 공급으로 장 내 세균의 균형은 회복하였지만 이미 손상된 뇌로는 다른 그룹에서처럼 인지 기능의 개선이 나타나지 않은 것으로 생각된다. 이와 달리 빛 과다 노출그룹은 pTau 단백질 함량은 높았으나 Amyloid beta 함량은 높지 않아 뇌 손상이 심각하지 않았을 것이고, 김치의 공급으로 인지 기능이 다소 회복될 수 있었던 것으로 보인다. The object recognition test was performed on the same mice and the memory index was measured to see whether it was effective in improving the cognitive ability as well as the change of bacteria in the intestines after the supply of kimchi. In the light over-exposure group, we observed a significant improvement in cognitive ability after the kimchi supply, but the cognitive ability did not improve in the light restriction group. Previously, the amyloid beta and pTau protein contents were high in the light restriction group, so the brain damage would have already proceeded. Because of this, the balance of bacteria in the intestines was restored by the supply of kimchi, but the damaged brain did not show improvement in cognitive function as in the other groups. In contrast, the light overdose group showed a high pTau protein content, but the amyloid beta content was not high, so brain damage was not serious, and kimchi supply seemed to restore some cognitive function.

각 그룹의 생쥐는 총 42일 동안 빛 노출이 조절된 환경에 놓여져 있었고, 42일 중 마지막 9일간은 물 대신 김치 국물을 섭취하였다. 김치 국물 섭취가 Amyloid beta와 pTau 단백질의 농도를 감소시키는데 효과적인 지 알아보았는데, Amyloid beta의 함량은 대조군과 빛 과다 노출 그룹에서 더 증가했다. 이는 실험이 진행되는 전 기간 동안 생쥐가 실험자에게 지속적으로 노출된 것에 의한 스트레스가 원인인 것으로 보인다. 하지만 빛 제한 그룹에서는 오히려 Amyloid beta의 함량이 감소되었기 때문에 빛의 제한 환경으로 인해 이미 Amyloid beta의 ?량이 높아진 상태에서는 김치에 의해 Amyloid beta 축적이 유의하게 감소되는 것으로 생각된다. The mice in each group were placed in a controlled light exposure for 42 days, and during the last 9 days of 42 days, kimchi broth was consumed instead of water. We examined whether kimchi juice intake was effective in decreasing the concentration of amyloid beta and pTau protein. Amyloid beta content was further increased in the control and light overdose groups. This seems to be due to the stress caused by continuous exposure of the mice to the experimenter during the entire period of the experiment. However, the amount of amyloid beta decreased in the light restriction group. Therefore, it is considered that the amyloid beta accumulation is significantly decreased by the kimchi when the amount of amyloid beta is already increased due to the restriction of light.

Figure 14에서, 대조군의 pTau 단백질 역시 증가하였는데 실험 기간 중 스트레스의 증가에 기인한 것으로 생각된다. 하지만 빛 과다 노출 그룹과 빛 제한 그룹은 이미 pTau 단백질 함량이 높은 수준이었기 때문에 김치 국물이 더 이상의 pTau 단백질 축적을 억제시킨 것으로 보인다. 이와 달리 적은 양의 pTau 단백질이 있을 때에는 외부 환경에 의한 스트레스로 더 높은 단백질 축적이 일어날 수 있을 것이다.
In Figure 14, the pTau protein in the control group also increased, probably due to increased stress during the experiment. However, the light overexposure group and the light restriction group already had a high level of pTau protein, so kimchi soup seemed to suppress further pTau protein accumulation. On the contrary, when there is a small amount of pTau protein, stress due to the external environment may lead to higher protein accumulation.

Claims (1)

알츠하이머 병태 모델 개발 및 김치 유산균 섭취를 통한 알츠하이머 증상완화하는 것을 특징으로 하는 김치 유산균 섭취를 포함하는 알츠하이머 증상의 완화 방법.A method for alleviating Alzheimer's symptoms including the ingestion of Kimchi lactic acid bacteria, which comprises developing an Alzheimer's disease model and alleviating Alzheimer's symptoms through ingestion of Kimchi lactic acid bacteria.
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