"천년초선인장의 골다공증 예방효과"[발췌논문 : 고려대학교 산학협력단 손용석]

손바닥선인장류의 천년초선인장( Opuntia humifusa )은 사계절이 뚜렷한 온대지역에 자생하며 월동이 가능한 다년생이고, 우리나라 토종 선인장으로, 한반도 전역에서 노지재배에 의한 생산이 가능하며, 현재 경기 및 충남 지역에서 주로 생산되고 있다.

 

국가경제와 소득향상으로 인한 식습관 변화 및 이로 인한 성인병 증가와 고령화 시대의 도래와 함께 건강에 대한 관심은 크게 증가하면서도 성인병 발생은 점점 증가하고 있는 오늘날, 국내외적으로 가장 주목 받고 있는 것은 대사성증후군(Metabolic Syndrome)과 골다공증(Osteoporosis)이라고 할 수 있다.  

골다공증은 골 조직의 물리적 강도를 결정하는 칼슘이 여러 가지 이유(유전적 요인, 영양섭취, 호르몬의 변화, 운동, 생활습관)로 감소되어 골수강이 넓어지는 상태로, 약한 충격에도 골절이 일어나는 결과를 초래하여 삶의 질을 현저히 저하시키는 증상이다. 특히, 여성의 경우 30세 이후부터 골밀도가 지속적으로 감소되며, 폐경기에 이르면 여성 호르몬인 에스트로겐이 급격히 감소하여 인터루킨-7에 의한 것처럼 B-임파구가 다량 생성되어 골수에 B세포 전구체가 축적되고 이로 인해 인터루킨-6의 양이 증가하여 파골세포의 활성을 증가시켜 골밀도가 감소하게 된다.

골다공증은 원발성과 속발성으로 분류되며, 원발성은 폐경 후 골다공증과 노인성 골다공증으로 나뉜다.   

폐경 후 골다공증(제 1형 골다공증)은 여성에서 폐경 이후 에스트로겐 결핍에 의해 일어나는 골다공증으로, 에스트로겐이 결핍되면 골수내 미세환경에서 사이토카인에 의한 조절기전의 장애로 인하여 비적상적으로 골재형성(bone remodeling)과정이 촉진된다.

즉 IL-1, IL-6 및 TNF-α의 생성이 증가하고 이로 인해 조골세포 및 파골세포의 수가 증가하며 결국 골재형성의 활성화 빈도가 증가된다. 세포수의 증가뿐만 아니라 질적인 변화도 관찰되는데, 파골세포는 평소보다 더 깊게 뼈 속을 파고들면서 뼈를 흡수하게 된다. 심한 경우, 소주골을 관통하게 되면 뒤따르는 골형성 과정을 진행할 수 없어 심각한 뼈의 약화를 초래하게 된다.

또한, 에스트로겐은 파골세포의 세포사멸을 증가시키는데, 에스트로겐이 결핍되면 파골세포의 수명이 연장되고 수가 2~3배 증가하게 된다. 결국, 소주골이 얇아지면서 천공으로 인하여 연결성이 감소되고 피질골이 얇아지게 된다. 에스트로겐의 결핍은 조골세포뿐만 아니라 골세포의 세포사멸도 증가시켜 골형성을 감소시키고 골세포의 소관(canaliculi)을 통한 신호전달 체계의 장애로 인하여 뼈의 재생기능이 약화되어 골밀도는 폐경하고 난 뒤, 해마다 5% 정도 줄어들고 70세까지 폐경 전 수준의 50%까지 줄어들 수 있다.

반면에 노인성 골다공증(제 2형 골다공증)은 노화와 관련된 변화로, 남성과 여성 모두에게서 일어나고 서서히 오래 진행된다. 60세 이상에서 나타나며 여성이 남성보다 더 흔한 것으로 보아 고령에서도 에스트로겐의 결핍이 영향을 미치는 것으로 추측된다. 나이가 많아짐에 따라 PPARγ2 및 리간드(ligand)인 PGJ2의 발현이 증가하여 간엽세포로부터 지방세포로의 분화는 증가하는 반면, 조골세포로의 분화는 감소하며, 또한 IGF 및 BP(binding protein)이 감소하게 되어 결국 뼈가 흡수된 부위를 새로운 뼈로 채울 수 없게 된다.

속발성 골다공증은 류마티스 관절염, 신부전, 내분비 질환(성선 기능 저하증, 갑상선 기능 항진증, 쿠싱 증후군, 부갑상선 기능 항진증 등의 질환)이 있을 때나 스테로이드, 제산제, 갑상선 치료제 등을 장기간 복용했을 때 이차적으로 발생한다. 당질코르티코이드(Glucocorticoid)는 조골세포의 생성을 감소시키고, 또한 성숙된 조골세포의 세포사멸도 증가시킨다.

포유동물에서 뼈는 여러 가지 물질로 구성된 복합체로서, 콜라겐과 같은 단백질과 인산칼슘(calcium phosphate(수산화인회석, hydroxyapatite)) 형태로 존재하는 칼슘화된 단단한 기관이면서 가장 큰 기관이다.

 

뼈는 미네랄의 저장고이면서 몸을 지탱하는 역할을 수행한다. 뼈를 구성하고 있는 세포로는 조골세포(osteoblast), 파골세포(osteoclast), 골표면세포(lining cell) 및 골세포(osteocyte)가 있다. 뼈의 항상성은 뼈를 구성하는 단백질을 생성하고 미네랄 축적을 유도하는 조골세포(osteoblasts)와 뼈의 표면에 단백질 분해 효소 분비 및 산성화에 의한 뼈 구성성분을 파괴하는 파골세포(osteoclasts)에 의해서 유지된다.  

조골세포는 골수 내에 존재하는 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell)로부터 분화되고, 파골세포는 조혈모세포(hematopoietic stem cell)로부터 유도된다. 성인의 경우에 1년에 약 10%의 뼈가 생성되고 파괴되는 현상이 반복됨으로써 항상 건강한 뼈를 유지할 수 있다. 뼈의 항상성은 뼈를 생성하는 조골세포와 이를 흡수하는 파골세포의 균형에 의해서 조율된다.

골수 내 뼈 표면의 같은 공간에 존재하면서 조골세포에 의해서 파골세포의 분화가 조절된다. 조골 전구 세포가 다양한 인자(BMP, TGF-β)들에 의해서 분화된 조골세포는 단백질 및 비단백질 성분을 분비하고, 미네랄화를 유도하여 유골(osteoid)을 형성한다. 완전 분화된 조골세포는 골기질(bone matrix) 내에서 골세포(osteocyte) 형태로 존재한다.

뼈를 생성하는 조골세포의 조절은 이를 파괴하는 파골세포의 분화와 뼈 흡수능을 조율할 수 있다. 뼈의 표면에 공존하는 두 세포 간의 상호작용은 뼈의 생성과 파괴의 균형을 조절하여 이의 항상성을 유지한다(Daewon Jeong, Yeungnam University. J. of Med., 24(2),pp.S270-276, 2007).

현재 골다공증 치료제로 비스포스포네이트 제제(알렌드로네이트, 에티드로네이트), 호르몬 제제(랄록시펜), 비타민D 제제, 칼시토닌 제제, 칼슘 제제 등이 있다. 그러나 비스포스포네이트 제제는 흡수율이 떨어지며, 복용방법이 까다롭고 복용방법이 나쁘면 식도염을 유발시키는 단점이 있으며, 호르몬 제제는 평생 복용하여야하며 유방암 및 자궁암 발생율을 증가시킨다.

비타민D 제제는 고가이며 효과가 확실하지 않고, 칼시토닌 제제는 고가이며 투여방법이 어려우며, 칼슘 제제는 부작용은 적지만 치료보다는 예방 효과에 국한된다는 단점이 있다(한국공개특허 10-2005-0080452호).

이러한 현대병을 예방 치료하는 데는 화학합성물에 의존하기보다는 부작용을 최소화 하는 방법으로 천연물이 가지는 건강기능성 효과에 대한 관심도가 점점 높아지고 있다.

손바닥선인장은 전 세계적으로 알려진 약 4,000여 종의 선인장 가운데 한 종류이며, 대부분 열대 및 아열대성으로 국내에는 도입종인 백년초( Opuntia ficus-indica )가 온난한 제주도 지방을 중심으로 재배 생산되고 있고, 이미 국내외적으로 많은 연구가 이루어지고 건강식품의 형태로 상품화 되어있다.  

 

천년초선인장의 부위별 영양성분 분석과 정상 및 암세포에 미치는 효과

(한국식품영양학회지, 2009)윤진아.함상욱*.†손용석* 배화여자대학 식품영양과, *고려대학교 생명과학대학 생명공학부

우리나라에 자생하고 있는 또 다른 손바닥선인장류인 ‘천년초’(Opuntia humifusa)는 아열대 지방에서 분포하는 백년초선인장과 달리 한반도 중부지방에서 －20℃의 겨울에도 생존하는 다년생 선인장이다. 또한 생존력이 우수하여 우리나라 충청도 아산 지방과 경기도 일산지역 등에서 유기농으로 노지에서 재배되고 있어 농가소득을 높일 수 있는 부가가치 작물로 기대되고 있다(Yoon &Son 2009). Opuntia 속 선인장 줄기는 성숙이 진행되면서 그 성분이 변화하는데, 특히, 카로틴, 산성도, 총탄수화물은 크게 증가하며, 조단백질과 조섬유는 감소하는 것으로 보고되어 있다

(Rodriguez-Felix &Cantwell 1988). 열매는 마그네슘을 포함한 무기질 함량이 높은 반면, 나트륨, 칼륨, 인은 타 열매와 비교 할 때 비슷한 수준이며, 특히 유리아미노산 함량이 높고 다른과일과 비교하여 볼 때, 세린, γ-aminobutyric acid, glutamine, proline, arginine, histidine의 함량이 높다고 하였다(Askar &El-Smamhy 1981). 

열매의 발육과정 중 성분 조성의 변화 연구에서 비타민 C와 고형분은 과일이 익어감에 따라 증가한 반면 적정산도는 감소하였다(Kuti JO 1992). 최근 들어 활발히 진행되고 있는 천년초선인장의 기능에 관한 연구를 살펴보면, 항산화 효과(Cho 등 2006), 항균 효과(Lee 등 2004), 간기능 보호 효과(Kim 등 2005), 위궤양 치유 효과(Kim 등 2005), 접촉성 피부염 완화 효과(Kim 등 2007) 등이 보고되어 있다. 

여성암 중 발병률 1위를 차지하는 유방암은 유선에서 발생하는 선암종이다(Kim 등 2007). 천연물을 이용한 유방암 세포주인 MCF-7에 대한 항암 효과의 연구는 활발히 보고되고 있다(Kim 등 2008). 

본 연구에서는 천년초선인장을 종자, 과육, 줄기 그리고 뿌리의 부위별로 구분하여 일반성분, 비타민과 무기질 함량을 알아보고, 사람의 유방암 세포인 MCF-7의 억제효과를 알아보아 기능성 식품으로의 연구 개발 가능성을 검토하고, 천년초선인장을 이용한 기능성 식품 개발을 위한 기초 자료를 얻고자 하였다. 

한반도 중부지방에서 자생하고 있는 천년초선인장의 과육, 종자, 줄기와 뿌리의 부위별 일반성분, 무기질과 비타민의 함량을 분석한 결과, 각 부위에서 수분을 제외한 섬유소의 함량이 약 70∼80%로 높게 나타났으며, Ca의 함량이 줄기4,142.30 ㎎/100 g과 과육 2,790.86 ㎎/100 g으로 높았으며, 비타민 C의 함량이 과육 445.40 ㎎/100 g과 줄기 260.94 ㎎/100g으로 높게 나타났다. 

세포독성에 대한 평가를 위해 정상세포인 BJ 세포를 이용한 결과 유의적인 독성은 나타나지 않았으며, 사람의 유방암 세포인 MCF-7의 성장 저해 효과를 살펴본 바, 천년초선인장 모든 부위의 물 층에서 우수한 저해효과를 나타내었다. 이는 천년초선인장의 높은 칼슘함량으로 골다공증과 뼈의 형성에 도움을 줄 수 있다는 것과 비타민 C의 우수한 함량으로 피로 회복과 피부 미용 등의 효과 또한 유추 할 수 있으며, 유방암 세포의 성장을 억제하는 효과 또한 우수하여 여성에게 미용과 건강을 위한 기능성식품으로 가능성을 기대할 만하다. 

이상의 결론은 우리나라 농가의 고부가가치 생산에 도움이 될 만한 기능성작물로 이용 가능할 것으로 사료된다.