콘텐츠로 건너뛰기
이미지 설명

참당귀로부터의 decursin 고순도 정제에 관한
공정개발


Development of purification procedures for decursin with a high purity from Angelica gigas Nakai

당귀는 한국, 중국, 일본에서 재배되는 작물로서 한국에서 재배되는 참당귀만이 데커신(Kim et al., 2019)을 함유하고 있다. 현재 우리나라에서 소비되는 참당귀 제품은 모두 참당귀 추출분말로서 2021년 2월에 23가지가 등록되어 있다(식품 안전나라 참조). 참당귀 추출분말은 2014년에 인지기능 개선에 도움을 줄 수 있는 기능성 식품으로 식약처로부터 개별인정을 받았고 현재는 관절기능을 개선하는 기능성 식품으로도 인정을 받은 상태에 있다.
기능성 식품에 관한 법규에 따르면 기능성을 표현할 때는 병명을 사용할 수 없다. 그래서 예를 들자면 관절염 대신에 “관절 기능 개선에 도움을 줄 수 있음”이라는 표현을 사용할 수밖에 없다. 따라서 기능성 식품에 허용되는 표현으로써는 참당귀 추출분말은 세계시장에 진출하기 어렵다.
병명을 사용할 수 있는 의약품인 경우에는 의사처방이 가능하기 때문에 소비가 촉진되고 의료보험 혜택으로 소비자 가격이 저렴 해진다. 병명의 사용은 의약품 개발과정의 임상시험을 거치면 가능해진다. 현재 전 세계적인 의약품 개발과정에서 합성 의약품은 순도 99% 이상이어야 하고 천연물 유래 의약품도 미국 FDA는 순도 99%이상으로 규정하고 있다. 그러나 전통적으로 천연물(한약재)을 많이 사용해온 우리나라에서는 천연물 유래 의약품인 경우에는 순도를 80%이상으로 규정하고 있다.

 
참당귀에는 데커신과 이것의 이성질체인 데커시놀 안젤레이트(decursinol angelate, DA)가 있다(Jiang et al., 2007). 이들의 비는 6:4로 데커신의 함량은 3% 이상이다(Seong et al., 1993). 의약품은 단일 성분이어야만 개발이 가능하기 때문에 데커신 정제과정에서 DA는 반드시 제거되어야 한다. 그런데 데커신과 DA는 이성질체의 관계에 있기 때문에 분자량(328)이 같고 메틸기 한 개만이 탄소 한 개 차이로 결합위치만 다르다(Yim et al., 2005; Jiang et al., 2007). 따라서 이들은 물리 화학적 특성이 비슷해서 분리하기가 대단히 어렵다. Sigma-Aldrich사의 순도 97% 데커신 표준품은 5mg에 356$ 에 거래되고 있다. 이와 같은 높은 가격의 형성은 데커신 정제과정에서의 어려움과 데커신이 화학합성으로 공급되지 않기 때문이다.
의약품들 중의 일부는 천연물에서 유효성분의 분자구조가 밝혀지면 화학합성으로 공급되고 있다. 그 이유는 천연물에는 분자구조가 유사한 물질들이 많기 때문에 이로부터 유효성분을 순도 99%이상으로 정제하는 것은 많은 시간과 경비를 소요하기 때문이다. Lim등은 2001년에 8단계를 거쳐 데커신과 DA를 화학합성을 하였다고 보고 하였다(Lim et al., 2001). 그러나 그 후로 데커신이 화학합성으로 실용화되지 않은 이유는 참당귀는 재배가 쉽고 이에 데커신의 함량이 높기 때문이다.

 
주식회사 엠진바이오는 인삼(홍삼)의 유효성분인 ginsenoside compound K(CK)의 정제에 많은 경험을 가지고 있고 근래에는 순도 99%이상인 CK 결정체를 생산하고 있다. 이 결정체는 세계적인 CK 표준품보다 순도가 높다. 따라서 엠진바이오는 이와 같은 정제 기술을 참당귀에 적용하여 순도 97% 이상인 데커신 결정체를 생산할 수 있을 것으로 확신한다.

 
이상과 같이 데커신의 순도를 높여야 할 필요성은 다음과 같다. 데커신을 국내소비에만 한정할 것이 아니라 세계적인 소비로 확대하려면 반드시 의약품 개발 과정을 거쳐야한다. 이에 필수적인 전제조건이 데커신의 순도이다. 그리고 데커신은 세포독성을 가지고 있기 때문에 데커신의 약리작용을 향상시키기 위해서는 데커신 이외의 세포독성 물질들을 제거해야 한다.

 
배양 중인 암세포의 50%를 자가소멸(apoptosis)로 유도할 수 있는 DA의 유효농도(effective dose 50, ED50)는 위암세포주를 포함한 9가지 암세포주에서 24~56μM이다(Ahn et al., 1997). 그리고 데커신도 p-388 암세포주에서 DA와 같은 ED50의 세포독성을 나타낸다(Itokawa et al., 1994). 그리고 현재 암치료에 쓰이는 항암제들의 세포독성은 다음과 같다. 항암제들 중에서 methotexate와 cisplatin을 예로 들면 human soft tissue sarcoma cell line 4개에 대한 methotexate의 ED50는 0.17~8μM(Li et al., 1995)이고 cisplatin은 7가지 난소암 세포주에 대해서 0.73~8.8μM의 ED50를 (Zanjirband et al., 2016) 보인다. 이상의 결과를 비교하면 데커신과 DA는 항암제 비해 대략 1/10정도로 세포독성이 약하다. 그러나 Kim등(2006)에 의하면 마우스 거식 세포의 암세포인 RAW 264.7 세포주에서 데커신 60μM은 세포독성을 전혀 보이지 않는다. 만약 이와 같은 결과가 앞으로 Sigma-Aldrich사의 순도 97%인 데커신 표준품으로 확인될 수 있다면 데커신 정제과정에서 DA를 제거해야 한다는 논리는 더욱 탄력을 받을 수 있다.

 
참당귀에서는 세포독성이 강한 polyacetylene(Matsunaga et al., 1990)이 검출된다는 보고가 있다(Choi et al., 2000). 따라서 데커신 정제에 의한 DA와 polyacetylene등의 불순물 제거는 같은 용량의 데커신 사용에서 세포독성을 감소시키는 결과를 가져온다.

 
문헌 검색에 의한 데커신의 기능성은 다음과 같다.


– 데커신의 인지기능 개선


데커신은 마우스에서 scopolamine에 의해 유도된 기억상실(amnesia)을 경감한다(Kang et al., 2003). 그리고 치매를 유발하는 알츠하이머 병은 β-amyloid에 의한 염증반응으로 발생한다는 것이 잘 알려져 있다(Lee et al., 2008; Lee et al., 2010). 그런데 데커신은 PC12세포에서 β-amyloid에 의한 염증을 억제한다(Li et al., 2018).


– 데커신의 관절기능 개선


참당귀 추출분말은 쥐에서 monosodium iodoacetate(Marker and Pomonis, 2012; Seo and Park, 2015)로 유발된 골(퇴행성) 관절염의 진행을 억제하였고(Kwon et al., 2015, page 72) 염증유발 싸이토카인의 발현도 억제한다(Kwon et al., 2015, page 260).


염증억제와 손상된 조직 회복을 유도하는 데커신의 기능성


만성 염증성 질환에서는 장기간에 걸친 염증반응으로 조직손상이 크다(Beckman et al., 1990; Rubbo et al., 1994; Wong et al., 1996; Xia and Zweier, 1997; Binder et al., 1999; Hogg and Kalyanaraman, 1999; Yang et al., 2007; Habib et al., 2009; Dizdaroglu et al., 2012) 따라서 이들 질환의 치료에서 염증억제가 필요하지만 손상된 조직의 회복을 유도하는 것은 염증억제에 못지않게 중요하다.


데커신은 염증세포인 마우스 거식세포(macrophage)에서 염증유발 싸이토카인의 전사인자인 NF-κB를 억제함으로써 세포외기질(extracellular matrix)을 분해하는 효소 matrix metalloproteinase-9(MMP-9)의 발현을 저해한다(Kim et al., 2006). 그 뿐만 아니라 데커신은 IL-1β, TNF-α 등의 염증유발 싸이토카인의 분비도 억제한다(Kim et al, 2006).


염증유발 싸이토카인은 조직 손상을 직접 유발하는 것이 아니다. 싸이토카인은 활성산소 superoxide와 활성질소 peroxynitrite 발생을 통해(위 염증반응 참조) 세포 자멸을 유도한다. 그런데 데커신은 강력한 항산화 효소인 heme-oxygenase의 발현을 유도하여 조직 손상을 억제한다(Cho et al., 2015). 데커신은 이상과 같은 강력한 항산화 효과(항염증 효과)에 의해서 마우스 괴양성 대장염에 대해서도 치료효과를 나타낸다(Oh et al., 2017).


대부분의 염증반응은 선천성 면역세포인 염증세포들(macrophages and dendritic cells)을 통해서 발생하는데 류마티스 관절염 등과 같은 자가면역질환에서는 후천성 면역세포인 lymphocyte들도 염증발생에 관여한다. 류마티스 관절염 초기 환자의 말초 혈중(peripheral blood)에서는 RANKL과 IL-15을 발현하는 T-lymphocyte가 많이 검출된다(Miranda-Carús et al., 2006). 그리고 치주염의 뼈 재흡수(bone reabsorption)부위에서는 B lymphocyte와 T lymphocyte로부터 RANKL이 분비된다(Kawai et al., 2006).


RANKL은 세포표면의 수용체 RANK에 결합하여 세포의 분화와 염증을 유발한다. 골수에서 monocyte-macrophage의 전구세포(precursor cell)는 RANKL에 의해서 파골 세포인 osteoclast로 분화된다(Arai et al., 1999; Lee et al., 2005). 이에 의해 뼈가 분해되어 골다공증이 발생한다. 골 관절염에서는 연골에 있는 chondrocyte에서 RANKL과 RANK가 발현되어 염증이 진행되고(Tat et al., 2009) 류마티스 관절염에서는 활막세포 synoviocyte에서도 RANKL과 RANK가 발현되어 염증이 심화된다(Page and Miossec, 2005).


Decursin은 NF-κB억제를 통해 모든 조직의 기반을 이루는 세포외 기질(extracellular mtirx)을 분해하는 효소 MMP-9의 발현을 억제하여 조직 손상을 예방할 수 있다(Kim et al., 2006). 그리고 decursin은 fibroblast에서 procollagen 분비를 촉진함으로써 손상된 조직의 회복을 돕는다(Yoo et al., 2011)그리고 decursin은 osteoclast의 분화를 억제함으로써 골다공증을 예방할 수 있다(Kim et al., 2015).


NF-κB는 cyclooxygenase-2(COX-2)의 발현을 유도하고(Spitzer et al., 2002; Choi et al., 2006) COX-2는 prostaglandin E2(PGE2)를 생산한다(Nah et al., 2008; Nasry et al., 2018). PGE2는 말초감각 신경세포(peripheral sensory neurons)그리고 척수와 중추 신경세포에 작용하여 통증을 느끼게 한다(Ricciotti and FitzGerad, 2011). 그런데 데커신은 NF-κB억제를 통해 PGE2의 생성을 억제함으로써 골 관절염 치료제로 쓰이는 nonsteroidal anti-inflammatory drug(NSAID)(Crofford, 2013)처럼 PE2생성을 억제함으로써 진통효과를 나타낸다.

 
이상과 같이 데커신은 염증억제를 통해 진통효과를 보인다. 그리고 염증에 의해 유발되는 골다공증 등의 조직손상을 예방하며 이를 회복하는 기능성을 갖춘 물질로서 평가된다. 따라서 앞으로 데커신을 여러 가지 만성 염증성 질환을 치료할 수 있는 의약품으로 개발하여 세계에서 소비를 촉진하는 것은 참당귀 재배 농가에 경제적으로 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

참고문헌

  • Ahn K.S., Sim W.S., Lee I.K., Seu Y.B. and Kim I.H. (1997) Decursinol angelate: a cytotoxic and protein kinase C activating agent from the root of Angelica gigas. Planta. Med. 63, 360-361.
  • Beckman J.S., Beckman T.W., Chen J., Marshall P.A. and Freeman B.A. (1990) Apparent hydroxyl radical production by peroxynitrite: implications for endothelial injury from nitric oxide and superoxide. PNAS. 87, 1620-1624.
  • Binder C., Schulz M., Hiddemann W. and Oellerich M. (1999) Induction of inducible nitric oxide synthase is an essential part of tumor necrosis factor-alpha-induced apoptosis in MCF-7 and other epithelial tumor cells. Lab Invest. 79, 1703-1712.
  • Choi S.J., Oh S.Y., Kim J.H. and Roh C.R. (2007) Changes of nuclear factor kappa B (NF-kappaB), cyclooxygenase-2 (COX-2) and matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) in human myometrium before and during term labor. Eur. J. Obstet. Gynecol. Reprod. Biol. 132, 182-188.
  • Choi Y.E., Ahn H. and Ryu J.H. (2000) Polyacetylenes from angelica gigas and their inhibitory activity on nitric oxide synthesis in activated macrophages. Biol. Pharm. Bull. 23, 884-886.
  • Crofford L.J. (2013) Use of NSAIDs in treating patients with arthritis. Arthritis Res. Ther. 15, Suppl 3(Suppl 3):S2.
  • Dizdaroglu M., Jaruga P., Birincioglu M. and Rodriguez H. (2002) Free radical-induced damage to DNA: mechanisms and measurement. Free Radical Biology & Medicine. 32, 1102-1115.
  • Habib S, Moinuddin, Ali A. and Ali R. (2009) Preferential recognition of peroxynitrite modified human DNA by circulating autoantibodies in cancer patients. Cellular Immunology. 254, 117-123.
  • Hogg N. and Kalyanaraman B. (1999) Nitric oxide and lipid peroxidation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1411, 378-384
  • Itokawa H., Yun Y.S., Morita H., Takeya K. and Lee S.R. (1994) Cytotoxic Coumarins from the Roots of Angelica gigas NAKAI. Korean Journal of Plant Resources. 7, 13-15.
  • Jiang C., Guo J., Wang Z., Xiao B., Lee H.J., Lee E.O., Kim S.H. and Lu J. (2007) Decursin and decursinol angelate inhibit estrogen-stimulated and estrogen-independent growth and survival of breast cancer cells. Breast Cancer Res. 9, R77.
  • Kang S.Y., Lee K.Y., Park M.J., Kim Y.C., Markelonis G.J., Oh T.H. and Kim Y.C. (2003) Decursin from Angelica gigas mitigates amnesia induced by scopolamine in mice. Neurobiol. Learn Mem. 79, 11-18.
  • Kawai T., Matsuyama T., Hosokawa Y., Makihira S., Seki M., Karimbux N.Y., Goncalves R.B., Valverde P., Dibart S., Li Y.P., Miranda L.A., Ernst C.W.O., Izumi Y. and Taubman M.A. (2006) B and T Lymphocytes Are the Primary Sources of RANKL in the Bone Resorptive Lesion of Periodontal Disease. Am. J. Pathol. 169, 987–998.
  • Kim J.H., Jeong J.H., Jeon S.T., Kim H., Ock J., Suk K., Kim S.I., Song K.S. and Lee W.H. (2006) Decursin inhibits induction of inflammatory mediators by blocking nuclear factor-kappaB activation in macrophages. Mol. Pharmacol. 69, 1783-1790.
  • Kwon J.H., Han M.S., Lee B.M. and Lee Y.M. (2015) Effect of Angelica gigas extract powder on progress of osteoarthritis induced by monosodium iodoacetate in rats. Analytical Science and Technology. 28, 72-77.
  • Kwon J.H., Han M.S., Lee B.M. and Lee Y.M. (2015) Inhibitory effect of Angelica gigas extract powder on induced inflammatory cytokines in rats osteoarthritis. Analytical Science and Technology. 28, 260-269.
  • Lee J.W., Lee Y.K., Yuk D.Y., Choi D.Y., Ban S.B., Oh K.W. and Hong J.T. (2008) Neuro-inflammation induced by lipopolysaccharide causes cognitive impairment through enhancement of beta-amyloid generation. J. Neuroinflammation. 29, 37.
  • Lee N.K., Choi Y.G., Baik J.Y., Han S.Y., Jeong D.W., Bae Y.S., Kim N. and Lee S.Y. (2005) A crucial role for reactive oxygen species in RANKL-induced osteoclast differentiation. Blood. 106, 852-859.
    Lee Y.J., Han S.B., Nam S.Y., Oh K.W. and Hong J.T. (2010) Inflammation and Alzheimer’s disease. Arch Pharm Res. 33, 1539-1556.
  • Li L., Yang Y., Zheng J., Cai G., Lee Y. and Du J. (2017) Decursin attenuates the amyloid-β-induced inflammatory response in PC12 cells via MAPK and nuclear factor-κB pathway. Phytother. Res. 32, 251-258.
    Li W.W., Tong W.P. and Bertino J.R. (1995) Antitumor activity of antifolate inhibitors of thymidylate and purine synthesis in human soft tissue sarcoma cell lines with intrinsic resistance to methotrexate. Clin. Cancer Res. 1, 631-636.
  • Lim J., Kim I.H., Kim H.H., Ahn K.S. and Han H. (2001) Enantioselective syntheses of decursinol angelate and decursin. Tetrahedron Letters. 42, 4001-4003.
    Marker C.L. and Pomonis J.D. (2012) The monosodium iodoacetate model of osteoarthritis pain in the rat. Methods Mol. Biol. 851, 239-248.
  • Matsunaga H., Katano M., Yamamoto H., Fujito H., Mori M. and Takata K. (1990) Cytotoxic activity of polyacetylene compounds in Panax ginseng C. A. Meyer. Chem. Pharm. Bull. 38, 3480-3482.
  • Nah S.S., Choi I.Y., Lee C.K., Oh J.S., Kim Y.G., Moon H.B. and Yoo B. (2008) Effects of advanced glycation end products on the expression of COX-2, PGE2 and NO in human osteoarthritic chondrocytes. Rheumatology. 47, 425-431.
  • Nasry W.H.S., Rodriguez-Lecompte J.C. and Martin C.K. (2018) Role of COX-2/PGE2 Mediated Inflammation in Oral Squamous Cell Carcinoma. Cancers. 10, 348.
  • Ricciotti E. and FitzGerald G.A. (2011) Prostaglandins and Inflammation. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 31, 986-1000.
  • Rubbo H., Radi R., Trujillo M., Telleri R., Kalyanaraman B., Barnes S., Kirk M. and Freeman A. (1994) Nitric oxide regulation of superoxide and peroxynitrite-dependent lipid peroxidation. Formation of novel nitrogen-containing oxidized lipid derivatives. J. Biol. Chem. 269, 26066-26075.
  • Seo I.B. and Park D.S. (2015) Osteoarthritis Model Induced by Monosodium Iodoacetate: Good Model for Long-term Drug Efficacy Test. Journal of Korean Medicine Rehabilitation. 25, 21-28.
  • Seong N.S., Lee S.W., Kim K.S. and Lee S.T. (1993) Environmental Variation of Decursin Content in Angelica gigas. Korean J. Crop Sci. 38, 60-65.
  • Spitzer J.A., Zheng M., Kolls J.K., Stouwe C.V. and Spitzer J.J. (2002) Ethanol and LPS modulate NF-kappaB activation, inducible NO synthase and COX-2 gene expression in rat liver cells in vivo. Front. Biosci. 1, a99-a108.
  • Wong M.L., Bongiorno P.B., al-Shekhlee A., Esposito A., Khatri P. and Licinio J. (1996) IL-1 beta, IL-1 receptor type I and iNOS gene expression in rat brain vasculature and perivascular areas. Neuroreport. 7, 2445-2448.
  • Xia Y. and Zweier J.L. (1997) Superoxide and peroxynitrite generation from inducible nitric oxide synthase in macrophages. PNAS. 94, 6954-6958
  • Yang D, Elner S.G., Bian Z.M., Till G.O., Petty H.R. and Elner V.M. (2007) Pro-inflammatory Cytokines Increase Reactive Oxygen Species through Mitochondria and NADPH Oxidase in Cultured RPE Cells. EXPERIMENTAL EYE RESEARCH. 85, 462-472.
  • Yim D., Singh R.P., Agarwal C., Lee S., Chi H. and Agarwal R. (2005) A novel anticancer agent, decursin, induces G1 arrest and apoptosis in human prostate carcinoma cells. Cancer Res. 65, 1035-1044.
  • Yoo M.A., Byun S.Y., Song Y.K., Jang H. and Kim D.M. (2011) Profiling of skin anti-aging related proteins in human dermal fibroblasts by decursin in Angelica gigas Nakai. Korean J. Chem. Eng. 28, 880-885.
  • Zanjirband M., Edmondson R.J. and Lunec J. (2016) Pre-clinical efficacy and synergistic potential of the MDM2-p53 antagonists, Nutlin-3 and RG7388, as single agents and in combined treatment with cisplatin in ovarian cancer. Oncotarget. 7, 40115-40134.
Social Media Icons