Synergistic attenuation of chronic mild stress induced bone loss by combined use of n-3 PUFA and probiotic through brain-gut-bone axis

Abstract

N-3 polyunsaturated fatty acids (PUFA) and probiotics are known to have helpful effects on bone loss, but bone-protecting mechanism has been uncertain. Therefore, the hypothesis of the present study was to investigate that supplementation of n-3 PUFA and probiotics had synergistic effect on depression induced bone loss through brain-gut-bone axis. Rats were fed with a diet contained 0 % or 1 % n-3 PUFA relative to energy intake, and live or dead probiotics were administered orally for 12 weeks. Chronic mild stress was performed to induce bone loss for 5 weeks. N-3 PUFA with both live and dead probiotics improved bone mass, calcium, and osteoprotegerin, and decreased N-telopeptide of type 1 collagen, receptor activator of nuclear factor kappa-Β ligand, and cytokines. N-3 PUFA and probiotics increased brain-derived serotonin, and modulated the hypothalamic-pituitary-adrenal axis by decreasing adrenocorticotropic hormone and corticosterone, which decreased bone expression of beta 2 adrenergic receptor and activating transcription factor 4, while increased runt-related factor 2. On the other hand, n-3 PUFA and probiotics decreased gut-derived serotonin, which downregulated bone expression of 5-hydroxytryptamine receptor 1B and increased cyclic adenosine monophosphate. N-3 PUFA with probiotics had synergistic effect on ameliorated bone loss. This was the first study to show synergistic bone-protective effects of n-3 PUFA and probiotics through brain-gut-bone axis in depressed rats. Further studies are warranted to prove the synergistic effects of n-3 PUFA and probiotics on bone loss in depressed patients. |선행연구에서 n-3 다가불포화지방산 (n-3 polyunsaturated fatty acids, n-3 PUFA)과 프로바이오틱스는 골 손실에 유익한 효과가 있는 것으로 알려져 있지만, 복합 투여로 인한 골 보호 기전은 불분명하다. 따라서, 본 연구는 n-3 PUFA와 프로바이오틱스의 보충이 뇌-장-골 축을 통한 우울증으로 유도된 골 손실에 상승효과를 미친다는 가설을 조사하기 위하여 수행하였다. 4주령 수컷 Wistar 쥐에게 1주간의 적응 기간을 거친 후 총 7개의 군으로 무작위 배정하여 실험 식이를 12주동안 공급하였다. 대조 식이를 투여하는 군에게는 AIN-93G 식이를 변형하여 전체 열량의 0% n-3 PUFA 식이를 제공하였고, n-3 PUFA 식이를 하는 군에게는 전체 열량의 1%의 n-3 PUFA 식이를 제공하였다. 생균과 사균은 1 mL 멸균수에 6×109 CFU를 녹여서 경구 투여로 공급하였다. 프로바이오틱스를 공급하지 않는 군에게는 경구 투여로 인한 동일한 스트레스를 주기 위하여 멸균수를 공급하였다. 스트레스로 인한 골 손실을 유발하기 위해 일주일 스케줄로 매일 다른 8가지 종류의 스트레스를 가하는 만성경도스트레스를 5주간 수행하였다. 만성경도스트레스는 에너지 방사선 흡수 계측법으로 측정한 골밀도를 감소시키고, 설탕선호실험과 강제수영부하실험으로 측정한 우울 행동을 증가시켰다. N-3 PUFA와 프로바이오틱스 모두 골밀도와 대퇴골 내의 칼슘을 증가시키고, osteoprotegerin 발현을 증가시켰다. 더불어서 혈청 N-telopeptide of type 1 collagen과 대퇴골 내의 receptor activator of nuclear factor kappa-Β ligand, 사이토카인을 발현을 감소시켰다. N-3 PUFA와 프로바이오틱스는 뇌 유래 세로토닌을 증가시켰고, beta 2 adrenergic receptor의 뼈 발현을 감소시키고 activating transcription factor 4를 활성화하는 부신피질자극호르몬과 코르티코스테론을 감소시킴으로써 시상하부-뇌하수체-부신 축을 조절하였다. 반면, n-3 PUFA와 프로바이오틱스는 장 유래 세로토닌을 감소시켰고, 이는 대퇴골 내의 serotonin 1B receptor 의 발현을 감소시키고 cyclic adenosine monophosphate를 증가시켰다. N-3 PUFA와 프로바이오틱스를 단독으로 섭취한 군보다 복합 투여한 군이 골 감소 개선에 더욱 효과적이었고, 본 연구에서는 이를 시너지효과라고 정의하였다. 또한, 프로바이오틱스 생균과 사균 간은 유의한 차이가 없었다. 결론적으로, n-3 PUFA와 프로바이오틱스는 만성경도스트레스로 인한 우울증이 유도된 쥐에서 뇌-장-골 축을 통해 골감소 개선 효과를 나타냈다. 그리고 골 감소 개선 효과는 n-3 PUFA와 프로바이오틱스를 복합 투여한 군에서 가장 높은 효과를 나타냈다.