간헐적 단식, 체중 감량 효과 뒤에 숨겨진 모발 손상

Intermittent fasting triggers interorgan communication to suppress hair follicle regeneration (2024)

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.004

 

간헐적 단식(intermittent fasting, IF)은 체중 감량과 대사 건강 개선을 위한 효과적인 방법으로 주목받고 있다. 하지만 조직 재생과 줄기세포 기능에 미치는 영향은 아직 충분히 이해되지 않았다. 해당 연구는 간헐적 단식이 모낭 줄기세포(HFSC)의 활성화, 생존, 그리고 모발 재생에 미치는 영향을 분석하여, 단식의 잠재적 부작용과 그 원리를 밝힌 연구이다. HFSC는 모낭의 성장 주기를 주도하는 핵심 세포로, 이들의 건강은 모발의 재생과 밀접하게 연결되어 있다. 연구 결과, 간헐적 단식이 HFSC의 활성화와 생존을 저해하며, 이로 인해 모낭 재생이 억제된다는 사실이 밝혀졌다. 특히, 단식으로 인해 유리지방산(FFAs)이 증가하고, HFSC의 산화 스트레스(oxidative stress)가 상승하며 세포 사멸(apoptosis)을 유발했다.

 

연구 방법 및 설정

1. 간헐적 단식의 모델

• 16/8 시간 제한 식이(TRF): 하루 8시간 동안만 음식을 섭취하고 16시간 동안 단식하는 방식
• 격일 단식(ADF): 하루는 단식하고 다음 날은 제한 없이 식사하는 방식

2. 실험 대상

• 쥐 모델: 성체 C57BL/6 생쥐를 사용해 HFSC 활성화와 사멸 과정을 분석했다.
• 인간 임상시험: 49명의 건강한 성인(남녀 포함)을 대상으로 간헐적 단식의 모발 성장 효과를 평가했다.

3. 분석 기법

• 줄기세포 분석: MitoSox와 TMRM을 사용해 HFSC의 산화 손상과 미토콘드리아 기능을 평가
• 혈중 호르몬 측정: 단식 중 코르티코스테론(corticosterone)과 에피네프린(epinephrine)의 변화를 관찰
• 유리지방산 농도 측정: 지방 조직의 지방 분해 정도와 유리지방산 방출량을 분석
• 모발 성장 속도 평가: 참가자의 두피를 밀고 3일 후 자란 모발의 길이와 두께를 측정

 

연구 결과

1. HFSC의 선택적 사멸

• 간헐적 단식은 활성화된 HFSC를 선택적으로 제거했다. 이는 세포 사멸의 주요 원인이었다.
• HFSC는 활성화된 상태에서 산화 스트레스를 견딜 수 있는 항산화 방어 능력이 제한적이었다.
• 표피 줄기세포(EpiSC)는 이러한 영향을 받지 않았으며, 이는 두 세포 유형의 대사적 특성 차이 때문으로 보인다.

2. 유리지방산(FFAs)과 산화 스트레스

• 단식 중 지방 조직에서 방출된 유리지방산이 HFSC에 축적되어 미토콘드리아 손상과 산화 스트레스를 유발했다.
• 미토콘드리아 손상은 산화적 DNA 손상을 증가시키고, HFSC의 생존율을 감소시켰다.

3. 단식 시간과 HFSC 사멸

• 단식 시간이 길수록 HFSC의 산화적 손상과 사멸이 증가했다.
• 예를 들어, 8시간 단식에서는 세포 사멸이 거의 없었으나, 16시간 단식 이후부터는 사멸 신호가 급격히 증가했다.
• 단식 시간을 8시간에서 12시간으로 줄였을 때 HFSC 사멸이 감소하고 모발 재생이 회복됐다.

4. 부신(adrenal gland)의 역할

• 단식 중 부신이 활성화되면서 코르티코스테론과 에피네프린 분비를 촉진했다.
• 이들 호르몬은 지방 조직의 지방 분해를 유도해 유리지방산 방출을 증가시켰다.
• 부신 제거(adrenalectomy)를 수행한 쥐에서는 유리지방산 방출과 HFSC 사멸이 발생하지 않았다.

5. 항산화제의 효과

• 연구진은 비타민 E 같은 항산화제를 국소적으로 적용하여 HFSC 사멸을 예방했다.
• 항산화제는 HFSC의 산화 스트레스를 감소시키고, 모발 재생을 회복시키는 데 효과적이었다.

6. 인간 임상시험 결과

• 간헐적 단식 그룹의 모발 성장 속도는 대조군에 비해 약 18% 감소했다.
• 모발 밀도 변화는 미미했으나, 단식 그룹의 모발 굵기가 얇아지고 성장 속도가 느려졌다.
• 이는 쥐 모델과 유사하게 HFSC의 산화 스트레스 증가와 세포 사멸이 주요 원인으로 보인다.

 

 

간헐적 단식이 지방 조직의 지방 분해를 통해 HFSC 사멸을 유도하는 과정

간헐적 단식이 지방 조직(dermal adipocytes)에서 지방 분해(lipolysis)를 촉진하고, 이로 인해 방출된 유리지방산(FFAs)이 HFSC에 미치는 영향을 다음과 같은 흐름으로 보여준다.

1. 단식 → 지방 분해 활성화 → 유리지방산 방출 증가
2. 유리지방산 축적으로 HFSC에서 산화 스트레스(ROS) 증가
3. 결과적으로 HFSC의 미토콘드리아 손상과 세포 사멸 유도

1. 지방 조직의 지방 분해 과정

   • 지방 조직의 지방 방울(lipid droplet) 염색 결과, 단식 중 지방 분해가 활성화되었음을 보여준다.
   • 특히 16~24시간 단식 이후 지방 방울이 크게 줄어들었으며, 이는 지방이 분해되며 유리지방산이 방출되었음을 의미한다.

2. HFSC에 대한 유리지방산의 영향

   • 지방 조직에서 방출된 유리지방산이 HFSC에 축적되어 미토콘드리아 내 지방산 산화를 증가시켰다.
   • 지방산 산화 과정에서 과도한 ROS(활성 산소종)가 생성되었고, 이는 HFSC의 세포 손상을 초래했다.

3. 지방 분해와 HFSC 사멸의 상관관계

   • 지방 조직의 지방 분해를 억제했을 때(AdipoQCreER; Atglfl/fl 쥐 모델), 유리지방산 방출이 감소하고 HFSC 사멸이 줄어드는 결과를 보여준다.
   • 이는 지방 분해와 HFSC 손상 간의 직접적인 연관성을 강조한다.

4. 유리지방산 직접 주입 실험

   • 유리지방산(예: 팔미트산, 올레산)을 HFSC 주변에 직접 주입했을 때, 단식 없이도 HFSC에서 산화 스트레스와 세포 사멸이 발생했다.
   • 이는 유리지방산이 HFSC 손상의 주요 원인임을 강력히 뒷받침한다.

5. 미토콘드리아 손상 확인

   • HFSC의 미토콘드리아 손상을 전자현미경(TEM)으로 확인했으며, 지방산 축적으로 인해 크리스타(cristae) 구조가 붕괴된 모습을 보여준다.

해당 Figure의 쉬운 요약

1. 단식 중 지방 조직은 에너지를 보충하기 위해 지방 분해를 활성화한다.

   • 지방 조직에 저장된 지방 방울이 분해되면서 유리지방산이 방출된다.

2. 방출된 유리지방산이 HFSC에 악영향을 미친다.

   • HFSC는 이 유리지방산을 연료로 사용하지만, 그 과정에서 **활성 산소종(ROS)**가 과도하게 생성된다.
   • ROS는 HFSC의 미토콘드리아를 손상시키고, 결과적으로 세포가 죽게 만든다.

3. 지방 분해가 억제되면 HFSC 손상이 감소한다.

   • 지방 분해를 차단한 쥐 모델에서 유리지방산 방출이 줄어들었고, HFSC 손상도 거의 발생하지 않았다.

4. 유리지방산은 단식 없이도 HFSC를 손상시킬 수 있다.

   • 유리지방산을 직접 주입한 실험에서 HFSC가 손상되고 사멸되는 현상이 관찰되었다.
   • 이는 단식 자체보다 지방산 축적이 문제의 핵심임을 보여준다.

 

 

간헐적 단식이 HFSC의 산화 스트레스를 유발하는 과정

간헐적 단식 중 발생하는 HFSC의 산화 스트레스 증가와 그 결과로 나타나는 세포 사멸(apoptosis)의 과정을 다음과 같이 설명한다.

• 미토콘드리아 활성 증가: 단식으로 인해 HFSC가 지방산을 연료로 사용하면서 지방산 산화(beta-oxidation)가 촉진된다.
• ROS(활성 산소종) 생성 증가: 지방산 산화 과정에서 전자 전달계에서 누출된 전자가 ROS를 형성한다.
• 산화적 손상과 세포 사멸: HFSC는 내재된 항산화 능력이 낮아, 과도한 ROS로 인해 미토콘드리아가 손상되고 세포가 죽는다.
• 항산화제 효과: 비타민 E 같은 항산화제가 적용될 경우, ROS를 제거해 HFSC 손상을 줄이고 세포 생존을 돕는 효과를 보여준다.

1. HFSC에서 발생하는 산화 스트레스

   • 그림은 MitoSox 염색(미토콘드리아 내 ROS를 나타냄)과 TMRM 분석(미토콘드리아 막 전위를 나타냄) 데이터를 포함한다.
   • 단식한 HFSC는 대조군에 비해 ROS 수준이 크게 증가했으며, 막 전위가 손상된 미토콘드리아가 관찰되었다.

2. 미토콘드리아 손상

   • 전자현미경(TEM) 이미지를 통해 단식 중 HFSC의 미토콘드리아가 구조적으로 손상된 모습을 보여준다.
   • 정상 HFSC와 비교해 미토콘드리아 크리스타 구조가 붕괴된 모습이 특징적이다.

3. DNA 손상

   • 8-oxoguanine(8-oxoG) 염색으로 단식 HFSC에서 산화적 DNA 손상이 증가했음을 보여준다.
   • 이는 ROS에 의한 유전자 손상의 직접적인 증거이다.

4. 항산화제 적용 효과

   • 항산화제(예: 비타민 E) 또는 CAT(카탈라아제) 과발현 후, HFSC의 ROS 수치가 줄어들고 세포 생존율이 크게 향상된 결과를 포함한다.
   • 항산화 처리를 받은 쥐 모델은 단식 중에도 모발 재생 능력을 유지했다.

해당 Figure의 쉬운 요약

1. 간헐적 단식 중 HFSC는 에너지 부족 상태에서 지방산을 태워 에너지를 생성한다.

   • 하지만 지방산을 연료로 사용할 때 ROS(활성 산소종)가 많이 발생한다.

2. ROS가 과도하게 생성되면 HFSC가 손상을 입는다.

   • 미토콘드리아는 에너지를 만드는 기관인데, ROS 때문에 구조가 망가지고 기능을 잃는다.
   • 이 과정에서 유전자 손상(산화적 DNA 손상)도 발생한다.

3. 결국 HFSC는 스트레스를 견디지 못하고 죽게 된다.

   • 이로 인해 모발이 재생되지 않거나, 매우 느리게 자란다.

4. 항산화제를 사용하면 문제가 해결될 수 있다.

   • 비타민 E 같은 항산화제는 ROS를 줄여주어 HFSC를 보호한다.
   • 결과적으로 모발 재생이 가능해진다.

 

결론 및 제언

1. HFSC와 간헐적 단식

   • 간헐적 단식은 HFSC의 산화 스트레스를 증가시키고 활성화된 세포를 선택적으로 제거해 모낭 재생을 억제한다.
   • 장기간 단식은 탈모를 유발할 가능성이 있으므로, 모발 건강을 고려할 필요가 있다.

2. 항산화 보충제의 가능성

   • 비타민 E와 같은 항산화제는 단식으로 인한 HFSC 손상을 줄이고 모낭 재생을 촉진할 수 있는 잠재적 해결책이다.

3. 단식 시간 조정

   • 단식 시간은 HFSC 손상 수준에 큰 영향을 미치므로, 건강 목표와 함께 신중히 조정해야 한다.

 

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