스쿠티카증(scuticociliatosis)은 어류, 갑각류 및 연체동물에서 발생하는 Scuticociliatida목(order)에 속하는 조직섭이성(histophagous) 섬모충에 의한 감염증을 말하며, 근래 우리나라를 비롯하여 전세계적으로 해산양식에 크게 문제가 되는 기생충성 질병이다. 원인충인 스쿠티카충은 대부분의 섬모충과는 달리 신장, 혈관 및 뇌조직까지 감염을 유발하여 높은 폐사율을 나타내며 우리나라에서는 특히 넙치양식장에 큰 경제적인 손실을 입히고 있다(Harikrishnan et al, 2010; Iglesias et al., 2002; Bae et al., 2009). 넙치 Paralichthys olivaceus에서 스쿠티카증을 일으키는 원인종으로 우리나라에서는 Uronema marinum (Jee et al., 2001), Philasterides dicentrarchi (Kim et al., 2004a), Pseudocohnilemdus persalinus (Kim et al., 2004b)가 보고되었고, 이중 Philasterides dicentrarchi는 Miamiensis avidus와 동일종으로 보고된 바 있다(Jung et al., 2007). 또한 Jin et al. (2007)은 우리나라 넙치 양식의 50% 이상의 생산량을 차지하고 있는 제주도지역 넙치양식장의 경우, 2000년도 이후 지속적으로 스쿠티카증 발생률이 40% 전후로 나타났으며, 특히 이 중 70-80% 이상이 비브리오나 활주세균 등의 세균성질병과의 혼합감염으로 발생했다고 보고하였다.

[Table 1.] Anti-bacterial and anti-scuticociliate activities of Polysiphonia morrowii extract and its fractions

Anti-bacterial and anti-scuticociliate activities of Polysiphonia morrowii extract and its fractions

현재 스쿠티카증에 대한 대책으로는 포르말린(37% 포름알데히드 수용액)이 유일하게 스쿠티카충 구제제로 승인되어 사용되고 있으나 사용농도가 100-200 ppm으로 높아 어체에 스트레스를 줄 수 있으며 최근 미국 독성학 프로그램 보고서(2011)에 의하면 포름알데히드는 1981년 보고서에서의 “reasonably anticipated to be a human carcinogen”에서 “known to be a human carcinogen”로 그 위험성이 격상되어 식품안전상의 문제도 대두되고 있는 현실이다. 현재까지 스쿠티카충 구제물질에 관한 연구로는 항생제, 기생충 구제제를 포함한 다양한 화학요법제 그리고 resveratrol과 같은 천연유래물질 등을 이용한 in vitro 항스쿠티카충 효과에 관한 보고가 있으나, in vivo또는 현장실험에서의 효과는 거의 보고되어 있지 않다(Lamas et al., 2009; Harikrishnan et al., 2010).

따라서, 본 연구에서는 스쿠티카증의 주된 발병상황인 세균과의 혼합감염에도 효과적으로 대응할 수 있는 물질을 도출하기 위하여 항스쿠티카충 활성뿐만 아니라 항균활성도 동시에 갖는 물질을 천연물에서 도출하고자 활성검색을 실시하였다. 그 과정에서 홍조류인 모로우붉은실[Polysiphonia morrowii Harvey (Rhodomelaceae)]의 80% 메탄올 추출물이 Miamiensis avidus에 대한 항스쿠티카충 활성과 동시에 주요 그람음성세균에 대한 항균활성도 갖는 것을 확인하였다. 선행된 연구(Kang et al., 2005; Kang et al., 2008; Kim et al., 2011)에서는 모로우붉은실 추출물과 분획물 수준에서의 항균활성이 보고되었으며, 주요 어병바이러스에 대한 항바이러스 활성이 보고되었고 항바이러스 활성물질로 2종의 브로모페놀계 화합물이 분리·보고된 바 있다. 그러나, 모로우붉은실의 항스쿠티카충 활성과 활성지향적인 분리에 따른 항스쿠티카충 활성물질 분리에 관한 연구는 처음 시도된 것이다. 뿐만 아니라, 분리된 브로모페놀계 화합물을 포함한 다양한 브로모페놀 유도체들을 이용하여 항스쿠티카충 활성의 구조-활성상관성을 알아보았다.

그람음성균으로 E.tarda 표준균주 KCTC 12267 및 V. anguillarum 표준균주 KCTC 2711, A. salmonicida KCCM 40239를 사용하였고, 그람양성균으로는 S. iniae와 S. parauberis ST 12046을 사용하였다. 스쿠티카충은 스쿠티카증을 일으키는 주요 원인충의 하나인 Miamiensis avidus (YS2 strain) (Bae et al., 2009)을 어류주화세포 CHSE -214 세포에 접종 후 20℃에서 배양하여 사용하였다.

본 연구에 사용된 모로우붉은실(Polysiphonia morrowii Harvey)은 2008년 4월 전남 여수시 돌산에서 채집하여 신종암 교수(전남대학교 해양기술학부)로부터 동정 받은 후 사용하였다. 채집한 모로우붉은실은 증류수로 충분히 세척하여 염분을 제거하고, 동결건조 후 냉동(-20℃) 보관하였다. 그 표본은 본 연구실에 보관되어있다. 동결건조한 모로우붉은실(100 g)을 80% (v/v)메탄올 3 L로 3 h 동안 열탕(80℃) 추출하여 추출액을 모아 감압 농축하였다. 80% 메탄올 추출물(9.6 g)을 물에 현탁하여 메틸렌클로라이드(CH₂Cl₂)로 분획하였다. 감압 농축한 CH₂Cl₂분획물(3.4 g)은 90% (v/v) 메탄올로 용해시켜 이를 다시 n-Hexane으로 분획하여 총 3가지의 분획물, n-Hexane (2.2 g), 90% 메탄올(1.1 g), Aqueous (6.1 g) 분획물을 얻었다(Fig. 1).

[Fig. 1.] Extraction, fractionation and isolation for Polysiphonia morrowii.

모로우붉은실의 90% 메탄올 분획물(1.1 g)을 ODS column chromatography (methanol:water=5:95~100:0)를 실시하여 9개의 소분획으로 나누었다. 그 중 소분획물 II (120 mg)를 Sephadex^TM LH-20 column chromatography (100% methanol) 을 실시하여 얻은 5개의 subfraction 중 2번 subfraction (70 mg)을 다시 Sephadex^TM LH-20 column chromatography (methanol:acetone=1:9)로 실시하여 각각 Compound 1 (12 mg)과 Compound 2 (23 mg)를 얻었다. 소분획물 VI (150 mg)를 Sephadex^TM LH-20 column chromatography (CH₂Cl₂:MeOH=1:9)을 실시하여 소분획물 VI-V를 얻었고, 이에 대한 HPLC 정제 과정을 거쳐 Compound 3 (3 mg)을 분리하였다(Fig. 1).

본 연구에 사용된 14종의 합성브로모페놀 유도체는 Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Tokyo, Japan)에서 구입하여 사용하였다. Oxytetracycline, norfl oxacin, flumequine은 Sigma-Aldrich사(St. Louis, USA) 제품을 사용하였다.

시료를 75% 에탄올 수용액에 녹인 후 직경 6 mm 멸균 paper disc에 설정 농도로 흡착하여 실온에서 건조시켰다. 세균을 10⁸ CFU/mL로 배양하고 BHI agar plate에 100 μL씩 접종한 후 건조된 disc를 올리고, 24 h동안 25℃에서 배양하여 disc를 포함한 growth inhibition zone의 직경을 측정하였다. Positive control로서는 norfloxacin (10 μg/disc)과 oxytetracycline (30 μg/disc) disc를 사용하였다(Kang et al., 2005).

화합물들은 희석용액에 대한 용해도를 높이기 위해 최소한의 dimethyl sulfoxide (DMSO)에 용해하였으며(최종 농도 0.25% 이하), BHI broth 배지에 2배 농도 구배로 희석하여 세균증식에 미치는 영향을 측정하였다. 실험에 사용된 세균은 24 h 전에 배양하여 10⁶ CFU/mL로 조정하였으며, 시료와 동량(1:1)으로 96-well microplate에서 혼합하여 20 h 25℃ 인큐베이터에서 배양하였다. 세균의 증식을 억제하는 최소농도 [최소생장억제농도(minimal inhibitory concentration, MIC)]를 육안으로 확인하고, 이를 재확인하기 위해 Langfi eld et al. (2004)의 방법으로 20 h 동안 배양된 96-well microplate 에 0.2 mg/mL의 p-iodonitrotetrazolium violet (p-INT) 30 μL를 넣고, 2시간 동안 암조건에서 반응 후 최종적으로 MIC를 결정하였다(Kang et al., 2008).

스쿠티카충 배양액을 500×g에서 5분간 원심분리하고 펠렛에 DMEM배지(또는 해수)를 넣어 충을 부유시켜 5-7×10⁵/mL로 충의 농도를 조절하였다. 모로우붉은실 시료 또는 화합물 시료를 DMSO (최종농도 0.5% 이하)에 녹인 후 DMEM배지(또는 해수)로 희석하고 이를 2배 농도구배로 96-well microplate에 90 μL씩 넣었다. 여기에 충부유액을 한 well 당 10 μL씩 넣고 20℃에서 20 h동안 배양한 후 현미경으로 관찰하여 “100% lysed (충이 완전 터진 상태) 또는 not motile”이 관찰된 최소농도를 MLC (minimal lethal concentration)로 판단하였다(Iglesias et al., 2002).

시료의 어류 주화세포에 대한 세포독성은 neutral red uptake assay (Kim et al., 2011)를 이용하였다. 어류 주화세포를 phenol red가 첨가되지 않은 DMEM으로 부유시킨 뒤, 96-well plate에 1×10⁶ cell/mL로 100 μL씩 seeding하여 20℃에서 24 h 동안 배양시킨 후, 시료를 농도 별로 처리한 뒤 20℃에서 48 h 동안 반응시켰다. 0.33% neutral red solution을 각 well당 3 μL씩 분주하여 20℃에서 2 h 동안 반응시킨 뒤, 1% acetic acid in 50% 에탄올에 녹여 microplate reader (Spectra Max 340, Molecular Devices, USA)를 사용하여 흡광도(540 nm-690 nm)의 차이를 측정하였다.

모로우붉은실의 80% 메탄올 추출물 및 이의 분획물들의 주요 어병세균에 대한 항균활성을 Disk diffusion법을 이용하여 검색한 결과는 다음과 같다(Table 2). 80% 메탄올추출물로부터 얻은 분획물 중 90% 메탄올 분획물에서 그람음성균인 A.salmonicida, E.tarda 및 V.anguillarum에 대한 강한 억제zone을 관찰할 수 있었고 그람양성균인 S.iniae 와 S.parauberis에 대해서는 억제zone이 관찰되지 않았다. 항스쿠티카충 활성은 여과해수 및 충이 배양된 배지(DMEM)에서 각각 시험되었다. 모로우붉은실의 80% 메탄올추출물은 배지조건에서는 125 ppm, 해수조건에서는 250 ppm의 MLC값을 보였다. 이의 분획물 중 n-hexane 분획물에서 62.5 ppm의 가장 높은 항스쿠티카충 활성을 보였고 90% 메탄올분획물에서는 해수조건에서 125 ppm, 배지조건에서는 250 ppm의 MLC를 나타내었다. Reference control로 사용된 포르말린의 경우 해수조건에서 31.3 ppm, 배지조건에서 62.5 ppm의 MLC를 보였다.

[Table 2.] Anti-bacterial and anti-scuticociliate activities of isolated compounds 1, 2, 3 and synthetic bromophenol derivatives (4-17)

Anti-bacterial and anti-scuticociliate activities of isolated compounds 1, 2, 3 and synthetic bromophenol derivatives (4-17)

90% 메탄올 분획물에 대한 reverse-phase silica gel 컬럼크로마토그래피 및 Sephadex-LH 20 컬럼크로마토그래피 등의 일련의 분리·정제과정을 실시하여 Compound 1, 2 그리고 3를 분리하였다. 분리된 화합물의 MS, NMR 등의 다양한 분광학적 분석법을 이용하여 그 화학구조를 규명한 결과 세 화합물은 모두 브로모페놀계 화합물로Compound 1은 분자식 C₈H₉O₃Br을 갖는 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1), Compound 2는 분자식 C₇H₅O₃Br을 갖는 3-bromo-4,5-dihydroxybenzaldehyde (2), Compound 3은 분자식 C₁₆H₁₂O₆Br₂을 갖는 Compound 1의 dimer 형태인 urceolatol (3) 로 동정되었다(Kurihara et al., 1999; Han et al., 2005; Liu et al., 2006; Kim et al., 2011) (Fig. 2).

[Fig. 2.] Chemical structures of 17 bromophenol derivatives including isolated natural bromophenols (1-3).

90% MeOH 분획물로부터 분리된 화합물 3종에 대한 in vitro 항스쿠티카충 활성을 알아본 결과(Table 2), 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1)는 해수 및 배지조건에서 각각 62.5 ppm 및 125 ppm 의 MLC를 나타내었다. 이에 비해 3-bromo-4,5-dihydroxybenzaldehyde (2)은 각각 500 ppm 및 250 ppm을 나타내었고, dimer 형태인 urceolatol (3)은 250 ppm가 최고시험농도였으나 이 농도에서도 MLC가 확인되지 않았다. 이에, 브로모페놀 유도체들의 작용기 변화에 따른 항스쿠티카충 활성변동을 알아보기 위하여 14종의 합성브로모페놀 유도체를 이용하여 다양한 작용기의 변화에 따른 항스쿠티카충 활성변동을 알아보았다(Table 2). 해수조건에서 17종의 브로모페놀 유도체 중 2-bromohydroquinone (4)이 3.9 ppm의 가장 낮은 MLC를 나타내며 가장 강한 항스쿠티카충 활성을 나타내었다. 그 뒤를 2,4-dibromophenol (5)가 이었으며(MLC=15.6 ppm), 그 다음이 2-bromo-4-methoxyphenol (6) (MLC=62.5 ppm), 2-bromo-p-cresol (10) (MLC=250 ppm) 등의 순으로 나타났다. 포르말린은 31.3 ppm의 MLC를 나타내었다. 배지조건에서도 해수조건에서와 비슷한 활성경향을 나타내었으나 2,4-dibromophenol (5)과 2-bromo-4-methoxyphenol (6)은 해수조건에 비해 MLC가 8배 증가하며 항스쿠티카충 활성이 급감하는 것으로 나타났다.

17종의 브로모페놀유도체들을 그람음성세균인 A. salmonicida, E. tarda 및 V. anguillarum 에 대하여 microdilution assay를 실시하여 항균 활성을 알아보았다(분리된 urceolatol (3)의 양이 충분하지 못하여 항균활성 시험은 실시하지 못하였다). 그 결과 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1)은 V. anguillarum에서 가장 높은 항균활성(MIC=62.5 μg/mL)을, 3-bromo-4,5-dihydroxybenzaldehyde (2)는 A. salmonicida에서 가장 높은 항균활성(MIC=62.5 μg/mL)을 나타내었다. 17종의 유도체중 2-bromohydroquinone (4)이 3가지 균종에 대하여 각각 MIC=15.6 μg/mL (against A. salmonicida), MIC=62.5 μg/mL (against E. tarda/ V. anguillarum)을 나타내며 가장 높은 항균활성을 나타내었다. 2,4-dibromophenol (5) 가 3가지 균종에 대하여 모두 62.5 μg/mL 의 MIC를 나타내며 그 뒤를 이었다. 그러나, reference control로 사용된 항생제들과 비교해 볼 때 이들 브로모페놀 유도체들의 항균활성은 전반적으로 훨씬 낮음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 홍조류인 모로우붉은실의 80% 메탄올추출물이 스쿠티카증의 주요 원인충인 Miamiensis avidus에 대한 in vitro 항스쿠티카충 활성을 가질 뿐 만 아니라 동시에 주요 그람음성균에 대한 항균활성도 함께 보유함을 확인하였다. 이에, 활성지향적인 분리를 시도하여 활성분획물인 90% 메탄올 분획물을 도출하였고 이로부터 활성물질의 분리를 시도하여 브로모페놀계 화합물 3종을 분리하였다. 이 과정에서 n-hexane 분획물이 해수조건 및 배지조건 모두에서 62.5 ppm의 MLC 값을 보이며 항스쿠티카충 활성에서 90% 메탄올 분획물보다 2-4배 정도 우수한 효력을 나타내었으나, 항균활성을 전혀 나타내지 않았으며 90% 메탄올 분획물에 비하여 세포독성이 10배 이상 강하여(50% cytotoxic concentrations in CHSE-214 cell line: n-hexane fr. 132±5 μg/mL; 90% 메탄올 fr.; 1,255±185 μg/mL), 이러한 측면은 본 연구의 활성분획물로 선정하기에는 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 본 연구에서 분리·동정된 화합물 3종은 모두 브로모페놀계 화합물로서 모로우붉은실이 속하는 빨간검둥이과(Rhodomelaceae)의 해산 홍조류들은 다양한 화학구조의 브로모페놀계 화합물을 고농도로 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 브로모페놀계 화합물들의 알려진 생리활성으로는 nitrite 소거활성, α-glucosidase 저해활성, 항산화, 항균, feeding-deterrent, 항염증 활성 등 다양한 활성이 보고되어 있다(Wall et al., 1989; Wiemer et al., 1991; Kurata et al., 1997; Xu et al., 2003; Li et al., 2008). 이에 비해 본 연구에서 분리된 화합물들의 생리활성에 관한 보고는 많지 않다. 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1) 와 3-bromo-4,5-dihydroxybenzaldehyde (2)의 경우 어류병원성 바이러스인 infectious hematopoietic necrosis virus (IHNV) 및 infectious pancreatic necrosis virus (IPNV)에 대한 항바이러스 활성이 보고되었으며(Kim et al., 2011), 몇몇 암세포주에 대한 세포독성과 DPPH radical 소거활성이 보고되어 있다(Shoeib et al., 2004; Han et al., 2005; Li et al., 2008). Urceolatol (3)은 Polysiphonia urceolata에서 분리·보고된 후 현재까지 DPPH 라디칼 소거활성이 보고되어 있다(Liu et al., 2006; Li et al., 2008). 본 연구에서 분리된 3종의 화합물 중 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1)은 항스쿠티카충 활성에서 해수조건에서 62.5 ppm의 MLC와 V. anguillarum에 대한 항균활성에서 같은 농도인 62.5 μg/mL의 MIC를 나타내었다. 우리나라 제주도 넙치양식장에서 발생하는 스쿠티카증의 70-80% 이상이 세균에 의한 혼합감염으로 발생하며 이중 40-50% 정도가 Vibrio에 의한 혼합감염이라는(Jin et al., 2007) 상황을 고려할 때 3-bromo-4,5-dihydroxybenzylmethylether (1)은 스쿠티카충의 구제와 동시에 Vibrio에 대한 항균활성을 기대할 수 있는 장점을 가지고 있는 것으로 판단된다. Reference control로 사용된 포르말린의 해수조건에서의 MLC가 31.3 ppm임을 감안하면 in vitro에서의 효력도 견줄만한 것으로 생각된다.

분리된 3종의 브로모페놀 유도체를 포함하여 17종의 브로모페놀 유도체의 작용기와 해수조건에서의 항스쿠티카충 활성을 비교하여 본 결과, 몇 가지 구조-활성 상관성을 발견할 수 있었다. i) 2-bromophenol (12) (MLC=500 ppm)의 구조를 기준으로 관찰하였을 때 4번 탄소(Fig. 2의 R₁)의 수소원자가 hydroxyl 기로 치환되거나(2-bromohydroquinone (4), MLC=3.9 ppm), bromine으로 치환되거나(2,4-dibromophenol (5), MLC=15.6 ppm), methoxyl기로 치환되거나(2-bromo-4-methoxyphenol (6), MLC=62.5) 또는 methyl 기(2-bromo-p-cresol (10), MLC=250 ppm)로 치환된 경우 항스쿠티카충 활성이 증가됨이 확인되었다. 이에 비하여 carboxyl기로 치환된 경우(3-bromo-4-hyroxybenzoic acid hydrate (17), MLC>500 ppm) 활성이 떨어짐이 확인되었다. 이는 2-bromophenol (12) 구조에서 4번 탄소에 전자공여기나 비공유 전자쌍을 갖는 원자의 결합이 항스쿠티카충 활성에 중요한 역할을 하고 있음을 보여주고 있는 결과로 판단된다. ii) 2-bromohydroquinone (4), 4-bromocatechol (7) 및 4-bromoresorcinol (16)의 활성 비교에서 브롬을 포함한 벤젠고리에서 두 hydroxyl기의 위치관계가 활성에 중요한 영향을 끼침을 알 수 있다. 즉, para (2-bromohydroquinone (4) (MLC=3.9 ppm))또는 ortho (4-bromocatechol (7) (MLC=62.5 ppm))위치로 존재할 때는 항스쿠티카충 활성이 높은 반면, meta (4-bromoresorcinol(16) (MLC>500 ppm)) 위치에서는 활성이 전혀 나타나지 않음을 알 수 있었다. iii) 3,4-dihydroxybenzaldehyde (11) (MLC=500 ppm) 구조의 R₂기에 브롬이 치환((3-bromo-4,5-dihydroxybenzaldehyde (2), MLC=500 ppm) 된다 하더라도 항스쿠티카충 활성을 증가시키지는 못함을 알 수 있었다. 이상의 경향은 배지조건에서의 항스쿠티카충 활성에서도 유사하게 관찰되었다. 반면, 항균활성의 경우에는 항스쿠티카충 활성에서 전반적으로 관찰되었던 2-bromophenol (12)구조의 4번 탄소에서의 전자공여기나 비공유 전자쌍을 갖는 원자의 결합이 활성에 미치는 영향이 일관되게 관찰되지는 않았다. 그러나 2-bromohydroquinone (4), 4-bromocatechol (7) 및 4-bromoresorcinol (16)의 항균활성을 비교해 보면, 브롬을 함유한 벤젠고리에서 두 hydroxyl기의 위치관계의 중요성이 항균활성에도 적용됨을 알 수 있었다. 이상의 결과는 향후 항스쿠티카충 약물 개발 시 활성-구조의 최적화 단계에서 유용한 정보가 될 수 있을 것으로 생각된다. 비록 2-bromohydroquinone의 신장독성이 알려져 있긴 하나(Lau et al., 1984) 2-bromohydroquinone 또는 이의 유도체들에 대한 면밀한 in vitro/in vivo 실험이 진행된다면 더욱 효력이 높은 항스쿠티카충 및 항균 물질의 개발이 가능할 것으로 사료된다.