Cannabidiol (CBD) is a prominent chemical compound of the phytocannabinoids extracted from the Cannabis Sativa, which has been associated with various therapeutic effects on neurological disorders, such as neuroprotection, anti-inflammatory, antianxiety, antidepressant, and anticonvulsant actions. CBD is known to induce biochemical pathways in cells by interacting target molecules, including ion channels, receptors, transporters, and enzymes. This feature of CBD, having multiple target molecules, presents significant advantages as a therapeutic agent for multifactorial neurodegenerative diseases. However, current research on CBD is primarily focused on clinical trials or preclinical studies targeting animals, and the underlying biochemical mechanisms at the cellular and molecular levels remain largely unexplored. Therefore, it is crucial to conduct research on how CBD acts on cells through which pathways using in-vitro experiments that is easy to control variables. In this study, we aim to investigate the effects of CBD and related biochemical mechanisms on neural cells.
In this chapter, we summarize the effects of cannabidiol on neural cells, including neurons, glial cells (astrocytes, oligodendrocytes, and microglia), and neural stem cells. Previous studies have shown the neuroprotective effect of CBD against various toxic substances, the anti-inflammatory effect of CBD on active glial cells, and the supporting effect of CBD on survival and differentiation of neural stem cells. These findings suggest that CBD could be a promising treatment option for neurological disorders.
Oxidative stress, a pathological feature commonly observed in various neurodegenerative diseases, is known to induce damage to lipids, proteins, and DNA, leading to the death of neurons. In this study, we investigated the ability of cannabidiol to protect hippocampal neurons against oxidative stress. First, we investigated the neurotoxicity profiles of cannabidiol and hydrogen peroxide on cultured hippocampal neurons in vitro. Based on these results, we established concentration conditions and found that the co-treatment of cannabidiol and hydrogen peroxide decreased the neuronal death caused by hydrogen peroxide, supporting the neuroprotective effect of cannabidiol against oxidative stress on hippocampal neurons.
The central nervous system includes not only neurons but also glial cells that support and regulate neuronal function. Among them, astrocytes are the most abundant glial cells in the central nervous system, play a critical role in maintaining ion homeostasis, supplying nutrients, and regulating synaptic function. The aim of this chapter is to explore the impacts of cannabidiol on neural cells in a neuron-astrocyte sandwich co-culture model. In particular, we investigate the neurotoxicity of cannabidiol at high concentrations in order to understand its in-vivo stability for the therapeutic uses. In neuron-only culture, cannabidiol at concentrations of 15μM and 30μM decreased the neuronal viability, which was found to be caused by the activation of TRPV1, resulted in increase of intracellular calcium ion and depolarization of mitochondrial membrane potential. Surprisingly, in neuron-astrocyte co-cultured system, the neurotoxicity of cannabidiol was significantly reduced, with great reductions of the increase of intracellular calcium ions and dysfunction of mitochondrial membrane potential. In addition, it was found that cannabidiol promotes the early developmental process of neurons in the neuron-astrocyte co-culture. Cannabidiol at a concentration of 10μM increased the length of longest neurites, the number of primary neurites, and the number of branch points, and promoted the progression of neuron development. This is predicted to be due to the changes induced by cannabidiol in the cytokines secreted by astrocytes, which affect the development of neurons.
This dissertation thoroughly investigated the effects of cannabidiol on neural cells, including the neuroprotective effect of CBD, the neutralization of CBD neurotoxicity in neuron-astrocyte co-culture, and the accelerating effect of CBD on neural development. This research has facilitated the comprehension of the biochemical mechanisms triggered by cannabidiol through interactions with various biomolecules in the body. These findings offer fundamental and essential insights into the potential uses of CBD for the prevention and treatment of neurodegenerative disorders.
칸나비디올(Cannabidiol, CBD)은 대마초 식물로부터 추출된 화합물인 칸나비노이드의 대표적인 물질로, 신경세포 보호 작용, 항염 작용, 진정 작용, 항우울 작용, 항간질 작용 등의 신경질환에 대한 다양한 치료학적인 효과가 보고되었다. 특히 칸나비디올은 이온 채널, 수용체, 수송체, 촉매 등 다양한 표적 분자에 작용하여 세포의 생화학적인 변화를 유도한다. 이러한 다양한 표적 물질을 가진 특징은 복합적이고 다양한 원인에 의해 발병되는 신경퇴행성 질환의 치료제로서 활용한다면 아주 특별한 장점이 될 수 있다. 하지만, 현재 칸나비디올의 효과에 대한 연구는 임상연구나 동물을 대상으로 하는 전임상 연구에 집중되어, 세포 단위, 분자 단위에서의 생화학적인 기작에 대한 이해가 부족한 상황이다. 따라서, 변수의 통제가 용이한 생체외 실험을 통하여, 칸나비디올이 세포에 어떠한 경로를 통하여 어떠한 작용을 하는지에 대한 연구가 필수이다. 본 연구에서는 칸나비디올이 신경계 세포에 미치는 영향과 관련된 생화학적 기작을 탐구하고자 한다.
이 장에서는 칸나비디올이 신경세포, 신경교세포(별아교세포, 희귀돌기아교세포, 미세아교세포), 신경 줄기세포 등의 신경계 구성 세포에 미치는 영향에 대해 정리하였다. 특히, 여러 독성물질에 대항하여 신경세포를 보호하는 역할, 활성화된 신경교세포의 염증반응을 감소시켜주는 역할, 신경 줄기세포의 생존와 분화를 돕는 역할과 관련된 선행연구를 통하여 칸나비디올의 치료학적 활용 가능성을 엿볼 수 있다.
산화스트레스는 여러 신경퇴행성뇌질환에서 공통적으로 관찰되는 병리적인 특징으로, 발병 과정에서 발생한 산화스트레스는 지질, 단백질, DNA의 손상을 유발하여 신경세포의 죽음을 초래한다고 알려져있다. 본 연구에서는 칸나비디올이 산화스트레스에 대항하여 해마신경세포를 보호하는 능력을 조사하였다. 먼저 생체외에서 배양된 해마신경세포에 대해 칸나비디올과 과산화수소 각각의 세포 독성의 프로파일을 조사하였다. 이를 바탕으로 농도 조건을 설정하여, 칸나비디올을 과산화수소와 함께 처리하였을 때 과산화수소에 의한 세포 사멸이 줄어들었음을 확인하여, 칸나비디올의 산화스트레스에 대한 신경세포 보호효과를 확인하였다.
중추신경계에는 신경세포뿐만 아니라 신경세포의 기능을 보조하는 신경교세포도 포함된다. 이 중 별아교세포는 중추신경계에서 가장 풍부하게 존재하는 신경교세포로, 이온의 항상성유지, 영양인자의 공급, 시냅스 기능 등의 역할을 한다. 이 장에서는 신경세포와 별아교세포가 샌드위치 형태로 공동배양 된 환경에서 칸나비디올이 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 특히 고농도 칸나비디올의 신경세포 독성에 대해 탐구함으로써, 칸나비디올의 치료학적 활용에서 생체 내 안정성을 파악하고자 하였다. 신경세포만 배양된 환경에서는 15μM와 30μM 농도의 칸나비디올이 신경세포의 생존률을 감소시켰으며, 이는 TRPV1을 활성화시키고, 세포내 칼슘이온의 증가와 미토콘드리아 막전위의 탈분극을 유발함으로써 발생되는 것으로 확인되었다. 신경세포와 별아교세포를 함께 배양하는 경우, 이러한 칸나비디올의 신경세포 독성이 크게 감소하였으며, 세포내 칼슘이온의 증가와 미토콘드리아 막전위의 탈분극 현상도 크게 감소하는 것을 확인하였다. 이에 더불어, 신경세포와 별아교세포가 공동배양 된 환경에서 칸나비디올이 신경세포의 초기 발달 과정을 촉진시키는 것을 발견하였다. 10μM 농도의 칸나비디올은 신경세포의 주요 신경돌기 길이, 일차 신경돌기의 개수, 가지 돌기점의 개수를 증가시켰으며, 신경세포의 발달 단계 진행을 촉진시키는 효과를 보였다. 이는 칸나비디올이 별아교세포가 분비하는 측분비인자에 변화를 유도하여 신경세포 발달에 영향을 주었기 때문인 것으로 예측된다.
본 논문에서는 칸나비디올의 신경세포 보호효과, 칸나비디올에 대한 별아교세포의 신경세포 보조 작용, 칸나비디올이 신경세포의 발달에 미치는 영향을 포함하는, 칸나비디올이 신경계 세포에 미치는 영향을 면밀히 탐구하였으며, 이를 통하여 칸나비디올이 다양한 생체 분자와 상호작용하며 유도되는 생화학적 기작에 대하여 이해할 수 있었다. 이는 칸나비디올의 신경퇴행성질환의 예방과 치료로서의 활용을 위한 근본적이고 필수적인 통찰력을 제공할 수 있을 것이다.
