알츠하이머병 생쥐 모델에서 반복적 저혈당증이 유발하는 산화적 신경세포 손상 연관 단백질 변화

Abstract

Alzheimer's disease (AD) patients are more likely to experience hypoglycemia than people who do not have AD, due to cognitive impairment, a characteristic of Alzheimer's disease, and difficulty in blood sugar control. Hypoglycemia is a condition in which blood sugar is below 54 mg/dL, and if it persists for a long time, it can cause non-convulsive seizures, coma, and rigidity, and lead to death. It also induces neuronal cell death due to mitochondrial dysfunction and increased oxidative stress, and causes synaptic loss, leading to cognitive decline. This study investigated the effects of recurrent hypoglycemia (RH) on neuronal damage by administering insulin to 3-4-month-old Alzheimer's disease animal models every other day. The control group was a model with Alzheimer's disease only, and the experimental group was a model with Alzheimer's disease and recurrent hypoglycemia, in which severe hypoglycemia was induced by insulin. As a result, it was confirmed that the brain that experienced RH had increased oxidative stress and proteins associated with neuronal damage compared to the brain of existing Alzheimer's disease. When the overall protein levels in the brain were compared after RH by western blot, the proteins that make up the nucleus and axon of neurons decreased, and the protein levels of synaptic vesicles and postsynaptic neurons decreased. Reactive astrocytes, which have pathological characteristics and are involved in the homeostasis and function of the brain along with neurons, increased. Proteins that contribute to apoptosis increased, and proteins that inhibit apoptosis decreased. In addition, proteins that contribute to lipid oxidative stress and the production of nitric oxide (NO), and factors that indicate the external stress level of neurons were increased. On the other hand, antioxidants that reduce the level of oxidative stress decreased. These results suggest that repeated energy deficiency in the brain increases the level of oxidative stress in addition to suppressing antioxidant function, leading to neuronal damage. RH also contributes to gliosis, one of the symptoms of Alzheimer's disease. Therefore, it suggests that RH can be a risk factor for accelerating the progression of Alzheimer's disease. The results of this study, which were obtained by investigating the changes in the protein levels of the whole brain, will be used as important information for research on the clear signaling pathways between related proteins and functional symptoms. It is also expected to contribute to delaying or preventing the progression of cognitive decline caused by hypoglycemia. Keyword: Alzheimer’s Disease (AD), Recurrent Hypoglycemia (RH), Neuronal damage|인간의 수명이 증가하면서 고령으로 인한 대사증후군(metabolic syndrome)과 신경변성(neurodegeneration)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 당뇨병(diabetes)과 치매(dementia)의 가장 흔한 형태인 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)이 대표적이다. 두 질환을 동시에 겪는 환자는 알츠하이머병의 특성인 인지기능 저하 때문에 혈당 조절에 어려움을 겪으며, 저혈당증(hypoglycemia)을 겪을 가능성이 높다. 저혈당증은 혈당이 54 mg/dL 이하인 상태를 말하며 오래 지속될 경우 비간질성 발작, 혼수, 경직 등을 야기하고 사망을 초래한다. 또한 미토콘드리아 기능 장애(mitochondrial dysfunction), 산화 스트레스(oxidative stress)의 증가로 인한 신경세포의 사멸(neuronal cell death)을 유도하며, 시냅스 소실(synaptic loss)을 일으켜 인지기능의 저하를 일으킨다. 이 연구에서는 3-4개월령의 알츠하이머병 동물모델에 인슐린을 격일로 투여해 반복적 저혈당증(recurrent hypoglycemia, RH)을 유도하여 신경세포 손상에 미치는 영향을 조사했다. 대조군은 알츠하이머병만 가진 모델, 실험군은 알츠하이머병과 함께 반복적 저혈당증을 겪는 모델로 설정하여 인슐린으로 심각한 수준의 저혈당증을 유도했다. 그 결과, 기존 알츠하이머병의 뇌보다 RH를 겪은 뇌에서 산화 스트레스(oxidative stress)와 신경세포 손상과 연관된 단백질이 증가하는 것을 확인했다. RH 후 western blot으로 뇌의 전체적인 단백질 양을 비교했을 때, 신경세포의 핵과 축삭(axon)을 구성하는 단백질이 감소하였으며 시냅스 소포(synaptic vesicle)와 시냅스 후 신경세포(post synaptic neuron)의 단백질 양이 감소했다. 또한 신경세포와 함께 뇌의 항상성 및 기능에 관여하는 성상세포(astrocyte)가 증가했다. 세포 자살(apoptosis)에 기여하는 단백질은 증가했으며, 세포 자살을 억제하는 단백질은 감소했다. 또한 지질 산화 스트레스(lipid oxidative stress), 산화 질소(nitric oxide, NO)의 생성에 기여하는 단백질과, 세포 스트레스 수준을 나타내는 인자가 증가하는 경향을 관찰했다. 그에 반해 산화 스트레스 수준을 감소시키는 항산화제(antioxidant)는 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 뇌의 반복적인 에너지 결핍이 항산화 기능을 억제하는 것과 더불어 산화 스트레스 수준을 높이며, 신경세포 손상을 초래하는 것을 나타낸다. 따라서 RH가 알츠하이머병의 진행을 가속할 수 있는 위험 요인이 될 수 있음을 시사한다. 전체적인 뇌의 단백질 수준 변화를 조사하여 얻은 본 연구의 결과는 관련 단백질들 간의 명확한 신호전달기전과 기능적 부전(functional symptoms) 연구에 중요한 정보로 활용될 것이며, 나아가 저혈당증으로 인한 인지기능 저하의 속도를 지연시키거나 예방하는 데에 기여할 것으로 기대된다. 중심단어: 알츠하이머병, 반복적 저혈당증, 신경세포 손상, 산화 스트레스