뇌출혈 주변 부종의 발생에 있어 성상세포 Aquaporin 4 채널의 역할 고찰

Abstract

자발성 뇌출혈 (이하 뇌출혈, spontaneous intracerebral hemorrhage, ICH) 이후 발생하는 출혈 주변 부종은 신경학적 악화의 주요 원인으로 작용한다. 뇌출혈 주변 부종의 발생 기전은 혈액으로부터 유리되는 단백질에 의한 염증반응-유도 세포독성 부종과 이차적으로 발생하는 혈관인성 부종의 복합 작용에 의해 발생하는 것으로 알려져 왔다. 출혈 초기에 발생하는 세포독성 부종의 원인으로는 혈액 유래 thrombin, plasminogen, ferritin, ferrous, reactive oxygen species (ROS) 등에 의한 면역세포의 침윤과 이로 인한 이차성 염증반응이 관여하는 것으로 보고되었다. 반면에 혈관인성 부종의 원인에 대해서는 염증 반응에 의해 유도된 vascular endothelial growth factors이 관여하는 것으로 알려져 있으나 이와 연관된 blood-brain barrier (BBB)의 미세구조 변화에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 또한 출혈 초기에 발생하는 부종과 지연성으로 발생하는 부종 간의 연관성에 대해서는 연구가 부족하다. 본 연구는 자가 혈액 주입 방법으로 뇌출혈 동물모델 (마우스)을 제작하여 실험군과 대조군으로 나누어서 진행하였다. 자기공명영상과 컴퓨터 단층 촬영을 이용하여 출혈 주변 부종의 크기를 측정하였으며, 면역형광염색 후 조직 샘플을 획득하여 뇌출혈 주변의 혈관 구조를 확인하였다. 또한, 혈관 구조를 확인하는 과정에서 혈관 유출 분석을 시행하였으며, 주변의 ROS 분석을 시행하였다. 그리고, 마우스의 행동실험 및 분석 역시 시행하였다. 추가적으로 실제 임상에서의 적용 가능성을 확인해 보기 위해서, 실제 뇌출혈 환자들의 자기공명 영상, 컴퓨터 단층 촬영 및 임상기록을 대조 분석하였다. 본 연구에서는 뇌출혈 동물모델에서 출혈 주위 부종과 높은 ROS 발현부위 그리고, 성상세포의 활성화 부위가 전반적으로 일치하는 경향을 확인하였다. 또한, 출혈 초기 출혈 산출물로부터 유리되는 ROS에 의한 BBB 미세구조 변화를 관찰하였고, 성상세포의 aquaporin 4라는 water channel의 발현이 감소되는 것을 확인하였다. Aquaporin 4 발현 감소로 인해 성상세포의 end-feet이 혈관으로부터 분리되어 BBB의 구조가 불안정해지며 부종이 증가하는 것을 확인하였다. 이것은 BBB 구성 세포 중의 하나인 성상세포의 coverage가 감소하여 동적 누수 (dynamic leakage)가 증가하여 발생한 결과로 확인되었다. 하지만, ROS scavenger를 투여한 그룹에서는 대조군에 비하여 aquaporin 4 발현 감소 폭이 적고, aquaporin 4의 회복도 빨리 나타났다. 그리고, Aquaporin 4 inhibitor (TGN-020) 투여 시에는 부종의 발생이 심해지고 뇌출혈 마우스의 운동 능력이 감소하였으며 성상세포의 end-feet의 혈관으로부터 분리가 심해졌다. 이를 통해 출혈 주변 부종의 발생에 있어 aquaporin 4의 역할을 확인할 수 있었다. 기존의 논문에서는 중추신경계의 BBB에서 밀착연접 (tight junction)과 혈관주위세포의 역할에 대해서는 많은 연구가 되어 있으나 성상세포의 역할에 대해서는 과소평가된 경향이 있다. 임상적으로 출혈 이후 발생하는 출혈 주변 부종은 환자의 예후에 밀접한 연관이 있으나 새로운 치료 타겟의 발굴의 발굴보다는 비특이적으로 뇌압을 낮추는 hyperosmolar therapy, 수술적 치료에 의존해 왔다. 본 연구를 바탕으로 출혈 주변 부종을 줄이는 target으로 aquaporin 4를 적용할 수 있을 것이다. |Perihematomal edema (PHE) around spontaneous intracerebral hemorrhage (ICH) is one of major causes of neurological deterioration. PHE usually occurs due to the combined action of cytotoxic edema and vasogenic edema. It has been reported that the infiltration of immune cells and the secondary inflammatory response due to thrombin, plasminogen, ferritin, ferrous and reactive oxygen species (ROS) derived from the blood components may be involved in the cytotoxic edema that occurs early in the bleeding. On the other hand, vascular endothelial growth factors induced by inflammation are known to play an important role in vasogenic edema. However, the microstructure changes of the blood-brain barrier (BBB) are not well known. In addition, there is a lack of research on the relationship between early edema and delayed edema after ICH. A mouse model of ICH is made by autologous blood infusion using stereotactic method in this study. Amount of PHE around was measured using magnetic resonance imaging and computed tomography. Tissue samples were obtained after immunofluorescence staining to confirm the change of vascular structures around the edema. In addition, vascular leakage and generation of ROS were also identified using tissue samples with various kinds of immunofluorescence staining. Behavioral test and analysis of mice of ICH were also performed. In addition, clinical and radiological characteristics of patients with ICH were also analyzed in order to confirm the applicability of the results of animal experiments in clinical medicine. In this study, it was confirmed that the area of PHE, high ROS expression site, and astrocyte activation site in the mouse model of ICH were generally consistent. The changes of microstructure of BBB due to ROS derived from blood components were confirmed in the early stage of ICH. It was also identified that the expression of aquaporin 4 water channel in astrocytes was decreased in resulting detachment of end-feet of astrocytes from blood vessels. As the results, the structure of BBB became unstable and the PHE in the mice with ICH increased. This phenomenon was resulted by the dynamic leakage due to a decrease in the coverage of astrocytes, one of BBB constituent cells. However, in the group treated with ROS scavenger, the decrease in aquaporin 4 expression was less and the recovery of aquaporin 4 was faster than in the control group. When Aquaporin 4 inhibitor (TGN-020) was administered, the PHE became more severe and the detachment of the end-feet of the astrocyte from blood vessels was increased in mice with ICH. In addition, the ability of exercise of mice also decreased. In the previous studies, the role of tight junctions and pericytes in the BBB of the central nervous system has been studied, but the role of astrocytes tends to be underestimated. PHE is closely related to the prognosis of the patient with ICH. However, the treatment strategies have relied on high osmotic drugs and surgery to lower the intracranial pressure nonspecifically. Based on this study, aquaporin 4 could be applied as a novel specified treatment target to reduce the PHE.