헌팅톤 형질전환 쥐 모델에서 뇌실내 BDNF 및 noggin 투여에 의한 치료 효과의 평가

Abstract

[한글]

최근 인구의 고령화로 인하여 신경퇴행성 질환에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 중 헌팅톤 병은 상염색체 우성의 유전병으로 현재까지 확실한 치료 방법이 없으나, 기형 유전자에 대한 조기 발견이 가능하여 줄기세포 및 유전자 치료를 포함한 새로운 치료법을 조기에 시도할 수 있는 질환 모델이다. 특히 그동안 기능이 알려지지 않았던 정상 헌팅틴 단백질이 대뇌 피질 신경세포로부터 기저핵 부위로 BDNF가 이동되는 역할을 하여 선조체의 신경세포를 생존하게 하는 기능이 있다는 최근 이론에 의하면, 상기 과정에 손실이 있는 헌팅톤 병에 BDNF의 투여가 효과적인 치료법이 될 수 있다. 또한 BDNF의 뇌실내 투여는 뇌실하 부위 신경 줄기세포 및 전구세포로부터 신경세포 생성을 증가시키며, 이들 신경세포는 기저핵의 선조체 부위로 유입될 수 있다. 이와 함께 신경교세포 생성을 억제하는 noggin의 병합 투여는 BDNF에 의해 유도되는 신경세포 재생을 부가적으로 극대화시키는 역할을 할 수 있다.

이에 본 연구에서는 헌팅톤 병 동물 모델에서 BDNF 및 noggin 뇌실내 투여로 유도된 신경세포 생성에 의해 운동 장애를 지연시키는지 확인하고, BDNF 자체에 의한 신경보호 효과 여부를 평가하였다. 또한 이러한 치료 효과를 보다 민감하고 신뢰성 있게 측정하기 위한 적절한 평가 방법을 알아보고자 하였다.

연구 대상으로 총 60마리의 R6/2 형질전환 쥐 모델을 사용하였고, BDNF 및 noggin 병합 투여군, BDNF 단독 투여군, null 투여군, 비 치료군(각 15마리)으로 나누었다. 생후 4주에 정위적 수술로 BDNF 및 noggin을 양측 뇌실로 주입한 이후 정기적 간격으로 rotarod 및 운동 활동도 검사를 시행하여 운동협조 기능 및 이동 활동도 등을 평가하였다.

연구 결과, 5분 동안 12 rpm의 고정 속력으로 시행한 rotarod 검사 상 BDNF 및 noggin 병합 투여군에서 수술 6주 후부터 null 투여군 및 비 치료군에 비해 유의하게 큰 rotarod 지속 시간을 보였으며, 수술 7주 후부터는 이들 대상군 뿐만 아니라 BDNF 단독 투여군에 비해서도 유의하게 큰 지속 시간을 보였다. 또한 총 60분 동안 시행한 운동 활동도 검사 상 BDNF 및 noggin 병합 투여군에서 생후 13주인 수술 9주 후에 null 투여군 및 비 치료군에 비하여 이동 활동도와 직립 능력이 유의하게 큰 소견을 보였으며, 생존 분석에서도 평균 생존 수명이 유의하게 증가된 소견을 보였다. 한편 rotarod 검사 시 여러 가지 평가 방법으로 분석한 결과, 1분 고정 속력 검사에서는 3분 및 5분 평가에 비하여 보다 민감하게 헌팅톤 병 각 대상군의 차이를 구별하였으나, 5분 rotarod 검사에서 보이는 초기 BDNF의 신경보호 효과를 보여주지 못했으며, 가속력 방법으로 시행한 rotarod 검사에서는 헌팅톤 대상군 간에 의미 있는 차이를 보여주지 못했다. 또한 운동 활동도 검사 시 총 10분 및 30분 동안의 결과만을 분석하였을 때, 60분 평가와는 달리 헌팅톤 병 각 대상군 간에 유의한 차이를 보여주지 못했으며, 생존 분석 시 각종 운동 검사를 시행한 경우, 어떤 검사도 시행하지 않은 헌팅톤 대상군 간의 비교와는 달리 평균 생존 수명에서 의미 있는 차이를 보여주지 못했다.

결론적으로 헌팅톤 병 형질전환 쥐 모델에서 BDNF 및 noggin의 병합 투여에 의한 신경 재생은 기능적으로 운동기능 저하의 진행을 지연시키며, 평균 생존 수명이 증가하는 소견을 보이므로, 상기 치료법은 헌팅톤 병을 치료할 수 있는 매우 유용한 방법으로 사료된다. 또한 이와 같은 치료 효과를 보다 민감하고 신뢰성 있게 측정하기 위해서는 연구 대상군의 성격 및 연구자가 보고자 하는 치료 효과 시점 등을 종합적으로 고려하여, 운동기능 검사 시 적절한 평가 방법으로 측정해야 할 것으로 사료된다.

[영문]Ependymal overexpression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and noggin, which suppress subependymal gliosis and potentiate BDNF-induced neuronal recruitment, stimulates the addition of new medium spiny neurons to the adult neostriatum from endogenous subependymal progenitor cells. The objectives of this study are to find out whether striatal neurogenesis of the combination therapy might be used to delay motor impairment in an animal model of Huntington''s disease or not, and also investigate what kinds of outcome measurements are useful for detecting significant functional changes.

R6/2 Huntington''s transgenic mice were given intraventricular injections of AdBDNF/AdNoggin, AdBDNF, AdNull (n=15 each). Untreated R6/2s and wild-type mice were also recruited as controls. On rotarod testing with a constant speed of 12 rpm, AdBDNF/AdNoggin-treated R6/2s exhibited delayed progression of motor deficits relative to AdNull and untreated groups after post-operative 6 weeks, and the treatement effect was better than those of mice injected with AdBDNF alone after post-operative 7 weeks. Intraventricular administration of BDNF and noggin also ameliorated general activity deficits of horizontal locomotion and vertical rearing, and extended survival life span in R6/2 Huntington''s mice.

When we evaluated R6/2s using various maximum limits of 1 min, 3 min and 5 min, a rotarod performance with maximum limit of 1 min exhibited a significant delayed motor impairment in R6/2 mice injected with AdBDNF as well as AdBDNF/AdNoggin at terminal stage, but did not show a significant neuroprotective effect of BDNF at an initial post-operative period. An accelerating rotarod paradigm was not superior to a rotarod testing at a constant speed, but the evaluation of locomotor and rearing activities for total 60 min was better than those of 10 min and 30 min to detect the treatment effect in R6/2 Huntington''s mice. The survival length of AdBDNF/AdNoggin- treated R6/2 mice which had not gone through any behavioral testing, significantly prolonged mean life span whereas those were evaluated various behavioral testings did not so.

In conclusion, neuronal addition induced by BDNF and noggin co-delivery was associated with a delayed functional deterioration and longer survival in a mouse model of Huntington''s disease. Appropriate testing method and duration should be selected to detect the treatment effect based on characteristics of subjects and therapeutic options.