Protective effect of agmatine on reperfusion model after transient cerebral ischemia : temporal evolution on perfusion MR imaging and histopathologic findings

Abstract

[한글]

급성 허혈성 뇌졸중의 치료 목표는 단 시간 내에 적극적인 개입으로 혈전을 용해시키고 혈류를 회복시켜 허혈반연부의 세포를 구하는 것이다.

본 연구의 목적은 임상에서와 유사한 일과성 뇌허혈 모델을 고양이를 이용해 만들어 자기공명관류영상과 조직병리학적인 분석을 이용하여 아그마틴의 신경보호작용을 규명하는 것이다.

본 연구에서는 고양이를 허혈대조군과 아그마틴 투여군으로 나누어 실험을 진행하였다. 대조군에서는 경안와 방법을 통하여 고양이의 중뇌동맥을 클립으로 직접 1시간 동안 폐색시킨후 재관류시켰다. 아그마틴 투여군에서는 허혈대조군과 동일한 방법으로 실험을 하되 재관류 직후 100mg/kg의 아그마틴 제재를 정맥투여하였다. 자기공명영상은 T2 영상, 확산강조영상, 관류영상을 포함하여 재관류 후 1, 24, 48 시간에 시행하였다. 뇌를 해부학적 부위에 따라 5개의 구역으로 분류하여 (상/하 전두엽, 상/하 측두엽, 기저핵), 각각의 자기공명영상 변화 양상을 측정하였고 재관류 후 관류 영상에서 보이는 소견을 정상 관류 (N형), 초기 과관류 및 후기 정상 또는 과관류 (I형), 초기 과관류 및 후기 저관류 (II형), 지속적인 저관류 (III형) 등으로 나누었다. 3일간의 영상 관찰이 끝난 뒤 TdT-mediated dUTP-biotin nick-end labeling (TUNEL) 및 hematoxylin & eosin (H&E) 염색을 시행하였다.

자기공명영상 상 허혈대조군 (10마리)과 아그마틴 투여군 (15마리)에서 가장 흔히 나타나는 재관류 형태는 I 형 이었으며, II 형의 빈도가 가장 낮았다. 허혈대조군에서는 확산 또는 T2 강조 영상에서 비정상 신호강도가 모든 예에서 나타났으나 아그마틴 실험군에서는 15 마리 중 5 마리에서만 비정상신호강도 부위가 관찰되었다.

조직병리학적으로 TUNEL 양성 세포의 수는 아그마틴 투여군에 비해 허혈대조군에서 통계학적으로 유의하게 증가되어 있었다 (35.7±15.8 vs. 17.4±34.8, p< 0.05). 허혈대조군에서는 N형 재관류을 보인 부위에 비해 I 및 II형을 보인 부위에서 TUNEL 양성 세포의 수가 유의하게 증가되어 있었다. 그러나 아그마틴 실험군에서는 재관류 유형에 따른 TUNEL 양성 세포의 수의 차이는 없었다. 또한 아그마틴 투여군에서 I 및 II 형의 재관류를 보인 부위는 허혈대조군에서 I 및 II형의 재관류를 보인 부위에 비해 TUNEL 양성 세포의 수가 유의하게 감소되어있었다. H&E 염색에서 중증 허혈성 신경세포손상 소견을 보인 부위의 면적도 허혈대조군에 비해 아그마틴 치료군에서 유의하게 감소되어 있었다. (25.6± 11% vs. 16.7±4.%, p<0.05).

결론적으로 고양이를 이용한 일과성 허혈성 모델에서 허혈과 재관류 손상에 대한 아그마틴의 뇌신경세포 보호작용을 자기공명영상을 이용한 재관류, 경색 소견 및 조직학적인 분석을 통하여 확인할 수 있었다.

[영문]The goal of thrombolytic therapy in acute ischemic stroke patients is to salvage the ischemic penumbra by early recanalization.

The purpose of this study was to evaluate the neuroprotective effect of agmatine in a transient ischemic cat model using magnetic resonance (MR) perfusion imaging and histopathologic analyses of cellular outcomes.

In the control ischemia group, the left middle cerebral artery of cats were occluded by a microvascular clamp for one hour. In the agmatine treated group, the procedure was identical to the control ischemia group except for 100 mg

kg of intravenous agmatine injection immediately after recanalization. MR imaging was performed at 1, 24 and 48 hours after recanalization. T2-, diffusion-, and perfusion-weighted images (PWI) were obtained. The PWI findings were investigated at the superior/ inferior frontal, superior/ inferior temporal gyri and the striatum. The relative cerebral blood volume (rCBV) values were measured in each region and were classified as follows; normal perfusion (N), initial hyperperfusion

late normo- or hyperperfusion (I), initial hyperperfusion / late hypoperfusion (II), and persistent hypoperfusion (III). TdT-mediated dUTP-biotin nick-end labeling (TUNEL) and hematoxylin & eosin (H&E) stainings were performed at the corresponding sections.

From the control ischemia (n=10) and agmatine treated (n=15) cats, the most common reperfusion pattern was type I. Type II was the least commonly observed pattern of reperfusion. In the control ischemia group, T2- or diffusion-weighted image abnormalities were definable in all cases. In comparison, 5/15 cats in the agmatine treated group developed definite signal intensity changes on the T2- or diffusion-weighted images.

Histologically, the total number of TUNEL positive cells were significantly smaller in the agmatine treated cats compared to the control ischemia cats (17.4±34.8 vs. 35.7±15.8, p< 0.05). In the control ischemia cats, areas of type I and II reperfusions showed a significantly larger number of TUNEL positive cells compared to the type N areas. However, in the agmatine treated cats, no significant difference in the number of TUNEL positive cells between the reperfusion types were seen. The number of TUNEL positive cells in the areas of type I and II reperfusions were significantly lower in the agmatine treated group than in the control ischemia group. The area of severe ischemic neuronal damage on H&E stain was also significantly attenuated in the agmatine treated group (25.6± 10.9% vs. 16.7±4.9%, p<0.05).

In conclusion, by using an MR-based image analysis of the reperfusion pattern and ischemia with histologic confirmation of the cellular damage, the neuroprotective effects of agmatine against ischemia and reperfusion injury has been shown in a transient ischemic cat model.