Effect of constraint-induced movement therapy on the neurogenesis and functional recovery after hypoxic-ischemic injury in mice

Abstract

뇌졸중이나 뇌성마비와 같은 뇌 손상으로 인하여 발생한 편마비 환자에서 이환측 상지의 운동기능 소실은 뇌 손상 자체뿐 아니라 학습된 비사용 (learned non-use)에 기인한다고 알려져 있다. 건측제한 운동치료(constraint-induced movement therapy)는 다양한 편마비 환자에서 이러한 학습된 비사용을 극복하게 하는 데에 효과적인 치료로 알려져 있다. 많은 기존의 임상연구들에서 건측제한 운동치료가 이환측 상지의 기능을 증진시킨다고 보고하고 있지만, 손상된 뇌 조직에 미치는 영향에 대한 연구는 제한적으로만 보고되고 있으며 뇌성마비 모델에 해당하는 조기 뇌 손상 동물에서의 연구는 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 이러한 건측제한 운동치료가 조기 저산소성-허혈성 뇌손상을 입은 생쥐의 운동기능 회복 및 뇌조직의 신경재생에 어떤 영향을 주는지 연구하고자 하였다.

생후 7일째의 CD1(ICR) 생쥐에서 편측 총경동맥을 결찰하여 영구적인 허혈성 뇌손상을 유발한 후 8%의 산소농도를 유지한 저산소방에서 90분 동안 유지하여 저산소성 뇌손상을 유발하였다. 손상 유발 3주 후에 저산소성-허혈성 뇌손상을 입은 생쥐들을 각각 대조군 (n=15), 강화환경군 (n=17), 건측제한 운동치료군 (n=15)으로 나누었다. 대조군은 일반적인 표준사육환경에서 사육하였고, 강화환경군은 보다 넓고 다양한 운동, 감각 및 인지 등의 자극을 줄 수 있는 사물들이 제공되는 우리에서 사육하였으며, 건측제한 운동치료군은 건측 앞발을 탄력붕대로 몸통에 고정시켜 사용할 수 없도록 제한하면서 강화환경 우리에서 사육하였다. 사육기간은 모두 2주로 하였다. 2주간의 사육기간이 끝난 후 시행한 기능적 평가 중, 이환측 앞발의 기술적인 운동기능을 정량화 할 수 있는 평행사다리 건너기 검사(horizontal ladder rung walking test)에서 건측제한 운동치료 군이 대조군과 강화환경군에 비해 앞발의 실수 횟수가 의미 있게 감소하였다. 반대로 전반적인 운동기능 및 균형기능을 평가하는 Rotarod 검사와 이환측 앞발의 근력을 측정하는 잡기 근력 검사에서는 각 군간에 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.

면역조직학적 검사에서는 모든 실험군에서 뇌실 하 구역 및 기저핵에서 BrdU+ 세포들이 다수 관찰되었다. 반면 BrdU+ βIII-tubulin+ 세포는 강화환경군과 건측제한 운동치료군의 뇌실 하 구역에서 대조군에 비하여 의미 있게 증가된 소견이 관찰되었다.

결론적으로 건측제한 운동치료는 이환측 앞발의 운동조절기능을 의미 있게 증진시키지만 근력 및 전반적인 운동기능에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있었으며, 강화 환경과 건측제한 운동치료 모두 뇌실 하 구역의 세포증식 및 신경분화를 증진시킴을 알 수 있었다. 이러한 뇌실 하 구역의 신경분화 증진은 건측제한 운동치료군에서 기능적 회복에 기여할 것으로 기대되지만, 추후 신경분화와 기능적 회복간의 연관성에 대한 분석 및 이 외의 추가적인 회복기전에 대한 연구가 필요하다.

[영문]

In the hemiparetic patients with brain injury such as stroke and cerebral palsy (CP), the motor deficit of impaired limb is the result not of the damage per se, but of a learned suppression of movement. The constraint-induced movement therapy(CIMT) has been demonstrated to be effective for counteracting this learned non-use phenomenon in various hemiplegic conditions. Although many studies reported the clinical benefits for improving the function of impaired limb, there are few and inconclusive reports about the influence of CIMT for the injured brain tissue. This study investigated whether the CIMT would improve motor recovery in mice after early hypoxic-ischemic brain injury and whether the CIMT would induce the endogenous neurogenesis in the brain.

Postnatal day 7 CD1(ICR) mice were subjected to unilateral common carotid artery ligation to induce permanent ischemic brain injury. After surgery, the pups were exposed to 8% oxygen for 90 minutes which made hypoxic brain damage. At 3 weeks after injury, the mice with hypoxic-ischemic brain injury were assigned to the following 3 groups; control group(n=15) which was housed in the standard cage, enriched-environment group(EE, n=17) which was housed in the cage with enriched environment and constraint-induced movement therapy group(CIMT, n=15) which was housed in the cage with enriched environment after restraint of unimpaired forelimb.

After 2 weeks of intervention, the horizontal ladder rung walking test which was sensitive for quantifying skilled locomotor movements showed that the percentage of foot-falls in the impaired forelimbs was significantly less in the CIMT group than in control and EE groups at 2 weeks and 4 weeks after end of intervention. Contrarily, the Rotarod test revealing the general motor function and balance and the grip strength test measuring the muscle strength of impaired forelimb showed no difference between all groups in all time points of measurement.

In the immunohistochemical analysis, a significant number of BrdU+ cells were observed in the subventricular zone and the striatum of all 3 experimental groups. In contrast, a significant increase in the density of BrdU+ βIII-tubulin+ cells in the subventricular zone of EE and CIMT groups compared to control group was observed.

In conclusion, the CIMT appears to be beneficial for facilitating the coordination of impaired forelimb, although there was no additional gain in muscle power and general motor function. The functional improvement was only obtained in CIMT group, although there was a significant increase of subventricular neurogenesis in both CIMT and EE groups. The mechanism that brings a functional improvement to only CIMT group remains to be clarified.