저산소 환경이 마우스 배자의 형태 발생에 미치는 영향

Abstract

[한글]

배자 세포가 산소를 공급 받는 기전은 태반 순환계가 발달하기 전과 태반순환계가 성숙한 후가 다르다. 배자는 심장 박동이 시작된 후에는 태반순환에 의해 산소를 공급 받지만 태반순환이 시작되기 전에는 착상된 자궁내막의 혈관으로부터 확산에 의해 산소를 얻는다. 따라서 이 시기의 배자는 생리적으로 매우 낮은 산소 분압을 유지하고 있으며 상당량의 에너지원을 혐기성 당분해를 통해 얻는다. 실질적으로 산모의 저산소증은 흡연, 고위도 환경 등으로 인하여 일어날 수 있다. 또한 일부 항간질제도 화학적 저산소증을 유발할 수 있다. 이는 phenytoin, carbamazepine, trimethadione, phenobarbital 등의 항간질제가 심장세포에 작용하여 배자가 산소 공급을 정상적으로 받을 수 없게 하기 때문이다. 생리적인 저산소 미세 환경은 정상적인 형태 발생을 위한 세포 자멸을 유도하지만 발생 중기와 후기의 태아의 뇌세포에 손상을 끼치며, 산모의 적혈구 이상은 배자의 성장과 발달지연을 유발한다는 보고가 있다. 또한, neurulation이 일어나는 시기의 신경세포가 저산소증에 의해 손상을 받는지 여부는 잘 알려져 있지 않으며 NTD (neural tube defect)는 저산소증과는 연관성이 없는 것으로 알려져 있다. 한편, 신경계 중 특히 치의학 영역과 밀접한 관련이 있는 것은 뇌신경으로서 이들 중 일부는 branchial arch와 연관되어 발생하므로 이들을 'branchial nerve'라고도 한다. Branchial ganglia와 branchial nerve는 대부분 외배엽판 세포와 외배엽성 신경능선 세포에서 기원한다. 이 실험에서는 저산소 환경이 배자의 성장, 신경배 형성 그리고 뇌신경 발생에 끼치는 영향을 알아보고자, 임신한 마우스를 neurulation이 시작되는 발생 8일 혹은 심장이 기능을 하기 시작하는 발생 9일에 급성으로 저산소 환경에 노출 시킨 후, 약 54시간 후에 배자를 적출하여 형태학적 분석과 whole mount immunostaining을 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 발생 9일에 10% 저산소 환경에 노출된 배자는 대조군에 비해 머리둔부길이와 체절의 수가 통계학적으로 유의하게 감소하였다. 반면에, 발생 8일에 저산소 환경에 노출된 배자는 머리둔부길이와 체절의 수가 대조군에 비해 통계학적으로 유의하게 감소하였으나 발생 9일에 저산소 환경에 노출된 배자 보다 대조군과의 차이가 미미하였다.

2. 발생 8일에 저산소 환경에 노출된 배자와 발생 9일에 저산소 환경에 노출된 배자 모두에서 NTD를 동반하였다.

3. 저산소 환경에 노출된 배자의 일부에서 삼차신경의 눈신경 가지가 발생하지 않거나 삼차신경의 세가지 모두 손상을 받은 경우가 있었다.

4. 저산소 환경에 노출된 배자의 일부에서 설인두신경의 등쪽뿌리 부분이 발생하지 않거나 설인두신경의 암석신경절과 미주신경의 nodose ganglion을 연결하는 신경섬유가 발생하는 경우가 있었다. 이러한 형태학적 변이는 발생 8일에 저산소 환경에 노출된 배자에서보다 발생 9일에 저산소 환경에 노출된 배자에서 자주 나타났다.

즉, 순환계 발생 시기의 저산소 환경이 그 이전 시기보다 배자의 성장과 발육에 더 큰 영향을 미쳤다 그리고 신경배 형성 시기의 저산소 환경은 NTD를 유발시켰을 뿐만아니라 branchial nervous system에 형태 이상을 일으켰다. 따라서 저산소 환경이 신경외배엽세포, 외배엽판 세포, 그리고 신경능선 세포의 분화와 이주에 영향을 미친다는 것을 미루어 짐작할 수 있었다. 특히, 마우스 배자에 있어서 발생 9일은 cardiac neural crest cell의 이주와 분화에 중요한 시기로 보인다.

[영문]

The way to derive to embryonic cells before development of placental circulatory system is different from that after maturation of placental circulatory system. Before placental circulation, embryos come in contact with physiological hypoxic

microenvironment and receive much of energy source through anaerobic glycolysis. Physiologic hypoxic condition induces apoptosis for normal embryonic morphogenesis. But, maternal RBC dyscrasia generates growth retardation and developmental delay of

embryos. Especially, hypoxia injured fetal neuronal cells of mid- and late-term gestational days. However, it is unknown whether neuronal cells, during neurulation are damaged by hypoxic stress. Also, NTD is not associated with hypoxia.

Morphogenesis of cranial nerves are related with dento-facial development. Development of some cranial nerves is associated with branchial arches, and, therefore, they are called 'branchial nerves'. Neuronal cells of branchial ganglia and nerves are originated from ectodermal placodal cells and ectodermal neural

crest cells. Therefore, the objective of this experiment is to know the effects of hypoxic environment on embryonic growth, neurulation and cranial nerve development. Maternal mice were exposed to acute hypoxia at day 8 (neurulation is begun) or day

9 (placental circulation is just begun). After 54 hours, we dissected embryos, analyzed morphological characteristics and made whole mount immunostaining. The results were as follows.

1. Embryos exposed to hypoxic environment at gestational day 9 showed statistically significant growth retardation.

2. Embryos exposed to hypoxic environment at gestational day 8 showed statistically significant growth retardation. But compared with difference between day 9 hypoxic embryo and control, difference between day 8 hypoxic embryo and control was smaller.

3. Both dayr 8 hypoxic embryo and day 9 hypoxic embryo were accompanied by NTD.

4. Among cranial nerves of hypoxic embryos, trigeminal nerve and glossopharyngeal nerve showed morphological variations in response to hypoxic stress.

5. The probability to develop morphological variations of glossopharyngeal nerve is higher in day 9 hypoxic embryos than day 8 hypoxic embryos.

Therefore, hypoxic environment has more effects on embryonic growth especially when development of circulatory system is initiated. Also, hypoxia injured neuronal cells during neurulation and induced dysmorphogenesis of branchial nervous system.

These results suggest that hypoxic environment affects migration and differentiation of ectodermal placodal cells and neural crest cells. In mouse embryos, gestational day 9 is crtical period of migration and differentiation of cardiac neural crest cells.