Effects of mild hypothermia on the regulation of metalloproteinase expression in a focal model of transient cerebral ischemia

Abstract

[한글]

저체온법은 뇌허혈동안 손상을 줄이는데 매우 효과적으로 외과 수술시 유용하게 쓰이고 있다. 국부 뇌허혈에서 경한 저체온법은 괴사가 일어나지 않은 부위에서의 아폽토시스 유도와 괴사가 일어나는 부위를 감소시킬 수 있다. 그리고 저체온법을 뇌허혈 손상 후나 뇌

허혈이 일어나는 동안 초기에 시행한다면 재관류로 인해 일어날 수 있는 손상으로부터 신경세포를 보호할 수 있다. 이러한 저체온법의 뇌보호기작에 대한 연구가 많이 진행되고 있지만 아직 뚜렷한 기작에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 지금까지 알려져 있는 저체온법에 의한 뇌보호 기작으로 글루코오스와 산소의 소비비율이 낮추어지므로 cerebral metabolic rate가 감소되어 뇌허혈손상과 관계되어 발현되는 유전자를 조절할 수 있다고 생각되어진다.

뇌허혈손상시 뇌혈관 장벽을 파괴함으로 신경세포사멸을 유발하는 물질중에서 matrix metalloproteinase(MMPs)가 있다. 이 MMPs중 Gelatinase A와 B 로 알려진 MMP-2 와 MMP-9은 type Ⅳ collagenease로 혈관의 기저판을 파괴함으로써 뇌혈관 장벽을 열어주어 손상을 증폭시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 뇌허혈손상시 뇌혈관 장벽의 파괴를 이끄는 MMPs를 억제함으로써 손상의 정도를 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 그러므로 본 연구에서는 경한 저체온법에 의한 MMPs 발현 및 활성 조절 기전을 규명하고자 하였다. 뇌의 중간대뇌동맥을 막음으로써 국부적인 뇌허혈손상 모델을 만들었다. 동물의 체온은 중간대뇌동맥을 막은 후 38℃와 33℃로 각각 유지하고 뇌허혈 손상이후 재관류 0, 4, 22시간에 따라 뇌를 적출하였다. 저체온을 처리한 경우 뇌허혈손상부위가 재관류 22시간에 줄어든 것을 확인 할 수 있었으며 저체온을 유지한 경우가 정상체온보다 MMP-9의 발현정도가 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 저체온을 유지한 뇌의 경우 대뇌피질부위에서 재관류 4시간과 22시간에서 MMP의 양이 줄어들었다. 그리고 이들의 효소 활성 정도도 저체온에 의해 영향을 받는 것을 확인하였다. 뇌허혈 손상에서 MMPs의 자신의 역할뿐만 아니라 아폽토시스와 관련되어 막에 존재하는 단백질인 Fas와 Fas-ligand의 상호작용에도 영향준다. MMPs의 발현을 억제함으로 MMPs와 관련된 아폽토시스 단백질인 Fas 와 Fas-ligand의 상호작용을 억제하여 신경보호작용을 한다고 생각되어진다. 뇌허혈 손상시 Fas의 단백질 발현정도는 저체온시 증가하였지만 Fas-ligand의 mRAN 발현은 저체온이 정상체온에 비해 줄어들었다.

그러므로 저체온을 처리한 경우 뇌허혈 손상을 받은 부위 중 괴사가 일어나지 않는 부위에서 Fas와 Fas-ligand 상호작용을 억제함으로 아폽토시스를 감소시킬 수 있다고 생각되어진다.

그러므로 뇌허혈 손상시 저체온을 유지하면 뇌혈관 장벽의 파괴를 일으키는 MMPs의 단백질 발현이나 효소활성정도가 억제되게 된다. 뇌허혈 손상시 MMPs에 의해 활성화 되어 아폽토시스를 일으키는 Fas와 Fas-ligand의 상호작용도 저체온에 의해 억제되어 신경보호효과를 얻을 수 있다.

[영문]

Mild hypothermia is a robust neuroprotectant, but the mechanisms have not been elucidated well. One aspect of this protection has been associated with the prevention of blood brain barrier (BBB) disruption. Matrix metalloproteinase (MMPs) can degrade the extracellular matrix and is significantly increased after ischemia. In this study, we defined what is the protective mechanism of hypothermia in ischemic injury and what relationship is there between hypothermia and MMPs expression. We also examined whether BBB preservation from mild hypothermia is due to alterations in MMP expression and we showed how MMPs can regulate apoptosis proteins in the hypothermic condition. We made animal model using the middle cerebral artery occlusion for 2 hrs. Animals were maintained either at normal brain temperature or 33℃ after MCA occlusion. Brains were lasted 2hrs, 6hrs and 24hrs

post MCA occlusion and harvested each reperfusion times. Expression of MMP-9 protein showed increase in the ischemic cortex compared to the contralateral side.

The expressions of MMP-2 and MMP-9 were reduced in the hypothermic brains at 6 hrs and 24 hrs after ischemic injury. Neurons and astrocytes expressed the MMP-2 and MMP-9 in the normothermic brain after ischemic injury, however, the MMP-2 and MMP-9 immunoreactivities were decreased in the neurons of the hypothermic brain. Fas levels were decreased in the hypothermic brain after ischemic injury, however levels of membrane-bounded Fas-ligand in the hypothermic brains were expressed more than in the normerthermic brains after ischemic injury. In neuroprotection of mild hypothermia attenuates BBB disruption by decreasing of MMPs’expression and suppressing of MMPs’activity. Moreover, mild hypothermia inhibited the expression of Fas and reduced the soluble Fas-ligands, possibly due to the lower levels of MMPs need to degrade it, in the brain after ischemic injury.