Importance of inflammatory mechanism in therapeutic effect of hypothermia on stroke

Abstract

In ischemic stroke, the inflammatory response plays an important role in infarct evolution and in the overall severity. Therapeutic hypothermia is a promising neuroprotectant, but the mechanisms underlying this neuroprotection are unknown. High mobility group B1 (HMGB1) is a critical mediator in many human diseases. Previous studies showed that HMGB1 induces the inflammatory response in in vitro and in vivo stroke model. I hypothesized that hypothermia reduces HMGB1 release and inhibits its effect in activation of the inflammatory response to ischemic injury. Rats underwent middle cerebral artery occlusion with or without hypothermia. In middle cerebral artery occlusion model rats, hypothermia greatly reduced the infarct size. Immunofluorescence and enzyme linked immunosorbent assay showed that hypothermia inhibited extracellular HMGB1 release from the ischemic brain into systemic circulation. By real time PCR, I showed that hypothermia reduced the expressions of infarct-modifying inflammatory cytokines, such as interleukin (IL)-1β, IL-6, and tissue necrosis factor (TNF)-α, in peri-ischemic and ischemic regions. When glycyrrhizin, a direct HMGB1 binding inhibitor was injected, similar effects were also observed in our animal stroke model with hypothermia. In conclusion, I have demonstrated that hypothermia inhibits the release of HMGB1 and reduces the inflammatory responses of the penumbra; I suggested that the inhibition of HMGB1 release via hyporthermia in the brain provides an important mechanism underlying neuroprotective effects on ischemic and peri-ischemic regions in stroke.

허혈성 뇌경색에서 염증반응은 뇌경색에 의해 손상받는 부위가 시간이 지남에 따라 확장되는 현상에 관여하며, 뇌경색의 중증도를 결정하는데 있어 중요하다. 치료적 저체온요법은 현재 신경손상을 막는 가장 유망한 치료법으로 알려져 있지만, 신경보호를 일으키는 기전은 확실하게 알려져 있지 못하다. 이 연구에서는, 치료적 저체온증이 허혈성 세포 손상시 분비되는 염증성 사이토카인인 high mobility group box 1 (HMGB1)의 분비를 줄이고, 허혈성 뇌손상에 대한 염증반응의 활성화를 막는다는 가설을 증명하고자 하였다. 연구결과에 의하면, 저체온은 중뇌동맥 폐쇄를 통해 쥐에서 뇌경색과 유사한 상황을 유도한 동물모델에서 뇌경색에 의한 손상부분의 크기를 줄였다. 면역염색화학 분석법과 효소면역측정법(ELISA)을 사용하여 실험한 결과에서, 저체온증은 high mobility group box 1이 뇌경색에 의해 손상받은 뇌부위에서 순환계로 분비되는 과정을 억제하였다. 또한 real-time PCR로 실험한 결과, 저체온증은 뇌경색이 일어난 뇌부위, 그 중에서도 특별히 peri-ischemic region에서 뇌경색 부위가 시간이 지남에 따라 커지는 데에 중요한 기전으로 알려진 염증성 사이토카인의 유전자발현을 줄였다. High mobility group box 1에 직접적으로 결합하여 그 작용을 억제하는 약물인 glycyrrhizin를 뇌경색 동물모델에 투여했을 때에도 저체온증과 유사한 염증성 사이토카인에 대한 효과를 보였다. 결론적으로 이 연구는 저체온증이 high mobility group box 1의 분비를 줄이고, 이에 의해 염증성 사이토카인 발현의 활성화를 억제하는 것을 보였다. 이 연구를 통해 저체온증이 뇌경색에서 보이는 신경보호에서 high mobility group box 1이 중요하게 관련되어 있음을 보였다.