158 376

Cited 0 times in

Non-invasive and selective mesenchymal stem cell transplantation in a 192 IgG-saporin rat model using low-intensity focused ultrasound and the mechanism of transplantation

Other Titles
 192 IgG-saporin을 이용한 흰쥐 기억력 손상 모델에서 초음파를 이용한 비침습적-선택적 중간엽줄기세포 이식과 기전 
Authors
 이지현 
College
 College of Medicine (의과대학) 
Department
 Dept. of Neurosurgery (신경외과학교실) 
Degree
박사
Issue Date
2020
Abstract
인류의 고령화에 따라 치매 환자 수가 점차 증가하고 있으며 이를 치료하기 위한 다양한 약물들이 개발되고 있다. 하지만 인지능력이 퇴행하는 것을 완전하게 막을 수 없으며 약물에 의한 소화기계의 여러 부작용이 동반되거나 간 독성 발생 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 약물 치료 이외의 치료방법 개발이 절실하다. 또 다른 치료 방법으로 줄기세포 이식법이 시도되고 있고 이는 신경 퇴행성 질환에 대해 효과적인 치료법이라고 보고되고 있다. 하지만 줄기세포를 이용한 뇌신경 질환 치료 기술은 면역거부반응, 종양 형성의 가능성, 신경세포로 분화 유도의 어려움, 대량 증식에 소비되는 고비용의 문제뿐만 아니라, 우선적으로 줄기세포를 이식하는 방법에도 부작용 및 한계점이 따를 수 있다. 예를 들어 기존에 시행되고 있는 대뇌 내 줄기세포 이식법은 크게 2가지가 있는데, 첫째인 두개 내로 직접 이식하는 방법은 직접 이식에 의해 대뇌 내 2차 손상과 감염 및 수술에 의한 합병증의 발생 가능성의 문제가 있고, 둘째인 정맥 내로의 주사를 통한 이식은 원하는 부위 즉 뇌의 특정 부위로 줄기세포를 이식하는 것이 어렵고 뇌에 도달하기 전에 이미 간이나 폐 등의 장기에 줄기세포가 불필요하게 생착되어 실제 대뇌 내에는 극히 소량의 세포만이 도달한다는 저효율의 한계점이 있다. 현재 집속 초음파를 통해 약물 치료제를 목표 부위에 전달하는 시도가 전세계적으로 이뤄지고 있으나 우리나라에서는 이러한 연구개발이 부족한 상황이며, 더군다나 세포를 초음파로 뇌에 이식하는 연구는 전세계적으로도 매우 미흡한 상황이다. 더불어 초음파를 이용한 약물 전달과 세포 전달은 다른 기전이기 때문에 본 연구에서는 집속 초음파를 통해 세포를 전달할 수 있는 방법을 제안하여 기존의 이식법 보다 효율적이며 안전성이 보장된 이식법을 수립할 뿐만 아니라 줄기세포를 목표 부위에 안전하게 전달함으로써 기존의 줄기세포 치료에 이용되는 줄기세포 양보다 비교적 적은 양으로도 치료 및 적용이 가능케 하고자 했다. 이로써 기존의 줄기세포 치료법이 갖는 또 다른 단점인 치료제 생산 비용, 즉 줄기세포를 분리 및 증식 시키는데 드는 높은 비용의 문제도 해결하는 연구결과를 제시했다. 최근 뇌에 집속 초음파를 이용한 줄기세포치료의 가능성이 보고되었다. 하지만 집속 초음파를 이용한 줄기세포 이식의 기전과 인지기능회복의 가능성은 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구는 기억 손상 흰쥐 모델에서 치료효과와 집속 초음파를 이용한 줄기세포 치료 효과를 확인하기 위해 수행되었다. 먼저 집속 초음파를 이용하여 중간엽줄기세포를 흰쥐 대뇌 내 해마 부위에 효율적으로 전달할 수 있는지 확인하기 위해 흰쥐의 해마에 집속초음파를 조사하고 3시간 뒤에 중간엽줄기세포를 정맥으로 주사하였다. 그 결과 집속 초음파를 이용하여 중간엽줄기세포를 이식하였을 때 그 이식 효율이 대조군과 비교 시 2배까지 증가되었다. 그리고 중간엽줄기세포의 이동과 귀환에 관련이 있다고 알려진 ICAM-1과 VCAM-1 면역 양성 세포의 평균수가 집속 초음파 조사된 실험군에서 유의미하게 높았다. 또한 중간엽줄기세포가 혈관벽을 통과하여 뇌실질 내로 이동하는데 영향을 미친다고 알려진 MMP-2 또한 집속 초음파가 조사된 영역에서 유의미하게 증가되었다. 이 결과는 집속 초음파에 의해 증가된 ICAM-1, VCAM-1, MMP-2가 위치 선택적으로 중간엽줄기세포를 이동시키는데 영향을 주었음을 시사한다. 둘째로, 콜린성 손상을 유발하기 위해 192 IgG-saporin을 대뇌 내실에 주입하였다. 1주 후, 첫번째와 동일한 방법으로 집속 초음파를 해마에 조사 후 3시간 뒤 중간엽줄기세포를 정맥으로 주사하였고, 줄기세포의 치료효과의 평가를 위해 5주 뒤에 모리스 수중미로 실험을 통해 공간 기억능력을 평가하였다. 콜린성 활성 저하 그룹에서는 손상 유발로 인한 뇌 내측 중격의 ChAT 세포들의 감소와 해마의 AChE, BDNF, DCX, NeuN 및 공간 기억능력이 정상 그룹과 비교하여 유의미하게 감소되었고 IL-1β은 유의미하게 증가하였다. 반면 흥미롭게도 집속 초음파를 통해 중간엽줄기세포를 이식 받은 그룹에서는 콜린성 활성 저하 그룹과 비교하여 내측 중격의 ChAT와 AChE가 유의미하게 회복됨을 확인하였고, 해마에서 BDNF, DCX, NeuN, TrkB와 공간 기억능력이 유의미하게 회복되었다. 또한 IL-1β은 유의미하게 감소하였다. 종합해보면, 집속 초음파로 중간엽줄기세포를 이식 받은 그룹에서의 기억 향상은 BDNF 증가로 인해 향상된 신경 보호 효과와 이식된 중간엽줄기세포의 면역조절효과로 유도된 더 높은 신경 재생과 관련이 있다고 보여진다. 본 연구의 결과는 집속 초음파에 의한 중간엽줄기세포의 이식과 공간 기억 손상 모델에서의 치료효과의 가능성을 제안한다. 하지만 뇌에 이식된 중간엽줄기세포의 직접적 기능과 보다 자세한 이식 및 치료 기전에 대한 추가 연구가 필요하다.
Stem cell therapy has been found to be effective against neurodegenerative diseases. However, traditional transplant methods, such as parenchymal or intravenous (IV) injection, have several limitations including the development of secondary injuries and infection and low survival rate of stem cells in the brain. Recently, the possibility of stem cell therapy using focused ultrasound (FUS) in the brain region has been reported. However, the mechanism underlying stem cell transplantation using FUS and the possibility of cognitive recovery remain unknown. This study was performed to identify the therapeutic effects and the mechanisms underlying stem cell therapy using FUS in a memory-impaired rat model. First, when FUS sonication was performed in the hippocampal region, the efficacy of mesenchymal stem cell (MSC) transplantation increased by 2-fold relative to the control group, and the mean number of intracellular adhesion molecule (ICAM)-1-positive cells and vascular cell-adhesion molecule (VCAM)-1-positive cells in the control group was significantly lower than that in the FUS group. MMP-2 expression was also significantly higher in the FUS group than that in the control group. These findings suggest that increased expression of ICAM-1, VCAM-1 and MMP-2 induced by FUS might be related to the targeted homing of MSCs. Second, we found that cholinergic denervation-induced memory impairment was effectively improved by cell transplantation using FUS. In the Morris water maze probe test, the amount of time spent in the platform zone was significantly decreased in the Lesion and FUS only groups compared to that in the normal group. However, it was significantly increased in the FUS + Cell group compared to the Lesion group. Moreover, the number of platform crossings was significantly increased in the FUS + Cell group compared to that in the Lesion group. The number of cholinergic neuron immunopositive cells, brain-derived neurotrophic factor (BDNF), immature neurons and mature neurons were all significantly increased in the FUS + Cell group compared to that in the Lesion group. Taken together, the memory improvement in the FUS + Cell group may be possibly implicated in the enhanced neuroprotective effect of the BDNF and the immunomodulatory effect of the transplanted MSCs, resulting in higher neurogenesis. The results of this study provide insight into the possibility of stem cell homing and the therapeutic effects of FUS in a rat model of dementia. However, research regarding the function of stem cells transplanted into the brain and more detailed mechanism of stem cell homing by FUS should be further studied.
Files in This Item:
TA02624.pdf Download
Appears in Collections:
1. College of Medicine (의과대학) > Dept. of Neurosurgery (신경외과학교실) > 3. Dissertation
URI
https://ir.ymlib.yonsei.ac.kr/handle/22282913/180988
사서에게 알리기
  feedback

qrcode

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Browse

Links