Autonomic dysregulation in a rat model of interstitial cystitis and inhibitory spinal mechanism

Abstract

간질성 방광염/방광 통증 증후군은 만성 통증 질환으로, 발생원인으로는 여러 요인이 복합적으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, 방광의 얇아진 상피 및 장벽 기능 저하와 같은 변화가 관찰된다. 이런 환자에서는 특징적으로 자율 신경계 활동성의 변화가 있으며, 이는 높은 요중 노르에피네프린 수치 및 교감신경 우세의 경향이 있다고 알려져 있다. 이러한 환자에서는 수압 확장 동안 혈압 및 맥박수의 유의미한 상승이 나타나며, 이러한 반응은 증상의 중증도와 밀접한 상관관계가 있다. 이에 본 연구는 간질성 방광염/방광 통증 증후군 환자에서 나타나는 과도한 자율 신경 반응을 백서 모델에서 재현하고 기저 병리기전을 확인하고자 하였다. 또한 자율신경계 이상반응이 α-1D 아드레날린 수용체 길항제와 글리신 수송체 2형 억제제에 의해 호전되는 지를 확인하여 이들의 치료적 잠재력을 확인함으로써 새로운 치료방법을 모색하고자 하였다. 재현성을 위하여 급성 및 만성 방광염의 두 가지 동물 모델을 설정하였다. 급성 모델에서는 사이클로포스파미드(cyclophosphamide, CYP)를 투여하여 방광염을 유도하였으며, 동물 모델링 과정에서는 수압확장술동안 혈압 증가 정도를 CYP의 용량(50, 100, 200 mg/kg) 및 투여 후 기간(3일, 7일)에 따라 확인하였다. 만성 모델에서는 프로타민 황산염(protamine sulfate, PS)과 리포폴리사카라이드(lipopolysaccharide, LPS)를 통해 시간의 경과에 따른 염증을 유발하였다. PS/LPS 투여 후 시간 경과에 따른 반응을 보기 위하여 1주, 3주, 5주 후 변화를 평가하였다. 억제기전 확인을 위하여, 캡사이신 전처치, 경막외 글리신 수송체 유형 2 억제제(ALX-1393) 및 나프토피딜 (α-1D/A 아드레날린 수용체 길항제)를 경막외 및 경정맥 투여하였다. 급성 및 만성 모델 모두에서 수압확장술동안 혈압에 유의미한 변화가 나타났다. 급성 모델에서는 CYP 주사 3일 후 특히 100 mg/kg 용량 그룹에서 혈압 변화가 두드러졌으며, 19.6 ± 9.5 mmHg 증가(p < 0.001)하였고, 대조군 및 다른 CYP 용량 그룹(50, 200 mg/kg)에서는 유의미한 변화가 관찰되지 않았다. 만성 모델에서는 PS 및 LPS로 처리된 모든 그룹이 대조군에 비해 수압확장술 동안 혈압이 상승하여, PS/LPS 처리 1주, 3주, 5주 후에서 모두 이러한 변화가 관찰되었다. 1주 그룹의 평균 혈압은 89.2 ± 16.5 mmHg에서 수압확장술 중 115.4 ± 18.6 mmHg로 증가하였다(p < 0.001). 캡사이신 전처치를 한 경우 급성 및 만성 모델 모두에서 관찰되었던 수압확장술 중의 혈압 상승 소견이 억제되는 결과가 관찰되었다. 급성 모델에서 면역형광 염색 결과, VCAM-1 및 IL-6의 발현이 방광 상피에서 유의미하게 증가하여 염증을 반영하였다. 웨스턴 블롯 분석 결과, CYP 처치 후 VCAM-1, TNF-α 및 IL-6의 발현 증가가 CYP 용량에 비례하여 증가됨을 확인되었다. NGF의 발현은 CYP 100 mg/kg 주사 3일 후 방광에서 정점에 달하며, 이는 척수의 c-fos 발현 및 과도한 혈압 변화와 밀접한 관련성이 있었다. 만성 모델에서도 NGF를 포함한 모든 염증 표지가 상승하였다. 경막외 글리신 수송체 유형 2 억제제(ALX-1393)의 주사는 급성 및 만성 모델 모두에서 수압확장술동안 혈압 상승을 유의미하게 감소시켰으며 방광의 수축 간격을 연장시키는 치료 효과가 있었다. 나프토피딜은 만성 모델에서 경막외 및 정맥 주사를 통해 투여되었으며, 두가지 방법 모두에서 수압확장술동안 혈압 상승을 억제하였다. 만성 모델에서 나프토피딜의 정맥 주사는 방광의 수축 간격을 유의하게 연장하는 효과를 보였다. 본 연구에서는 수압확장술 동안 관찰된 자율 신경계 반응이 급성 및 만성 동물 모델에서 효과적으로 재현되었음을 보여주었다. 또한 이러한 반응은 방광의 NGF 발현 및 척수의 c-fos 발현과 유의미하게 연관되어 있었다. 자율 신경 기능 장애는 나프토피딜의 경막외 및 정맥 주사 후 개선되었다. 또한 ALX-1393의 경막외 주사는 이러한 비정상 반응을 완화시켜 방광 기능을 향상시켰다. 이러한 결과는 간질성 방광염/방광 통증 환자의 자율 신경계의 기저 병리 기전을 확인하며, 이를 통한 미래 치료 표적으로서의 가능성을 확인할 수 있었다.

Background : Interstitial cystitis/bladder pain syndrome (IC/BPS), a chronic pain disorder affecting the urinary bladder, is characterized by the presence of symptoms such as urinary frequency, urgency, and pain. The etiology of IC/BPS is multifactorial, with changes such as thinning of the urothelium and impaired barrier function being frequently observed. Altered autonomic nervous system (ANS) activity, including elevated urinary norepinephrine (NE) levels and a shift toward sympathetic dominance, has been linked to increased sympathetic activity in patients with IC/BPS. Significant autonomic responses correlated with symptom severity, such as elevated blood pressure and pulse rate, are observed in these patients during hydrodistention (HD). Therefore, the present study aimed to replicate the exaggerated autonomic responses observed in patients with IC/BPS in rat models of acute and chronic IC/BPS to elucidate the underlying mechanisms. In addition, the therapeutic potential of α-1D adrenergic receptor antagonists (naftopidil) and glycine transporter type 2 inhibitors (ALX-1393) to alleviate autonomic dysfunction was also explored to determine their viability as treatment targets for IC/BPS in the future. Methods : Two distinct animal models of acute and chronic cystitis were created to model IC/BPS in rats. Cystitis was induced using cyclophosphamide (CYP) in the acute model. The increase in blood pressure during HD was determined according to the CYP dose (50, 100, and 200 mg/kg) and the period post-administration (day 3 and day 7 post-administration). Inflammation was induced over time through the intravesical instillation of protamine sulfate (PS), followed by lipopolysaccharide (LPS), in the chronic model. The changes observed at 1, 3, and 5 weeks post-instillation were examined in different groups. Blood pressure was monitored during HD. Bladder function was assessed using cystometry. Protein expression analysis were performed using western blotting targeting key inflammatory markers, such as TNF-α, IL-6, and nerve growth factor (NGF). Histological examinations was performed using immunofluorescence staining of the bladder tissues. C-fiber involvement was assessed through pre-treatment with capsaicin. Intrathecal injections were administered to evaluate the effects of glycine transporter type 2 inhibitors (ALX-1393) and naftopidil, an α-1D/A adrenergic receptor antagonist, in both models. Naftopidil was also administered intravenously. Results : Significant changes in blood pressure were observed during HD in the acute and chronic models of IC/BPS. An increase of 19.6 ± 9.5 mmHg, the most pronounced blood pressure change, was observed on the third day post-administration in the 100 mg/kg dosage group in the acute model (p < 0.001). No significant changes were observed in the control or other CYP dosage groups (50, 200 mg/kg). An increase in blood pressure during HD was observed at one, three, and five weeks post-treatment in all groups treated with PS and LPS in the chronic model. The mean blood pressure increased from 89.2 ± 16.5 mmHg at baseline to 115.4 ± 18.6 mmHg during HD in the one-week group (p < 0.001). Pre-treatment with capsaicin suppressed the increase in blood pressure during HD in both models. Immunofluorescence analysis revealed a significant increase in VCAM-1 and IL-6 expression in the bladder epithelium, indicating inflammation. Western blotting revealed a dose-dependent increase in the VCAM-1, TNF-α, and IL-6 levels in the bladder tissues following CYP treatment. NGF expression peaked in the bladder three days after the administration of 100 mg/kg of CYP, correlating with spinal c-Fos expression and exaggerated changes in blood pressure. The levels of all inflammatory markers, including NGF, were elevated in the chronic model. Intrathecal administration of ALX-1393 induced a significant decrease in blood pressure elevation during HD in both models. Intrathecal injection of ALX-1393 significantly prolonged intercontraction interval (ICI), indicating improved bladder function in both acute and chronic models, while saline injection showed no significant effects on any cystometric parameters. Naftopidil administered intrathecally and intravenously in the chronic model suppressed the increase in blood pressure during HD. Intravenous administration of naftopidil significantly increased the ICI, while no notable changes were observed in the control group. Conclusion : The present study demonstrated that the heightened ANS responses observed during HD in patients with IC/BPS were effectively replicated in the acute and chronic animal models. These responses exhibited significant associations with NGF and c-Fos expression in the bladder and spinal cord, respectively. Autonomic dysfunction improved following the intrathecal and intravenous administration of naftopidil. Similarly, intrathecal administration of ALX-1393 mitigated these abnormal responses, leading to enhanced bladder function. These findings confirm the underlying pathological mechanisms of the ANS in patients with IC/BPS, emphasizing its potential as a therapeutic target for future interventions.