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우리는 허혈 및 지혈대 배치에 의한 재관류의 마우스 모델에서 670nm 조사에 의한 재관류 손상의 감소를 설명합니다. 이 670nm 방사선 조사는 염증 반응을 감소시키고 전염증성 대식세포의 수를 감소시키며 보호 대식세포를 증가시켰습니다.
염증 과정으로 인한 조직 손상 및 괴사는 허혈 재관류 손상(IRI)의 결과입니다. 골격근에서 허혈은 근육 세포의 유산소 에너지 용량을 감소시켜 부정적인 생화학적 변화와 염증을 유발합니다. 이 연구의 목표는 허혈 기간 동안 근적외선(NIR)에 노출되면 전염증성 M1이 감소하고 보호 M2 대식세포가 증가하는 것 외에도 괴사와 염증이 감소하여 IRI가 감소한다는 것을 보여주는 것입니다. C57/Bl6 마우스는 3시간 동안 편측 지혈대에 의한 뒷다리 허혈을 받은 후 15분 또는 30분 동안 재관류를 받았습니다. 마우스는 3개의 그룹에 무작위로 할당되었습니다. 그룹 1은 30분 재관류와 함께 IRI를 받았습니다. 그룹 2는 15분 재관류와 함께 IRI를 받았습니다. 각 그룹은 지혈대 폐쇄 후 5분/1시간 동안 50mW/cm2 에 노출된 50%의 NIR 처리 마우스와 50%의 NIR 처리 마우스로 구성되었습니다. 그룹 3은 IRI를 생략하고 3시간 동안 마취한 가짜 동물이었습니다.
허혈 및 재관류를 확인하기 위해 모든 마우스에서 레이저 도플러 흐름 이미징을 수행했습니다. 흐름 데이터는 허혈성 사지(ischemic limb)와 반대쪽 대조군(contralateral control)의 비율로 표현되었습니다. 쥐는 재관류 후 안락사시켰고, 대퇴사두근과 비복근을 수확했습니다. 대식세포 마커 CD68(M1) 및 CD206(M2)의 면역침전 및 웨스턴 블롯을 수행하고 CD14 발현으로 정규화했습니다. 염증 마커 CXCL1 및 CXCL5의 발현은 IRI 그룹에서 NIR에 의해 현저히 감소했습니다. IR 및 NIR을 투여받은 동물에서 CD68의 현저한 감소와 CD206 발현의 증가가 관찰되었습니다. 조직 괴사는 2,3,5-트리페닐테트라졸륨 클로라이드(TTC) 염색으로 시각화된 바와 같이 IRI 그룹에서 NIR에 의해 감소되었습니다. 이 연구 결과는 NIR에 대한 노출이 IRI를 감소시키고 조직 생존을 향상시킨다는 것을 보여줍니다. NIR은 염증을 감소시키고, 전염증성 M1을 감소시키며, 보호 M2 대식세포를 증가시켰습니다. NIR에 노출되면 염증이 감소하고 재생이 향상되어 허혈 후 조직이 보호됩니다.
허혈 재관류 손상(IRI)은 혈관 손상 및 수술용 지혈대의 장기간 사용에 따라 나타나는 임상적 과제입니다. 이전 연구에서는 60-90분이 온열 허혈 시간의 상한 임계값이며, 그 이상이면 돌이킬 수 없는 조직 손상이 발생할 수 있음을 보여주었습니다. 다른 어떤 단일 요인보다도, 온열 허혈 시간의 한계는 혈관곤란 사지의 재이식의 성공과 구제를 제한한다 1,2.
골격근에서 허혈은 세포의 유산소 능력을 감소시켜 급성 염증과 부정적인 생화학적 변화를 유발합니다. 이러한 효과는 재관류에 의해 악화되는데, 재관류는 호중구의 동원과 활성산소의 생성을 자극하여 골격근을 더욱 손상시킵니다. 이것은 부상의 결과이든 출혈을 방지하기 위해 지혈대를 의도적으로 사용하는 결과이든 혈관 폐색으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 과정의 주요 매개체로는 호중구에서 발현되는 효소인 골수과산화효소(MPO)가 있으며,3 급성 염증 부위로 호중구를 모집하는 역할을 하는 CXCL1 및 CXCL5와 같은 케모카인이 있습니다4.
대퇴 동맥은 응급 상황에서 열린 지혈대를 모방하기 위해 절개되지 않았습니다. 이 접근법은 또한 허혈 및 재관류를 생성하는 재현성뿐만 아니라 일관된 무혈 영역을 기반으로 합니다. 이전 연구에서는 670nm 파장의 비열 적외선(NIR)에 노출되면 며칠 동안 NIR에 노출된 쥐 허혈성 뒷다리의 혈관 담보를 증가시켜 IRI5의 영향을 완화할 수 있음을 입증했습니다. 또한 이전 연구에서는 NIR 광선이 대식세포의 편광을 전염증성(M1) 또는 촉진성(M2) 표현형으로 유도할 수 있음을 입증했습니다6.
저산소증과 재관류 후 조직 손상과 세포 사멸을 최소화할 수 있는 모든 치료법은 혈관 손상 후 사지 회수의 성공률을 높이는 데 도움이 될 것입니다. 따라서 전반적인 목표는 다른 치료 방식에 대한 실행 가능한 옵션으로 670nm 광선 처리를 도입하여 IRI를 개선하는 것입니다. 본 논문은 허혈 기간 동안 NIR 광선에 노출되면 대식세포가 M2 표현형을 갖도록 유도하여 화학유인 단백질의 분비와 염증 세포의 유입을 감소시켜 염증 및 조직 괴사를 감소시킨다는 가설에 근거하고 있습니다.
이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 실험실 동물 관리 및 사용 가이드(Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)의 권장 사항에 따라 엄격하게 수행되었습니다. 이 프로토콜은 기관 동물 관리 및 사용 위원회(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다(프로토콜: AUA#1517). 생쥐를 대상으로 한 모든 연구는 PHS 정책에 따라 수행되었습니다.
1. 지혈대 배치
참고: 허혈을 유도하고 무혈 수술 부위를 달성하기 위해 지혈대를 배치했습니다.
2. LDI에 의한 혈류 측정
참고: 앞서 설명한 바와 같이 적절한 폐색과 재관류를 확인하기 위해 혈류를 측정했습니다7.
3. 허혈 및 재관류 프로토콜
4. 조직 수확
5. NIR 응용 프로그램
참고: NIR은 염증을 낮추고 재관류 손상을 줄이기 위해 적용됩니다.
6. 괴사 TTC
참고: 조직 괴사는 근육 조직의 괴사 감소를 시각화하기 위해 평가됩니다.
7. 클로로티로신을 위한 서쪽 분석
8. CXCL1 및 CXCL5용 ELISA
9. 면역침전수에 이은 서양 분석
10. 통계 분석
유량 측정으로 허혈 및 재관류 확인
NIR 광 배치 및 실험 프로토콜은 그림 1에 나와 있습니다. 쥐 뒷다리 허혈 모델이 개발되어 골격근 IRI에 대한 NIR 노출의 영향을 평가하기 위해 사용되었습니다. 예상했던 대로, 레이저 도플러 플럭스 영상(그림 2A)은 지혈대가 NIR 처리(n = 6)와 빛 처리되지 않은 뒷다리(n = 6) 모두에 대해 혈류를 거의 기준선으로 되돌리는 것과 함께 허혈을 유도하는 데 효과적임을 확인했습니다. 열화상(그림 2A)은 또한 LED 어레이에서 팔다리의 가열이 없음을 보여주었으며, 이는 관찰된 효과가 열 가열이 아닌 NIR 광에 기인함을 시사합니다.
NIR 치료는 대퇴사두근 경색을 감소시킵니다.
TTC 염색을 통한 골격근 조직의 총 조직학적 묘사(그림 3A)는 IRI 후 NIR 광 처리된 대퇴사두근(n = 3)에서 비NIR에 노출된 대퇴사두근(n = 3, 그림 3B)에 비해 괴사 조직의 양이 1.5배 유의하게 감소(p < 0.05)하는 것으로 나타났습니다.
NIR 적용은 비복근 전방증에서 클로로티로신 발현을 감소시킵니다.
3-클로로티로신 부가물의 웨스턴 블롯 분석(그림 4)은 급성기 호중구의 존재에 대한 대리 마커로 수행되었습니다. IRI 후 NIR 광 처리된 비복근에서 비-NIR에 노출된 비복근에 비해 클로로티로신 부가물 발현이 2.9배 유의하게 감소(p < 0.05)하는 것으로 나타났습니다.
NIR 적용은 비복근에서 CXCL1 및 CXCL5의 발현을 감소시킵니다.
두 가지 전염증성 케모카인 CXCL1(그림 5A) 및 CXCL5(그림 5B)의 발현 수준을 결정하기 위해 ELISA를 사용했습니다. NIR 치료는 15분 재관류 후 CXCL1 및 CXCL5의 발현을 현저히 감소시켰습니다. CXCL5의 발현 수준만이 30분 재관류 후 현저히 감소했습니다.
비복근 전방증의 대식세포 표현형에 대한 NIR 치료의 효과
염증 전파에 대한 M1 및 M2 대식세포의 기여도를 이해하기 위해 대식세포 마커 CD14에 대한 면역침전과 M1 마커 CD68 및 M2 마커 CD206에 대한 웨스턴 블롯 분석을 수행했습니다. 이러한 데이터는 NIR 치료가 염증성 M1 대식세포 마커의 발현 수준을 감소시켰음을 보여주며(Ischemia + NIR 5752 ± 154, Ischemia - NIR 6464 ± 213, Control 6524 ± 202)(그림 6A) 총 대식세포 마커의 발현 수준으로 정규화된 보호 M2 대식세포 마커(그림 6B)의 발현 수준을 증가시켰습니다(Ischemia + NIR 7378.68 ± 425, 허혈 - NIR 5853.67 ± 215, 대조군 5542.53 ± 220).
그림 1: 실험 프로토콜 및 광섬유 광원의 위치. 약어: LDI = 레이저 도플러 이미저; NIR = 근적외선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: LDI 측정은 지혈대가 허혈을 유발하는 데 효과적임을 확인했습니다. (A) 플럭스 열 이미지는 재관류 시 혈류의 중단과 혈류의 회복을 보여줍니다. 플럭스 이미지 분석은 대조군(B) 및 R/NIR 처리된 마우스(C)에서 허혈 중 혈류 중단과 재관류 시 혈류 회복을 보여줍니다. 약어: LDI = 레이저 도플러 이미저; R = 재관류; NIR = 근적외선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 골격근 조직의 TTC 염색. (A) TTC 염색; (B) 분석은 경색된 골격근 조직의 현저한 감소를 보여줍니다. 눈금 막대(인치)는 대퇴사두근의 크기를 나타냅니다. *P ≤ 0.05. 약어: NIR = 근적외선; TTC = 2,3,5-트리페닐테트라졸륨 클로라이드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: NIR 조사 후 골격근에서 3-클로로티로신 발현 수준. NIR 조사 후 골격근에서 3-클로로티로신 발현 수준이 현저히 감소한 웨스턴 블롯 분석. *P ≤ 0.05. 약어: NIR = 근적외선; IL = 허혈성 사지; CL = 반대쪽 사지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: ELISA에 의해 결정된 CXCL1 및 CXCL5의 발현 수준. (A) CXCL1 발현 수준은 NIR 그룹에서 재관류 15분에서 현저히 감소합니다. 이 유의미한 효과는 NIR이 없는 대조군과 비교했을 때 30분 후에 약해졌습니다. (B) CXCL5 발현 수준은 무광 그룹에 비해 광 그룹에서 15분 및 30분 재관류에서 현저히 감소합니다. *P ≤ 0.05. 약어: NIR = 근적외선; ELISA = 효소 결합 면역흡착 분석법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: M1 및 M2의 발현 수준은 면역침전 후 웨스턴 블롯 분석에 의해 결정된 총 대식세포 마커 CD14로 정규화되었습니다. (A) M1 대식세포 마커 CD68의 발현 수준이 대식세포 마커 CD14 발현으로 정규화되었습니다. 광선 치료는 무광 치료 및 대조군과 비교할 때 전염증성 M1 마커 CD68의 발현 수준을 현저히 감소시켰습니다. (B) 대식세포 마커 CD14 발현으로 정규화된 보호 M2 대식세포 마커 CD206의 발현 수준. 광선 처리는 무광 처리 및 대조군에 비해 CD206의 발현을 유의하게 증가시켰습니다. *P ≤ 0.05. 약어: NIR = 근적외선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 논문은 뒷다리의 염증 반응을 변화시켜 NIR 광선 치료에 의한 재관류 손상 감소에 초점을 맞춘 최초의 연구 중 하나를 설명합니다. 허혈, 재관류 손상 및 NIR 광선 치료는 완전히 새로운 것은 아닙니다. 다른 연구는 NIR 광선에 의한 허혈 재관류에 초점을 맞췄습니다. NIR 광선 치료는 허혈 재관류 손상 후 심근 굴절 크기 감소 및 신장 손상 감소에 성공적으로 사용되었습니다. Quirk 등은 NIR 적용 후 심근 경색 크기의 감소와 허혈 재관류의 감소를 보고했습니다 16,17,18.
지혈대의 배치는 부상 후 출혈을 멈추거나 수술 중 및 Battlefield19를 포함한 응급 상황에서 임상 환경에서 혈액이 없는 영역을 만드는 데 매우 중요합니다. 허혈이 장기간인 후 재관류가 계속되면 재관류 손상에 대한 우려가 커집니다.
이러한 데이터는 670nm LED 조명 응용 형태의 광선 요법이 염증 반응을 낮추고 지혈대 배치 후 대식세포를 염증에서 항염증 표현형으로 변화시켜 재관류 손상을 감소시킨다는 것을 보여줍니다. 허혈 재관류 후 염증 마커인 클로로티로신(chlorotyrosine)의 발현이 증가하여 손상이 두드러집니다(그림 3). 클로로티로신은 MPO 활성의 산화 최종 산물입니다. Yu 등은 쥐 뇌졸중의 허혈 재관류 모델에서 염증의 표지자로서 클로로티로신 발현의 증가를 보고했다20.
또한, Souza 등은 대식세포 세포주 J774를 사용하여 광생물조절(photobiomodulation) 후 24시간 후에 대식세포 표현형 변화를 설명했으며, NIR 치료가 염증 단계를 조절하고 조직 복구를 개선한다고 결론지었습니다 6,21. CXCL1 및 CXCL5는 대식세포 및 기타 다양한 면역 세포를 동원하는 것 외에도 IRI에 가장 직접적인 원인이 되는 호중구에 상당한 화학유인 효과를 나타냅니다. MCP-1은 엄밀히 말하면 단핵구/대식세포 화학유인물질이므로 이 분석에 포함되지 않았습니다. CXCL1 및 CXCL5는 대식세포, 호중구, 상피세포를 포함한 다양한 세포에서 생산됩니다 4,22
이 연구의 한계는 NIR 빛의 투과 깊이입니다. Hu 등은 시체를 사용하여 대부분의 조직에서 5cm의 침투를 설명하고 다른 영역을 비교했다23. 본 논문의 접근법은 면역침전에 의한 모든 대식세포의 농도를 기반으로 M1 및 M2 대식세포의 분극을 결정한 후 웨스턴 블롯 분석을 수행하여 NIR 처리 후 염증에 대한 M1 및 M2의 기여도 변화를 확인하는 것이었습니다. 면역형광, 유세포 분석 및 대식세포 편광 마커의 전체 패널은 수행되지 않았습니다. 이러한 결과는 재관류/부상 환경에서의 염증이 NIR 광선 치료에 의해 감소했음을 보여주며 가능한 임상 적용을 시사합니다. 이 프로토콜에서 가장 중요한 단계는 폐색을 확인하고 허혈 기간 동안 5분 동안 시간당 한 번 NIR 조명을 적용하는 것입니다.
저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.
이 연구에 자금을 지원해 주신 정형외과에 감사드립니다. 또한 기술 지원을 제공해 주신 Brian Lindemer와 Grant Broeckel에게도 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2,3,5-Triphenyltetrazolium | Sigma Aldrich | 17779-10X10ML-F | 1% solution |
4–15% Criterio TGX Stain-Free Protein Gel | BioRad | #5678084 | Tris-glycine extended gels |
4x Laemmli Sample Buffer - 1610747 | BioRad | 16110747 | |
670 nm light source | NIR Technologies | custom made | |
BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher | 23227 | |
BioRad ChemiDoc | Bio-Rad | Imaging system | |
Bio-Rad | |||
β-mercaptoethanol | BioRad | 1610710 | |
CXCL1 ELISA | R&D Systems | DY453-05 | |
CXCL5 ELISA | R&D Systems | DX000 | |
Forane | Baxter | 1001936040 | isoflurane inhalant |
goat anti-rabbit IgG-HRP | Santa Cruz Biotechnologies | sc-2004 | 1:10,000 dilution |
Ice Accu ice pack | |||
Laser doppler Imager | Moor | MOORLDI2-HIR | |
monoclonal CD14 antibody | Santa Cruz Biotechnologies | sc-515785 | 1:200 dilution |
monoclonal CD206 antibody | Santa Cruz Biotechnologies | sc-58986 | 1:200 dilution |
monoclonal CD68 antibody | Santa Cruz Biotechnologies | sc-20060 | 1:200 dilution |
Pierce Protein free (TBS) blocking buffer | blocking buffer | ||
polyclonal Chlorotyrosine Antibody | Hycult | HP5002 | 1:1,000 dilution |
Protein A/G PLUS-Agarose | Santa Cruz Biotechnologies | sc-2003 | |
Super Signal West Femto | ThermoFisher | 34095 | enhanced chemiluminescence reagent |
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