뇌혈관 기능 장애를 조사하기 위한 모델로 생쥐의 대혈관 확장을 화학적으로 유도하는 것을 시연하고 있으며, 이는 혈관성 치매 및 알츠하이머병 모델링에 사용할 수 있습니다. 또한 실리콘 고무 화합물을 주입하여 혈관 구조를 시각화하고 혈관 크기의 변화를 측정하기 위한 명확한 시각적 지침을 제공하는 방법을 보여줍니다.
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방법 논문
뇌혈관 기능 장애를 조사하기 위한 모델로 생쥐의 대혈관 확장을 화학적으로 유도하는 것을 시연하고 있으며, 이는 혈관성 치매 및 알츠하이머병 모델링에 사용할 수 있습니다. 또한 실리콘 고무 화합물을 주입하여 혈관 구조를 시각화하고 혈관 크기의 변화를 측정하기 위한 명확한 시각적 지침을 제공하는 방법을 보여줍니다.
혈액-뇌(BBB)는 말초와 함께 선택적 뇌 순환을 조절하는 중요한 시스템으로, 필요한 영양소가 뇌로 들어가 과도한 아미노산이나 독소를 배출할 수 있도록 합니다. 혈관성 치매(VaD) 또는 알츠하이머병(AD)과 같은 질병에서 BBB가 어떻게 손상될 수 있는지 모델링하기 위해 연구원들은 혈관 확장을 모델링하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이러한 질병 상태에서 손상된 BBB는 해로울 수 있으며 BBB의 조절 장애를 초래하여 뇌 기능에 영향을 미치는 바람직하지 않고 병리적인 결과를 초래할 수 있습니다. 우리는 Cisterna magna(CM)에 직접 주입하여 엘라스타아제를 사용하여 혈관 확장을 유도하고 BBB의 단단한 접합부(TJ)를 파괴할 수 있는 기존 기술을 수정할 수 있었습니다. 이 방법을 통해 일관된 혈관 확장, 사망률 감소 또는 회복 개선, 실리콘 고무 화합물인 충전제/불투명제, 확장 분석을 위한 혈관 라벨링을 위한 전달 개선 등 이전 기술에 비해 다양한 성공 지표를 확인할 수 있었습니다. 이 수정된 최소 침습 방법은 주입 후 2주에서 3개월까지 마우스의 대형 혈관의 지속적인 확장이 19%-32% 증가하여 유망한 결과를 얻었습니다. 이러한 개선은 이전 연구에서 2주째에만 확장이 증가한 것으로 나타났던 것과 대조를 이룹니다. 추가 데이터에 따르면 9.5개월 후에도 지속적인 확장을 시사합니다. 이러한 증가는 엘라스타제(elastase)와 차량 주입 그룹의 혈관 직경을 비교함으로써 확인되었다. 전반적으로 이 기술은 동물 모델을 사용하여 중추신경계(CNS)에 영향을 미치는 병리학적 장애를 연구하는 데 유용합니다.
대뇌 모세혈관을 둘러싸고 있는 미세혈관 내피 세포는 혈액뇌장벽(BBB)1을 형성하는 주요 구성 요소로, 뇌 순환을 통해 말초부로 들어오고 나가는 것을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 신경 조직에 필요한 필수 영양소는 BBB로 들어갈 수 있으며, 글루타메이트와 같은 일부 필수 아미노산은 뇌에서 배출되는데, 이는 고농도가 뇌 조직에 영구적인 신경 흥분성 손상을 일으킬 수 있기 때문입니다2. 정상적인 생리적 조건에서 BBB는 알부민 3,4 및 프로트롬빈과 같은 혈장 단백질이 뇌로 들어가는 것을 제한하는데, 이는 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문입니다 5,6,7. 마지막으로, BBB는 음식이나 환경의 생체 이물(xenobiotics)과 같이 주변부에서 순환하는 신경독으로부터 뇌를 보호한다1. 전반적으로, 뇌 조직의 손상은 돌이킬 수 없으며, 낮은 수준의 신경 발생과 상관관계가 있는 노화는 신경 퇴행성 과정을 가속화하는 모든 요인을 보호하고 예방하는 데 있어 BBB의중요성을 강조한다.
백운확장증(dolichoectasia, 또는 대혈관 확장)에서는 혈관 탄력성의 감소가 관찰되며, 이로 인해 혈관의 형태학적 변화가 일어나 혈관이 기능 장애를 일으키고9 뇌의 혈류를 감소시킨다. 이러한 혈류의 감소는 산소와 포도당 공급을 감소시키고, 궁극적으로 반응성 성상세포(reactive astrocyte)의 활성화를 통해 BBB에 손상을 유발한다10. 혈관의 내부 엘라스틴층이 백구확장증에 의해 손상된 경우혈관신생을 위해 혈관내피성장인자(VEGF)의 반복적인 자극이 필요하다. 이는 누출 혈관의 형성으로 이어질 수 있으며 궁극적으로 결함이 있는 혈관의 발달을 특징으로 하는 병리학적 혈관 신생을 초래할 수 있다12. 병리학적 혈관신생 중에 혈관에 결함이 생기면 보상 메커니즘이 단단한 접합 단백질을 상향 조절하여 혈관 무결성을 복원하는 것으로 보입니다. 그러나 이 과정은 혈관의 구조적 무결성이 손실될 때 의도치 않게 BBB를 방해할 수 있다13. 이는 BBB를 더욱 파괴하고 아밀로이드 플라크(amyloid plaque)의 생성을 촉진함으로써 발생할 수있다 14. 또한, 말초로부터의 누출은 신경 염증을 유발할 수 있으며,15 이는 신경 세포 퇴화와 그에 따른 기억 상실을 초래합니다.
구조적으로 BBB가 제공하는 보호는 혈액 이종이뇌로 유입되는 생체 이물질을 막는 단단한 접합부를 통해 이루어집니다. 특정 물질이 뇌에 들어갈 수 있도록 할 때, BBB는 주로 두 가지 주요 과정, 즉 수동 확산 또는 특정 채널(예: 이온 채널 및 수송체)을 통해 이를 수행합니다1. 알츠하이머병의 경우, 연구에 따르면 혈관 시스템의 기능 장애가 질환의 진행에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다12,13. 아밀로이드-베타(Aβ) 플라크의 형성과 신경 퇴행은 BBB12,13의 파괴와 대뇌 혈류의 장애로 인해 발생할 수 있다16. 뇌혈류의 감소는 혈관성 치매와 AD17,18 진단을 받은 노인에서 볼 수 있습니다. 대뇌 혈류(CBF)의 기능 장애와 함께 혈액-뇌 장벽(BBB)의 손상은 말초 순환계로부터의 이물질의 침투를 동반하여 뇌에서 Aβ 농도의 증가에 기여할 수 있다19.
알츠하이머병 및 혈관성 치매(VaD)와 같은 신경 질환의 발병 기전을 조사하기 위해 질병을 복제하는 모델을 개발합니다. In vitro 모델은 광범위하게 사용되지만 혼합 세포 집단과 같은 광범위한 질병 모델링을 위한 생물학적 환경이 부족하여 in vivo 모델의 중요성이 필요합니다. 마우스는 질병에서 인간과 유사한 특성(예: 병리학)을 생성하는 데 있어 유전자 조작이 용이하기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 지금까지의 진전으로 인해 대혈관 확장과 같은 질병 표현형과 알츠하이머병에서의 역할을 모방하기 위한 개선된 모델에 대한 지속적인 필요성이 있습니다. 이를 위해 우리는 기회를 보고 생쥐20,21의 Cisterna magna에 엘라스타제를 주입하는 기술을 수정했습니다. 엘라스타제(Elastase)는 결합 조직(22)과 주변의 단단한 연접(23)에서 엘라스틴을 분해하는 것으로 나타난 효소이다. Cisterna magna는 뇌에서 가장 큰 혈관인 Willis의 원 바로 위에 위치하기 때문에 주사 지점으로 선택되었습니다. Cisterna magna에 엘라스타제를 주입함으로써 단단한 접합부를 파괴하고 혈관의 확장을 유도하여 BBB와 혈관을 손상시킬 수 있습니다(Willis의 원)24,25. 알츠하이머병의 혈관 구성 요소에 대한 발병 기전에 대한 이해를 높이기 위해 이 기술을 AD 마우스 병리학 모델과 결합하면 이 두 가지 별개의 병리학 간의 복잡한 상호 작용과 영향에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
이전 연구에서는 환자가 알츠하이머병과 내수능의 병리학적 특징을 모두 보이는 사례를 보여주었는데, 이는 일반적으로 혼합성 치매라고 불리는 상태이다26,27. 따라서 두 질환 사이의 상호 연결된 메커니즘을 이해하면 이러한 신경퇴행성 질환의 진행과 발현에 대한 보다 포괄적인 관점을 제공할 수 있으며, 기본 메커니즘과 잠재적인 치료 전략에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 이를 위해 AD 병리학 마우스 모델(AppNL-F)에서 엘라스타제를 적용하여 혈관 변화를 식별하는 방법을 시연합니다.
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이 연구에는 인간 아밀로이드 플라크를 생리학적 수준에서 발현하는 앱NL-F마우스(3개월령)가 사용되었지만, 이 시스템은 모든 설치류 모델과 함께 사용할 수 있습니다. 모든 동물 시술은 CAMH의 동물 보호 위원회(프로토콜 #843)의 승인을 받았으며 캐나다 동물 보호 위원회의 윤리 기준에 따라 진행되었습니다. 생쥐는 사내에서 사육되었으며 차우와 물에 대한 임시 접근 과 함께 12 시간의 밝음-어두운 주기로 유지되었습니다.
1. Cisterna magna (CM) 주입 절차
2. 실리콘고무 화합물 주입 및 조직 수확
3. 정량 분석

4. 알코올 탈수를 이용한 실리콘 고무 화합물 제거
참고: 혈관에서 과도한 실리콘 고무 화합물을 제거하는 데 도움이 되도록 뇌를 탈수하는 것이 중요하며, 이는 잠재적으로 면역염색의 품질을 향상시킬 수 있습니다.
5. 면역조직화학적 염색
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우리는 쥐를 입체 프레임에 조심스럽게 배치하고 근육을 해부한 후 두개골의 후두부 아래에 있는 Cisterna magna를 찾는 데 성공했습니다. 역삼각형을 닮고 노란색으로 강조된 이 해부학적 구조는 두개골 기저 아래에 있습니다(그림 1). 정밀도를 보장하고 뇌 조직의 손상을 방지하기 위해 Hamilton 주사기 베벨 1-2mm를 Cisterna magna에 부드럽게 삽입했습니다.
엘라스타제 주입 후, 동물은 2주, 1개월, 3개월의 세 가지 뚜렷한 시간 간격으로 PBS와 4% PFA를 관류했습니다. 그 후, 그림 2와 같이 혈관의 시각화를 개선하기 위해 실리콘 고무 화합물로 혈관을 고정했습니다. 질적으로, 엘라스타제에 의한 확장은 차량 주사를 받은 대조군에 비해 윌리스 서클(Circle of Willis) 주변의 작은 혈관과 커지고 구불구불한 기저 동맥의 가시성이 증가했음을...
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이 논문은 뇌혈관 확장을 위한 개선된 프로토콜을 보여주며, 생쥐의 Cisterna magna에 엘라스타제 주입을 위한 정확하고 간단한 접근 방식을 제공합니다. 이 해부학적 지점은 뇌척수액으로 가는 직접적인 관문 역할을 하여 다양한 신경 질환을 조사할 수 있는 귀중한 길을 제공합니다. 이 수정된 기술의 주요 장점 중 하나는 생쥐의 Cisterna 마그나에 엘라스타제의 단일 용량을 주입하면 반복 가능한 주사나 캐뉼라를 이식할 필요 없이 적어도 3개월 동안 큰 혈관의 확장을 일으키고 유지할 수 있었다는 것입니다. AD 마우스 모델에 엘라스타제를 투여하는 접근 방식은 특히 뇌의 아밀로이드 플라크 침착을 가속화하는 또 다른 주목할만한 이점입니다. 일반적으로 AppNL-F 마우스(이 연구에서 사용됨)와 같은 AD 모델은28세 6개월에 플라크 형성을 보였습니다. 이 모델은 이 마우스가 정상적인 노화 조건에서 자연적으로 인간과 같은 아밀로이드 침착을 나타내기 때문에 선택되었습니다....
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이해 상충이 없습니다.
이 연구는 수술을 지원한 Stephanie Tam의 귀중한 기여 덕분에 가능했습니다. 우리는 그녀의 도움에 진심으로 감사를 표합니다. 이 연구를 지원한 미국 국립보건원(National Institutes of Health, AG066162).
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