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연구 논문

심근 허혈-재관류 손상에서 NRG1/ErbB4 신호 전달의 보호 역할

550 조회수

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DOI:

10.3791/68671

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2025년 8월 22일

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* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

여기에서는 산화 스트레스 및 세포사멸 신호 전달 경로를 평가하여 허혈-재관류 손상의 쥐 모델에서 NRG1/ErbB4 신호 전달의 심장 보호 효과를 평가하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

초록

심근 허혈-재관류 손상(MIRI)은 심혈관 질환 관리에 상당한 장애물로 지속됩니다. MIRI의 병태생리학은 산화 스트레스, 칼슘 과부하, 염증 및 세포사멸을 포함하는 복잡합니다. NRG1/ErbB4 신호 전달 경로는 심장의 산화 스트레스 반응을 조절하여 잠재적으로 자유 라디칼로 인한 세포 손상을 줄이는 데 관련되어 있습니다. 이 연구는 심근 허혈-재관류(MIRI) 손상의 쥐 모델에서 NRG1/ErbB4 경로가 보호를 부여하는 분자 메커니즘을 밝히는 것을 목표로 했습니다. 30마리의 성인 수컷 Sprague-Dawley 쥐를 대조군, 가짜 수술, MIRI, 재조합 NRG1 및 AG1478의 5개 그룹으로 무작위로 배정한 쥐 MIRI 모델이 확립되었습니다. 심장 조직의 NRG1 농도는 ELISA로 측정하였고, p-ErbB4 및 총 ErbB4 단백질 수치는 웨스턴 블롯으로 평가하였다. 심근세포 세포사멸 및 활성 산소종(ROS) 수치는 유세포 분석법으로 평가되었습니다. MIRI 그룹에서 NRG1 수치는 대조군 및 가짜 수술군에 비해 유의하게 감소했습니다(p < 0.05). 재조합 NRG1 치료는 p-ErbB4/ErbB4 발현 비율(p < 0.05)이 향상됨과 함께 심장 조직에서 NRG1 수치를 현저하게 증가시켰습니다. AG1478 그룹은 재조합 NRG1 그룹에 비해 NRG1 수준이 낮고 p-ErbB4/ErbB4 비율이 감소했습니다(p < 0.05). 세포사멸 및 ROS 수준 측면에서 MIRI 그룹은 대조군 및 가짜 수술군보다 유의하게 더 높은 비율을 보였습니다(p < 0.05). 재조합 NRG1 치료는 심근 세포 세포사멸 및 ROS 수치(p < 0.05)를 유의하게 감소시킨 반면, AG1478도 이러한 효과를 약화시켰지만 그 정도는 적습니다. NRG1/ErbB4 신호 전달 경로는 쥐의 MIRI에서 중추적인 보호 역할을 합니다. 외인성 NRG1을 보충하면 심장의 NRG1 수치를 효과적으로 높이고, ErbB4 신호 전달 경로를 활성화하며, 심근 세포 세포사멸을 감소시키고, ROS 수치를 감소시켜 MIRI로 인한 손상을 완화합니다.

서론

심근 허혈-재관류 손상(MIRI)은 심혈관 질환 관리에 있어 중요한 과제입니다1. 허혈성 심근으로의 혈류 회복은 심근경색 치료에 필수적이지만, 재관류 자체가 심장 조직 손상을 악화시켜 치료 효과를 제한할 수 있습니다. MIRI의 기본 메커니즘은 복잡하며 산화 스트레스, 칼슘 과부하, 염증 반응 및 세포사멸 등 다양한 병태생리학적 과정을 포함합니다 2,3,4.

신경 성장 인자 1(NRG1)과 그 수용체 Erb-B2 수용체 티로신 키나아제 4(ERBB4)는 심장 생리학 및 병리학에서 중추적인 역할을 합니다. 세포외 리간드인 NRG1은 ErbB4 수용체와 상호 작용하여 심장 발달, 구조적 무결성 유지 및 심장 손상에 대한 반응에 중요한 신호 전달 경로의 캐스케이드를 활성화합니다5. 새로운 증거는 심장 질환에서 NRG1/ErbB4 신호 전달 경로가 수행하는 역할을 강조합니다. 심근 허혈-재관류 조건에서 NRG1의 발현 및 기능이 변경될 수 있습니다6. 이전 연구에서는 NRG1이 심근 세포 생존을 촉진하고 ErbB4를 활성화하여 과도한 세포사멸을 억제한다고 제안했습니다. 또한 NRG1/ErbB4 신호 전달 경로는 심장의 산화 스트레스 반응을 조절하고 자유 라디칼로 인한 세포 손상을 완화할 수 있습니다. 따라서 MIRI에서 NRG1/ErbB4 신호 전달 경로의 기능을 밝히는 것은 이 손상의 생물학적 기초를 이해하고 새로운 치료 전략을 개발하는 데 필수적입니다 7,8.

이 연구는 NRG1/ErbB4 신호 전달 경로가 MIRI에서 보호 역할을 한다고 추측합니다. 따라서 본 연구에서는 MIRI에서 NRG1/ErbB4 신호전달 경로의 메커니즘을 체계적으로 조사하기 위해 심근 허혈-재관류의 쥐 모델을 구축했습니다. NRG1의 농도를 조절하고 ErbB4 활성화 상태, 심근 세포 세포사멸률 및 산화 스트레스 수준의 변화를 관찰합니다. 본 연구는 NRG1/ErbB4 신호전달 경로가 MIRI에서 보호 효과를 발휘하는 분자 기전을 밝히고자 한다. 본 연구의 참신함은 심근 허혈-재관류 손상에서 NRG1/ErbB4 신호전달 경로의 중요성을 밝히고, 이 경로를 기반으로 한 심장질환 치료 전략에 대한 새로운 관점을 제공한다는 데 있다.

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프로토콜

실험 동물
생후 8주, 체중 180-200g의 성인 수컷 Sprague-Dawley(SD) 쥐 30마리를 상업 공급업체로부터 얻었습니다. 이 쥐들은 실험 전 1주일 동안 특정 병원균이 없는 조건에서 사육되었습니다. 실험은 난핑제1병원 윤리위원회(NO. NPSY202208010)의 승인을 받았습니다.

심근 허혈-재관류 손상의 동물 모델
쥐는 50mg/kg의 용량으로 3% 펜토바르비탈 나트륨을 복강내 주사하여 마취하였다. 반사 부재를 확인한 후 동물을 바로 누운 자세로 눕히고 목과 가슴 부위를 면도하고 75% 에탄올로 소독했습니다. 정중선 경추 절개(~2cm)를 하여 기관을 노출시킨 후 수술 중 기도 개통을 유지하기 위해 16G 카테터를 사용하여 구강 삽관을 시행하였다. 이어서 왼쪽 대흉근을 조심스럽게 해부하여 세 번째와 네 번째 늑간 공간을 노출시켰습니다. 이 공간 사이를 절개하여 개흉술을 시행하고 심낭을 열어 심장을 완전히 노출시켰습니다. 허혈을 유도하기 위해 좌전하행관상동맥(LAD)을 8-0 나일론 봉합사. 가역적 폐색을 가능하게 하기 위해 LAD와 결찰 사이에 폴리에틸렌 튜브(PE-10)를 삽입했습니다. 허혈은 45분 동안 유지되었으며, 심근 브랜칭 및 ECG 변화로 육안으로 확인되었습니다. 재관류는 결찰사를 풀어 3시간 동안 혈류를 재개함으로써 시작되었습니다. 결찰은 45분 후에 제거되었습니다.

실험적 그룹화
쥐는 무작위로 5개 그룹(각각 n = 6)으로 배정되었습니다. (1) 대조군: 쥐는 외과적 개입이나 치료 없이 표준 치료를 받았습니다. (2) 가짜 수술군: 쥐를 결찰 없이 좌전하행관상동맥(LAD)의 개흉술과 실을 꿰매어 수술적 대조군 역할을 하였다. (3) MIRI군: 쥐를 심근 허혈-재관류 손상 유도를 시행하고 비히클 대조군으로 생리 식염수를 위내로 투여하였다. (4) 재조합 NRG1군: 쥐에게 개흉술 30분 전에 재조합 인간 NRG1(rh-NRG1)을 5mg/kg 용량으로 정맥 주사한 후 MIRI 시술을 받았다. (5) AG1478군: 개흉술 30분 전에 쥐에게 ErbB 수용체 키나아제 억제제인 AG1478(20mg/kg)과 병용한 rh-NRG1(5mg/kg)을 정맥 투여한 후 MIRI 시술을 시행하였다.

효소 결합 면역흡착 분석법(ELISA)
동물은 펜토바르비탈 나트륨(150 mg/kg)의 복강 내 주사에 의해 안락사되었습니다. 심장 조직은 재관류 직후 수집되어 얼음처럼 차가운 PBS의 적절한 부피의 얼음 위에서 균질화되었습니다. 그런 다음 균질을 4°C에서 10분 동안 1200 x g 로 원심분리하여 상청액을 분리했습니다. 상청액 내 NRG1의 농도는 제조업체의 지침에 따라 시중에서 판매되는 NRG1 ELISA 키트를 사용하여 정량화되었습니다. 간단히 말해서, 샘플과 표준물질을 ELISA 플레이트 웰에 첨가하고, 권장 시간 동안 실온에서 배양한 후, 세척 및 검출 항체를 첨가하였다. 흡광도는 마이크로플레이트 리더를 사용하여 지정된 파장에서 측정되었고, NRG1 수준은 표준 곡선을 기반으로 계산되었습니다. 샘플 부피는 100μL, 항체의 희석액은 1:100, 흡광도 측정용 파장은 450nm로 설정하였다.

웨스턴 블롯 분석
마취된 쥐로부터 심장 조직을 절제하고 얼음처럼 차가운 PBS로 헹구어 잔류 혈액을 제거했습니다. 각 심장에 대해 약 0.5g의 좌심실 조직의 무게를 측정하고 새로 준비된 RIPA 용해 완충액 500μL에 넣었습니다. 그런 다음 조직을 완전히 용해될 때까지 기계식 조직 분쇄기를 사용하여 얼음 위에서 균질화한 다음 완전한 단백질 추출을 보장하기 위해 얼음 위에서 30분 동안 배양했습니다. 용해물을 4°C에서 15분 동안 12,000× g 에서 원심분리하여 파편을 제거했습니다. 단백질 농도는 BCA 분석 키트를 사용하여 결정되었습니다. 동일한 양의 총 단백질(예: 레인당 30μg)을 로드하고 SDS-PAGE에 의해 분리했습니다. 그런 다음 단백질을 100V에서 90분 동안 습식 전사 시스템을 사용하여 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 멤브레인으로 전사했습니다. 멤브레인은 실온에서 1시간 동안 0.1% Tween-20(TBST)이 함유된 Tris 완충 식염수에 5% 무지방 분유로 차단되었습니다. 그 후, 멤브레인을 인산화된 ErbB4(p-ErbB4) 및 총 ErbB4에 대한 1차 항체와 함께 4°C에서 밤새 배양했으며, 각각 1:1000으로 희석했습니다. 세척 후, 멤브레인을 양 고추냉이 과산화효소(HRP)-접합 2차 항체와 함께 실온에서 1시간 동안 배양했습니다. 단백질 밴드는 향상된 화학발광(ECL) 기질을 사용하여 시각화되고 겔 이미징 시스템을 사용하여 캡처되었습니다. 밴드 강도는 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 정량화되었고, 총 ErbB4에 대한 p-ErbB4의 비율을 계산하여 인산화 수준을 평가했습니다.

유세포 분석
심근세포 세포사멸은 유세포 분석법으로 평가되었습니다. 심장 조직을 잘게 다지고 콜라게나제 II형(1mg/mL)과 프로테아제(예: 트립신, 0.25%)의 혼합물을 사용하여 37°C에서 20-30분 동안 부드럽게 교반하여 효소적으로 소화했습니다. 효소 소화는 동일한 부피의 태아 소 혈청(FBS)을 첨가하여 종료되었습니다. 세포 현탁액을 70μm 나일론 메쉬를 통해 여과하고 4°C에서 5 분 동안 300×g에서 원심분리하여 세포를 수집했습니다. 세포 펠릿을 결합 완충액에 재현탁한 다음 제조업체의 프로토콜에 따라 Annexin V-FITC 및 요오드화 프로피듐(PI)과 함께 배양했습니다. 어두운 곳에서 실온에서 15분 동안 배양한 후 샘플을 즉시 유세포 분석법으로 분석했습니다. 초기 세포사멸 세포는 Annexin V 양성 및 PI 음성으로 확인된 반면, 후기 세포사멸 또는 괴사 세포는 두 마커 모두에 대해 양성이었습니다. 세포사멸률을 정량화하고 실험군 간에 비교했습니다. 게이팅 전략은 크로스 게이트/직사각형 게이트 설정을 채택합니다. 기계 내 감지를 수행할 때 교차 게이트를 점선으로 설정하고 모든 매개변수를 적용하여 데이터 스크리닝의 일관성을 보장했습니다. 유량은 세포 농도에 따라 조정되었으며(1000세포/s로 유지), 저속 시료 로딩으로 노즐 막힘을 방지할 수 있습니다.

활성 산소종(ROS) 수준 검출
심장 조직에서 심근 세포를 분리한 후 300× g 에서 5분 동안 원심분리하고 인산염 완충 식염수(PBS)로 2회 세척했습니다. 그런 다음 세포를 제조업체의 지침에 따라 10μM 2',7'-디클로로플루오레세인 디아세테이트(DCFDA) 염료와 함께 37°C에서 어두운 곳에서 30분 동안 배양했습니다. 염색 후, 세포를 PBS로 두 번 세척하여 과도한 결합되지 않은 염료를 제거하였다. 세포내 ROS 수치는 유세포 분석법으로 즉시 측정되어 DCFDA의 산화 시 방출되는 형광 강도를 검출했습니다. 각 샘플의 평균 형광 강도(MFI)는 실험군 간의 ROS 수준을 비교하기 위해 FlowJo 소프트웨어를 사용하여 정량화되었습니다. 게이팅 전략은 위에서 설명한 대로입니다(유세포 분석 섹션).

통계 분석
데이터 분석은 SPSS 소프트웨어를 사용하여 수행되었으며 평균 ± 표준 편차(SD)로 표시됩니다. Tukey's post hoc test를 이용한 일원 분산 분석을 수행하여 여러 그룹을 비교하였고, 쌍별 비교에는 Student's t-test를 사용하였다. 0.05< p-값은 통계적으로 유의한 것으로 간주되었습니다.

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결과

NRG1은 MIRI 유도 심근세포 세포사멸에 대한 보호 효과를 발휘합니다.
유세포 분석 분석은 대조군과 가짜 그룹 모두와 비교할 때 MIRI 그룹에서 세포사멸률이 눈에 띄게 증가한 것으로 나타났습니다(P < 0.05). 재조합 NRG1 및 AG1478 그룹 모두 MIRI 그룹에 비해 세포사멸률이 유의하게 감소했습니다(P < 0.05). 대조적으로, 재조합 NRG1 그룹은 AG1478 그룹에 비해 감소된 세포사멸률을 나타냈습니다(P < 0.05)(그림 1 및 표 1). 이러한 발견은 NRG1이 MIRI 유도 심근 세포 사멸에 대해 보호 효과를 발휘한다는 것을 나타냅니다.

NRG1은 MIRI에 의해 유발된 산화 스트레스를 완화합니다.
유세포 분석 결과 대조군과 가짜 그룹 모두에 비해 MIRI 그룹에서 심근 ROS ...

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토론

MIRI는 허혈성 심장 조직에 대한 관류의 재확립이 역설적으로 심근 손상을 강화할 수 있다는 점을 감안할 때 심혈관 질환 관리에 계속해서 심각한 장애물을 제기하고 있습니다. MIRI의 발생은 산화 스트레스, 칼슘 과부하, 염증 반응 및 미토콘드리아 기능 장애를 포함하는 다인성입니다 9,10.

세포외 리간드인 NRG1은 심근 세포 표면의 ErbB4 수용체에 결합하여 다운스트림 신호 전달 경로를 활성화합니다11,12. p-ErbB4는 수용체 활성화의 특징이며 PI3K/Akt 및 MEK/ERK를 포함한 여러 다운스트림 신호 전달 경로를 추가로 활성화할 수 있습니다. 생리학적 상태에서 NRG1과 ErbB4 사이의 상호 ...

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공개 사항

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

이 작업은 푸젠성 자연과학재단(보조금 번호.2024J011604,2023J011877)과 푸젠성 난로 위원회의 청소년 연구 프로젝트(보조금 번호.2019-9-25)의 지원을 받았습니다.

저자 기여:
Maozhi Huang은 연구 프로젝트의 구상과 설계를 주도하고, 실험 프로토콜을 계획 및 상세하게 설명하고, 주요 실험에 참여하고, 원고의 첫 번째 초안을 작성했습니다. Jianping Zheng은 디자인, 데이터 수집 및 원고 초안 작성을 포함한 전반적인 연구에 동등하게 기여했습니다. Xianlu Cheng은 연구 설계에 기여하고 샘플을 수집하며 데이터를 분석했습니다. Chaoqun You는 원고 작성 및 구조화를 도왔습니다. Ziguo Chen은 데이터를 확인하고 방법 및 재료 섹션을 개선하는 데 도움을 주었습니다. Ling Jiang은 연구 과정 전반에 걸쳐 학문적 통제와 지도를 제공했습니다. Shanghua Xu는 프로젝트의 전반적인 방향을 안내하고 자원을 조정하며 최종 원고를 검토 및 수정했습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
AG1478바이오랩 기술WD102925개입 약물 AG1478
Annexin V-FITC/PI 세포사멸 검출 키트메이룬MA0220유세포 분석 세포사멸
BCA 단백질 분석 키트메이룬바이오MA0082-2WB 단백질 정량
화학발광 이미징 시스템Bio-Rad (미국)케미독 터치웨스턴 블롯 이미징
시아메마진 염산염화무 동물 건강20220601동물 모델링용 마취제
ECL 검출 키트메이룬바이오MA0186-1WB 화학발광
ERbB4프로틴테크19943-1-APWB 1차 항체
유세포 분석기BDFACSCalibur유세포 분석 세포사멸 검출
GAPDH프로틴테크60004-1-IGWB 로딩 대조 항체
HRP 접합 염소 항마우스 IgG(H+L)프로틴테크SA00001-1면역조직화학
HRP 결합 염소 항토끼 IgG(H+L)프로틴테크SA00001-2면역조직화학
마이크로플레이트 리더열케이3ELISA 검출
PAGE 젤 준비 키트 15%메이룬바이오MA0384WB 전기영동
p-ERbB4선호도AF3445WB 1차 항체
사전 염색된 단백질 마커메이룬바이오MA0342WB 전기영동
쥐 뉴레굴린-1(NRG-1) ELISA 키트메이미안MM-61434R2ELISA 검출
활성 산소종(ROS) 분석 키트메이룬MA0219WB 분석
rhNRG1바이오랩 기술WD091127개입 약물 NRG1
RIPA 용해 완충액메이룬바이오  MA0151             웨스턴 블롯을 위한 단백질 추출
SDS-PAGE 로딩 버퍼(5x)비요타임P0015엘WB 전기영동
도데실 황산나트륨시그마151-21-3WB 전기영동
쑤타이 50Virbac (프랑스)8X22A동물 모델링용 마취제
수직 단백질 전기영동 시스템Bio-Rad (미국)파워 팩 200웨스턴 블롯 전기영동

참고문헌

  1. Prag, H. A., et al. Ischemia-selective cardioprotection by malonate for ischemia/reperfusion injury. Circ Res. 131 (6), 528-541 (2022).
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