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방법 논문

설치류에서 급성 폐 손상을 유도하기 위한 비침습적 기관내 지포폴리당(Lipopolysaccharide) 투여

771 조회수

DOI:

10.3791/68700

2025년 12월 5일

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

본 연구에서는 기본 후두경을 사용하여 쥐에서 ALI를 발달시키는 비침습적 기기관내 삽입 기법이 입증되어 LPS가 폐에 정밀히 전달되도록 합니다. LPS는 후두경을 이용한 기관내관 을 통해 주입됩니다. 폐 손상의 규모는 여러 시점에서 평가됩니다.

초록

급성 폐손상(ALI)은 동맥 저산소혈증, 폐포부종, 상피-내피 모세혈관 장벽 완전성 저하, 그리고 염증 세포가 폐 조직으로 침투되는 것이 특징이며, 종종 급성 호흡 곤란 증후군(ARDS)으로 진행되는 생명을 위협하는 염증 상태입니다. ALI 마우스 모델은 주로 지다당류(LPS)에 의해 유도되며, 폐 염증의 기전과 그 치료법을 이해하는 데 중요한 도구입니다. 직접 및 간접 설치류 폐 손상 모델은 생존율, 염증 해소 단계 기간, 수술 외상 및 감염 위험 측면에서 뚜렷한 장점과 한계를 제공합니다. 본 연구에서는 비침습적 기관내 삽입 기법을 사용하여 쥐에서 직접 ALI 모델을 개발하였습니다. 이 기술은 기본 후두경의 도움을 받아 기관내경을 통해 LPS 또는 검사 물질을 폐에 집중적으로 전달하도록 보장합니다. 시술은 쥐를 마취시키고 반누운 자세로 배치하는 것으로 시작됩니다. 그 후 LPS 용액은 쥐 기관내관에 부착된 주사기를 사용해 기관 입구 근처에 투여합니다. 실험 종료 시점에는 염증 지표와 폐 구조를 평가하기 위해 폐 또는 세척 샘플을 수집합니다. 이 기술은 속도, 특이성, 신뢰성 면에서 다른 모델보다 우수하며, 조직 손상을 최소화하고 사망 위험이 낮으며 부위 외부 염증이 거의 없도록 특정 표적을 제공합니다. 이 방법은 ALI, ARDS 및 아나필락시스나 심정지와 같은 관련 질환의 전임상 연구에서 특히 유용합니다. 비교하자면, 이 방법은 활력 내 현미경과 같은 첨단 영상 기술과 더 많이 통합되어 약물 분포와 질병 진행을 실시간으로 모니터링합니다.

서론

급성 폐 손상(ALI)은 동맥 저산소증, 폐부종, 손상된 내피-상피 장벽 완전성, 그리고 면역 세포가 폐로 대규모 침투하는 것이 특징인 생명을 위협하는 염증 질환입니다. ALI의 병태생리는 복잡하며, 응고, 조직 손상, 폐 및 전신 염증 등 여러 겹치고 상호작용하는 경로의 상호작용과 교란을 포함합니다. 이 염증 반응을 신속히 억제하는 것은 조직 항상성 회복에 매우 중요합니다. 치료하지 않으면 이 급증 진행 질환은 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)으로 자주 악화되며, 이는 불응성 저산소혈증으로 정의되는 더 심각한 상태입니다. ALI의 병인은 폐 손상과 폐포 상피세포 및 미세혈관 내피세포의 손상 또는 사멸과 관련이 있습니다 1,2,3,4.

ALI/ARDS의 원인은 직접적 및 간접적 폐손상 원인 모두에서 발생하는 다양한 감염성 및 비감염성 인체를 포함합니다5. 직접적인 원인으로는 폐렴6, 익사 직전7, 위 내용물 흡인8, 염소 가스 같은 독소 흡입9, 세균 감염10, SARS-CoV-211, 12, 13, 14와 같은 바이러스 감염이 있습니다. 간접적인 원인은 폐에 2차적으로 영향을 미치는 전신 과정에서 비롯되며, 여기에는 패혈증15, 외상16, 췌장염17, 약물 과다복용, 수혈18 등이 포함됩니다.

이 방법의 주요 목표는 내기관 내 내독소 투여 를 통해 설치류에서 ALI의 재현 가능하고 비침습적인 모델을 확립하는 것입니다. 이 기술을 개발한 이유는 기존 전달 방식의 한계에서 비롯됩니다. 이 기술은 폐포에 정밀하게 직접 전달하여 전신 노출을 최소화하고, 향후 표적 폐 치료에 유망한 접근법으로 삼기 위해 시연되었습니다. 비강 삽입은 여러 도전 과제를 제기하며, 그중 일부는 심부 폐 부위에 대한 부적절한 표적 조정이나 동물 간 호흡 변이성 등 연구 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다(19). 용량 제한이나 코 자극 가능성 같은 다른 요인들은 덜 중요하지만 일관성에 영향을 줄 수 있습니다. 이에 비해 기관내투여는 하기도에 더 정확하고 직접적인 전달을 제공하여 폐 표적과 투여 균일성을 보장하며 동물 간 변동성이 최소화되어, 폐 노출에 더 효과적이고 신뢰할 수 있게 만듭니다20. 흡입 경로는 비침습적 특성 때문에 임상적으로 중요하지만, 상기도 약물 손실과 원위 폐 부위 표적 효과 저하 등 전임상 연구에서 특정 한계와 연관되어 있습니다. 이러한 한계는 이중 타격 부상이나 노크인 또는 기절 마우스를 포함하는 유전자 변형 모델에서 더욱 두드러집니다. 반면, 기관내투여는 하기도로의 직접 약물 전달에 더 일관성을 보장하여 손실을 최소화하고 복잡한 전임상 모델에서 효과적인 표적화를 가능하게합니다. 전임상 연구에서 사용되는 또 다른 관련 투여 경로는 침습적 기관내 분만입니다. 효과적이긴 하지만, 수술 스트레스, 감염, 측정 변동,온도 유지 요구와 관련된 위험이 있습니다. 반면, 기관내기술법은 신뢰할 수 있는 비침습적 대안으로, 장기간 관찰 기간 동안 반복 평가가 필요한 연구에 이상적입니다.

이 방법은 ALI를 넘어 천식, 폐섬유증, 만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 폐렴, 감염성 폐질환 등 동물 모델에도 적용할 수 있습니다. 또한 아나필락시스, 심정지, 심장 부정맥과 같은 전임상 연구 분야에서도 관련이 있습니다. 특히, 기관내법은 긴급성과 임상 상황에 따라 특정 약물 투여에 임상 실무에서 이미 확립되어 있습니다23, 24, 25.

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프로토콜

동물 관리와 사용에 관한 모든 기관 및 CPCSEA 지침을 준수했습니다. 동물들은 수술 후 지속적으로 모니터링되어 복지를 확인하고 CSIR-인도통합의학연구소(잠무)의 동물윤리 지침을 준수하도록 했으며, IAEC 승인 번호: 468/87/8/2025. 이 프로토콜은 이전에 입증된 것처럼 직접 시각 전달법을 이용한 비침습적 기관내 지다당류(LPS) 주입법을 개괄하며,본 연구에서 일부 방법론적 개선이 도입되었습니다. 이 기술은 ALI를 통제되고 일관된 방식으로 유도하도록 최적화되어 있으며, 높은 수준의 동물 관리 품질을 유지하면서 견고한 실험 결과를 보장합니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 마취 및 LPS 준비

  1. 동물 무게 측정 및 LPS 용량 계산
    1. 각 동물을 보정된 저울을 사용해 정확한 LPS 용량을 계산하세요. 연구를 위해 140-160g 사이의 위스타 쥐를 선별합니다.
    2. LPS 용액은 동식품화된 대장균 LPS를 멸균 인산염 완충식염수(PBS)에 희석하여 원하는 농도를 얻습니다. 신선하게 제조된 LPS 용액(5 μg/g 체중)29,30이 사용됩니다.
  2. 마취 유도와 임계 타이밍
    1. 신선하게 준비된 케타민-자일라진 혼합물(케타민: 75 mg/kg, 자일라진: 10 mg/kg)을 1 mL 주사기로 복 막 내 주 사하여 마취합니다. 주사 후에는 마취가 효과를 발휘할 때까지 약 2-5분간 두세요. 동물을 방해하지 않으세요.
    2. 자발적인 움직임과 발가락 꼬집는 반사가 없는지 확인하여 적절한 마취를 확인하세요. LPS 는 마 취 유도 후 5-8분 후에 기관내 삽입으로 투여됩니다. 실험 종료 당일에는 마취 유도 4-7분 후 기관절개술 및 흉강 절개 수술을 시행하세요.
      참고: 적절한 마취 깊이는 성공적인 기관내 주입에 매우 중요합니다. 과도한 마취는 구역 반사를 억제할 수 있으며, 마취 부족은 시술 중 고통이나 움직임을 유발할 수 있습니다. 실험 간 일관성을 유지하려면 갓 준비한 LPS를 사용하세요. 시술 중과 후에 동물들을 면밀히 관찰하여 적절한 복지를 확보하세요.

2. 기관내 LPS 삽입

  1. 마취 적절성 평가: 마취 혼합 후 부드럽게 발을 꼬집어 마취 깊이를 평가합니다. 마취 상태가 확인되면 주입 프로토콜을 진행하세요. 쥐를 반쯤 누운 자세로 고정하고, 앞니로 단단한 지지대 위에 매달아 놓습니다.
  2. 기관 시각화: 마취된 동물의 입을 벌리고 겸자로 혀를 부드럽게 잡은 뒤, 후두경을 조심스럽게 삽입하여 기관 개구부를 최적 시각화할 수 있도록 정확히 정렬합니다. 빛이 후두 부위를 적절히 비추도록 하여 장애물 없이 접근할 수 있도록 하세요.
  3. 혀 조작: 굽고 둔한 꼬자를 사용해 혀를 섬세하게 잡고 위쪽과 옆쪽으로 부드럽게 당깁니다.
    참고: 후두 해부학의 선명도를 높이고 삽입 장치의 정밀한 정렬을 위해 휴대용 확대경을 활용하세요.
  4. LPS 투여: 주사기에 LPS 용액 100 μL을 흡입하여 16G 쥐 기관내관에 연결합니다; 기관 입구 근처에 LPS 용액을 투여하세요. 삽입 직후에는 둔탁한 겸자를 사용해 2-4초 동안 부드럽게 콧구멍을 막아 LPS 용액이 기관을 통해 폐로 흡인되도록 유도합니다. 광원이 설치된 후두경을 사용해 분만을 지속적으로 모니터링하여 정확하고 완전한 투여를 확인하세요.
  5. 시술 후 모니터링: LPS 시술이 성공적으로 끝난 후 혀를 정상적인 해부학적 방향으로 조심스럽게 재배치하세요. 동물을 우리로 옮기고 최소 1분간 호흡기 저하나 질식 징후가 있는지 면밀히 관찰하세요.
  6. 주요 고려사항
    1. 시력 향상: 정확한 LPS 전달을 위해 후두경의 최적의 정렬을 보장합니다. 확대 도구를 사용해 정밀도와 효율성을 높이세요.
    2. 혀를 조심스럽게 잡고 아래턱이나 입 가장자리에 대어 안정시키세요.

3. 샘플 채취

  1. 이전 연구에서 설명한 대로 기관지 폐조 세척(BAL)을 수행하되, 약간의 수정을 포함합니다 31,32,33. 기관절개술 후에는 폐에 2mL의 차가운 PBS를 부드럽게 주입하고 체액을 채취하세요.
  2. 5000 x g 높이에서 4°C에서 5분간 원심분리하여 세척액을 사용하고, 상정액을 사용해 염증 표지자를 검출합니다. 폐를 채취하여 조직병리학적 검사를 하거나 마이엘로퍼옥시다제(MPO) 활성을 균질화합니다. 샘플 완전성을 유지하기 위해 채취 과정 중에는 샘플을 얼음 위에 보관하세요.

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결과

이 모델은 LPS 주입 후 24시간 및 120시간 시점에 IL-1β 수치, MPO 활성, 총 단백질 함량, 조직병리학적 특성 등 염증 지표를 측정하여 검증되었습니다. 연구에는 세 개의 실험군이 포함되었는데, 대조군(치료받지 않음)과 LPS 주입을 받은 두 그룹이 포함되었으며, 한 그룹은 24시간에 안락사, 다른 그룹은 120시간에 안락사(기관에서 승인된 프로토콜에 따라)를 수행했습니다.

대조군과 비교했을 때, 24시간에 안락사된 LPS 노출군은 IL-1β 수치가 유의미하게 증가하고 MPO 활성과 총 단백질 함량도 증가했습니다(그림 1A-C). 폐 조직병리학 결과 폐포 구조 붕괴, 폐포벽 부종, 용혈, 심한 호중구 침윤(그림 2)이 나타났으며, LPS 삽입...

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토론

기관내 주입법은 비침습적이고 재현 가능하며 표적화된 폐 투여 방식을 제공하여 외과적 개입을 효과적으로 우회합니다. 이 방법은 조직 손상과 같은 수술 외상 위험을 크게 줄이고, 침습적 시술로 인한 수술 후 감염과 의도치 않은 장기 손상 가능성을 최소화합니다. 기관내적 경로를 통해 약제를 폐에 직접 전달함으로써 정밀한 국소 치료를 보장하고, 치료 효능을 높이면서도 유리한 안전성 프로필을 유지합니다. 이로 인해 실험 모델에서 기관내 삽입과 같은 침습적 방법보다 더 유리하고 신뢰할 수 있는 대안이 됩니다.

본 연구에서는 LPS(5 μg/g 체중)를 기관내관을 통해 비침습적 경로로 폐에 전달하여 폐엽에서 유의미한 염증 반응을 유발하여 ALI에 대한 신뢰할 수 있는 모델을 확립하였습니다. 쥐들은 케타민-자일라진 혼합물로 마취를 받았습니다. 쥐 기관내관을 사용해 기관을 통해 폐로 LPS를 전달했으며, 빛이 있는 후두...

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공개 사항

저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.

감사의 글

교신저자인 SR은 라말링가스와미 펠로우십(참조번호)의 재정 지원을 감사드립니다. BT/RLF/재진입/2019년 13일), 인도 정부 생명공학부. 저자들은 고빈드 야다브 박사, 라마자얀 판디안 박사, 그리고 CSIR-IIIM 동물 사육관 직원들에게 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
그리고 nbsp; 프리즘 8그래프패드https://www.graphpad.com/features
브래드포드 리시약 히메디아, 인도ML106-500 ML  그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp;
DL-디티오트레이톨히메디아, 인도  RM525-25G
에오신 로바 케미, 인도3660
에틸렌 디아민 테트라 아세트산 (EDTA)로바 케미, 인도6381926
핀셋 -
포르말린 10%  시그마 올드리치, 미국;HT501320
헤마톡실린SDFCL74108G05
젠장히메디아, 인도MB016
과산화수소   그리고 nbsp;아브라, 인도7722841
케타민 네온 연구소, 인도
후두경메디컬 소스(유한회사, 중국) 및 nbsp;MS-LA500FV 
대장균 O55:B5 에서 얻은 지폴리다당; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp;시그마 올드리치, 미국L2880  그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp;
o-디아니시딘 디하이드로클로라이드;시그마 올드리치, 미국D3252-5G 
인산 완충 식염수(PBS) 인비트로젠, 미국3002
이수소 정인산 칼륨히메디아, 인도IN26185530500
단백질 억제제 칵테일시그마 올드리치P8340
쥐 IL-1&베타; 엘리사 키트 서모피셔, 미국BMS630
염화나트륨히메디아, 인도TC046M
불화나트륨히메디아, 인도GRM7502
정박나트륨 정박상염시그마 올드리치, 미국S6508
피로인산나트륨머크, 미국MA3M722243
황산시그마 올드리치, 미국339741
트리톤 X-100서모피셔, 미국T8787
자일라진 인도 면역학 주식회사, 인도-

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