포름알데히드 노출에 의한 regulatory T cell 매개 면역억제 작용과 관련 기전에 대한 연구 Formaldehyde exposure induces regulatory T cell-mediated immunosuppression via calcineurin-NFAT signaling pathway원문보기
현대인 하루 평균 21.6 시간이라는 대부분의 시간을 실내에서 생활한다. 미국 환경청(EPA) 보고서에 따르면 실내 공기오염으로 인해 피해는 실외의 10배 이상이며 최근 미세먼지로 인한 환기가 잘 안이루어지고 있음을 고려할 때 실내 공기오염의 정도는 더욱 심각해지고 있다. 실제 ...
현대인 하루 평균 21.6 시간이라는 대부분의 시간을 실내에서 생활한다. 미국 환경청(EPA) 보고서에 따르면 실내 공기오염으로 인해 피해는 실외의 10배 이상이며 최근 미세먼지로 인한 환기가 잘 안이루어지고 있음을 고려할 때 실내 공기오염의 정도는 더욱 심각해지고 있다. 실제 세계보건기구(WHO) 보고서에 따르면 전 세계에서 실내 공기오염에 의한 사망자는 430만명으로 공기오염 사망자의 절반 이상을 차지하고 있다. 포름알데히드는 실내 공기 오염물질 중 대표적인 물질이며 내장제, 플라스틱, 의약품과 같은 일상생활 속 다양한 제품에서 방출된다. 특히 포름알데히드는 콘크리트, 가구, 벽지 등에서 많은 양이 방출되며 흡입과 피부 접촉을 통해 인체에 지속적으로 노출된다. 미국 환경청에 따르면 포름알데히드 흡입에 의한 인체 유해성으로는 1)감각 자극 2) 기도 염증 3) 폐기능 감소 4) 천식과 아토피 유도 5) 면역 기능 이상 6) 신경 및 행동학적 독성 7) 발달 및 생식 독성이 보고되어 있다. 또한, 포름알데히드 노출과 다양한 질병과의 관련성에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 최근에는 특히 T 세포을 매개로 한 면역 시스템에 포름알데히드가 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실내 포름알데히드 노출은 어린아이들에서 천식과 아토피 발병의 위험성을 증가시키며 설치류 모델에서 포름알데히드 노출은 T 세포와 관련된 cytokine, protein 등 관련 지표들을 증가시킨다고 보고되고 있다. 또한 포름알데히드의 노출 농도, 노출 시기, 노출 기간 및 실험 모델에 따라 면역 반응에 대표적인 세포들인 T 세포와 B 세포 분화에 다양한 영향을 일으킨다고 보고되고 있으며 포름알데히드와 helper T 세포 관련 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 포름알데히드로 유도된 면역 반응 조절에서의 regulatory T 세포의 역할과 그 영향에 대한 연구결과는 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 포름알데히드 노출이 regulatory T cell을 매개로 하여 면역 반응에 미치는 영향과 관련 기전을 알아보고자 하였다. 여러 국제기관의 포름알데히드 가이드라인과 OECD SIDS Initial Assessment Report for SIAM 14: Formaldehyde (Mice NOAEC: 2.46 mg/m3, LOAEC: 5.04 mg/m3)를 참고하여 1.38 mg/m3 과 5.36 mg/m3를 노출 농도로 설정하고, 하루 4시간씩 10일간 반복전신노출을 실시하였다. 이에 따른 면역시스템의 영향을 보고자 helper T cell의 분화에 관여하는 cytokine의 단백 발현과 mRNA 발현, helper T cell 과 regulatory T cell의 분포 및 관련 유도 기전을 조사하였다. 기존문헌에서 보고된 바와 같이 본 실험조건에서도 5.36 mg/m3 포름알데이히드 노출에 의해 대조군 대비 유의적인 체중 감소가 관찰되었으며, 1.38 mg/m3 노출군에서는 유의적인 체중 변화가 관찰되지 않았다. 포름알데히드 노출이 폐에 미치는 영향을 알아보기 위해 부검 후 얻은 폐 시료를 이용하여 Hematoxylin and eosin (H&E) 염색을 통한 폐 조직의 병리조직학적검사 실시하였으며 그 결과, 5.36 mg/m3 포름알데히드 노출군에서 미미한 국소적 염증세포 침윤이 관찰되었다. 하지만 기관지세척액의 총 백혈구 수 및 백혈구 감별검사에서는 유의적인 변화가 관찰되지 않았다. 이 결과는 본 연구에서 사용된 포름알데히드 노출 조건에서는 일부 개체의 폐 조직에 미미한 염증 반응만 유도할 뿐 직접적인 폐 손상은 유발하지 않는다는 점을 시사한다. 그럼에도 불구하고 다양한 문헌에서 포름알데히드에 의한 폐 손상과 면역 관련 질환을 유발할 수 있다는 보고가 있으므로 폐에 직접적인 영향을 미치지 않는 포름알데히드 노출조건에서 대표적인 면역 장기 중 하나인 비장에서의 면역학적 변화를 조사하였다. 비장은 후천성 면역 반응이 시작하는 림프 조직 기관으로 helper T 세포의 활성화와 effector T 세포(Th1과 Th2 및 Th17)와 regulatory T 세포로 분화가 이루어지는 면역장기이다. 이러한 분화는 관련 cytokine과 mRNA 발현과 함께 조절된다고 보고된 바 있으며 포름알데히드 노출이 helper T 세포의 분화에 미치는 영향을 알아보고자 관련 cytokine의 단백 발현과 mRNA 발현 정도를 비교 분석하였다. Th2 (IL-4과 IL-5 및 IL-13), Th1 (INF-γ), Th17 (IL-17A과 IL-22)의 발현 분석은 Multiplex Luminex System을 이용하였으며, mRNA 발현 분석은 qRT-PCR을 이용하였다 그 결과, 포름알데히드 노출에 의해 비장에서의 effector T 세포 관련 cytokine 단백 발현 모두 대조군 대비 농도의존적으로 감소하였으며, 특히 5.36 mg/m3 노출군에서 유의적인 감소가 관찰되었다. 이들 cytokine의 mRNA 발현 또한 포름알데히드 노출에 의해 감소함을 확인하였다. 그러므로 포름알데히드 노출은 effector T 세포의 활동을 억제시켜 그 결과 T 세포의 cytokine 분비와 mRNA 발현에 감소를 일으킬 수 있음을 짐작할 수 있다. Regulatory T 세포는 effector T 세포를 조절하며 면역시스템의 항상성을 유지시켜 만성 염증 그리고 자가면역질환으로부터 몸을 보호해주는 중요한 역할을 한다. 하지만 과발현된 regulatory T 세포는 면역억제현상을 유도하며 그 결과 기회 감염과 암 등의 질환 발병률을 증가시킬 수 있다고 보고되어 있다. 앞서 확인했던 포름알데히드 노출에 의한 cytokine 분비와 mRNA 발현 감소가 regulatory T 세포와 관련 있는지 확인하기 위해 Flow cytometry 기법으로 helper T 세포와 regulatory T 세포의 분포를 측정하였으며 Western blot 기법을 통해 관련 기전을 분석하였다. 그 결과, 포름알데히드 노출에 의해 비장에서의 regulatory T 세포의 분포가 대조군 대비 농도의존적으로 증가하였으며 특히 5.36 mg/m3 노출군에서 약 20%의 유의적인 증가가 관찰되었다. 그에 반해서 helper T 세포의 유의적인 변화가 관찰되지 않았다. Regulatory T 세포 관련 대표적인 유도기전으로 T cell receptor (TCR) signaling pathway가 있으며 최근 연구에 따르면 calcineurin- NFAT가 관련된 TCR signaling pathway가 regulatory T 세포의 발현, 유지, 억제 기능에 중요한 역할을 한다고 보고되고 있다. NFAT는 활성화된 Calcinuerin에 의해 탈인산화반응이 일어나 핵 속으로 이동하게 된다. 이후 NFAT 매개 유전자의 전사가 이루어진다. NFAT1 단백 발현이 regulatory T 세포의 대표 전사 인자인 Forkhead box P3(Foxp3)의 발현 증가와 effector T cell 억제 작용에 중요한 역할을 한다. 반대로 NFAT2 단백 발현은 effector T 세포의 증식과 관련 cytokine 분비에 중요한 역할을 한다. Western blot 기법을 통해 Calcinuerin과 NFAT1 및 NFAT2의 단백 발현을 비교 분석을 하였으며 그 결과 포름알데히드 노출에 의해 calcineurin과 NFAT1 단백 발현이 대조군 대비 농도의존적으로 증가하였으며, 5.36 mg/m3 노출군에서 유의적인 증가가 관찰되었다. 반면에 NFAT2의 단백 발현은 대조군 대비 다소 감소하는 경향이 관찰되었다. 포름알데히드 노출이 NFAT 1과 2의 발현을 다르게 조절하여 calcineurin-NFAT signaling 활성화를 유도 시키며, 이에 따라 regulatory T 세포가 증가되어 effector T 세포의 활동이 억제됨을 짐작할 수 있다. 본 연구결과를 종합하면, 포름알데히드 노출은 calcineurin- NFAT signaling을 통해 regulatory T 세포 분포를 증가시킴으로써 effector T 세포의 활동을 억제시키고 그 결과 면역억제 환경을 조성할 가능성이 있음을 시사한다. 포름알데히드로 유도된 면역억제 현상에 의해 다양한 화학물질에 대한 민감도나 기회 감염 또는 암과 같은 질병에 대한 감수성이 증가될 수 있을 것으로 사료된다.
현대인 하루 평균 21.6 시간이라는 대부분의 시간을 실내에서 생활한다. 미국 환경청(EPA) 보고서에 따르면 실내 공기오염으로 인해 피해는 실외의 10배 이상이며 최근 미세먼지로 인한 환기가 잘 안이루어지고 있음을 고려할 때 실내 공기오염의 정도는 더욱 심각해지고 있다. 실제 세계보건기구(WHO) 보고서에 따르면 전 세계에서 실내 공기오염에 의한 사망자는 430만명으로 공기오염 사망자의 절반 이상을 차지하고 있다. 포름알데히드는 실내 공기 오염물질 중 대표적인 물질이며 내장제, 플라스틱, 의약품과 같은 일상생활 속 다양한 제품에서 방출된다. 특히 포름알데히드는 콘크리트, 가구, 벽지 등에서 많은 양이 방출되며 흡입과 피부 접촉을 통해 인체에 지속적으로 노출된다. 미국 환경청에 따르면 포름알데히드 흡입에 의한 인체 유해성으로는 1)감각 자극 2) 기도 염증 3) 폐기능 감소 4) 천식과 아토피 유도 5) 면역 기능 이상 6) 신경 및 행동학적 독성 7) 발달 및 생식 독성이 보고되어 있다. 또한, 포름알데히드 노출과 다양한 질병과의 관련성에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 최근에는 특히 T 세포을 매개로 한 면역 시스템에 포름알데히드가 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실내 포름알데히드 노출은 어린아이들에서 천식과 아토피 발병의 위험성을 증가시키며 설치류 모델에서 포름알데히드 노출은 T 세포와 관련된 cytokine, protein 등 관련 지표들을 증가시킨다고 보고되고 있다. 또한 포름알데히드의 노출 농도, 노출 시기, 노출 기간 및 실험 모델에 따라 면역 반응에 대표적인 세포들인 T 세포와 B 세포 분화에 다양한 영향을 일으킨다고 보고되고 있으며 포름알데히드와 helper T 세포 관련 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 포름알데히드로 유도된 면역 반응 조절에서의 regulatory T 세포의 역할과 그 영향에 대한 연구결과는 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 포름알데히드 노출이 regulatory T cell을 매개로 하여 면역 반응에 미치는 영향과 관련 기전을 알아보고자 하였다. 여러 국제기관의 포름알데히드 가이드라인과 OECD SIDS Initial Assessment Report for SIAM 14: Formaldehyde (Mice NOAEC: 2.46 mg/m3, LOAEC: 5.04 mg/m3)를 참고하여 1.38 mg/m3 과 5.36 mg/m3를 노출 농도로 설정하고, 하루 4시간씩 10일간 반복전신노출을 실시하였다. 이에 따른 면역시스템의 영향을 보고자 helper T cell의 분화에 관여하는 cytokine의 단백 발현과 mRNA 발현, helper T cell 과 regulatory T cell의 분포 및 관련 유도 기전을 조사하였다. 기존문헌에서 보고된 바와 같이 본 실험조건에서도 5.36 mg/m3 포름알데이히드 노출에 의해 대조군 대비 유의적인 체중 감소가 관찰되었으며, 1.38 mg/m3 노출군에서는 유의적인 체중 변화가 관찰되지 않았다. 포름알데히드 노출이 폐에 미치는 영향을 알아보기 위해 부검 후 얻은 폐 시료를 이용하여 Hematoxylin and eosin (H&E) 염색을 통한 폐 조직의 병리조직학적검사 실시하였으며 그 결과, 5.36 mg/m3 포름알데히드 노출군에서 미미한 국소적 염증세포 침윤이 관찰되었다. 하지만 기관지세척액의 총 백혈구 수 및 백혈구 감별검사에서는 유의적인 변화가 관찰되지 않았다. 이 결과는 본 연구에서 사용된 포름알데히드 노출 조건에서는 일부 개체의 폐 조직에 미미한 염증 반응만 유도할 뿐 직접적인 폐 손상은 유발하지 않는다는 점을 시사한다. 그럼에도 불구하고 다양한 문헌에서 포름알데히드에 의한 폐 손상과 면역 관련 질환을 유발할 수 있다는 보고가 있으므로 폐에 직접적인 영향을 미치지 않는 포름알데히드 노출조건에서 대표적인 면역 장기 중 하나인 비장에서의 면역학적 변화를 조사하였다. 비장은 후천성 면역 반응이 시작하는 림프 조직 기관으로 helper T 세포의 활성화와 effector T 세포(Th1과 Th2 및 Th17)와 regulatory T 세포로 분화가 이루어지는 면역장기이다. 이러한 분화는 관련 cytokine과 mRNA 발현과 함께 조절된다고 보고된 바 있으며 포름알데히드 노출이 helper T 세포의 분화에 미치는 영향을 알아보고자 관련 cytokine의 단백 발현과 mRNA 발현 정도를 비교 분석하였다. Th2 (IL-4과 IL-5 및 IL-13), Th1 (INF-γ), Th17 (IL-17A과 IL-22)의 발현 분석은 Multiplex Luminex System을 이용하였으며, mRNA 발현 분석은 qRT-PCR을 이용하였다 그 결과, 포름알데히드 노출에 의해 비장에서의 effector T 세포 관련 cytokine 단백 발현 모두 대조군 대비 농도의존적으로 감소하였으며, 특히 5.36 mg/m3 노출군에서 유의적인 감소가 관찰되었다. 이들 cytokine의 mRNA 발현 또한 포름알데히드 노출에 의해 감소함을 확인하였다. 그러므로 포름알데히드 노출은 effector T 세포의 활동을 억제시켜 그 결과 T 세포의 cytokine 분비와 mRNA 발현에 감소를 일으킬 수 있음을 짐작할 수 있다. Regulatory T 세포는 effector T 세포를 조절하며 면역시스템의 항상성을 유지시켜 만성 염증 그리고 자가면역질환으로부터 몸을 보호해주는 중요한 역할을 한다. 하지만 과발현된 regulatory T 세포는 면역억제현상을 유도하며 그 결과 기회 감염과 암 등의 질환 발병률을 증가시킬 수 있다고 보고되어 있다. 앞서 확인했던 포름알데히드 노출에 의한 cytokine 분비와 mRNA 발현 감소가 regulatory T 세포와 관련 있는지 확인하기 위해 Flow cytometry 기법으로 helper T 세포와 regulatory T 세포의 분포를 측정하였으며 Western blot 기법을 통해 관련 기전을 분석하였다. 그 결과, 포름알데히드 노출에 의해 비장에서의 regulatory T 세포의 분포가 대조군 대비 농도의존적으로 증가하였으며 특히 5.36 mg/m3 노출군에서 약 20%의 유의적인 증가가 관찰되었다. 그에 반해서 helper T 세포의 유의적인 변화가 관찰되지 않았다. Regulatory T 세포 관련 대표적인 유도기전으로 T cell receptor (TCR) signaling pathway가 있으며 최근 연구에 따르면 calcineurin- NFAT가 관련된 TCR signaling pathway가 regulatory T 세포의 발현, 유지, 억제 기능에 중요한 역할을 한다고 보고되고 있다. NFAT는 활성화된 Calcinuerin에 의해 탈인산화반응이 일어나 핵 속으로 이동하게 된다. 이후 NFAT 매개 유전자의 전사가 이루어진다. NFAT1 단백 발현이 regulatory T 세포의 대표 전사 인자인 Forkhead box P3(Foxp3)의 발현 증가와 effector T cell 억제 작용에 중요한 역할을 한다. 반대로 NFAT2 단백 발현은 effector T 세포의 증식과 관련 cytokine 분비에 중요한 역할을 한다. Western blot 기법을 통해 Calcinuerin과 NFAT1 및 NFAT2의 단백 발현을 비교 분석을 하였으며 그 결과 포름알데히드 노출에 의해 calcineurin과 NFAT1 단백 발현이 대조군 대비 농도의존적으로 증가하였으며, 5.36 mg/m3 노출군에서 유의적인 증가가 관찰되었다. 반면에 NFAT2의 단백 발현은 대조군 대비 다소 감소하는 경향이 관찰되었다. 포름알데히드 노출이 NFAT 1과 2의 발현을 다르게 조절하여 calcineurin-NFAT signaling 활성화를 유도 시키며, 이에 따라 regulatory T 세포가 증가되어 effector T 세포의 활동이 억제됨을 짐작할 수 있다. 본 연구결과를 종합하면, 포름알데히드 노출은 calcineurin- NFAT signaling을 통해 regulatory T 세포 분포를 증가시킴으로써 effector T 세포의 활동을 억제시키고 그 결과 면역억제 환경을 조성할 가능성이 있음을 시사한다. 포름알데히드로 유도된 면역억제 현상에 의해 다양한 화학물질에 대한 민감도나 기회 감염 또는 암과 같은 질병에 대한 감수성이 증가될 수 있을 것으로 사료된다.
Formaldehyde (FA), a volatile organic compound emitted from homes and buildings, is a toxic indoor air pollutant that induces adverse health effects. Recently, human and animal studies have reported a relationship between FA exposure and helper T cell properties. However, the role of regulatory T ce...
Formaldehyde (FA), a volatile organic compound emitted from homes and buildings, is a toxic indoor air pollutant that induces adverse health effects. Recently, human and animal studies have reported a relationship between FA exposure and helper T cell properties. However, the role of regulatory T cell in immune modulation induced by FA remains poorly understood. Accordingly, we investigated the effects of FA exposure on splenic immune responses which helper T cells become activated and differentiate into effector T cells and regulatory T cells. BALB/c mice were exposed to two concentrations (1.38 mg/m3 and 5.36 mg/m3) of FA for 4 h/day and 5 days/week over a 2-week period. FA-induced immune responses were examined by the production of cytokines, expression of mRNAs, and distributions of helper T cells and regulatory T cells. In addition, regulatory T cell-related signaling proteins, such as calcineurin, NFAT1, and NFAT2, were evaluated. We observed that mouse body weights were significantly lower in the 5.36 mg/m3 FA exposure group than in the control group. FA exposure suppressed the production of all splenic cytokines in a dose-dependent manner. Decreased mRNA expression levels in FA-exposed mice were correlated with the decreased cytokine production and the mRNA expression levels of IL-5 and IL-17A were significantly lower than those in the control group. The populations of regulatory T cells (CD4+ CD25+ Foxp3+) increased significantly in a dose-dependent manner. Furthermore, protein expression levels of calcineurin and NFAT1, which are related to regulatory T cell development, were significantly higher in 5.36 mg/m3 FA exposure group than in the control group. Taken together, our results indicated that FA exposure increases the number of regulatory T cells via calcineurin-NFAT signaling, thus leading to suppress effector T cell activity with decrease T cell-related cytokine secretion and mRNA expression. These findings provide insight into the mechanisms underlying the adverse effects of FA and accordingly have general implications for human health, particularly in occupational settings.
Formaldehyde (FA), a volatile organic compound emitted from homes and buildings, is a toxic indoor air pollutant that induces adverse health effects. Recently, human and animal studies have reported a relationship between FA exposure and helper T cell properties. However, the role of regulatory T cell in immune modulation induced by FA remains poorly understood. Accordingly, we investigated the effects of FA exposure on splenic immune responses which helper T cells become activated and differentiate into effector T cells and regulatory T cells. BALB/c mice were exposed to two concentrations (1.38 mg/m3 and 5.36 mg/m3) of FA for 4 h/day and 5 days/week over a 2-week period. FA-induced immune responses were examined by the production of cytokines, expression of mRNAs, and distributions of helper T cells and regulatory T cells. In addition, regulatory T cell-related signaling proteins, such as calcineurin, NFAT1, and NFAT2, were evaluated. We observed that mouse body weights were significantly lower in the 5.36 mg/m3 FA exposure group than in the control group. FA exposure suppressed the production of all splenic cytokines in a dose-dependent manner. Decreased mRNA expression levels in FA-exposed mice were correlated with the decreased cytokine production and the mRNA expression levels of IL-5 and IL-17A were significantly lower than those in the control group. The populations of regulatory T cells (CD4+ CD25+ Foxp3+) increased significantly in a dose-dependent manner. Furthermore, protein expression levels of calcineurin and NFAT1, which are related to regulatory T cell development, were significantly higher in 5.36 mg/m3 FA exposure group than in the control group. Taken together, our results indicated that FA exposure increases the number of regulatory T cells via calcineurin-NFAT signaling, thus leading to suppress effector T cell activity with decrease T cell-related cytokine secretion and mRNA expression. These findings provide insight into the mechanisms underlying the adverse effects of FA and accordingly have general implications for human health, particularly in occupational settings.
주제어
#Formaldehyde helper T cell regulatory T cell calcineurin-NFAT signaling pathway immunosuppression
학위논문 정보
저자
박정식
학위수여기관
과학기술연합대학원대학교
학위구분
국내석사
학과
인체및환경독성학(HumanandEnvironmentalToxicology)
지도교수
이규홍
발행연도
2019
키워드
Formaldehyde helper T cell regulatory T cell calcineurin-NFAT signaling pathway immunosuppression
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