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Kafe 바로가기주관연구기관 | 경상대학교 GyeongSang National University |
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연구책임자 | 장기철 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2013-03 |
과제시작연도 | 2012 |
주관부처 | 교육과학기술부 |
연구관리전문기관 | 한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 | TRKO201300034890 |
과제고유번호 | 1345172450 |
DB 구축일자 | 2013-12-21 |
키워드 | 면역반응:항 염작용:콜린성 항염작용:대식세포:패혈증:일산화탄소:7-알파 니코틴수용체:햄옥시게나제:신호전달immune response,anti-inflammation,cholinergic,macrophages,sepsis,heme oxygenase,a7 nicotinic receptor,signal transduction,MAPK |
연구의 목적 및 내용
2000년도에 들어서면서 CNS를 통한 염증과 면역에 대한 연구가 활발하게 진행되면서 cholinergic nerve 자극에 의한 항염작용이 있음이 알려졌다. 즉, a7nicotinic acetylcholine recetor (a7nAChR)를 통해 NF-kB가 억제되어 항염작용을 나타내는데 이를 처음 발견한 Tracey group에서 이러한 기전을 “cholinergic anti-inflammatory pathway (CAP)"라고 명명하였다. 본인은 이 CAP의 target 단백으로 heme oxyge
연구의 목적 및 내용
2000년도에 들어서면서 CNS를 통한 염증과 면역에 대한 연구가 활발하게 진행되면서 cholinergic nerve 자극에 의한 항염작용이 있음이 알려졌다. 즉, a7nicotinic acetylcholine recetor (a7nAChR)를 통해 NF-kB가 억제되어 항염작용을 나타내는데 이를 처음 발견한 Tracey group에서 이러한 기전을 “cholinergic anti-inflammatory pathway (CAP)"라고 명명하였다. 본인은 이 CAP의 target 단백으로 heme oxygenase (HO)-1일 가능성에 대한 가설을 세우고 a7nAChR의 agonist인 nicotine을 사용하여 전신성염증반응인 패혈증 모델에서 nicotine은 HO-1을 유도하여 항염작용을 나타내는지에 대한 연구를 수행하고자하였다. 따라서 1) 면역세포인 RAW264.7 cell에서 nicotine에 의한 HO-1의 발현 기전 확립, 2) 이에 대한 back-up 실험으로 nicotine에 의한 HO-1발현에 si-a7nAChR mRNA transfection, 3) HO-1 KO 동물등을 사용하여 본인의 가설을 입증하고자 하였으며 특히 패혈증에서 중요한 late phase cytokine인 high mobility group box-1 (HMGB1)의 억제를 통한 HO-1의 역할에 초점을 맞추었다.
연구결과
연구결과는 본인의 가설대로 nicotine은 CAP을 나타냄에 있어서 a7nAChR를 통해 Ca2+의 유입을 촉진하였고 이것은 Ca2+-dependent protein kinase인 PKC를 활성화로 이어졌으며 이어서 활성화된 PKC는 membrane의 NADPH Oxidase를 통해 reactive oxygene species(ROS)를 생성하였다. 이 증가된 ROS의 반응으로 RAW264.7 세포는 HO-1을 유도하였다. 이를 검증하기위해 PKC 억제제, NOX 억제제, ROS scavenger존재 하에서 nicotine이 HO-1을 발현 시키는지를 확인 하였다. 또한 이러한 HO-1의 발현이 α7nAChR수용체를 경유한것인지를 확인하기위해 si-RNA 기법을 사용한 si-α7nAChR를 transfection 시킨 세포에서 nicotine에 의한 HO-1의 발현이 줄어들었다. Nicotine에 의해 유도된 HO-1은 LPS로 처리된 세포의 HMGB1유리를 억제하였다.
HO-1차단제 존재 시 LPS를 처리한 RAW 264.7세포의 HMGB1유리와 염증성 cytokine양을 줄였다.
한편 nicotine 투여동물 조직(간, 폐등)에서 HO-1발현이 증가 하였으며 조직과 혈액의 HMGB1이 줄어들었음을 확인하였다. siHO-1RNA로 transfection시킨 RAW 264.7세포에서 LPS에 의한 HMGB1 유리도 nicotinexn여로 줄어 들었다. 또한 rHMGB1투여로 실험용 동물의 사망이 nicotine 투여로 생존률이 증가 함을 확인하였다. 마지막으로 HO-1-/- 동물에서 nicotine에 의한 HO-1의 발현이 안 됨을 확인하고 nicotine에 의한 항염작용이 소실되는지를 여러 염증 marker와 생존률등을 HO-1+/+동물과 비교함으로서 콜린성 항염작용에 대한 HO-1가설을 증명하였으며 그밖에 여러 약물을 사용하여 HO-1은 여러 질환모델(패혈증, 뇌 허혈조직손상, 상처치유동물모델등)에서 HMGB1의 negative regulator임을 증명하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구를 통해 적어도 nicotinic 수용체를 통한 항염작용에 HO-1/CO가 cholinergicanti-inflammation pathway에 적어도 target이 됨을 in vitro와 in vivo에서 증명하였다. 이러한 연구의 중요성은 생체 내에서 heme을 함유하고 있는 효소들(HO-2, cytochrome c, hemoglobin, myoglobin, catalase, peroxidase등)이 choline 성 신경의 활성으로 HO-1이 유도되면 이 활성으로부터 유리될 수 있는 CO에 대한 연구와 이들 효소를 활성화 시킬 수 있는 약물의 개발도 가능할 수 있으므로 그 파급효과는 기대 이상으로 클 수 있을 것으로 생각된다. 활용분야는 염증과 관련한 질환에 적용 가능하므로 동맥경화증, 패혈증, 당뇨병, 심지어 암의 예방 및 치료도 가능할 수 있을것으로 생각됨.
Purpose&contents
Cholinergic modalities through vagus nerve- and/or α7nAChR-mediated mechanism have been shown to suppress excessive inflammation in several experimental models of diseases, including endotoxemic shock, sepsis, ischemia-reperfusion injury, hemorrhagic shock, colitis, postopertive
Purpose&contents
Cholinergic modalities through vagus nerve- and/or α7nAChR-mediated mechanism have been shown to suppress excessive inflammation in several experimental models of diseases, including endotoxemic shock, sepsis, ischemia-reperfusion injury, hemorrhagic shock, colitis, postopertive ileus and pancreatitis. However, the signal pathway and target molecule(s) for this are not elucidated. The purpose of the present study is to investigate the hypothesis that heme oxygenase-1 (HO-1), may be responsible for suppression of the inflammation mediated by nicotine through α7nAChR. To test this hypothesis, HO-1 induction was investigated using nicotine, a well known α7nAChR agonist, in RAW 264.7 cells and survival was measured in CLP-induced septic mice. In particular, we focused on the issue of HO-1 which regulates high mobility group box-1 (HMGB1), a late phase cytokine in sepsis.
Result
We found that nicotine through activation of α7nAchR induced HO-1 protein in macrophages in vitro. Results showed that when nicotine actives a7nAChR, it causes to increase Ca2+ influx from the outside. The increased intracellular Ca2+ concentration activates Ca2+-dependent protein kinase which sequentially generates ROS(reactive oxigen species) through activation of NADPH Oxidase. This conclusion ws beased on the results that pharmacological inhibitors of each step was significantly antagonisted the action of nicotine. Following ROS generation, the cell may prepare to protect the cell from the oxidative stress. This motivation leads to induction of HO-1 via p38 MAPK. Importantly, we verified that silencing of functional receptor protein using transfection of si-a7nAChR resulted in diminishing HO-1 induction effect of nicotine. The reduction of proinflammatory cytokines by nicotine in LPS-treated cells was antagonised by HO-1 inhibitor indicating that anti-inflammatory efect of nicotine is mediatedat least by HO-1. We recently reported that CO inhibits high mobility group box 1 (HMGB1), a pro-inflammatory cytokine, in LPS-induced endotoxemic rats. Therefore, we investigated whether HMGB1 is responsible for action of nicotine to ameliorate not only tissue injury but increase survival rate in animals treated with LPS or CLP (cecal ligation and puncture). As expected, HO-1 induction by nicotine significantly reduced the production of HMGB1 in LPS-sctivated cells and in blod of CLP-induced or LPS-treated septic animals. Finally, we confirmed our hypothesis using HO-1 knock out animals that HO-1 plays an important role for cholinergic anti-inflammatory action. Through this research, we learned that HO-1 is at east one of target protines for cholinergic antiinflammatory signal. Furthermore, we found a valuable lesson that HO-1 can be a negative regulator of HMGB1. This suggests that HO-1 can be a drug target for many diseases in which HMGB1 is major cause of pathophysiology such as sepsis, rheumatoid arthritis, and ischemic reperfusion injury so on.
Expected Contribution
From this project, we broadened our knowledge about the role of HO-1 in which HO-1/CO controls anti-inflammatory action through cholinergic system. In addition, we published our results performed though this project more than 8 papers in SCI journal. From this project we anticipate to give fundamental knowledge to pharmaceutical industry to develop new type of anti-inflammatory drugs.
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