[보고서]혈관내피세포 타겟팅 방사선 유도 폐 부작용 마커 발굴 및 조절기전연구

이윤진

보고서 정보

주관연구기관

한국원자력의학원
Korea Institute of Radiological & Medical Sciences

연구책임자

이윤진

참여연구자

이해준 , 김경중 , 김미선 , 최서현 , 장준호 , 정명구 , 정예지

보고서유형

1단계보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2013-10

과제시작연도

2012

주관부처

미래창조과학부
Ministry of Science, ICT and Future Planning

등록번호

TRKO202100004827

과제고유번호

1345176554

사업명

원자력연구기반확충사업

DB 구축일자

2021-07-10

키워드

임상유사방사선조사.혈관내피세포.방사선 폐손상.폐섬유화.혈관내피세포의 간엽세포변이.irradiation system with clinical alalogy.vascular endothelial cell..radiation lung injury.EndMT.fibrosis.

표 TIE2:GFP 마우스의 폐에 20 Gy의 방사선을 조사하고, 3일 후에 CD102에 대한 항체를 이용하여 앞서와 같은 방법으로 폐혈관내피세포를 분리함. 방사선을 조사하지 않은 정상 마우스와 조사한 마우스로부터 분리된 각각의 세포를 2일간 배양한 후 형광 현미경으로 관찰하였을 때, 혈관내포세포에 특이적으로 TIE2 Promoter로부터 GFP가 발현 (Green)되는 것을 통해 혈관내피세포의 분리가 제대로 이루어졌음을 확인하였음.또한, 분리된 세포를 CD102에 대한 항체로 형광염색 (Red)을 하여, 방사선 조사된 폐조직에서 분리된 혈관내피세포가 CD102 항체에 positive 함을 확인할 수 있었음. 분리한 세포의 GFP 형광강도를 비교 (방사선 조사시 형광강도 약해짐) 하였을 때, 방사선을 조사한 폐의 혈관내피세포는 정상 혈관내피세포에 비해 Tie2의 발현이 약간 감소하였으리라는 것을 예측할 수 있음
표 TIE2:GFP 마우스의 폐에 20 Gy를 조사하고, 6일 후에 폐조직을 얻어 collagenase I과 Dispase II를 처리하여 단일세포단위로 분해함. FACS sorter에서 건강한 세포의 영역(Gate1)을 설정한 후 FVB/NJ 마우스의 폐에서 얻은 세포군을 음성 대조군으로 사용하여, TIE2:GFP 마우스의 폐에서 얻은 세포군에만 존재하는 GFP+ 세포를 구분하였음. 형광강도에 의해 구분된 GFP- 세포와 GFP + 세포를 각각의 용기에 분리한 후 형광 현미경으로 관찰한 결과, 방사선을 조사하지 않은 마우스와 조사한 마우스 모두 분리가 이루어졌음을 확인할 수 있었음
표 제 4세부과제로 부터 마우스 (C57BL/6, male, 10주령) 폐에 방사선 조사 (Dose 75Gy, Collimator: 3mm)를 받은 조직을 제공받음
표 방사선에 의한 폐의 염증 반응 및 섬유화 진행 병변. 90 Gy 방사선 조사 후 3일째부터 폐 전체에 염증반응 세포들이 폐포간질, 폐포내, 기관지 주위에 침윤되며, 9일째 부터는 방사선 조사 부위로의 염증세포의 침윤이 급증하여 14일째부터는 육안으로 식별이 가능한 섬유화 병변이 나타남. 또한 방사선 조사부위의 폐포 내 대식구 및 림프구 등의 단핵구와 단백양 물질이 증가함. hematoxylin & eosin (H&E) staining으로 관찰
표 방사선 조사 후 폐간질의 부종, 모세혈관의 울혈에 의해 페포벽 (Alveolar wall thickness)이 손상되어 폐포벽의 두께가 증가함. 폐포벽의 두께는 방사선 조사 후 1일 째부터 현저히 증가하나 방사선 조사 후 7일 이후에는 폐포의 형태가 사라지고 여러 개의 폐포가 합쳐서 폐포의 구조가 손상되어 airway가 현저히 줄어듬. 11일 이후로는 방사선 조사 부위에서 방사선 조사외 부위에 비해 면역세포 및 단백양 물질의 증가로 폐포벽의 두께를 측정하기 어려움. 오른쪽 사각형 안의 그림은 폐포두께 측정부위를 나타냄
표 폐포의 구조. 폐포는 페포를 구성하는 제 I형, 제 II형 페포세포, 혈관내피세포와 간질부의의 결합조직 및 대식세포로 구성됨
표 방사선 조사 후 폐의 상피두께의 증가보다는 기관지 및 세기관지를 감싸고 있는 결합조직의 증가가 나타남
표 방사선 조사 후 alveolar septal tip 부분에 부종이 생기고 (화살표) 이 부분 들이 합쳐서 alveolar destruction이 일어나면서 air way가 점차 좁아지는 것을 확인함. collagen을 나타내는 trichrome stain에서도 septal tip과 septa가 연결된 부분에서 positive (파란색) signal이 증가함을 확인하고 11일 이후 섬유화 부분에서는 collagen의 발현이 현저히 증가함. (1 day의 경우 방사선 조사를 받지 않은 정상 페조직과 동일한 조직학적 소견을 보임)
표 방사선 조사 부위의 혈관변화. 혈관내피세포의 손상이 현저히 나타나며, 혈관벽 및 혈관을 둘러싼 결합조직내 collagen이 증가함
표 방사선 조사 후 2일째부터 CD31의 발현이 감소되고 5일이후로는 내피세포의 핵 돌출 및 사멸이 일어나서 혈관내피세포의 모양이 손상되는 것을 관찰함. 또한 혈관내피세포, 혈관벽, 혈관주위의 결합조직에서 αSMA의 발현이 증가됨
표 방사선 조사 후 혈관내피세포의 손상과 혈관벽 세포의 증식으로 혈관벽이 두께가 증가함. 섬유화가 나타나는 11일 이후로 small artery의 혈관벽의 두께가 현저히 증가 됨
표 large artery에서 small artery와 같이 방사선 조사 후 혈과내피세포의 CD31의 발현이 감소하고 혈관벽의 αSMA의 발현이 증가하나 small artery에 비해 그 변화폭이 작음
표 방사선 조사 후 large artery의 혈관벽 두께가 증가하지만 small artery에 비해 변화폭이 작음
표 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)와 사람 폐의 동맥혈관내피세포 (Human Pulmonary Artery Endothelial Cells; HPAEC)에 방사선 (5 Gy)을 조사한 후, 각 시간별 세포의 용해물을 얻음. 동량의 세포 용해물을 전기영동하고 웨스턴 블랏팅하여 혈관내피세포 마커와 간엽세포 마커의 발현 양상을 관찰함
표 방사선에 의해 혈관내피세포에서 분비된 물질에 의한 주변세포의 변화관찰 혈관내피세포의 방사선 조사로 인해 변이됨에 따라 그 주변세포들의 세포 증식 및 변이에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 방사선 조사 후 혈관내피세포의 배양액을 주변세포의 배양에 이용함. 폐에 존재하는 혈관내피세포 중 동맥내피세포 (HPAEC) 와 모세혈관 내피세포 (HPMEC)를 배양한 후, 0, 2, 5, 10 Gy 선량으로 방사선을 조사하고, 24시간이 지난 시점에서 각 내피세포에 사용한 배양액을 분리하였고, 그 배양액을 내피세포의 주변에 존재하는 세포들 (폐동맥평활근세포 (HPASMC), 세페포의 외피세포(HPSAEpC), 폐섬유세포 (HPF))의 배양액에 섞어준 다음 72 시간 동안 5 % CO2, 37도에서 배양함. HPAEC 주변에는 HPASMC이 존재하므로, HPASMC의 경우 HPAEC의 배양액을 사용하였고, HPMEC 주변에는 HPSAEpC가 존재하므로 HPSAEpC의 배양은 HPMEC의 배양액을 사용하였다. 폐 섬유세포는 모든 혈관 주변에 존재하는 세포이므로, HPAEC와 HPMEC 배양액 효과의 대조실험용으로 이용함. 시간이 지난 후, 각각의 처리된 세포들을 RIPA buffer (pH 7.4)로 단백질들을 용해시킨 후, 각각의 샘플들은 간엽세포의 마커(vimentin, FSP1) 및 세포증식의 마커 (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) 단백질의 발현 비교를 위해 웨스턴블랏 시행
표 방사선에 의한 혈관내피세포에서 분비된 물질들이 혈관주변세포의 증식에 미치는 영향 혈관내피세포의 근접한 평활근세포 및 외피세포의 증식은 염증발달의 중요한 기작이므로, 세포증식을 직접 보여주는 MTT assay 방법을 이용하여 세포 수의 변화를 확인함. 평활근세포 (HPASMC) 와 외피세포 (HPSAEpC)의 세포 수 관찰을 위해 처리할 배양액을 준비하기 위하여, 배양한 폐동맥혈관내피세포 (HPAEC) 및 폐모세혈관내피세포 (HPMEC)를 그림과 같이 0, 2, 5, 10 Gy 의 세기로 각각 방사선 조사를 하고, 24 시간이 지난 후, 각각의 내피세포 배양액을 준비. 96 well plate 에 HPASMC 과 HPSAEpC 세포를 각 well 당 2×103 개씩 넣은 후, 미리 준비한 내피세포 배양액을 처리하여 0, 1, 2, 3 일이 지난 다음 MTT 용액 (5 mg/ml)을 배양액의 1/10 부피로 넣고, 4시간이 지난 후, 세포 위의 용액을 제거하고, DMSO를 100 ㎕ 넣어 세포 내 침착된 formazan을 녹여 그 색깔을 540 nm 흡광도로 측정. 수치화된 흡광도는 정해진 세포 수로 만들어진 기준곡선 식에 대입하여 세포 수를 환산함. HPASMC 증식을 위해서는 HPAEC의 배양액을 사용하였고, HPSAEpC의 증식을 위해서는 HPMEC의 배양액을 사용함. 폐 섬유세포 (HPF)는 HPASMC 및 HPSAEpC 변화에 대한 대조실험용 세포로 사용하였고, 각각 HPAEC와 HPMEC의 배양액을 처리하여 세포증식의 변화를 관찰함
표 방사선에 의한 TGFbeta1 분비가 혈관내피세포에서만 특이적으로 일어나는지를 살펴보기 위해 폐에 존재하는 내피세포외 세포들에서도 방사선에 의해 TGFbeta1 분비가 일어나는지를 비교함. 폐의 내피세포인 HPAEC, HPMEC를 포함, 평활근세포 HPASMC, 섬유세포인 HPF, 외피세포인 HPASEpC, 단핵구 세포 U937를 동일한 세포 수로 배양한 후, 10 Gy로 방사선을 조사한 후 24 시간이 지난 시점에서 각 세포의 배양액을 모아 TGFbeta1 ELISA kit의 샘플로 사용함
표 제 4 세부과제로부터 통상적 방사선 조사 (Conventioanl Radiotherapy, 20 Gy)를 받은 마우스의 폐조직과 체부정위 방사선 조사 (SBRT; Stereotactic body radiation therapy, 90 Gy, 3 mm Collimator)를 받은 마우스의 폐조직을 제공받아 TUNEL assay를 수행하여 세포사멸(apoptosis, 짙은 갈색 염색)을 관찰. 통상적 방사선 조사 후 2주에서 9개월 사이의 마우스 폐와 체부정위 방사선 조사 후 3일에서 14일 사이의 마우스 폐에서 모두 혈관내피세포의 세포사멸 (apoptosis, 짙은 갈색 염색)이 관찰됨. 방사선에 의한 폐혈관내피세포의 세포사멸 (apoptosis)은 모세혈관보다는 동맥, 정맥 혈관의 내피세포에서 좀 더 많이 관찰되는 것으로 보임. (체부정위 방사선 조사 후 1일에는 세포사멸(apoptosis)이 관찰되지 않음)
표 TUNEL assay에서 염색되는 사멸세포 (TUNEL+ apoptotic cells) 의 수를 세어 분석한 결과 체부정위 방사선 조사 (SBRT)보다 통상적 방사선 조사 (Conventioanl IR) 조건에서 세포사멸 (apoptosis)이 더 많이 발생하고 더 오래 지속되는 것을 알 수 있음. (Apoptosis가 아닌 다른 형태의 세포사는 경향이 다를 수 있음)
표 제 4 세부과제로부터 통상적 방사선 조사 (Conventioanl Radiotherapy, 20 Gy)를 받은 마우스의 폐조직과 체부정위 방사선 조사 (SBRT; Stereotactic body radiation therapy, 90 Gy, 3 mm Collimator)를 받은 마우스의 폐조직을 제공받아 α-SMA (Red)와 DAPI (Blue)로 형광 염색하여 관찰한 결과, 방사선 조사 후 α-SMA (Red)가 닫힌 원의 형태로 두텁게 염색되는 것을 통해 소혈관이 형성된 것으로 보임. 이러한 소혈관은 체부정위 방사선 조사 (SBRT)를 받은 마우스의 폐에서 섬유화가 진행되는 과정에서 더 많은 빈도로 관찰됨. 이러한 소혈관 생성 과정에 대한 연구는 거의 이루어져있지 않으나, 본 연구에서는 방사선에 의한 폐섬유화과정에서 소혈관생성의 뚜렷한 현상이 큰 의미를 가지고 있을 것으로 제안하며, 폐섬유화가 진행되는 과정에서 나타나는 wound healing process 로 나타나는 현상인지, 섬유화 진행에서 어떠한 역할을 하기 위한 과정인지 구체적인 연구를 진행하고자 합
표 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)를 세포 농도가 낮게 배양용기에 부착시킨 후, 방사선을 조사하지 않은 조건과 조사 (5 Gy)한 조건으로 나누어 시간에 따른 세포의 증식과 모양 변화를 현미경을 통해 관찰
표 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Lung Microvascular Endothelial Cells; HMVEC-L)와 사람의 유방암세포 (MCF7)에 방사선 (5 Gy)을 조사한 후, 각 시간별 세포의 용해물을 전기영동 한 후, 웨스턴블랏을 통해 단백질 발현 양상을 관찰함
표 Sprague Dawley Rat 흉부에 부분 방사선 (12.5 Gy, Co-60 irradiator)을 조사하고 얻은 폐섬유화 조직에서 노화의 마커인 p21 발현을 면역염색화학법으로 관찰
표 방사선에 의한 폐섬유화 과정의 모식도 방사선에 의한 폐혈관내피세포의 섬유아세포형태로의 전이현상 (Endothelial to Mesenchymal Transition)은 방사선에 의한 폐섬유화 과정에서 나타남. 이때 혈관내피세포는 TGF-beta를 비롯한 다양한 단백질을 분비하게 되는데, 이러한 현상은 폐혈관내피세포 주변의 다른세포 (Smooth muscle cell, Epithelial cell)의 증식 및 섬유화세포로의 변이를 유도함. : 따라서, 본 연구결과를 통해 방사선에 의한 혈관내피세포의 변이과정은 혈관 주변의 염증반응 및 섬유아세포의 증식을 가속화시키는데 기여하며, 결국 collagen의 증가 및 matrix의 변화를 통해, 조직 섬유화를 가져오는데 중요한 역할을 할 것이라고 제안함
표 사람의 폐혈관 내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)에 NADPH oxidase의 저해제인 VAS2870을 처리하고 방사선을 조사 (5 Gy)한 후, DCFH-DA 염색을 통해 활성산소 (ROS) 변화를 측정하고 형광염색과 웨스턴 블랏을 통해 혈관내피세포 마커 (CD31, VE-cadherin)와 간엽세포 마커 (αSMA, Vimentin)의 발현 변화를 관찰함. 방사선 조사 후 발생한 사람 폐혈관 내피세포의 활성산소는 NADPH oxidase를 저해함으로써 감소하였으며, 이러한 조건에서 방사선에 의한 혈관내포세포의 간엽세포로의 전이 현상 (혈관내피세포 마커인 CD31과 VE-Cadherin의 감소와 간엽세포 마커인 αSMA, Vimentin의 증가)이 저해되는 것을 관찰함
표 사람의 폐혈관 내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)에 NADPH oxidase의 저해제인 VAS2870을 처리하고 방사선을 조사 (5 Gy)한 후, DCFH-DA를 이용하여 세포의 전체 활성산소 (ROS)를 측정하고 mitoSOX를 이용하여 미토콘드리아에 의한 활성산소 (ROS)를 측정. NADPH oxidase를 저해하였을 때, 방사선에 의한 세포의 활성산소 발생이 저해되며 특히 미토콘드리아의 활성산소 발생이 저해되는 것을 관찰
표 사람의 폐혈관 내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)에 방사선을 조사 (5 Gy)하고, RT-PCR 방법을 이용하여 3일 후부터 NADPH oxidase (NOX1, 2, 4) 의 발현이 증가하는 것을 관찰. 사람의 폐혈관 내피세포에 siRNA를 처리하여 방사선 조사 (5 Gy)에 의한 NADPH oxidase (NOX1, 2, 4)의 발현을 저해하였을 때, 미토콘드리아를 포함한 세포의 활성산소 (ROS) 발생이 억제되는 것을 관찰
표 사람의 폐혈관 내피세포에 siRNA를 이용하여 NADPH oxidase (NOX1, 2, 4)의 발현을 수준을 감소시킨 후 방사선을 조사한 결과, NADPH oxidase 1 (NOX1)의 발현이 감소되었을 때 방사선에 의한 α-SMA의 발현 증가가 뚜렷이 저해되는 것을 관찰. NADPH oxidase 1 (NOX1)의 발현이 감소된 사람 폐혈관 내피세포는 방사선 조사 (5 Gy)에 의한 혈관내피세포의 간엽세포로의 전이 현상 (EndMT)이 저해되는 것을 알 수 있음. 이러한 현상은 혈관 내피세포 마커인 VE-cadherin, CD31 (Red)과 간엽세포 마커인 FSP1, αSMA (Green)를 함께 형광 염색하여 확인함
표 사람 폐혈관내피세포 (Human Pulomonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC), 사람 세폐포의 외피세포 (Human Small Airway Epithelial Cells; HSAEpC), 사람 폐동맥평활근세포 (Human Pulmonary Artery Smooth Muscle Cells; HPASMC), 사람 폐섬유세포 (Human Pulmonary Fibroblasts; HPF), 사람 관상동맥 혈관내피세포 (Human Coronary Artery Endothelial Cells; HCAEC)에서 NADPH oxidase 1 (NOX1)의 발현 정도를 관찰함. NADPH oxidase 1 (NOX1)은 사람 폐동맥평활근세포 (HPASMC)에서 가장 많이 발현되고 다음으로 사람 폐혈관내피세포 (HPMEC)와 사람 관상동맥 혈관내피세포 (HCACE)에서 발현되며, 사람 폐세포의 외피세포 (HPSAEpC)와 폐섬유세포 (HPF)에서는 발현을 관찰하기 어려움. 사람 폐세포의 외피세포 (HSAEpC), 사람 폐의 미세혈관내피세포 (HPMEC), 사람 폐동맥평활근세포 (HPASMC)에 방사선을 조사 (5 Gy)하고 NOX1의 발현이 증가하는 것을 관찰
표 사람의 폐혈관 내피세포 (Human Pulomonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)에 방사선을 조사 (5 Gy, 10 Gy) 하였을 때, 혈관내피세포의 간엽세포로의 전이에 관여하는 TGFβ Receptor I (TGFβ-RI/ALK5)의 발현이 증가함. VAS2870를 처리하여 NADPH oxidase를 저해하거나 siRNA를 이용하여 NADPH oxidase 1 (NOX1)의 발현을 수준을 감소시켰을 때, 방사선에 의한 ALK5의 발현 증가가 저해되는 것을 확인
표 Tie2-GFP 마우스의 폐에 방사선 조사 (Dose: 90 Gy, Collimator : 3 mm) 후 2, 4, 8주의 혈청을 분리하여 항체기반 단백질 어레이를 수행하여 혈관형성관련 단백질의 변화를 관찰
표 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)에 방사선을 조사 (5 Gy) 한 후, 4일과 8일에서 세포 배양액을 얻고 항체기반 단백질 어레이를 수행하여 혈관형성 관련 단백질의 변화를 관찰
표 혈관형성 관련 항체기반 단백질 어레이의 분석결과, 폐에 방사선을 조사 (90 Gy)한 Tie2-GFP 마우스의 혈청과 방사선을 조사 (5 Gy)한 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC)의 배양액에서 공통으로 감소 현상을 보이는 단백질 (DPPIV/CD26)과 증가 현상을 보이는 단백질 (IL-1β, Prolactin)을 관찰함
표 혈관형성 관련 항체기반 단백질 어레이를 이용하여 통상적 방사선 조사 (Conventioanl Radiotherapy, 20 Gy)를 받은 마우스의 혈청을 분석결과, 체부정위 방사선 조사 (SBRT; Stereotactic body radiation therapy, 90 Gy)를 받은 마우스의 폐조직에서 DPPIV/CD26의 발현은 감소하고, IL-1β와 Prolactin의 발현은 증가하여 항체 기반 어레이와 일치한 결과를 관찰. SBRT에 비해 변화 정도가 약함을 관찰할 수 있었음
표 사람 폐의 미세혈관내피세포 (Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells; HPMEC) 에 방사선을 조사 (5 Gy)한 후, 방사선을 조사하지 않은 세포와 조사한 세포의 mRNA 발현 변화를 Microarray로 분석함. 그 결과 사람 폐의 미세혈관내피세포에서도 DPPIV/CD26의 발현은 감소하고, IL-1β와 Prolactin의 발현은 증가하여 항체 기반 어레이와 일치한 결과를 관찰
표 제 4 세부과제로부터 체부정위 방사선 조사 (SBRT; Stereotactic body radiation therapy, 90 Gy, 3 mm Collimator)를 받은 마우스의 폐 조직을 제공받아 면역 염색을 수행하여, 방사선에 의한 섬유화 과정 동안 prolactin의 발현 변화 (짙은 갈색)를 관찰. 폐 섬유화가 진행됨에 따라 모세혈관내피세포 및 대동맥 혈관내피세포 등 혈관내피세포에서 prolactin의 증가를 현저히 관찰할 수 있었음. 또한, prolatin이 분비 되는 형태로 염색됨을 확인 할 수 있었음
표 Antifibrotic strategies between bench and clinic

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