Replacement of microglial cells using Clodronate liposome and Bone marrow transplantation in the central nervous system of SOD1G93A transgenic mice as an in vivo model of amyotrophic lateral sclerosis

Abstract

근위축성측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)은 일반적으로 루게릭병으로 잘 알려져 있으며 가장 흔한 형태의 운동신경세포 질환으로써 하위 및 상위 운동신경세포가 모두 손상을 받아서 근육의 쇠약과 위축, 주로 하지의 강직 및 연수마비 증세를 보이는 질환으로 그 병인이 거의 알려져 있지 않고 또한 효과적인 치료도 없으므로 종종 사망에 이른다. 근위축성측삭경화증은 질병의 진행과정에서 소교세포에 의한 신경독성 미세환경이 병의 진행과정에서 작용하는 것으로 알려져 있다. 현재까지 근위축성측삭경화증 환자와 돌연변이 SOD1 형질변환 마우스 모델을 이용해서 근위축성측삭 경화증의 퇴화과정에서 잠재적인 여러 병리학적 기전에 따른 연구가 진행되어왔다. 중추신경계의 다른 여러 종류의 세포에서 돌연변이 SOD1의 발현은 질병의 발달과 진행과정에서 차별적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 뉴런에서 돌연변이 SOD1의 발현은 근위축성측삭경화증의 시작을 유발시키는 반면에 소교세포에서 돌연변이 SOD1의 발현은 근위축성측삭경화증의 진행을 유도한다. 근위축성 측삭경화증의 시작을 막는 것은 상대적으로 어렵지만 소교세포에서 돌연변이 SOD1의 발현과 활성화된 소교세포는 근위축성측삭경화증 환자의 전체적인 생존의 연장과 진행을 늦추기 위한 좋은 치료적 목표가 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 근위축성측삭경화증의 인체적용시험(in vivo) 모델인 SOD1G93A 형질변환 마우스를 이용해서 신경독성 미세환경을 조절하기 위해서 돌연변이 SOD1이 발현되는 소교세포를 돌연변이SOD1이 발현되는 않는 소교세포로 대체했다. 중추신경계에서 소교세포의 수를 효과적으로 줄이기 위해서 증상이 발현되지 않은 12주된 근위축성측삭경화증 생쥐의 제 4뇌실 부위에 단핵구/대식세포 시스템에 대해서 선택적 신경독성을 제거하기 위해서 클로드로네이트 리포솜을 정위기구(Stereotactic Apparatus)를 이용해서 정위적 주입했다. 그 이후에 녹색형광단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)과 돌연변이가 발현되지 않는 소교세포를 근위축성측삭경화증 생쥐에 골수세포를 이식했다. 다른 신경세포들에서는 돌연변이 SOD1의 발현이 대체된 이후 면역학적 부작용은 관찰할 수 없었다. 소교세포의 대체는 돌연변이가 발현되는 SOD1과 돌연변이가 발현되지 않는 SOD1에서 골수세포와 함께 인산완충식염수-리포솜의 정위적 주입에 의해서 처리된 근위축성측삭경화증 생쥐와 비교해서 질병의 진행을 늦추었으며 근위축성측삭경화증 생쥐의 생존이 연장되었다. 이 연구의 결과는 소교세포의 대체는 신경세포의 미세환경적 증진이 질병의 진행을 느리게 할 수 있다는 것을 확인하였다.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), commonly known as Lou Gehrig's disease, is a progressive and fatal adult-onset neurodegenerative disease that is characterized by the selective loss of central and peripheral motor neurons in the brain and spinal cord. Until now, investigations of ALS patients and the mutant SOD1 (mSOD1) transgenic mice models have suggested the existence of several pathogenic mechanisms underlying the degenerative processes of ALS. mSOD1 expressed in different kinds of cells in the central nervous system promotes differential influences on the development and/or progression of the disease, mSOD1 in neurons provokes the onset of ALS, whereas mSOD1 in microglia leads to ALS progression. Given it would be relatively difficult to prevent the onset of ALS, mSOD1 in microglia or activated microglia could be a good therapeutic target to delay progression and prolong the overall survival of ALS patients. In the present study, we used SOD1G93A transgenic mice as an in vivo ALS model and replaced microglia expressing mSOD1 with microglia expressing wild-type SOD1 (w/tSOD1) to modulate the toxic microenvironment. Stereotactic injection of Clodronate liposome, a selective toxin against the monocyte/macrophage system, into the fourth ventricle of the brains of 12-week-old asymptomatic ALS mice reduced the number of microglia effectively in the central nervous system. Subsequent bone marrow transplantation (BMT) with bone marrow cells (BMCs) expressing w/tSOD1 and GFP leads to replacement of the endogenous microglia of the ALS transgenic mice with microglia expressing w/tSOD1 and GFP. The expression of mSOD1 in the other neural cells was not influenced by the replacement procedures, and immunological side effects were not observed. The replacement of microglia significantly slowed disease progression and prolonged survival of the ALS transgenic mice compared with the ALS transgenic mice treated by stereotactic injection of PBS-liposome and BMT with BMCs expressing mSOD1 or w/tSOD1. These results suggest that replacement of microglia would improve the neural cell microenvironment, thereby slowing disease progression.