백서 심정지 모델에서 글루타민의 뇌손상 보호 효과에 관한 연구

Abstract

돌연 심장사는 주요 사망원인 중 하나로 심혈관 질환의 유병율 증가와 함께 그 발생 빈도가 증가하고 있다. 하지만, 심폐소생술의 보급과 저체온 치료 등의 소생술의 발전에도 불구하고 장기적인 예후는 아직 불량하다. 글루타민은 heat shock proteins (Hsp)의 발현을 증가시켜 세포 사멸 및 세포 자연사를 억제하는 것으로 알려져 있는 물질로 본 연구는 백서 심정지 모델을 이용하여 글루타민이 심정지 후 뇌손상에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 10주 령 수컷 백서를 Sham 군(n=6), 대조군 (CPR) (n=6) 및 글루타민군 (CPR+GLN) (n=6)으로 배정한 후 Sham 군을 제외한 백서는 식도에 거치시킨 전극을 이용해 심실 세동을 일으켜 심정지를 유발하여 6분간의 무관류 상태(no flow time) 후 심폐 소생술을 시행하여 백서를 소생시켰다. 이 후 소생된 백서에게 0.75g/kg 의 글루타민 혹은 동량의 식염수를 꼬리 정맥으로 투여하고 소생술 후 24시간, 72시간의 neurologic deficit score (NDS)를 측정하였다. 또한, 72시간째 백서를 희생시켜 뇌조직 을 적출한 뒤 우측 반구는 고정하여 조직학적 검사에 사용하고 좌측 반구는 질소 냉동하여 phosphorylated heat shock factor-1 (p-Hsf-1), heat shock protein-25 (Hsp-25), heat shock protein-72 (Hsp-72), 및 cleaved caspase-3 (casp-3)의 측정에 사용하였다. 총 18마리의 백서에게 심폐소생술을 시행하였고 이 중 14마리(77.8%)의 백서가 자발순환을 회복하여 이 중 7마리의 백서를 각각 CPR 군과 CPR+GLN 군으로 배정하였다. 이중 각 군별 한마리씩의 백서가 군 배정 후 사망하여 최종 분석에는 Sham 군 을 포함하여 각 군별 6마리의 백서를 사용하였다. 체중, 초기 혈압, 심정지 유도 시간이나 제세동 회수, 심폐소생술 기간 및 심정지 유도 후 30분 혈압의 경우 Sham군의 30분 혈압이 다른 군에 비해 높았을 뿐 차이가 없었다. 24시간 및 72사건 NDS의 경우 Sham 군이 가장 높았고, CPR+GLN 군은 CPR 군보다 높았다. 뇌조직 내 p-Hsf-1, Hsp-25, 및 Hsp-72의 발현은 CPR+GLN 군에서 다른 두 군에 비해 유의하게 높았다. 뇌조직의 cleaved caspase-3의 발현은 CPR 군이 Sham 군과 CPR+GLN 군에 비해 유의하게 높았다. Hippocampal CA-1 영역의 H&E 및 Cresyl violet 염색에서 뇌세포 손상이 CPR 군에서 가장 많았으며 TUNEL 염색에서 양성 세포수도 CPR 군에서 가장 많았다. 결론적으로 백서 심정지 모델에서 글루타민의 투여는 뇌기능을 호전시키고 뇌세포의 손상과 세포자연사를 억제하였으며 이는 Hsp의 발현과 관련이 있다.

Background: Recent studies have demonstrated that enhanced heat shock proteins (Hsp) can protect against brain injury in ischemic stroke model. Glutamine has improved outcomes in critical ill patients by inducing Hsp. However, the effect of glutamine on cerebral ischemic injury after cardiac arrest is not yet evaluated. We hypothesized that glutamine would enhance Hsp and thereby attenuate cerebral ischemic injury in cardiac arrest. Methods: Ventricular fibrillation cardiac arrest was induced by esophageal electrode in rats. After 6 minutes of no flow time, rats were resuscitated by chest compression and were defibrillated at 8, 9, and 10 minutes after cardiac arrest until return of spontaneous circulation (ROSC). One minute after ROSC, 0.75g/kg of glutamine (CPR+GLN, n=6) or saline (CPR, n=6) was administered via tail vein. Additional 6 rats were allocated for sham. For outcome measurement, neurologic deficit score (NDS, 0 [brain death] to 80 [normal]) was calculated at 24-hr and 72-hr. After 72-hr NDS measurement, rats were euthanized and the brain was harvested. Left hemisphere was used for Western blot analysis (phosphorylated heat shock factor-1 [p-HSF-1], Hsp25, Hsp72, and cleaved caspase-3). Right hemisphere was used for H&E and TUNEL staining. Kruskal-Wallis test and Mann-Whitney U post-hoc test with Bonferroni correction (p<0.017) were used for the analysis. Results: NDS in CPR+GLN was higher than that in CPR (p<0.017) and lower than that in sham (p<0.017) at both 24-hr and 72-hr. P-HSF-1, Hsp25, and Hsp72 were significantly enhanced in CPR+GLN (p<0.017) than those in sham and CPR. Cleaved caspase-3 in CPR+GLN was significantly lower than that in CPR (p<0.017), but was not different from that in sham. Histopathology has revealed that neuronal death and apoptosis was more frequent in CPR than in CPR+GLN. Conclusion: Glutamine attenuates cerebral ischemic injury in cardiac arrest model of rats. This was associated with the enhancement of Hsp25 and Hsp72.