Effects of Exercise Preconditioning on Neutrophils in Photothrombotic Ischemic Stroke Mice

Abstract

뇌경색은 발병 이후 장애 또는 사망을 초래하는 위험한 뇌질환으로, 전체 뇌졸중의 약 80 %를 차지한다. 또한, 성인 중 약 25 %가 일생 동안 뇌경색을 경험한다고 보고된다. 혈전용해제와 혈전절제술은 뇌경색의 가장 대표적인 치료법으로 널리 사용되지만, 부작용과 함께 뇌경색 초기에만 처치가 가능하다는 한계를 지닌다. 이로 인해, 예방은 뇌경색의 가장 효과적인 치료 방법으로 여겨지며, 그중 운동은 가장 효과적인 예방 및 치료 전략으로 간주된다.

호중구는 뇌경색 상황에서 가장 먼저 반응하고 대응하는 면역 세포이다. 다수의 선행 연구는 호중구의 수적 감소와 기능 억제가 뇌경색 완화와 정적 상관 관계가 있음을 입증하였다. 또한, 호중구의 결핍만으로도 뇌경색이 완화됨이 밝혀지면서, 뇌경색 상황에서 호중구의 독립적이고 독자적인 역할에 대한 가능성이 제시되었다. 운동은 신체 내에서의 호중구의 수를 감소시키고, 활성화된 호중구의 기능을 억제시킨다. 또한, 운동은 경색 부위로 모집되는 호중구의 수를 줄이고, 호중구 세포 밖 덫의 발현 수준을 감소시킨다. 그러나, 아직까지 운동의 사전조건화에 의해 영향을 받은 호중구가 뇌경색에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 존재하지 않는다.

본 연구는 운동의 사전조건화에 의해 영향을 받은 호중구가 뇌경색에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해, 생쥐에게 8주 동안 의 자발적인 유산소 운동을 처치한 후, 광혈전성 뇌경색 수술을 시행하였다. 본 연구는 운동의 사전조건화가 뇌경색 이후의 행동적 예후 회복에 기여했는지를 평가하기 위해 두 가지의 행동실험을 시행하였다. 그 결과, 운동을 한 생쥐 그룹 (Ex-PTI)이 운동을 하지 않은 생쥐 그룹(Sed-PTI)에 비해 PTI 수술 이후에 더 좋은 예후를 보이었다.

호중구는 뇌경색 부위로 가장 빠르게 침윤하여 경색을 악화시키는 주된 면역세포이기에 손상된 조직으로의 이동 능력은 호중구의 매우 중요한 기능 중 하나이다. 본 연구는 호중구의 이동 능력을 평가하기 위해, migration assay를 수행하였다. 그 결과, Ex-PTI의 호중구가 Sed-PTI의 호중구보다 통계적으로 유의하게 저하된 이동능력을 보이었다. 마지막으로, citrullinated histone H3 (CitH3)를 마커로 활용하여 혈장과 뇌에서 각각 효소 면역 측정법과 조직 형광 염색을 실시함으로써, 뇌경색을 악화시키는 주된 요인으로 손꼽히는 호중구 세포 밖 덫의 발현 수준을 확인하였다. 결과적으로, Ex-PTI가 Sed-PTI보다 혈장과 뇌에서의 CitH3 수준이 낮음을 관찰함으로써, 운동의 사전조건화가 NETs의 발현을 감소시키는 데 기여함을 확인하였다. 본 연구는 뇌경색 상황에서 운동의 사전조건화가 호중구에 미치는 영향을 보여주는 첫 번째 연구이다.

Stroke is an emergent brain disease that causes severe disability and mortality, with approximately 25 % of adults suffering from stroke in their lifetime. Ischemic stroke (IS) accounts for over 80 % of total stroke cases. Medical procedures are commonly utilized in acute IS, however, side effects, mortality, and short therapeutic window emphasize the importance of prevention as the optimal treatment for IS. In particular, exercise is an effective strategy for preventing IS.

Neutrophils are the key target for IS. IS is alleviated through the suppression of neutrophils, implying the independent role of neutrophils in IS pathology. Numerous studies have shown that IS can be alleviated by reducing the number of neutrophils and restricting their functions. At the same time, exercise can potentially mediate both the quantity and function of neutrophils in IS, by reducing the recruitment of neutrophils to the infarct site and decreasing the formation of neutrophil extracellular traps (NETs). However, studies on the effect of exercise preconditioning-mediated neutrophils on IS have not been conducted.

This research investigates the effects of exercise preconditioning on neutrophils in IS. Accordingly, mice exercised on a voluntary wheel for 8 weeks before undergoing photothrombotic ischemic stroke (PTI) surgery. We performed behavior tests to evaluate whether exercise preconditioning improved prognostic behavior outcomes following PTI. As a result, we observed significantly enhanced prognostic behavior outcomes following PTI in exercise-preconditioned mice (Ex-PTI) compared to the sedentary mice (Sed-PTI). The migration capacity is crucial for neutrophils, as they serve as the first line of defense and respond in the early stages of inflammation. From the migration assay analysis, neutrophils isolated from Ex-PTI demonstrated significantly diminished migratory function compared with those isolated from Sed-PTI. Furthermore, immunofluorescence (IF) staining of mice brains and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) on plasma identified reduced levels of NETs in Ex-PTI compared to those in Sed-PTI in both the brain and plasma. This is the first study to demonstrate the effects of exercise preconditioning on neutrophils in the IS.