뇌허혈 모델에서 Carnosine의 Matrix Metalloproteinase 활성 감소작용에 의한 뇌신경 손상에 대한 보호작용

Abstract

Carnosine은 신체의 많은 부분에서 존재하는 내인성 디펩티드이며, 특히 중추신경계에서 발현이 되고 있다. Carnosine은 비교적 안전한 물질이며 강력한 항산화제로 주목받으며, 식품 보조제로도 이용되고 있다. 지금까지 보고된 carnosine의 신경보호 작용 가능성을 근거로 carnosine 투여가 허혈성 신경세포 손상에 대해 억제작용을 가지는지 알아보고, 또한 허혈성 신경손상에 중요한 작용을 하는 것으로 알려진 matrix metalloproteinase(MMP) 활성에 어떠한 작용을 하는지 알아보고자 하였다. 이 연구에는 웅성 C57BL/6 마우스를 사용하여 전신마취 하에 양측 총경동맥을 폐쇄하여 20 분간 전뇌허혈을 유발하였다. 허혈 유발 72 시간 후 실험을 위해 마우스를 희생시켰다. Carnosine(1,000 mg/kg)을 식염수에 녹여 수술 30 분 전 복강 내 주사하였으며 희생시킬 때까지 매일 1회 주사하였다. 대조군에는 생리 식염수를 약물과 동일한 양을 동일한 조건으로 투여하였다. 뇌조직 또는 뇌절편을 만든 후 전뇌허혈에 대한 carnosine의 영향을 관찰하였다. MMP-2 및 MMP-9의 활성을 관찰하기 위해 gelatin gel zymography 및 in situ zymography를 실시하였다. 신경세포 손상은 해마 CA1 및 CA2 영역에서 현저하였고, carnosine에 의해 유의하게 감소되었다. 전뇌허혈에 의해 해마의 gelatinase 활성이 대조군에 비해 증가하였으며, carnosine에 의해 활성이 유의하게 감소되었다. Laminin과 NeuN 발현을 관찰한 면역형광법에 있어서 carnosine은 허혈에 의한 laminin 및 NeuN의 발현 감소를 억제하였다. 또한 carnosine은 허혈에 의한 해마 신경세포의 in situ DNA fragmentation(TUNEL 염색 양성)을 억제하였다. MMP-9 wild-type 마우스는 carnosine에 의해 허혈성 신경세포 손상이 줄어들었으며, MMP-9 knockout(KO) 마우스에서 역시 신경세포 손상이 줄어들었다. 그러나 MMP-9 KO 마우스는 carnosine에 의해 신경세포 손상에 있어 vehicle 투여된 MMP-9 KO 대조군과 별차이가 없었다. 결론적으로 carnosine은 전뇌허혈에 의한 신경세포 손상을 억제하며, 이는 gelatinase 특히 MMP-9의 활성을 억제하는 작용이 일부 관여되었다고 생각된다.

Carnosine (β-alanyl-L-histidine) shows diverse pharmacological activities such as antioxidant, antiapoptosis, and antiexcitotoxic effects. Carnosine also possesses the neuroprotective effect against cerebral ischemia. Most studies regarding protective effect of carnosine were done with focal cerebral ischemia model. The effect of carnosine on neuronal damage following global cerebral ischemia remains to be clarified. Transient global cerebral ischemia was produced by occlusion of both common carotid arteries for 20 min in mice. Carnosine (1,000 mg/kg) was administered intraperitoneally 30 min after ischemic insult. In carnosine-treated mice, hippocampal neuronal damage was significantly reduced compared with vehicle-treated mice. Carnosine also reduced matrix metalloproteinase (MMP)-9 activity induced by ischemia. Carnosine inhibited laminin breakdown and recovered NeuN expression in hippocampus compared to vehicle-treated mice. Carnosine also decreased terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end-labeling-positive cells in the hippocampus. In normal wild type mice, carnosine also significantly reduced ischemic neuronal damage. The neuronal damage was also reduced in MMP-9 knockout (KO) mice following ischemia. However, carnosine had no protective effect when administered to MMP-9 KO mice subjected to global ischemia compared with vehicle-treated MMP-9 KO mice. These data suggest that carnosine shows a protective role against neuronal damage following transient global ischemia, by reducing MMP-9 activity, partially.