Long-term Changes of Bronchiolar Clara Cells and Alveolar Cells in the Smoking Rat Model

Abstract

Smoking is strongly associated with the development of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The Clara cells are able to self-renew and give rise to ciliated cells and alveolar cells as a progenitor cell. To clarify the morphologic and molecular alteration of smoke-induced Clara cell and alveolar cell injuries, Sprague-Dawley rats were exposed to side-stream cigarette smoke for 12 months, and rat lungs were examined by light microscope, electron microscopes, immunohistochemistry, and real-time RT-PCR. Intermediate- and long- term side-stream cigarette smokes induced distinct morphological and molecular changes including dilatation of small airways, damage of Clara cells with reduced cytoplasm and secretory granules, and flattening of cell surface, bronchiolar metaplasia on AD, injuries of alveolar epithelial and endothelial cells, alveolar interstitial fibrosis with collagen deposit, and centrilobular emphysematous change. Immunohistochemically, long- term exposed groups showed decreased expression of CC10, CC16, and increased expression of TGF-β1. CC16 mRNA level of the intermediate- term group was significantly lower than that of the control group, but CC16 mRNA showed increased expression when compared in the intermediate- and long-term exposed groups. In conclusion, long-term cigarette smoke induces morphological and molecular changes of bronchiolar Clara cells and alveolar cells, which contribute to the pathogenesis of smoking-associated COPD.

흡연은 만성폐쇄성폐질환의 발생에 크게 관여한다. 클라라세포는 다양한 기능 변화를 보이며, 스스로 재생하고, 섬모원주세포와 폐포세포로 분화하여 복구하는 등 조상세포의 역할을 한다. 흡연으로 손상된 클라라세포와 폐포세포의 형태적, 면역조직화학적 및 분자학적 변화를 밝히기 위해, 단기, 중기, 장기적 담배 연기 간접 흡입시 클라라세포, 폐포상피 및 내피세포에 미치는 영향을 평가하였다. Sprague-Dawley종 흰쥐를 비흡연군과 노출기간에 따른 7개의 흡연군으로 나누었으며, 광학현미경, 전자현미경, 면역조직화학염색, real-time RT-PCR을 시행하여 관찰하였다. 종말세기관지, 호흡세기관지, 폐포관의 직경확장, 클라라세포의 형태 변화와 파괴가 4주 노출군에서부터 관찰되었으며, 흡연노출이 길어질수록 더욱 심하였다. 폐포벽 파괴와 중심소엽 폐기종성 변화도 4주 노출군부터 관찰되었으며, 이 또한 흡연노출 기간에 비례하여 그 정도가 심해졌다. 전자현미경상에서 클라라세포의 형태 변화를 더욱 자세히 관찰할 수 있었으며, 2주 노출군에서부터 클라라세포의 분비과립과 세포질 부피가 감소하고 세포표면이 평평해지기 시작하였다. 폐포벽 파괴와 분절, 폐포 상피 및 내피세포의 손상, 폐포벽의 콜라겐 축적이 3개월 노출군 이후 현저히 관찰되었다. 면역조직화학염색을 시행하여 관찰하였을 때, 클라라세포의 CC10과 CC16 발현이 6개월 노출군에서부터 확연히 감소하였다. 대조군과 단기 흡연 노출군에서 Claudin3와 Claudin8 발현은 종말세기관지와 호흡세기관지에서만 관찰되었으나, 3개월 노출군 이후에서는 폐포관으로 확장하여 발현되었다. TGF-β1 발현도 단기 흡연 노출군에서 일부 관찰되었으며, 흡연노출 기간에 비례하여 미만성으로 발현증가를 보였다. CC16 mRNA 발현은 비흡연군에 비해 3, 6개월 노출군에서 유의하게 감소하였고, 3개월 이후 노출군 내에서 비교하였을 때 흡연 노출기간에 따라 발현이 증가하는 양상을 보였다. 결론적으로, 담배 연기 장기간 간접흡입은 소기도 확장, 클라라세포 손상, 폐포관으로 세기관지 화생, 폐포 상피 및 내피세포의 손상을 발생시켰다. 또한, 콜라겐 축적을 동반한 폐포간질 섬유화, 폐포벽 파괴 및 중심소엽 폐기종성 변화를 보였다. CC10, CC16, Claudin3, Claudin8, MMP-9, TGF-β1에 대한 면역조직화학염색과 CC16 mRNA에 대한 real-time RT-PCR을 통해 염증 사이토카인의 분자적 변화를 확인할 수 있었다. 이는 만성폐쇄성폐질환의 발병기전을 이해하는데 기여할 것으로 기대한다.