Neuroprotective Effect and Mechanism of Action of the Verbenone Derivative SP-8356 for Traumatic Brain Injury
외상성 뇌손상에 대한 베르베논 유도체 SP-8356의 신경보호 효과 및 작용 기전
- 주제(키워드) brain injury , brain concussion , brain contusion , basigin , matrix metalloproteinase 9
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김원기
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 대학원 의과학과
- 세부전공 의생명과학 전공
- 세부분야 해당없음
- 원문페이지 129 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000270562
- UCI I804:11009-000000270562
- DOI 10.23186/korea.000000270562.11009.0001422
- 본문언어 영어
초록/요약
Traumatic brain injury (TBI) refers to structural brain damage or physiological changes in brain function caused by an external force. After a strong external impact, the brain is first subjected to mechanical damage and secondarily to various biochemical damage. The secondary injury after head impact includes excitotoxicity, oxidative stress, and neuroinflammation, and these complex biochemical events called for the need to develop a multi-potent drug. Since inflammatory reaction causes chronic neurodegeneration and neurological functional decline, the suppression of inflammatory responses has been attempted as an important therapeutic strategy. Therefore, there is a compelling need to develop a multi-target directed anti-inflammatory drug that simultaneously suppresses excitotoxicity and oxidative stress. SP-8356 is one of the (S)-cis verbenone derivatives equipped with anti-oxidant and anti-excitotoxic activities, in addition to the anti-inflammatory effect. Recent studies revealed that SP-8356 is involved in the CD147-CD147 dimerization and CD147-Cyclophilin A interaction, resulting in matrix metalloproteinase (MMP) inhibition. As the neuroinflammation induces long-term neurodegeneration and worsens neurological function after TBI, I aimed to propose that SP-8356, a multi-target-directed drug, can exhibit a therapeutic effect on the TBI animal model. I focused on three goals; 1) to find the optimal injury conditions that can cause the sequelae of TBI, 2) to validate the efficacy of SP-8356 and its prodrug LMT-1154 drugs in different types of TBI animal models, 3) to investigate the changes in neuroinflammatory responses and sensory-motor function by the increased microglial activation. As a result, in the study with the weight drop (WD) TBI model, SP-8356 tended to improve the sensorimotor function at 24 h after the two repetitive WD TBIs compared to the vehicle group in the rotarod test. The real-time quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (RT-qPCR) showed that SP-8356 effectively reduced the MMP-9 gene expression increased by two repetitive WD TBIs. LMT-1154 significantly improved the sensorimotor function at 24 h and 48 h after the two repetitive WD TBIs compared to the vehicle group and suppressed the activity of astrocytes in the hippocampus. Seven repetitive WD TBIs induced depressive symptoms and anxious behavior. In the study with the controlled cortical impact (CCI) injury mouse model, the limb usage asymmetry test showed that SP-8356 increased impaired limb use in CCI injury by 31.6%. The RT-qPCR test showed that the increased MMP-9 expression by the CCI injury was significantly down-regulated by SP-8356 treatment. Coincidently, gelatin zymography showed the down-regulation of MMP-9 activity by SP-8356. LMT-1154 effectively alleviated the impairment of the affected upper limb caused by cortical impact and significantly inhibited the activity of astrocytes and microglia. In the study with the WD TBI model with the lipopolysaccharide (LPS) microinjection, the pre-injection of LPS amplified the increased activity of the microglia and macrophages 48 h after TBI. In RT-qPCR, the pre-injection of LPS increased the gene expressions of CD11b, TNF-α, IL-1β, TGF-β1, and MMP-9 after the TBI. Gelatin zymography revealed increased MMP-9 activity after the TBI by the LPS pre-injection. However, in the rotarod test, LPS pre-injection did not affect the changes in sensorimotor function caused by TBI. My studies show that the various symptoms, including sensorimotor dysfunction and emotional symptoms of anxiety/depression, can be induced by the WD- and CCI-induced TBI models. In addition, my findings indicate that SP-8356 can improve sensorimotor dysfunction via the blockade of MMP up-regulation after TBI. Moreover, I have shown that microglial activation before TBI exacerbates the increase in expressions of inflammatory cytokines and MMP-9 activity after TBI. In conclusion, SP-8356 can be a potential therapeutic agent for TBI by blocking MMP up-regulation after TBI.
more초록/요약
외상성 뇌손상은 외력에 의한 구조적인 뇌의 손상 또는 뇌 기능의 생리적 변화를 일컫는다. 뇌에서는 강한 외부 충격으로 인한 기계적 손상 이후에 이차적으로 다양한 생화학적 손상이 일어난다. 두부 외상 이후의 이차적 손상에는 흥분 독성, 산화 스트레스, 신경 염증이 포함되며 이러한 복잡한 생화학적 변화들은 다중 기전으로 작용하는 약물의 개발 필요성을 불러일으켰다. 특히 신경 염증은 만성적인 신경변성과 신경학적 기능 저하를 유발하기 때문에 염증 반응을 억제하는 것이 중요한 치료적 전략으로 시도되고 있다. 따라서, 흥분독성과 산화 스트레스를 동시에 억제하면서 신경 염증을 완화할 수 있는 다중 기전 약물의 개발이 절실하다. SP-8356은 베르베논 유도체 중 하나로, 항염증 효과 외에도 항산화 및 항흥분독성 활성을 가지고 있다. 최근의 연구에 따르면 SP-8356은 CD147-CD147 이량체화 및 CD147-Cyclophilin A 상호작용에 관여하여 기질 금속단백분해효소 억제를 유발한다는 것이 밝혀졌다. 나는 신경염증이 외상성 뇌손상 이후 장기적으로 신경변성을 유발하고 신경학적 기능을 악화시킨다는 점에 착안하여 다중 기전 약물인 SP-8356이 외상성 뇌손상 동물 모델에서 치료적 효과를 보일 수 있다고 제안했다. 이를 위해 나는 1) 외상성 뇌손상의 후유증상을 유발할 수 있는 최적의 손상 조건을 확립하고, 2) 자유 낙하 모델과 피질 충격 모델 등의 외상성 뇌손상 동물 모델에서 SP-8356과 그 전구약물인 LMT-1154의 효능을 검증하며, 3) 신경염증 반응 및 감각-운동 기능에 미세아교세포 활성도의 변화가 미치는 영향을 규명하고자 했다. 자유 낙하 손상 모델을 이용한 연구 결과, SP-8356은 약물 무처리군에 비해 두 차례의 자유 낙하 손상 후 24시간 째에 로타로드 검사로 평가한 감각운동 기능 수준을 개선하는 경향을 보였다. 또한, SP-8356은 실시간 중합효소연쇄반응 검사에서 자유 낙하 손상으로 인해 증가한 기질 금속단백분해효소-9의 유전자 발현을 감소시켰다. LMT-1154는 약물 무처리군에 비해 두 차례의 자유 낙하 손상 후 24시간 및 48시간째의 감각운동 기능 수준을 개선했고, 해마에서 별아교세포의 활성을 억제했다. 일곱 차례의 자유 낙하 손상은 우울 증상과 불안 행동을 유발하였다. 피질 충격 모델을 이용한 연구에서는, SP-8356이 피질 충격에 의해 감소한 환측 팔의 사용을 31.6% 증가시켰다. 실시간 중합효소연쇄반응 검사에서는 SP-8356이 피질 충격에 의해 증가한 기질 금속단백분해효소-9의 유전자 발현을 감소시켰다. 공교롭게도, 젤라틴 자이모그래피에서는 SP-8356가 기질 금속단백분해효소-9의 단백질 활성도를 감소시켰다. LMT-1154는 피질 충격에 의해 감소한 환측 팔의 사용을 증가시켰으며 별아교세포와 미세아교세포의 활성을 억제했다. 자유 낙하 손상 모델에서 지질다당류의 뇌내 미세투여 효과를 평가한 연구에서는, 지질다당류의 사전 투여가 자유 낙하 손상 이후 48시간째에 증가한 미세아교세포와 큰포식세포의 활성도를 더욱 증폭시켰다. 실시간 중합효소연쇄반응 검사에서는 자유 낙하 손상 전 지질다당류의 사전 투여가 자유 낙하 손상 후 평가한 세포표면항원무리11b, 종양괴사인자-α, 인터루킨-1β, 변형성장인자-β1 및 금속단백분해효소-9의 유전자 발현을 증가시켰고 금속단백분해효소-9의 단백질 활성을 증가시켰다. 그러나 로타로드 검사에서 지질다당류의 사전 투여가 자유 낙하 손상으로 인한 감각 운동 기능의 변화에 영향을 미치지는 않았다. 종합하면, 나의 연구는 감각 운동 기능 장애나 정서적 증상을 포함하는 다양한 증상들이 외상성 뇌손상의 자유낙하 모델과 피질 충격 모델에 의해 유발될 수 있음을 보여준다. 또한, 나의 연구 결과들은 SP-8356이 외상성 뇌손상 후의 금속단백분해효소-9 증가를 억제함으로써 감각운동 기능의 장애를 개선할 수 있음을 나타낸다. 더욱이, 나는 외상성 뇌손상 이전의 미세아교세포 활성화가 외상성 뇌손상 이후 증가하는 염증성 사이토카인의 유전자 발현과 금속단백분해효소-9의 활성을 악화시킨다는 것을 보여주었다. 결론적으로 SP-8356은 외상성 뇌손상 후의 금속단백분해효소-9 증가를 효과적으로 억제하므로, 외상성 뇌손상의 잠재적 치료제가 될 수 있다.
more목차
ABSTRACT i
국문 초록 iv
TABLE OF CONTENTS vii
LIST OF TABLES ix
LIST OF FIGURES x
CHAPTER 1. STUDY ON THE REPETITIVE WEIGHT DROP MODEL OF TRAUMATIC BRAIN INJURY 1
SUMMARY 1
INTRODUCTION 2
MATERIALS AND METHODS 4
RESULTS 16
DISCUSSION 22
REFERENCES 43
CHAPTER 2. STUDY ON THE CONTROLLED CORTICAL IMPACT MODEL OF TRAUMATIC BRAIN INJURY 47
SUMMARY 47
INTRODUCTION 48
MATERIALS AND METHODS 50
RESULTS 57
DISCUSSION 61
REFERENCES 74
CHAPTER 3. EFFECT OF LIPOPOLYSACCHARIDE INJECTION ON TRAUMATIC BRAIN INJURY 79
SUMMARY 79
INTRODUCTION 80
MATERIALS AND METHODS 82
RESULTS 88
DISCUSSION 91
REFERENCES 108
