Exendin-4 protects blood-brain barrier disruption against hyperammonemic condition = 고암모니아혈증 환경에서 엑센딘-4의 혈액뇌장벽 보호 효과 연구

국문 초록 (Abstract)

간성뇌증은 간 기능 저하로 인해 암모니아와 같은 신경독성 대사산물이 제거되지 못해 혈중 농도가 비정상적으로 상승하고, 이로 인해 중추신경계 기능이 손상되는 신경정신질환이다. 고암모니아혈증은 간성뇌증의 병태생리에서 핵심적인 병인 기전으로 작용하며, 혈액뇌장벽의 구조적 완전성과 기능적 항상성을 손상시켜 중추신경계에서 신경 염증 반응을 유발한다. 이러한 신경염증 및 혈액뇌장벽 기능 장애는 궁극적으로 시냅스 기능 저하, 신경회로의 불균형, 그리고 인지 기능 저하, 의식 수준 변화 등 다양한 신경학적 이상으로 이어진다. 따라서 간성뇌증에서 혈액뇌장벽 손상과 이로 인한 신경염증을 억제하는 것은 뇌 손상 진행을 완화하기 위한 중요한 치료 표적 전략으로 부각되고 있다. 본 연구의 목적은 GLP-1 수용체 작용제인 엑센딘-4가 고암모니아혈증 조건에서 유발되는 혈액뇌장벽 기능 장애와 신경 염증 반응을 억제할 수 있는지를 규명하는 것이다.
In vivo 실험에서는 13주령 수컷 C57BL/6J 생쥐에 담관 결찰 수술을 시행하여 간성뇌증 동물모델을 확립한 후, 2주 뒤 간과 뇌 조직을 수집한다. 간 조직 분석에서 혈청 AST와 ALT 수치가 유의하게 상승하여 간 손상이 성공적으로 유도되었음을 확인하였다. 또한 이 모델의 대뇌 피질에서는 치밀이음 단백질의 발현이 현저히 감소하여 혈액뇌장벽 구조의 붕괴가 확인되었으며, 산화 스트레스 및 세포 사멸 관련 단백질의 발현 증가 역시 혈액뇌장벽을 구성하는 세포들의 손상과 연관된 분자적 변화를 시사했다.
이러한 in vivo 결과를 토대로, 고암모니아혈증 환경을 모사한 in vitro 실험을 수행하였다. 뇌혈관내피세포 bEnd.3에 암모니아를 처리한 결과, 세포 간 치밀이음이 손상되면서 세포 단층의 투과성이 증가하고, 치밀이음 단백질의 발현이 현저하게 감소했다. 또한 C8-D1a 성상세포에서는 염증성 사이토카인(IP-10, M-CSF, KC 등) 분비가 유의하게 증가하여, 성상세포 매개 염증 반응이 간성뇌증의 병태생리에 기여함을 확인했다. 엑센딘-4를 처리한 결과, 두 세포 모델 모두에서 이러한 병리적 변화가 뚜렷하게 억제되었으며, 혈액뇌장벽의 구조적 안정성 유지와 염증 반응 감소라는 이중 효과가 관찰되었다.
추가적으로, bEnd.3 세포에 대한 RNA 전사체 분석 결과, 엑센딘-4는 산화 스트레스 조절, 염증 반응 억제, 세포막 안정성 강화, 장벽 기능 유지와 관련된 다양한 생물학적 경로에서 유전자 발현을 조절하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 엑센딘-4가 다중 신호전달 경로를 통해 혈액뇌장벽 보호 효과를 발휘함을 시사한다.
결론적으로, 본 연구는 엑센딘-4가 고암모니아혈증 조건에서 혈액뇌장벽의 붕괴를 억제하고 이로 인한 뇌 기능 손상을 완화하는 기전을 규명하였다. 이러한 결과는 GLP-1 수용체 작용제가 간성뇌증에서 중추신경계의 신경병리학적 변화와 기능장애를 예방하거나 역전시킬 수 있는 잠재적 치료 전략이 될 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric disorder caused by impaired hepatic detoxification, leading to the accumulation of neurotoxic metabolites such as ammonia. Hyperammonemia plays a central role in the pathogenesis of HE by disrupting the structural integrity and functional homeostasis of the blood–brain barrier (BBB), which triggers neuroinflammatory cascades. These BBB disruptions and subsequent neuroinflammation result in synaptic dysfunction, neural circuit imbalance, and a spectrum of neurological abnormalities including cognitive deficits and altered consciousness. Therefore, strategies that protect the BBB and attenuate neuroinflammation have emerged as important therapeutic approaches for HE. The present study aimed to determine whether exendin-4, a glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor agonist, could ameliorate BBB dysfunction and associated neuroinflammatory responses under hyperammonemic conditions. In vivo, a bile duct ligation (BDL) model was established in 13-week-old male C57BL/6J mice. Two weeks post-surgery, liver injury was confirmed by significant elevations in serum AST and ALT levels. In the cerebral cortex of BDL mice, expression of tight junction proteins was reduced, indicative of BBB disruption, and there was a concomitant increase in oxidative stress– and apoptosis-related proteins, suggesting molecular injury to BBB components. Based on these observations, an in vitro model mimicking hyperammonemia was developed. Ammonia exposure in bEnd.3 brain microvascular endothelial cells led to disruption of intercellular tight junctions, increased monolayer permeability, and downregulation of tight junction proteins. In C8-D1a astrocytes, ammonia induced a robust increase in proinflammatory cytokines (IP-10, M-CSF, KC), highlighting the contribution of astrocyte-mediated neuroinflammation to the pathogenesis of HE. Treatment with exendin-4 mitigated these pathological alterations in both cell models, preserving BBB structural integrity and suppressing inflammatory responses. Furthermore, RNA sequencing of bEnd.3 cells revealed that exendin-4 modulates gene expression across multiple biological pathways involved in oxidative stress regulation, inflammatory signaling, membrane stabilization, and barrier maintenance, indicating that its protective effects are mediated by multifaceted signaling mechanisms. In conclusion, this study demonstrates that exendin-4 attenuates hyperammonemia-induced BBB disruption and mitigates subsequent neurological injury. These findings suggest that GLP-1 receptor agonists may represent a promising therapeutic strategy to prevent or reverse neuropathological changes and functional deficits of the central nervous system in HE.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and methods 5
• 3. Results 17
• 4. Discussion 30
• 5. Conclusion 33
• Figures and Tables 34
• References 69
• Acknowledgments 81
• Abstract in Korean 82