외상성 뇌손상 후 운동에 의해 활성화된 BDNF-ERK 신호전달 경로가 소뇌에서 발생된 퍼킨제 세포 사멸과 astrogliosis에 미치는 역할 규명

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 외상성 대뇌 타박 손상 후 트레드밀 운동에 의해 활성화된 BDNF-ERK1/2 신호전달 경로가 소뇌 퍼킨제 세포의 생존율을 증가시키고, 과립세포층 (granule layer)과 분자층 (molecular layer)에서 반응성 성상교세포의 군집율을 감소시켜 astrogliosis에 변화를 가져올 수 있는지를 확인하는데 그 목적을 두고 있다. 본 연구는 7 주령 Sprague-Dawley 계열의 수컷 흰쥐 36마리를 사용하였다. 실험동물은 실험 전 일주일 동안 실험실 환경에 적응시킨 후, 무작위 표본추출법에 의해 실험집단을 크게 가성 수술군 (sham operation group, n=12), 외상성 뇌 손상군 (traumatic brain injury group, n=12) 그리고 외상성 뇌 손상+운동군 (traumatic brain injury+exercise group, n=12)으로 분류하였다.외상성 뇌손상을 유발시킨 3일 후부터 운동그룹의 동물들은 소형동물용 트레드밀에서 점증적인 부하를 이용하여 운동을 실시하였다. 점증부하 운동수행은 경사도 0 %에서 초기 5분간은 2 m/min 속도로 부하 주다가 그 다음 5분간은 3 m/min 속도로, 그리고 4 m/min 속도에서 20분간 총 30분 달리기를 하루 일회씩 10일간 운동을 실시하였다. 본 연구 결과 소뇌 퍼킨제 세포를 확인하기 위해 calbindin 항체를 이용한 면역형광염색법을 수행하였다. calbindin은 퍼킨제 세포에서만 특이적으로 발현되는 단백질이다. 외상성 뇌 손상 후 퍼킨제 세포 수는 급격히 감소하였지만, 손상 후 규칙적인 운동 수행에 의해 퍼킨제 세포의 사멸이 억제되었다. 소뇌 별아교세포의 증식과 퍼킨제 뉴런의 수초에 변화를 확인하기 위해 GFAP와 calbindin 항체를 이용한 이중 면역형광염색법을 수행하였다. GFAP는 별아교세포에서만 특이적으로 발현되는 단백질이다. 외상성 뇌 손상 후 퍼킨제 뉴런의 수초는 퍼킨제 뉴런의 생존에도 불구하고 사라졌다. 또한 별아교세포는 분자층에서 증가하였다. 그러나 외상성 뇌 손상 후 규칙적인 운동은 퍼킨제 뉴런의 수초 사라짐을 차단하였고, 별아교세포의 활성도를 감소시켰다. 외상성 뇌손상 후 퍼킨제 뉴런에서 BDNF의 발현을 확인하기 위해 이중 면역형광염색법을 수행하였다. 외상성 뇌 손상 후 퍼킨제 뉴런의 감소와 함께 BDNF의 발현량이 감소하였지만, 외상성 뇌 손상 후 규칙적인 운동은 퍼킨제 뉴런에서 BDNF의 발현을 증가시켰다.
소뇌의 퍼킨제 뉴런에서 BDNF와 인산화된 ERK1/2 동시에 발현되었다. 외상성 뇌 손상 후 인산화된 ERK1/2와 BDNF는 퍼킨제 뉴런의 사멸로 인해 발현량이 감소하였지만, 외상성 뇌 손상 후 규칙적인 운동은 퍼킨제 뉴런에서 인산화된 ERK1/2-BDNF 신호전달 경로를 활성화시켰다. 외상성 뇌손상 후 소뇌에서 BDNF와 인산화된 ERK1/2의 발현량을 정량적으로 분석하기 위해 western blot을 수행하였다. 외상성 뇌 손상 후 소뇌에서 인산화된 ERK1/2와 BDNF는 발현량이 감소하였지만, 규칙적인 운동은 인산화된 ERK1/2와 BDNF의 발현을 촉진시켰다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The cerebellum is selectively vulnerable to forebrain traumatic brain injuries (TBI). Physical exercise in animals has been implicated in promoting cell survival and functional recovery after brain injuries. However, the detailed pathologic and functional alterations by exercise following an indirect cerebellar injury induced by a TBI are largely unknown. We determined the effects of exercise-increased BDNF and p-ERK1/2 on Purkinje neuron loss and a population of reactive astrocytes in the gyrus of lobules VIII and IX of the cerebellum after TBI. The rats were divided into three groups: the sham-operation group, the TBI-induction group, and the TBI-induction with exercise group. Cell biological changes of Purkinje neurons following indirect cerebellar injury were analyzed by immunohistochemistry for calbindin, a specific marker of Purkinje neuon. TBI produced calbindin-stained Purkinje neuron loss in the posterior region of the cerebellum and TBI also increased astrogliosis in molecular layers of the cerebellar posterior region. Treadmill exercise after TBI prevented Purkinje neuron loss and suppressed formation of reactive astroyctes. The present study provides the possibility that treadmill exercise may be an important mediator to inhibit the disappearance of Purkinje neurons in TBI-induced indirect cerebellar injury.