파킨슨병 발병 메커니즘 및 동물모델 모델링
파킨슨병 인식(PD)
파킨슨병(Parkinson's Disease, PD)은 영국의 의사 제임스 파킨슨 시스템에 의해 처음 기술되었으며 중추신경계에 영향을 미치는 신경퇴행성 질환으로 주로 운동신경계에 영향을 미치며 임상증상은 주로 운동증상(정지성 떨림, 경직, 보행이상 등)과 비운동증상(수면장애, 인지장애, 우울 등)을 포함한다. 세계에서 두 번째로 큰 신경퇴행성 질환으로 전 세계적으로 PD의 발병률이 해마다 증가하고 있으며 PD로 인한 장애 및 사망 증가율도 다른 신경계 질환을 능가합니다. WHO 통계에 따르면 2019년 전 세계적으로 850만 명이 넘는 사람들이 PD를 앓고 있으며, 이 중 PD로 인한 장애인은 580만 명으로 2000년 대비 81% 증가했다. PD로 인한 사망자는 32만9000명으로 2000년에 비해 100% 증가했다. PD는 현재 표적 치료제가 없다[2].
PD의 발병 메커니즘
PD 의 임상 병리 특징은 주로 환자의 중뇌 특정 뇌구 흑질 치밀영역 (SNpc) 도파민 (DA) 이 신경세포의 대량 시들어가는 것으로 나타났다. 그리고 생존 뉴런에 α-Syn이 잘못 접혀 응집되어 형성된 루이소체(Lewy Body, LB)가 나타나며, 선조체 DA의 발현 수준이 감소합니다. WHO 보고에 따르면 PD의 발병은 노화, 유전적 요인, 환경적 요인 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 현재 PD의 병원성 기전에 대한 주류 학설은 신경염증 이론, α-Syn 단백질의 잘못된 접힘 및 과발현 이론, 산화 스트레스 이론, 미토콘드리아 기능 장애 이론 등이 있다[3].
그림 2 건강한 사람과 PD 환자의 흑질 치밀영역 (SNpc) 도파민 뉴런의 생존 상태 비교[4]
그림 3. α-시냅스 핵단백질의 응집 비교 [5]
그림 4. PD의 발병 요인 및 발병 메커니즘[3]
PD 관련 동물 모델
최근 파킨슨병의 신경생물학 메커니즘, 유전 및 환경 요인에 대해 더 잘 알고 있지만 파킨슨병의 신약 개발로는 여전히 어려움이 많다. 사용 가능한 바이오 마커, 좋은 약물 과녁, 유전적 기초 등의 요소 탐사 부족은 모두 약물 개발에 지장을 주고 있다. 따라서 적절한 질병 마우스 모델은 PD 메커니즘 연구와 신약 개발을 촉진하는 데 없어서는 안될 도구입니다. PD의 동물 모델은 주로 신경독(neurotoxins) 모델과 유전자 편집 모델의 두 가지 모델로 구성되며 일부 문헌은 신경독(neurotoxins)과 유전자 편집의 복합 모델을 선택하고 그 중 신경독(neurotoxins) 모델이 가장 널리 사용됩니다[6].
그림 5 유형별 PD 모델 선택 수량과 추세[6]
(1) 신경독소(neurotoxins) 모델[7]
신경독소(neurotoxins) 모델에서 신경독소(neurotoxins)가 가장 일반적으로 사용되는 것은 6-OHDA와 MPTP이며, 신경독소(neurotoxins) 모델의 모델링 방법은 대부분 전신 주사 신경독소(neurotoxins) 또는 뇌 내 주사 신경독소이며, 신경독소(neurotoxins) 모델에 따라 시뮬레이션할 수 있는 PD의 병리학적 특성이 다릅니다.
뇌내 주사 6-OHDA 유도 PD 모델
모델링 방법: 주사 부위는 일반적으로 선조체, 내측전뇌속(MFB), 흑질(SN)이며 주사 위치 DA 뉴런의 세포자멸사는 3-5일 이내에 검출될 수 있습니다. 선조체(Striatum)에 주입하면 선조체(Striatum)의 축삭 말단이 파괴되고 SN에서 DA 뉴런이 천천히 역행하여 변성됩니다. 증상은 비교적 가볍고 진행이 느립니다.MFB와 SN에 주입하면 빠르고 대규모 DA 뉴런 변성 및 세포 사멸이 발생합니다.
모델 특징: PD 모델은 질병의 임상 표현형을 비교하며 행동 장애 표현형은 일치하며 모델은 PD의 비운동적 증상을 유발할 수 있지만 LB에 의해 형성된 병리학적 표현형이 부족합니다.
그림 6. 6-OHDA가 다른 종, 용량, 주사 부위에 유도한 PD 모델 특징[7]
뇌 또는 말초 주사 MPTP 유도 PD 모델
모델링 방법: MPTP는 혈액 및 뇌 장벽을 쉽게 통과할 수 있는 친유성 분자입니다. 전신 또는 뇌내 투여 후 MPTP는 성상교세포(astrocyte)의 모노아민 산화효소 B(MAOB)에 의해 강력한 도파민성 신경독소 1-메틸-4-페닐피리딘 이온(MPP+)으로 산화될 수 있습니다. MPP+는 독성 대사 산물이며 구조가 도파민과 유사하기 때문에 도파민 수송체(DAT)를 통해 도파민 뉴런에 의해 쉽게 흡수됩니다. 이어 MPP＋는 SN 에서 DA 뉴런의 시들어가는 것을 유도하고, 동시에 선조체(Striatum) 도파민 수준은 낮아진다[9]. DA 뉴런의 세포자멸사 메커니즘은 MPP+가 미토콘드리아 호흡에서 복합체 I을 억제하여 유도되며, 이 선조체와 SN의 ATP 농도가 급격히 감소하고 이후 DA 뉴런의 세포자멸사가 발생합니다[10].
모델 특징: MPTP의 전신 투여는 선조체 및 흑질 영역의 DA 뉴런 손실, 뇌의 산화 스트레스, 미토콘드리아 기능 장애를 포함하여 PD의 진행성 병리학적 과정을 시뮬레이션할 수 있지만 마찬가지로 이 모델도 LB 형성의 병리학적 표현형이 부족합니다[7]. 신경독소 모델에서 LB 형성의 이 병리학적 표현형은 로테논(Rotenone) 유도 PD 모델에서 관찰될 수 있다[11].
그림 7. MPTP 유도 DA 뉴런의 세포자멸사 메커니즘[4]
(2) 유전자 편집 모형[12]
유전학은 또한 PD의 발병기전에 중요한 역할을 합니다.가족 PD 및 특발성 PD의 분석을 통해 PD에 SNCA(표 α-Synuclein은 SNCA여야 함), Parkin, DJ-1, PINK1 및 LRRK2의 병원성 유전자가 있음을 확인했습니다.
| 유전자명 | 유전자 기능 | 수식 방식 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|---|
| SNCA | α-시누클레인의 표현 | 돌연변이(A53T, A30P 및 E46K) 또는 반복 단편 | 알파핵단백질 관련성 변성 연구, PD 중 유전과 환경인자 관계 연구에 도움 | 일부 모델은 dopaminergic neuron이 크게 없어지거나 인간의 PD 병리와 일치하지 않는 세포가 시들어가는 형태를 나타낸다 |
| LRRK2 | 가족성 PD병원성 유전자 | 돌연변이(G2019S 및 R1441C/G) | 치료 표적 및 LRRK2 표적 약물 검사에 사용 가능, LRRK2 기능 연구에 유용한다 | 운동 결함은 있지만 dopaminergic neuron 변성 손실, LB 병리 표현 부족 |
| Parkin | 유비퀴틴 연결효소(Ubiquitin ligase)는 돌연변이 또는 녹아웃 후 신경독성 기질이 축적될 수 있다 | 돌연변이, 녹아웃 | Parkin 기능 연구에 유용한다 | 표현형 데이터 부족 |
| DJ-1 | 항산화 단백질 | 녹아웃 | 신경독소 모델과 병용하면 매우 효과적이다 | LB 병리 표현 부족, 눈에 띄는 dopaminergic neuron 손실 없음, 운동 결함 있음, 표현형 데이터 감소 |
| PINK-1 | 신경보호성 키나아제 | 돌연변이, 녹아웃 | G309D-PINK1 생쥐에서 도파민 감소와 운동결핍 표현형 발생 | 대부분의 PINK-1 모델은 dopaminergic neuron 과 도파민 수준의 감소를 나타내지 않았다 |
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PD표형의 평가수단
PD의 평가 방법은 주로 신경 행동학, 분자 생물학 및 면역세포화학(immunocytochemistry)에 중점을 둡니다. Cyagen표형 분석 플랫폼은 전문 표형 실험 장비 및 기록 분석 시스템을 갖추고 있어 신경행동학, 영상학 분석, 생리생화학 분석, 병리학 분석, 유전자 및 단백질 표현 분석, 대사 분석, 세포 기능 검사 등 표준화된 표형 분석 서비스를 제공합니다. 자세한 내용은 문의해 주세요.
| rotarod test | 동물의 운동 조정 능력을 고찰하면, 동물은 일정한 회전 속도를 유지하는 회전봉 위에서 지속적으로 운동을 하여, 동물의 지속 가능한 운동 시간을 기록해야 한다. |
| Water maze test | 동물의 인지능력을 고찰하고, 연못을 4개의 사분면으로 나누어, 플랫폼을 수중 미로장치의 특정 사분면에 놓고, 동물이 플랫폼이 위치한 반대쪽 사분면에서 물에 들어간 후 플랫폼의 경로를 찾도록 훈련하고, 동물이 플랫폼을 찾는 데 걸린 시간, 총 노정 및 속도를 기록한다. |
| open field test | 동물의 불안 정도와 인지 능력을 조사합니다.개방된 장소를 중앙 구역과 벽 구역으로 나누고 동물을 중앙 구역에 5분 동안 두고 중앙 구역과 벽 구역에서 동물의 체류 시간, 직립 횟수 및 운동 궤적을 기록하고 인지 능력을 새로운 물체 인식 실험을 사용하여 조사합니다. |
| climbing-pole experiment | 동물의 운동 균형 능력을 고찰한다. 동물을 나무로 만든 거친 작은 공 위에 놓고, 그 하단에는 표면이 거칠고 단면이 둥근 막대기가 잇대어 있고, 막대기 하단에는 쥐장 안에 넣어 동물의 머리가 아래를 향해 나무 공에서 막대기로 올라가는 데 걸리는 시간과 전체 막대기를 다 오르는 데 걸리는 시간을 기록한다. |
| 매달림 실험 | 동물의 운동 균형 지속 능력을 고찰하다. 동물을 매달린 그리드에 거꾸로 매달고, 그리드 주위에는 동물이 뒤집히지 않도록 하고, 동물이 착지한 시간을 기록한다. |
| TH면역세포화학(immunocytochemistry), α-Syn면역세포화학(immunocytochemistry) | 흑질 치밀영역 (SNpc)에서 DA 뉴런의 생존 수량과 LB의 발현 상황을 관찰한다. |
| 표지물 검측 | 주로 α-Syn, DJ-1의 발현 정도를 중심으로 검사하며, 실험 수요에 따라 다른 지표를 선택할 수 있다. |
