내독소에 의한 말초혈액 단핵구의 IL-1beta, IL-6, TNF-alpha와 TGF-beta 생성에 관한 연구

Lipopolysaccharide-induced Synthesis of IL-1beta, IL-6, TNF-alpha and TGF-beta by Peripheral Blood Mononuclear Cells

연구배경: 내독소는 생체 내에서 단구와 내피세포에 강한 자극을 주나 호중구, 림프구, 호염기구, 섬유모세포 등 여러 세포에도 자극효과가 있어 염증반응이 시작된다. 그중 대식세포는 내독소의 자극을 받아 활성화되면 interleukin-1 (IL-1), IL-6, tumor necrosis factor-alpha (TNF-$\alpha$)를 분비하여 조직손상을 일으킨다. 내독소의 작용기전은 CD14 의존성 경로와 비의존성 경로의 두 개로 나뉘어진다. 체내로 들어온 내독소는 혈청 내에서 내독소 운반에 관여하는 LPS-binding protein(LBP)과 결합하여 혈중내에서 세포와 결합되거나 조직으로 이동되어 조직내 세포와 결합하게 된다. 그러나 고농도의 LPS는 CD14항원에 비의존적으로 대식세포를 자극 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 현재까지 LPS자극에 의한 대식세포의 CD14 항원 의존성 IL-1, IL-6, TNF-$\alpha$의 형성과정은 많이 밝혀져 있으나, 내독소에 의한 TGF-$\beta$의 형성 여부는 밝혀져 있지 않으며, CD14 항원 비의존성으로 IL-1, IL-6, TNF-$\alpha$ TGF-$\beta$가 형성되는 과정도 별로 밝혀져 있지 않다. 본 연구에서는 혈청이 없는 상태 (LBP가 없는 상태)에서, 즉 LPS 자극시 LBP-CD14 비의존성으로 말초혈액단핵구에서 형성된 proinflammatory cytokines인 IL-1, IL-6, TNF-$\alpha$과 섬유화 cytokine인 TGF-$\beta$의 생성유무를 규명하고자 하였다. 방 법: 정상인의 헤파린 처리된 말초혈액정맥혈을 비중 1.077의 Ficoll-Hypaque 용액 위에 중첩시킨 후 500g에서 30분간 원심분리하여 말초혈액단핵구를 얻었다. 분리된 말초혈액단핵구를 우태아혈청이 없는 RPMI에 부유시킨 후 $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ 보온기에서 0.1 ${\mu}g$, 1 ${\mu}g$, 10 ${\mu}g$, 100 ${\mu}g/ML$의 LPS와 1, 2, 4, 8, 12, 24, 48 시간 혼합 배양 후 상층액을 분리하여 IL-6, TNF-$\alpha$, TGF-$\beta$의 측정 cytokines의 양을 bioassay로 측정하였다. 세포층은 slide에 고정시킨 후 단 클론 항체를 이용한 이중 면역조직화학염색법과 RNA probe를 이용한 in situ hybridization에 이용하였다. 결 과: 실험사약내 내독소 존재 여부에 대한 검증결과 내독소 함유량은 10 ng/mL 이하로 되어 있어 본 실험에서는 10 ng/mL 이상의 농도로 실험을 하였기 때문에 오염된 내독소는 실험에 영향이 없었을 것으로 사료되었다. 말초혈액단핵구에서 LPS 자극에 의하여 IL-6는 1시간째부터 형성되기 시작하였으며 96 시간까지 지속적으로 상승하였고 LPS용량의존성으로 형성됨을 알 수 있었다. TNF-$\alpha$는 LPS 자극 4시간째부터 상승하기 시작하여 시간이 갈수록 생성양은 증가하며 72 시간째까지 지속적으로 형성되었다. TGF-$\beta$형성도 LPS 용량에 의존성을 보이며 8시간째 일차로 TGF-$\beta$의 형성이 증가 한 후 12 시간째는 오히려 감소하였다가 시간이 지남에 따라 다시 증가하여 2차로 96 시간에 최대 형성을 보였다. 각각 cytokine의 24시간째 생성양은 IL-6의 경우 $1{\times}10^5/mL$의 말초혈액단핵구에서 10 ${\mu}g/mL$의 LPS에 의해서 19.8 ng 이 생성되었고 LPS 자극이 없는 상태의 자연생성능도 3.2 ng이었으며, $1{\times}10^6/mL$의 말초혈액단핵구에 의해서 자연 생성양은 증가하여 24시간째에 0.38 ng/mL, 10명/mL의 농도에서 24시간째 4.1 ng/mL의 TNF-$\alpha$의 생성능을 보였다. TGF-$\beta$의 경우 $2{\times}10^6/mL$의 말초혈액단핵구에 의하여 34.4 pg/mL가 생성되었고 자연생성능은 5.2 pg/mL의 생성농을 보였다. 말초혈액단핵구의 IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$, TGF-$\beta$ 단백과 m-RNA 발현 IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$단백은 주로 단구세포에서, TGF-$\beta$ 단백은 단구세포와 림프구에서 발현되었으며, CD14항원 발현과는 상관이 없었다. TNF-$\alpha$, IL-1$\beta$, IL-6, TGF-$\beta$ m-RNA 양성세포는 주로 세포질이 풍부한 것으로 보아 단구세포로 사료되었다. TGF-$\beta$의 경우 단구세포외에도 세포질이 적은 림프구에서도 약하게 양성반응을 보여 링프구에서도 분비될 가능성을 보여 주었다. 결 론: 내독소로 말초혈액 단핵구를 자극시 IL-6, TNF-$\alpha$는 조기에 분비되기 시작하며 TGF-$\beta$는 후기에 분비되기 시작하여 96시간까지 지속적으로 분비된다. 주 분비세포는 IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$의 경우 단구세포가 되며 TGF-$\beta$도 단구세포가 주세포가 되나 림프구도 분비에 관여한다.

Background: Endotoxin (LPS : lipopolysaccharide), a potent activator of immune system, can induce acute and chronic inflammation through the production of cytokines by a variety of cells, such as monocytes, endothelial cells, lymphocytes, eosinophils, neutrophils and fibroblasts. LPS stimulate the mononucelar cells by two different pathway, the CD14 dependent and independent way, of which the former has been well documented, but not the latter. LPS binds to the LPS-binding protein (LBP), in serum, to make the LPS-LBP complex which interacts with CD14 molecules on the mononuclear cell surface in peripheral blood or is transported to the tissues. In case of high concentration of LPS, LPS can stimulate directly the macrophages without LBP. We investigated to detect the generation of proinflammatory cytokines such as interleukin 1 (IL-1), IL-6 and TNF-$\alpha$ and fibrogenic cytokine, TGF-$\beta$, by peripheral blood mononuclear cells (PBMC) after LPS stimulation under serum-free conditions, which lacks LBPs. Methods : PBMC were obtained by centrifugation on Ficoll Hypaque solution of peripheral venous bloods from healthy normal subjects, then stimulated in the presence of LPS (0.1 ${\mu}g/mL$ to 100 ${\mu}g/mL$ ). The activities of IL-1, IL-6, TNF, and TGF-$\beta$ were measured by bioassaies using cytokines - dependent proliferating or inhibiting cell lines. The cellular sources producing the cytokines was investigated by immunohistochemical stains and in situ hybridization. Results : PBMC started to produce IL-6, TNF-$\alpha$ and TGF-$\beta$ in 1 hr, 4 hrs and 8hrs, respectively, after LPS stimulation. The production of IL-6, TNF-$\alpha$ and TGF-$\beta$ continuously increased 96 hrs after stimulation of LPS. The amount of production was 19.8 ng/ml of IL-6 by $10^5$ PBMC, 4.1 ng/mL of TNF by $10^6$ PBMC and 34.4 pg/mL of TGF-$\beta$ by $2{\times}10^6$ PBMC. The immunoreactivity to IL-6, TNF-$\alpha$ and TGF-$\beta$ were detected on monocytes in LPS-stimulated PBMC. Some of lymphocytes showed positive immunoreactivity to TGF-$\beta$. Double immunohistochemical stain showed that IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$ expression was not associated with CD14 postivity on monocytes. IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$ and TGF-$\beta$mRNA expression were same as observed in immunoreactivity for each cytokines. Conclusion: When monocytes are stimulated with LPS under serum-free conditions, IL-6 and TNF-$\alpha$ are secreted in early stage of inflammation. In contrast, the secretion of TGF-$\beta$ arise in the late stages and that is maintained after 96 hrs. The main cells releasing IL-1$\beta$, IL-6, TNF-$\alpha$ and TGF-$\beta$ are monocytes, but also lymphocytes can secret TGF-$\beta$.