The Effect of Nitric Oxide Donor or Nitric Oxide Synthase Inhibitor on Oxidant Injury to Cultured Rat Lung Microvascular Endothelial Cells

산화질소 공여물과 산화질소 합성효소 길항제가 백서 폐미세혈관 내피세포 산화제 손상에 미치는 영향

Background : Nitric oxide(NO) is an endogenously produced free radical that plays an important role in regulating vascular tone, inhibition of platelet aggregation and white blood cell adhesion to endothelial cells, and host defense against infection. The highly reactive nature of NO with oxygen radicals suggests that it may either promote or reduce oxidant-induced cell injury in several biological pathways. Oxidant injury and interactions between pulmonary vascular endothelium and leukocytes are important in the pathogenesis of acute lung injury, including acute respiratory distress syndrome(ARDS). In ARDS, therapeutic administration of NO is a clinical condition providing exogenous NO in oxidant-induced endothelial injury. The role of exogenous NO from NO donor or the suppression of endogenous NO production was evaluated in oxidant-induced endothelial injury. Method : The oxidant injury in cultured rat lung microvascular endothelial cells(RLMVC) was induced by hydrogen peroxide generated from glucose oxidase(GO). Cell injury was evaluated by $^{51}$chromium($^{51}Cr$) release technique. NO donor, such as S-nitroso-N-acetylpenicillamine(SNAP) or sodium nitroprusside(SNP), was added to the endothelial cells as a source of exogenous NO. Endogenous production of NO was suppressed with N-monomethyl-L-arginine(L-NMMA) which is an NO synthase inhibitor. L-NMMA was also used in increased endogenous NO production induced by combined stimulation with interferon-$\gamma$(INF-$\gamma$), tumor necrosis factor-$\alpha$(TNF-$\alpha$), and lipopolysaccharide(LPS). NO generation from NO donor or from the endothelial cells was evaluated by measuring nitrite concentration. Result : $^{51}Cr$ release was $8.7{\pm}0.5%$ in GO 5 mU/ml, $14.4{\pm}2.9%$ in GO 10 mU/ml, $32.3{\pm}2.9%$ in GO 15 mU/ml, $55.5{\pm}0.3%$ in GO 20 mU/ml and $67.8{\pm}0.9%$ in GO 30 mU/ml ; it was significantly increased in GO 15 mU/ml or higher concentrations when compared with $9.6{\pm}0.7%$ in control(p < 0.05; n=6). L-NMMA(0.5 mM) did not affect the $^{51}Cr$ release by GO. Nitrite concentration was increased to $3.9{\pm}0.3\;{\mu}M$ in culture media of RLMVC treated with INF-$\gamma$ (500 U/ml), TNF-$\alpha$(150 U/ml) and LPS($1\;{\mu}g/ml$) for 24 hours ; it was significantly suppressed by the addition of L-NMMA. The presence of L-NMMA did not affect $^{51}Cr$ release induced by GO in RLMVC pretreated with INF-$\gamma$, TNF-$\alpha$ and LPS. The increase of $^{51}Cr$ release with GO(20 mU/ml) was prevented completely by adding 100 ${\mu}M$ SNAP. But the add of SNP, potassium ferrocyanate or potassium ferricyanate did not protect the oxidant injury. Nitrite accumulation was $23{\pm}1.0\;{\mu}M$ from 100 ${\mu}M$ SNAP at 4 hours in phenol red free Hanks' balanced salt solution. But nitrite was not detectable from SNP upto 1 mM The presence of SNAP did not affect the time dependent generation of hydrogen peroxide by GO in phenol red free Hanks' balanced salt solution. Conclusion : Hydrogen peroxide generated by GO causes oxidant injury in RLMVC. Exogenous NO from NO donor prevents oxidant injury, and the protective effect may be related to the ability to release NO. These results suggest that the exogenous NO may be protective on oxidant injury to the endothelium.

연구배경 : NO는 생체내에서 생성되는 유리 반응기로서 혈관 긴장도외 완화, 혈소판 응집 저지, 혈관 내피세포에 대한 백혈구 유착 방해, 감염에 대한 숙주 방어 등에서 중요한 역할을 한다. NO는 전이 금속(transition metal), 산소, 기타 반응기 등과 쉽게 반응하므로 여러 생체내 반응에 관여하여 산화제 손상을 촉진시키거나 감소시킬 가능성이 제기되었다. 급성 폐손상 및 급성 호흡곤란 증후군에서는 폐혈관 내피세포 및 호중구의 상호작용 및 산화제 손상이 매우 중요한 병인으로 알려져 있으며, NO를 급성 호흡곤란 증후군에서 흡입하여 치료하는 것은 산화제에 의한 혈관 내피세포 손상에서 외부로부터 NO를 공급하는 상황이다. 본 연구에서는 외인성 NO의 공여나 내인성 NO 억제가 산화제에 의한 폐미세혈관 내피세포의 손상을 악화시키거나 완화시킬 수 있는지를 관찰하였다. 방 법 : 산화제에 의한 세포손상은 백서 폐미세혈관 내피세포에 과산화수소를 생성하는 glucose oxidase(GO)를 투여하여 야기시키고 이를 $^{51}Cr$ 방출 측정으로 평가하였다. 산화제에 의한 폐혈관 내피세포의 손상에 외인성 NO가 미치는 영향은 NO 공여물인 SNAP 혹은 SNP를 산화제와 동시에 투여하여 평가하였다. 산화제에 의한 폐혈관 내피세포의 손상에 내인성 NO 억제가 미치는 영향은 NOS 길항제인 L-NMMA을 추가로 투여하여 평가하였다. INF-$\gamma$, TNF-$\alpha$ LPS 등으로 내인성 NO 생성을 자극한 후 L-NMMA의 효과도 관찰하였으며, NO 공여물이나 내피세포로 부터의 NO생성은 nitrite 측정으로 평가하였다. 결 과 : 백서 폐 미세혈관 내피세포에서 $^{51}Cr$ 방출이 GO 5mU/ml에서 $8.7{\pm}0.5%$, 10 mU/ml에서 $14.4{\pm}2.9%$, 15 mU/ml에서 $32.3{\pm}2.9%$, 20 mU/ml에서 $55.5{\pm}0.3%$. 30 mU/ml에서 $67.8{\pm}0.9%$로 GO 15 mU/ml 이상에서 대조군의 $9.6{\pm}0.7%$에 비하여 유의하게 증가하였으며 (P<0.05; n=6). 이에 0.5mM L-NMMA를 추가하여도 영향이 없었다. INF-$\gamma$ 500 U/ml, TNF-$\alpha$ 150 U/ml, LPS 1 ${\mu}g/ml$을 배양액에 첨가하여 24시간 경과시 배양액 중 nitrite 농도가 $3.9{\pm}0.3\;{\mu}M$로 증가하였으며, 이에 L-NMMA 0.5 mM을 첨가하면 $0.2{\pm}0.l\;{\mu}M$로 유의하게 억제되었다(p<0.05 ; n=6). INF-$\gamma$, TNF-$\alpha$ LPS 자극후 GO에 의한 $^{51}Cr$ 방출에 L-NMMA는 영향을 주지 않았다. GO 20 mU/ml에 의한 $^{51}Cr$ 방출이 SNAP 100 ${\mu}M$의 추가로 대조군 수준으로 현저히 억제되었으나, SNP, potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide 등의 추가는 영향이 없었다. Hanks' balanced salt solution(HBSS) 중의 SNAP 100 ${\mu}M$로 부터 4 시간 동안 nitrite가 $23.0{\pm}1.0\;{\mu}M$ 농도로 축적되었으나, SNP는 1 mM에서도 nitrite가 검출되지 않았다. SNAP은 HBSS 중의 GO가 과산화수소를 시간 경과에 따라 생성하는데 영향이 없었다. 결 론 : 결론적으로 폐미세혈관 내피세포에서 GO에 의하여 생성되는 과산화수소로 산화제 손상을 야기하였으며, NO 공여물인 SNAP으로부터 제공된 외연성 NO가 산화제 손상을 방지하고 이 보호효과는 NO 방출 능력에 의할 가능성이 시사되었다. 따라서 생체내 환경에 따라 외인성 NO가 내피세포에 대한 산화제 손상에 보호 효과가 있을 수 있다고 추정된다.