The Increased Expression of Gelatinolytic Proteases Due to Cigarette Smoking Exposure in the Lung of Guinea Pig

기니픽에서 흡연 노출에 의한 젤라틴 분해 단백 효소의 발현 양상에 관한 연구

Background : Chronic obstructive pulmonary disease(COPD) is one of the major contributors to morbidity and mortality among the adult population. Cigarette smoking(CS) is undoubtedly the single most important factor in the pathogenesis of COPD. However, its mechanism is unclear. The current hypothesis regarding the pathogenesis of COPD postulates that an imbalance between proteases and antiproteases leads to the destructive changes in the lung parenchyma. This study had two aims. First, to evaluate the effect of CS exposure on histologic changes of the lung parenchyme, and second, to evaluate the effect of CS exposure on the expression of the gelatinolytic enzymes in BAL fluid cells in guinea pigs. Methods : Two groups of five guinea pigs were exposed to the whole smoke of 20 commercial cigarettes per day, 5 hours/day, 5 days/week, for 6weeks, and 12 weeks, respectively, using a smoking apparatus. Five age-matched guinea pigs exposed to room air were used as controls. Five or more sections were microscopically extamined(${\times}400$) and the number of cellular infiltration of the alveolar wall was measured in order to evaluate the effect of CS exposure on the histologic changes of lung parenchyme. The statistical significance was analyzed by a linear regression method. To evaluate the expression of the gelatinolytic enzymes in intraalveolar cells, BAL fluid was obtained and the intraalveolar cells were separated by centrifugation (500 g for 10 min at $4^{\circ}C$). Two sets of culture plates were loaded with $1{\times}10^6$ intraalveolar cells. One plate, contained O.1mM EDTA, a inhibitor of matrix metalloproteases(MMPs), and the other plate had no EDTA. Both plates were incubated for 48 hours at $37^{\circ}C$. After incubation, gelatinolytic protease expression in the supernatants was analyzed by gelatin zymography. Results : At the end of CS exposure, the level of blood carboxy Hb had increased significantly(4.1g/dl in control group, 24g/dl immediately after CS exposure, 18g/dl 30 min after CS exposure, 15g/dl 1 hour after CS exposure). Alveolar inflammatory cells were identified in the CS exposed guinea pigs. The number of alveolar cellular cells observed in a microscopic field ($400{\times}$) was $121.4{\pm}7.2$, $158.0{\pm}20.2$, $196.8{\pm}32.8$, in the control, the 6 weeks, and the 12 weeks group, respectively. The increased extent of inflammatory cellular infiltration of the lung parenchema showed a statistically significant linear relationship with the duration of CS exposure(p=0.001, $r^2=0.675$). Several types of gelatinolytic enzymes in the intraalveolar cells of CS exposed guinea pigs were expressed, of which some were inhibited by EDT A. However, the gelatinolytic enzymes were not expressed in the control groups. Conclusion : CS exposure increases inflammatory cellular infiltration of the alveolar wall and the expression of gelatinolytic proteases in guinea pigs. EDTA inhibits some of the gelatinolytic proteases. These findings suggest a possibility that CS exposure may increase MMP expression in the lungs of guinea pigs.

흡연은 만성 폐쇄성 폐질환의 가장 흔하고 중요한 원인이며 발생기전으로 단백분해효소 및 그 억제제의 불균형에 의한 폐조직 파괴가 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 생체내의 여러 단백분해효소 중 matrix metalloproteases (MMPs) 의 역할에 대한 연구가 최근 활발한데, 이들의 다수는 젤라틴 분해능을 보인다. 연구자들은 흡연에 의한 MMPs의 발현 및 폐기종 발생과의 관련성을 규명하기 위한 첫 단계로 기니픽에서 흡연에 의한 젤라틴 분해 단백분해효소의 발현 양상을 알아보고자 하였다. 방 법 : 500gm 가량의 건강한 기니핀 15마리를 대조군 5마리, 6주 흡연군 5마리, 12주 흡연군 5마리 씩 배정한 후, 하루에 5시간 씩, 담배 20개피를 간접 흡연시키는 과정을 일주일에 5회 반복하였다. 흡연력의 정도에 따른 폐조직 내 세포 침윤의 증가를 알아보기 위해, 폐조직을 H&E 염색한 후 400배 확대 시야에서 보이는 폐포벽의 세포 수를 계산하여 일반선형모델을 이용한 통계 분석법으로 처리하였다. 흡연에 의한 젤라틴 분해 단백분해효소의 발현 양상을 알아보기 위해 기관지폐포세척술을 시행하여 폐포내 세포를 얻은 다음 이를 배양접시에 $1{\times}10^6$개 씩 분주하였는데, 한 배양접시에는 아무 처치도 하지 않았고 다른 한쪽은 0.1mM의 EDTA를 첨가하였다. 48시간의 배 양 후 얻은 상층액으로 'gelatin zymography'를 시행하여 젤라틴 분해 단백분해효소의 발현 및 EDTA에 의한 억제 여부를 관찰하였다. 결 과 : 대조군의 혈중 평균 COHb 농도는 4.1g/dl인 반면, 흡연 노출군의 혈중 평균 COHb 농도는 5시간 노출 직후에는 24g/dl, 노출 후 30분에는 18g/dl, 노출 후 1 시간 후에는 15g/dl 로 측정되어 충분한 흡연노출이 이루어졌다. 400배 시야에서 보이는 폐포벽의 세포 수는 대조군은 $121.4{\pm}7.2$, 6주 흡연군은 $158.0{\pm}20.2$. 12주 흡연군은 $196.8{\pm}32.8$로 측정되어 선형회귀관계가 관찰되었다(p=0.001, $r^2=0.675$). 또한 침윤된 세포의 대부분은 염증 세포였다. 한편, 대조군에서는 젤라틴 분해 단백분해효소가 발현되지 않은 반면에, 6주 흡연군 및 12주 흡연군에서는 젤라틴분해 단백분해효소가 여러 개 관찰되었다. 또한 이 중의 일부는 EDTA에 의해 효소 활성도가 억제되었다. 결 론 : 흡연에 의해 기니픽의 폐조직에서 여러 젤라틴 분해 단백분해효소 발현이 증가하며 이 중의 일부는 MMPs의 억제제인 EDTA 에 의해 억제된다. 이는 흡연에 의해 MMPs의 발현이 증가할 가능성을 시사한다고 하겠다.