[논문 리뷰] Cell damage and mitigation in Swiss albino mice: experiment and modelling

Urmimala Dey, Archismaan Ghosh외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Immunotoxicology and immune responses참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실험 데이터와 동역학 모델링을 활용하여 스위스 알비노 마우스에서의 생체 내 인organic 비소(iAs) 유도 세포 손상과 블랙티에 의한 완화를 조사한다. 결과적으로 블랙티는 종양 세포 손상 진행을 유의미하게 감소시키고 손상의 조기 포화를 유도하며, 단순한 모델이 데이터에 정확하게 적합되고 장기적인 행동을 예측할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Chronic exposure to inorganic arsenic is a potential cause of carcinogenesis. It elicits its potential by generation of ROS, leading to DNA, protein and lipid damage. Therefore, the deleterious effect of arsenic can be mitigated by quenching ROS using antioxidants. There is a homology between the protein coding regions of mice and human. Effect of these alterations in human can be mimicked in mice. Therefore to understand the underlying mechanism of arsenic toxicity and its amelioration by black tea, studies have been conducted in mice model. Long term exposure to iAs leads to tumour growth, which has been found to be alleviated by black tea. Observations reveal that black tea has two salutary effects on the growth of tumour: the rate of growth of damaged cells was appreciably reduced and an early saturation of the level of damage is achieved. To take the experimental findings further, the experimental data have been modelled with simple dynamical equations. The curves obtained from extit{in vivo} studies have been fitted with the data obtained from the model. The corresponding steady states and their stabilities are analyzed.

연구 동기 및 목표

• 무기 비소(iAs)에 의한 발암 메커니즘과 천연 항산화제에 의한 완화를 이해하기 위해.
• 마우스 모델에서 iAs에 의한 세포 손상을 줄이기 위한 블랙티의 화학예방 잠재력을 평가하기 위해.
• iAs 노출 하에서의 세포 손상 진행과 블랙티에 의한 완화를 포괄하는 동역학 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 장기적인 종양 성장 역학을 예측하기 위해 모델의 평형 상태의 안정성 분석하기 위해.

제안 방법

• 360일 동안 500 µg/L의 iAs를 음용수에 첨가하여 스위스 알비노 마우스를 장기적으로 생체 내 실험 수행.
• 특정 군의 마우스에게 100 µg/ml 농도의 블랙티 추출물을 1일 3회 산소관 투여하여 화학예방 효과 평가.
• 다양한 시간점에서 혈액 및 조직 샘플을 채취하고 분석하여 시간에 따른 세포 손상 정도 측정.
• 손상 역학을 모델링하는 비선형 상미분 방정식계에 실험 데이터를 적합.
• 수학적 분석을 통해 평형 상태와 그 안정성 분석(점점 수렴하는 안정성 조건 포함).
• 용량 표준화를 위해 HPLC를 사용하여 차 추출물 내 카테킨과 테아플라빈 농도 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만성적인 무기 비소 노출이 스위스 알비노 마우스에서 시간이 지남에 따라 세포 손상 진행에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 블랙티 투여가 생체 내 비소에 의한 세포 손상에 얼마나 효과적으로 완화 작용하는가?
• RQ3 간단한 동역학 모델이 블랙티 유무에 따라 실험 데이터의 세포 손상 진행을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 iAs 노출과 차 치료 조건에서 모델의 평형 상태의 안정성 특성은 어떠한가?
• RQ5 블랙티 투여로 인해 손상 수준이 조기 포화되는지 모델이 예측하는가? 이는 종양 성장 제한에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 만성적인 iAs 노출은 점진적인 세포 손상 증가를 유도하였으며, 대조군에서의 기초 손상 존재로 인해 손상 수준이 0에서 시작되지 않았다.
• 블랙티 투여는 세포 손상 진행 속도를 유의미하게 감소시키고 손상 수준의 조기 포화를 유도하였다.
• iAs 유일군과 iAs + 블랙티군의 실험 데이터는 제안된 동역학 모델에 잘 적합되었다.
• 안정성 분석 결과, 블랙티 치료 하에서의 평형 상태는 ε, n*, M*, L*, P₂* 등의 매개변수를 포함한 특정 조건 하에서 점점 수렴하는 안정성을 보였다.
• 모델은 세포 손상의 장기적 행동을 예측하였으며, 블랙티가 손상 수준을 낮은 수준에서 안정화시켜 종양 성장을 효과적으로 제한할 수 있음을 시사하였다.
• 블랙티 단독 투여에서 유의미한 독성은 관찰되지 않아, 이 모델에서 화학예방제로써의 안전성을 뒷받침하였다.