[논문 리뷰] Raman spectroscopic detection of rapid, reversible, early-stage inflammatory cytokine-induced apoptosis of adult hippocampal progenitors/stem cells

Uma Ladiwala, Aseefhali Bankapur외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 29.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라만 분광법과 광학 트랩을 조합하여, 성체 해마 줄기세포에 TNF-α 및 IFN-γ와 같은 프로염증성 사이토카인에 의해 유도된 빠르고 가역적인 초기 조기 apoptosis를 10분 이내로 감지함을 보여준다. 항염증성 사이토카인 IL-10은 사이토카인 노출 이전 또는 이후에 투여될 경우 이러한 변화를 역전시켜 세포의 취약성과 복구 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

The role of neuro-inflammation in diverse, acute and chronic brain pathologies is being increasingly recognized. Neuro-inflammation is accompanied by increased levels of both pro- and anti-inflammatory cytokines; these have deleterious as well as protective/reparative effects. Inflammation has varying effects on neurogenesis and is a subject of intense contemporary interest. We show that TNF-alpha and IFN-gamma, used concomitantly, cause apoptosis of adult rat hippocampal progenitor/stem cells in vitro as detected by the TUNEL and MTT assays on time scales of several hours. We have coupled Raman spectroscopy to an optical trap to probe early changes of apoptosis in single, live neural stem cells that have been treated with pro-inflammatory cytokines, TNF-alpha and IFN-gamma. Changes caused by inflammation-induced denaturation of DNA are observed in the Raman spectra that correspond to very early stages of apoptosis, occurring on very fast time scales: as short as 10 minutes. Addition of the anti-inflammatory cytokine IL-10 either 10-30 min before or 10-30 min after treatment with TNF-alpha and IFN-gamma reverses the changes substantially. Our findings imply that inflammation can induce very rapid changes leading to cell death but that these are reversible, in the early stages at least.

연구 동기 및 목표

• 성체 해마 줄기세포에 대한 프로염증성 사이토카인의 초기 가역적 영향을 조사하기 위해.
• 표지 없이 비침습적인 라만 분광법을 통해 미토콘드리아 이전 단계의 apoptosis 변화를 감지하기 위해.
• 항염증성 사이토카인 IL-10이 초기 염증 유도 apoptosis를 역전시킬 잠재력을 평가하기 위해.
• 실시간 단일세포 방법을 통해 염증 신호에 대한 동적인 세포 반응을 모니터링하기 위해.
• 일시적이고 가역적인 apoptosis가 신경 발생 및 뇌 손상 복구에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 단일 생체 세포의 성체 랫트 해마 줄기세포를 대상으로 라만 분광법을 수행하였으며, 세포 조작 및 안정화를 위해 라만 분광계와 광학 트랩을 결합하였다.
• 염증성 apoptosis를 유도하기 위해 TNF-α 및 IFN-γ의 조합을 세포에 처리하였다.
• 시간에 따라 변화하는 라만 스펙트럼을 확보하여 초기 apoptosis와 관련된 분자적 변화, 특히 DNA 변성과 관련된 변화를 감지하였다.
• IL-10을 사이토카인 처리 이전 10–30분 또는 이후에 투여하여 가역성을 평가하였다.
• Apoptosis는 TUNEL을 통한 DNA 분열 및 MTT를 통한 대사 활성도를 이용한 표준 검사로 검증하였다.
• 스펙트럼 변화는 특히 DNA 및 핵산 구조와 관련된 1300–1400 cm⁻¹ 영역의 피크 강도 및 위치 변화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라만 분광법은 염증성 사이토카인 노출 후 수 분 이내에 신경 줄기세포의 초기 apoptosis를 감지할 수 있는가?
• RQ2 TNF-α 및 IFN-γ에 의해 유도된 신경 줄기세포의 분자적 변화는 IL-10 투여 시 가역적인가?
• RQ3 염증 유도 apoptosis가 분자 수준에서 가역적인 시간 창은 언제인가?
• RQ4 라만 스펙트럼 변화는 TUNEL 및 MTT와 같은 기존의 apoptosis 마커와 관련이 있는가?
• RQ5 표지 없이 단일세포 라만 분광법은 신경 줄기세포에서 신경염증 반응에 대한 실시간 모니터링 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 라만 분광법은 TNF-α 및 IFN-γ 동시 처리 후 10분 이내에 DNA 구조와 관련된 초기 apoptosis 변화를 감지하여 매우 빠른 발병을 시사한다.
• 특히 1300–1400 cm⁻¹ 영역의 스펙트럼 변화는 초기 apoptosis의 상징인 DNA 변성을 나타낸다.
• 사이토카인 처리 후 10–30분 이내에 IL-10을 투여함으로써 라만 스펙트럼 변화가 유의미하게 역전되었으며, 이는 功能적 가역성을 시사한다.
• 라만 분광법과 TUNEL 및 MTT 검사 모두를 통한 검증을 통해 분자적 변화의 가역성이 확인되었다.
• 이 연구는 신경보호적 치료 개입을 위한 치료 창을 나타내는 일시적이고 가역적인 apoptosis 단계를 드러냈다.
• 라만 분광법과 광학 트랩의 조합은 단일세포 수준에서 실시간 비침습적 세포 반응 동적 모니터링을 가능하게 한다.