바이오인

Brain & Brain PET 2019 참석 후기

 I. 주요 발표 내용

4 일간 다뤄진 주요 주제는 다음과 같다 .

- Latest developments in understanding neurovascular coupling (7/4) - Neurovascular coupling: mechanisms (7/5)

- Interrogation of pericyte function in CNS physiology & pathophysiology (7/6) - Brain and immunity in health and disease (7/7)

- Haemodynamic imaging 을 이용한 연구에서 anesthetic 의 선택 (7/7 Poster sessions)

1. 7 월 4 일 (Educational courses)

Latest developments in understanding neurovascular coupling & Latest advances in stroke models

1) Optical access to brain circuit in awake mice for stroke induction and assessment (T. Murphy)

UBC 의 T. Murphy 교수는 Mesoscopic imaging 의 다양한 method 개발에 앞장서는 연구자로 서 , 이번 학회에서도 Intact skull chronic window, Home-cage robotic lever pulling 을 이용한 자동화 된 imaging system 등을 소개하였다 . Mouse 에서 in vivo brain imaging 을 위한 cranial window preparation 방법에는 크게 4 가지가 있는데, ① Craniotomy(아예 skull 을 들어냄), ② Th inned skull (skull 을 20~ 50μm까지 갈아냄), ③ Chronic window (skull을 원형 cover glass 크기에 맞춰 갈아서 들 어내고 cover glass 를 끼워 넣음), ④ Intact skull chronic window (skull 위에 cover glass 를 그대로 얹 음 ) 가 있다 . Murphy 교수가 발표한 Intact skull chronic window 는 less invasive 하기 때문에 stability 가 매우 높고 , 실제로 만족하며 사용하고 있는 방법이다 . 그리고 awake mouse 에서 head fixed 상태로 photothrombosis 를 이용해 ischemic stroke 를 induction 한 실험은 매우 인상적이었다 . 왜냐하면 기존 의 연구는 stroke induction 시 대부분 마취하에서 시행하기 때문에 실제상황을 얼마나 잘 모사하는 지에 있어서 의문점이 있었다 . 그래서 Murphy 교수는 awake 및 마취상태에서 ischemic stroke induction 을 하면서 laser speckle contrast imaging 과 wide-field calcium imaging 을 수행하였고 , targeted area 로부터 depolarizing wave 의 propagation 을 관찰했는데 , awake 상태에서 관찰했을 때 propagation 의 magnitude 가 유의적으로 작은 것을 관찰할 수 있었다 .

2) Tonic and augmenting control of cerebral blood flow by astrocytes (G. Gordon)

G. Gordon 교수는 astrocyte 가 neurovascular coupling 에 어떤 mechanism 으로 관여하는지 연구하고 있었다 . 이번 발표에서는 Astrocyte 의 Ca2+ 에 의한 arteriole constriction 이 COX-1 에 의해 mediation 된다는 결과를 BAPTA 와 COX-1 antagonist 를 사용해서 보여주었는데 , COX-1 antagonist 사 용 시 basal CBF 가 감소하는 것으로 나타났다 . 그리고 astrocyte endfoot Ca2+ transients 만으로는 functional hyperemia 가 일어나지 않으며 neuron 의 activity 가 올라간 이후에 astrocyte endfoot Ca2+ release 가 이어지면서 functional hyperemia 가 유지되는데 기여한다는 결과를 보여주었다 .

3) Role of vascular mural cells in NVC (C. Hall)

David Attwell lab 에서 독립하여 PI 로서 연구를 시작한 C. Hall 교수는 기존의 연구주제인 pericyte 를 중심으로 연구를 계속해 나가고 있었다 . 그녀는 2014 년 Nature 에 발표한 논문에서 pericyte 가 blood flow 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 밝혔는데 , 이번 학회에서 발표한 내용은 크게 두 가지로 ① 3가지 type 의 pericyte (Ensheathing, Mesh, Thin strand) 중에서 어떤 type 의 pericyte 가 contractility 를 가지고 있는지, ② Visual cortex (V1)와 Hippocampus 에서 Neurovascular coupling (NVC) 을 비교한 결과였다 . Two-photon excitation micros 를 이용하여 V1 의 경우 chronic window 를 만들고 visual stimulus 를 주면서 imaging 하였고 , Hippocampus 는 cortex 일부를 suction 하여 제거하고 task 를 하면서 imaging 하는 방법을 이용하였다. ①의 결과는 모든 종류의 pericyte 가 contractility 를 가진 것으로 보이지만 ensheathing pericyte 가 가장 먼저 dilation 되는 것으 로 보인다. ② Hippocampus에서 NVC 가 더 약한 것으로 보이며 , 이는 V1 에 ensheathing pericyte 의 비율이 더 높은 것과 연관이 있을 것이라는 내용을 보여주었다 . 특히 ②의 결과는 neuronal activity 에 의한 BOLD signal 이 brain 의 영역에 따라 다르게 나타날 수 있다는 것을 의미하는 결과였다 .

4) The role of the vascular endothelium in neurovascular coupling ? a unifying mechanism? (E.M.C. Hillman)

Columbia 의 E.M.C. Hillman 교수는 mesoscopic imaging 을 통해 neurovascular coupling 을 연 구하고 있다 . 이번 발표에서 가장 강조했던 부분은 endothelial propagation of vasodilation 에 대한 내용이었다 . FITC-dextran fluorescent dye 로 vessel 안을 채우고 blue light 를 illumination 하여 oxygen free radicals 를 생성시켜 endothelium 을 specific 하게 망가뜨리는 방법을 이용하였는데 , endothelial cells 의 disruption 이후에 vasodilation 의 retrograde propagation 이 떨어지고 이것이 functional hyperemia 감소로 이어진다는 내용이었다 . 그리고 이에 관한 mechanism 을 밝히기 위해 후속 연구 로 Ketorolac 이라는 COX inhibitor 를 이용하여 endothelial signaling 을 inhibition 하고 functional hyperemia 를 측정해 보았더니 neural response 의 변화 없이 HbT 의 amplitude 가 25% 가량 떨어진다 는 결과를 보여주었다 . 즉 Neurovascular coupling 에 endothelial signaling 이 필수적인 파트라는 내용 이었다 . 이 결과에 대해 Q&A session 에서 상당히 뜨거웠는데 , treatment 한 COX inhibitor 가 BBB 를 넘어가는지 여부와 같은 endothelial signaling 만이 저해된 것이 맞는가에 대한 질문이 이어졌다 . 그 럼에도 이것은 cardiovascular disease 와 cognitive decline 을 연결시키는데 중요한 단서로 사용될 수 있고 , 더 나아가 cognitive decline 상황에서 endothelial dysfunction 이 therapeutic target 또한 될 수 있다고 생각할 수 있는 근거가 되는 결과였다 .

2. 7 월 5 일 (Presidential lecture, Scientific programs)

Presidential lecture (D. Attwell)

UCL 의 David Attwell 교수는 Pericyte 대가로서 patch clamp 를 main tool 로 사용하는데 , 이번 lecture 는 그간 자신의 연구를 총정리하는 시간이었다 . Lecture 의 제목은 ‘The role of capillary pericytes in regulating cerebral blood flow in health, ischaemia and Alzheimer ’s disease’였는데 , pericyte 의 정의에서 시작하여 Amyloid β 축적에 의한 pericyte-mediated capillary constriction 의 mechanism 을 밝힌 2019 년 자신의 Science 논문까지 다루었다 . 주요 내용을 요약하면 , cerebral blood flow 는 Alzheimer ’s disease를 비롯한 여러 neurological disease 에서 떨어져 있다고 알려져 있 는데 , vascular resistance 라는 개념에서 이를 접근해볼 때 vascular resistance 에 가장 크게 기여하는 capillary 에 위치한 pericyte 의 dysfunction 과 큰 연관이 있을 것이다 . 최신의 연구에서 그의 그룹은 Amyloid β가 pericyte 위치에서 capillary 를 constriction 시키는 것을 발견했고 , 이것이 Amyloid β에 의해 발생된 ROS 에 의한 endothelin-1 의 release 에 의해 일어난다는 사실을 밝혀냈다 . 이를 통해 Alzheimer ’s disease에서 Amyloid β에 의한 pericyte dysfunction 이 어떻게 cerebral blood flow 감소 로 이어지고 , 이것이 β -secretase 1 (BACE1) expression 증가를 야기하여 지속적인 악순환을 일으키는 mechanism 을 규명하였다 . 논문에서만 보던 그를 실제로 만난 건 이번이 처음이었는데 , 대학원생을 semi-automated system 이라 지칭하여 청중들의 웃음을 자아내는 등 발표 중간중간에 특유의 유머와 위트가 있었으며 학회 기간 내내 연자의 발표 후 Q&A session 에서 매우 적극적으로 참여하는 모습 은 꽤나 인상적이었다 .

Neurovascular coupling: mechanisms

1) The contribution of specific inhibitory cortical interneurons to neurovascular coupling

Clare Howarth lab 에서 진행된 이 연구의 내용은 다음과 같다 . Inhibitory interneuron 이 vasodilation 과 vasoconstriction 에 관여한다는 사실은 이미 알려져 있었으나 , 특정 subtype 별로 어떠 한 역할을 하는지에 대해서는 명확히 밝혀진 바가 없었다 . 이 발표의 연구에서는 somatostatin (SST) ? Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse 와 neuronal nitric oxide synthase (NOS1) - Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse 를 이용하여 , 각각의 interneuron subtype 을 흥분시켰을 때 haemodynamic response 의 차이를 2D-OIS 와 multichannel electrode 를 이용하여 관찰하였다 . 결과적으로 NOS1-ChR2 는 local multi-unit activity (MUA) 에 거의 영향을 미치지 못하였지만 SST-ChR2 는 local MUA increase 를 야기 하였고 , 이는 SST-ChR2 에서 더 큰 haemodynamic response 변화로 이어졌다 . 요약하면 , cortical interneuron 의 suptype 별로 neurovascular coupling 에 기여하는 정도가 다르다는 사실을 보여주었다 .

2) Cerebral hemodynamics are differentially regulated by excitatory and inhibitory circuits

Adam Q. Bauer lab 에서 진행된 이 연구에서는 parvalbumin (PV) - Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse 를 이용하여 PV positive interneuron 을 특이적으로 excitation 시킨 후에 haemodynamic response 의 변화를 측정하였다 . Control 그룹으로는 Thy1 promoter 를 이용하여 excitatory neuron 을 excitation 시켰는데 , PV-ChR2 excitation 시 control 에 비해 HbO 는 떨어지고 , HbR 은 올라가고 , HbT 는 떨어지는 , baseline 기준으로 완전히 반전된 (flipped) 반응을 보였다 . Q&A session 에서 흥미로운 질문 이 나왔는데 , neuron 을 excitation 시켰음에도 불구하고 HbO 와 HbT 가 떨어지는 것에 대해서 어떻게 생각하냐는 질문이었다 . 왜냐하면 neurovascular coupling 개념에 의하면 neural activity 발생에 따라 neurotransmitter release 등을 통해 HbO 와 HbT 가 따라서 올라가야 하기 때문이다 . 이에 대해 발표 자는 PV positive interneuron 의 excitation 이 주변 뉴런들의 activity 를 inhibition 시키기 때문일 것이 라고 설명하였다 .

발표내용을 정리하면서 이 발표의 내용과 상당히 유사한 내용의 다른 연구팀 논문을 확인할 수 있었는데 (Inhibitory neuron activity contributions to hemodynamic responses and metabolic load examined using an inhibitory optogenetic mouse model, Cerebral Cortex , 2018), 논문에서는 Thy1- ChR2 와 VGAT-ChR2 mouse 를 사용하였다 . OIS-CBV (572nm) and OIS-BOLD (620nm) 를 decomposition 하여 얻은 결과를 살펴보면 (Supplementary Fig. S1), Thy1-ChR2 와 VGAT-ChR2 의 HbO, HbT 변화가 baseline 대비 올라가는 방향으로 일치하고 VGAT-ChR2 에서 오히려 변화폭이 더 큰 것 으로 보인다 . 이러한 결과에 대해 논문에서 역시 inhibition of excitatory activity 로 인하여 metabolic load 가 낮아졌기 때문으로 설명하고 있기 때문에 , 이 발표에서의 결과에 대해서는 좀 더 숙고가 필 요할 것으로 보인다 .

3. 7 월 6 일 (Scientific programs)

Interrogation of pericyte function in CNS physiology & pathophysiology

1) Interrogating mural cell identity and function in vivo (R. Hill)

R. Hill 은 2017 년에 Nature Neuroscience 에 발표한 NeuroTrace 500/525 dye 에 의한 pericyte 특이적인 labeling 에 대해 발표했다 . 지금까지 pericyte 만을 특이적으로 labeling 하는 것으로 알려진 antibody 또는 promoter 는 존재하지 않았기 때문에 이 논문은 발표 당시 매우 주목받았다 . 그러나 contractile cells in capillaries 라는 pericyte 의 정의와는 달리 이 논문에서 NeuroTrace 500/525 dye 에 의해 labeling 된 pericyte 는 contractility 가 없는 것으로 보고되어 논란이 있었다 . 발표에서 이에 대해 R. Hill 은 penetrating arterioles 와 penetrating arterioles 로부터 가지치는 first branch order vessels 에 있는 mural cell 만 contractile 하고 이외에 위치한 mural cell 은 모두 contractility 가 없다는 결과를 제 시했다 . 그래서 mural cell 을 두 가지 혹은 세 가지 타입으로 분류할 필요가 있는데, ① SMA+ / NeuroTrace- contractile smooth muscle cells, ② SMA - / NeuroTrace+ non-contractile pericytes 또는 ① SMA+ / NeuroTrace - contractile smooth muscle cells, ② SMA+ / NeuroTrace - contractile pericytes, ③ SMA - / NeuroTrace+ non-contractile pericytes 로 구분할 필요가 있다고 주장했다 . 이는 기존의 보 고와 대치되는 주장이기 때문에 이후 이어진 Q&A session 에서 David Attwell 은 그러한 주장을 하는 데 더욱 신중해야 할 필요가 있으며 지금보다 더 많은 증거가 필요하다는 의견을 제시했다 .

2) Pericyte-deficiency in cerebral blood flow regulation (K. Kisler)

K. Kisler 는 pericyte 에 대해 활발히 연구하고 있는 USC 의 Zlokovic lab 에서 좋은 연구들을 꾸 준히 하고 있는 연구자이다 . 이번 발표에서는 pericyte 가 줄었을 때 neurovascular uncoupling 이 일 어나고 이는 brain 에 대한 oxygen supply 의 제한으로 이어진다는 본인의 2017 년 Nature Neuroscience 논문을 중심으로 발표하였다 . Pdgfrb+/-, Pdgfrb+/+ mouse 를 이용하여 진행한 이 연 구에서 Pdgfrb+/- mouse 는 Pdgfrb+/+ 에 비해 CBF response 와 Time to 50% peak diameter 가 capillary 에서 특이적으로 감소하였고 , 이는 arteriole 과 무관하였다 . 그리고 이러한 변화는 pO2 level 의 감소와 함께 관찰되었고 , 이를 통해 pericyte 의 neurovascular coupling 을 통한 functional hyperemia 에 대한 기여를 보여주었던 연구였다 . 다만 개인적으로 이 연구에서 Pdgfrb+/- mouse 를 사용했기 때문에 development 과정에서 기저에 예기치 않은 effect 들이 존재할 수 있고 , brain 뿐만 아니라 다른 organ 에도 pericyte 가 존재하고 있기 때문에 brain 에 specific 한 변화로 얘기할 수 없다 는 점이 한계점이라고 생각했다 . 그러나 이러한 한계점은 올해 6 월에 같은 랩에서 나온 논문 (Pericyte loss leads to circulatory failure and pleiotrophin depletion causing neuron loss, AM Nikolakopoulou, et al. , Nature Neuroscience ) 을 통해 상당 부분 해소할 수 있었다 . 새로운 논문에서 는 두 가지 전략을 사용하게 되는데, ① Pdgfrb와 NG2 를 합친 새로운 promoter 를 사용함으로써 pericyte 에 대한 specificity 라는 Pdgfrb 의 장점과 central nervous system 에서의 높은 expression 이라는 NG2 의 장점을 결합시켰고, ② CreER system 을 사용하여 conditional knock-out 을 함으로써 development 과정에서 생길 수 있는 effect 에 대한 문제를 배제하였다 . 지난 연구에서 부족했던 부 분을 후속 연구를 통해 지속적으로 보완해 나가는 모습이 좋아 보였고 , 결국 이러한 과정의 반복을 통해서야 한 분야의 대가가 되는 것이 아닌가라는 생각을 해보게 되었다 .

3) Pericytes regulate cerebral microvascular blood flow in health and disease (A. Mishra)

David Attwell lab 에서 독립하여 PI 로서 연구를 시작한 A. Mishra 교수는 capillary pericyte 에 의해 blood flow 가 조절되며 , ischaemia 상황에서 pericyte 에 의한 capillary constriction 이 일어나고 이것이 pericyte death 와 함께 blood flow 의 지속적인 감소를 일으켜 neuronal damage 까지 이어진 다는 내용을 발표하였다 . 특히 2017 년에 Yale 의 Jaime Grutzendler 그룹에서 발표한 Nature Neuroscience 논문 (NeuroTrace 500/525 dye 의 non-contractile 한 pericyte labeling) 에서의 결과와는 다르게 , NeuroTrace 500/525 dye 에 의해 labeling 된 pericyte 가 contractile 한 것을 보여주는 결과는 매우 흥미로웠다 . Brain slice 에서 electric stimulation 을 주었을 때 NeuroTrace 500/525 dye 로 labeling 된 cell 이 수축되는 모습을 보여주는 동영상이었는데 , 이 실험의 방법이 cell 의 contractility 를 보는데 적합한 것이었다면 이는 앞선 논문의 핵심내용을 완전히 부정하는 결과였고 , 논문에 주저자 로 참여한 R. Hill 이 같은 세션에서 발표자로 참여하였기 때문에 앞으로의 경과가 주목되었다 .

4) Do pericytes proliferate and differentiate into microglia-like cells after ischemic stroke? (Y. Yao)

Y. Yao 교수는 pericyte 의 microglia 로 분화 가능성에 대해 발표하였다 . Yao 교수에 따르면 기 존에 pericyte 의 역할에 대한 연구 중에서 microglia 로 분화하여 brain 의 immune response 에 관여한 다는 연구가 있었는데 이것에 문제가 있을 수 있다는 내용이었다 . 왜냐하면 , 2018 년 발표된 vascular single-cell transcriptomics 논문 (A molecular atlas of cell types and zonation in the brain vasculature, Nature ) 에 따르면 현재까지 가장 solid 한 pericyte marker 로 여겨지는 Pdgfrb 가 fibroblast 도 상당하게 tagging 한다는 내용이 있기 때문에 기존에 보고된 pericyte 의 분화능이 함께 섞여 들어간 fibroblast 에 의한 것이 아닌지 확인해보고 있다는 발표였다 . 이를 위해 그는 Col1a1 promoter 를 사용할 계획 이라고 밝혔다 . 만약 그의 생각이 사실로 증명된다면 pericyte 의 다양한 role 에 대한 검증이 다시 이 루어져야 할 것으로 보인다 .

4. 7 월 7 일 (Scientific programs, Poster sessions)

Brain and immunity in health and disease

Gut and brain axis (Microbiome, stroke immunity) (C. Iadecola)

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Cornell 의 C. Iadecola 교수는 vascular contribution to cognitive decline 에 대한 수많은 연구 와 review 로 알려져 있는데 , 이번 발표에서는 gut-brain axis 에 대한 연구내용을 발표하였다 . 발표에 서 그는 microbiota 가 acute brain injury 와 어떤 관련이 있는지 연구해 보았는데 , amoxicillin 과 clavulanic acid 라는 antibiotics 의 treatment 를 통하여 gut microbiota 의 composition 을 바꾼 후 MCAO 를 통하여 brain injury 를 야기하였다 . 여기서 antibiotics treatment 에 의한 gut microbiota composition 의 변화가 MCAO 에 의한 ischemic brain injury 를 감소시키고 , 이것이 regulatory T cell 의 증가와 IL- 17+ γδ T cell의 감소에 의해 이루어진다는 내용이었다 . ( 발표관련논문 : Commensal microbiota affects ischemic stroke outcome by regulating intestinal γδ T cells, Nature Medicine , 2016) 학회 마지막 날의 마지막 세션이었기 때문인지 C. Iadecola 교수 이외에도 중량감 있는 연사 들로 구성되었다 . Neutrophils and neuroinflammation 이라는 주제로 University of Alabama at Birmingham 의 E.T. Benveniste 교수가 , Immune effects on neuronal function 이라는 주제로 Weizmann 의 M. Schwartz 교수의 발표가 있었다 .

Haemodynamic imaging 을 이용한 연구에서 anesthetic 의 선택 (Poster sessions 중에서 )

Haemodynamic imaging 을 이용한 연구에서 어떠한 마취 방법을 선택하는지는 연구의 결과 를 바꿀 수 있는 매우 중요한 요소이기 때문에 , 이번 학회의 Poster session 에서도 이에 관해 Mass General C. Ayata 교수 연구팀 , 성균관대 김성기 교수 연구팀 등 여러 그룹에서 발표하였다 . 발표내 용을 종합하면 , 설치류의 Haemodynamic imaging 에서 resting state functional connectivity 를 그리는 데 isoflurane, chloral hydrate 의 사용은 적합하지 않으며 , Avertin, Ketamin-Xylazine, Urethane 은 awake 상태에서의 imaging 결과와 consistent 한 것으로 보아 적합한 것으로 나타났다 . 특히 설치류 에서 일반적으로 사용하는 isoflurane 을 이용한 호흡마취 사용 시 hemodynamic signal 의 fluctuation 이 거의 없어지는 결과는 매우 인상적이었다 . 그리고 Ketamin-Xylazine 마취와 isoflurane 마취를 비 교했을 때 Ketamin-Xylazine 을 tracheostomy 를 통한 mechanical ventilation 과 함께 사용했을 때 pO2, PH 등의 physiological monitoring 에서 가장 이상적인 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다 .

Ⅱ . 총평

본 학회는 뇌의 각종 병리에서 Neurovascular coupling 과 같은 뇌혈관과 관련된 연구를 하는 연구자들에게 특히나 최적의 학회라는 생각이 들었다 . 학회의 참석을 통해 Neurovascular coupling 을 비롯한 pericyte, microglia, astrocyte, endothelial cell 과 같은 Neurovascular unit 연구의 최신 연 구 동향을 파악할 수 있었으며 , neurovascular unit 연구에서 상대적으로 minor 하다고 생각했던 pericyte 연구가 뇌혈관 관련 연구자들에게는 상당히 주목받고 있다는 느낌을 받을 수 있었다 . 그리 고 이번 학회는 특히나 Poster session 이 상당히 유익했다 . Poster presentation session 과 viewing session 이 분리되어 있고 포스터의 게시가 하루 단위로 돌아가기 때문에 저자와 대화를 나누면서 둘 러보는데 충분한 시간을 가질 수 있었고 , 이것은 본인이 저자인 포스터에 대해서도 다른 연구자들과 충분한 대화를 나눌 수 있다는 것을 의미하므로 미완성된 연구임에도 불구하고 향후 연구의 방향을 세우는데 매우 유익한 시간이 되었다 . 한국에서도 KAIST, 성균관대 , 아주대 등에서 다수의 연구자들 이 참석하였다 .

...................(계속)

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