Mediatory role of BLT2 in lung inflammation = 폐 염증 질환에서 Leukotriene B4 수용체 2 (BLT2) 신호전달계의 역할 규명

국문 초록 (Abstract)

류코트리엔, 프로스타글란딘 등이 속한 에이코사노이드는 염증성 질환에 관여하고 있다고 발표되어 잘 알려져 있는 지질대사 산물이다. 그 중에서도, LTB4는 아라키돈산이 5-LO를 통해서 대사되어 만들어지는 염증성 지질 대사 산물이다. 이러한 LTB4는 BLT1과 BLT2 두 종류의 수용체를 통해 생물학적 기능을 수행하게 되는데, 현재까지 대부분의 연구는 LTB4에 대한 높은 결합 친화성을 가지고 있고, 백혈구 등의 면역세포에서 발현되어 있는 BLT1에 집중되어 있었다. 반면에, LTB4에 대해 낮은 결합 친화성을 가진 BLT2는 체내에서 편재하여 발현되고 있으며, 상피세포, 비만세포, 암세포 등의 염증성 질환에서의 역할에 대해서 연구된 바가 있다. BLT2는 또한 아라키돈산이 12-LO를 통해서 대사되어 만들어지는 염증성 지질 대사 산물인 12(S)-HETE에 대한 수용체로서 작용한다. 이번 연구의 목적은 BLT2가 폐 염증 질병에서 어떠한 역할을 하고 있는지를 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 맹장 결찰 및 천공 (CLP) 수술에 의한 패혈증 모델, 집먼지 진드기 (HDM)에 의한 호산구성 폐 염증 모델, LPS/OVA에 의한 호중구성 폐 염증 모델이 사용되었다.
1. 본 연구는 감염에 의해 발생하는 전신성 염증 반응 증후군인 패혈증에서 BLT2의 역할을 규명하고자, CLP 수술을 통한 패혈증 모델이 사용되었다. 패혈증이 유도된 생쥐 복강 세척액과 혈청에서 BLT2의 리간드인 LTB4와 12(S)-HETE의 발현 증가를 확인하였다. 또한, 이들을 형성하는 효소인 5-LO, 12-LO 단백질과 BLT2 단백질의 발현이 폐와 간조직에서 증가된 것을 확인하였다. 그리고 패혈증이 유도된 생쥐에 BLT2 억제제를 투여하였을 때, 패혈증과 연관된 사이토카인 (IL-6, TNF-, IL-1, IL-17)과 폐 염증이 감소된 것을 관찰하였다. 종합하여 보았을 때, 위 결과는 CLP로 인한 패혈증 모델에서 BLT2가 염증성 사이토카인의 조절을 통해 폐 염증을 유발함을 보여주었다. 이러한 발견은 패혈증 환자에 대한 잠재적인 치료 타겟으로써 BLT2를 제시하고 있다.
2. 앞선 연구에서, BLT1와 BLT2가 OVA에 의해 유도된 알레르기성 기도 염증에 대한 조절 인자로서 작용하고 있음을 밝혀낸 바 있다. 하지만, HDM이 알레르기성 천식에서 잘 알려진 위험 인자이고, 가장 일반적인 알레르겐으로 작용함을 고려하였을 때, 본인은 BLT1과 BLT2가 HDM으로 인한 알레르기성 기도 염증 반응에서 어떤 역할을 가지고 있는지에 대하여 규명하고자 하였다. 본 연구에서, HDM을 처리한 생쥐의 기도세척액에서 LTB4와 12(S)-HETE의 발현이 증가한 것을 확인하였다. BLT1, BLT2, 5-LO, 12-LO의 억제제를 각각 투여하였을 때, HDM에 의해 유도된 호산구성 염증 모델에서 발견되었던 TH2 사이토카인 (IL-4, IL-5, IL-13)의 발현량 증가, 폐 염증 및 점액 분비 증가 등의 현상이 모두 완화됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들을 종합하면, 5-/12-LO-BLT1/2 연속단계가 TH2 사이토카인의 발현을 조절함으로써 HDM에 의해 유도된 기도 염증을 유발함을 알 수 있다. 본 연구 결과는 HDM에 대한 알레르기성 천식 환자들에게 잠재적인 치료 타겟으로써 BLT1/2를 제시하고 있다.
3. 과립구집락자극인자 (G-CSF)는 호중구성 천식 발병에 기여하고 있다고 알려져 있다. 하지만, 호중구성 천식에서 G-CSF 발현 조절 인자에 대한 연구가 부족한 상황이다. 앞선 연구에서는 BLT2가 호중구성 기도 염증에서 중요한 역할을 하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 하여, 본 연구에서는 BLT2가 LPS/OVA에 의해 유도된 스테로이드 저항성, 호중구성 천식에서 G-CSF의 발현에 BLT2가 연관되어 있는지 확인하고자 하였다. 실험을 통해, 호중구성 기도 염증에서 G-CSF의 발현이 증가된 것을 확인하였고 이를 BLT2가 조절하고 있음을 확인하였다. 그리고 12-LO 또한 G-CSF 발현에 필수적임을 확인하였다. 따라서, 위 결과는 12-LO-BLT2 신호전달 네트워크가 G-CSF 발현을 조절하고, 이를 통해 호중구성 기도 염증 발달에 기여하고 있음을 나타낸다. 이러한 발견은 중증 천식 환자에게 새로운 잠재적 치료 타겟을 제시하고 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Eicosanoids such as leukotrienes and prostaglandins are well-defined lipid metabolites which were reported to be associated with inflammatory diseases. Among them, leukotriene B4 (LTB4) is a lipid mediator of inflammation that is generated from arachidonic acid (AA) via the 5-lipoxygenase (5-LO) pathway. LTB4 exerts biological functions by binding to two distinct receptors, BLT1 and BLT2. Majority of studies have focused on BLT1, which is the high-affinity receptor for LTB4 and expressed mainly on immune cells, such as leukocytes. On the other hand, BLT2, a low-affinity receptor for LTB4, is studied in inflammatory diseases and cancer and expressed ubiquitously, including airway epithelial and mast cells. BLT2 is also known to interact with 12(S)-hydroxyeicosatetraenoic acid (12(S)-HETE), a lipid mediator derived from AA by the enzymatic action of 12-lipoxygenase (12-LO).
The aim of this study was to investigate whether BLT2 plays any role in lung inflammation. Cecal ligation and puncture (CLP)-induced septic lung inflammation model, house dust mite (HDM)-induced eosinophilic lung inflammation model and lipopolysaccharide/ovalbumin (LPS/OVA)-induced neutrophilic lung inflammation model were used to evaluate the mediatory role of BLT2 in lung inflammation.
1. I investigated whether BLT2 played any role in sepsis, a systemic inflammatory response syndrome caused by infection. A murine model of CLP-induced sepsis was used to evaluate the role of BLT2 in septic inflammation. In the present study, I observed that the levels of ligands for BLT2 (LTB4 and 12(S)-HETE) were significantly increased in the peritoneal lavage fluid (PF) and serum from mice with CLP-induced sepsis. I also observed that the levels of BLT2 as well as 5-LO and 12-LO, which are synthesizing enzymes for LTB4 and 12(S)-HETE, were significantly increased in lung and liver tissues in the CLP mouse model. Blockade of BLT2 markedly suppressed the production of sepsis-associated cytokines {IL-6 (interleukin-6), TNF- (tumor necrosis factor-alpha), and IL-1 (interleukin-1) as well as IL-17 (interleukin-17)} and alleviated lung inflammation in the CLP group. Taken together, my results suggest that BLT2 cascade contributes to lung inflammation in CLP-induced sepsis by mediating the production of inflammatory cytokines. These findings suggest that BLT2 may be a potential therapeutic target for sepsis patients.
2. Previous studies have reported that the receptors of LTB4, BLT1 and BLT2 play mediatory roles in the allergic airway inflammation induced by OVA. However, considering that HDM is the most prevalent allergen and well-known risk factor for asthmatic allergies, I was interested in elucidating the contributory roles of BLT1/2 in HDM-induced allergic airway inflammation. The aim of this study was to investigate whether BLT1/2 play any roles in HDM-induced allergic airway inflammation. In the present study, I observed that the levels of ligands for BLT1/2 (LTB4 and 12(S)-HETE) were significantly increased in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) after HDM challenge. Blockade of BLT1 or BLT2 as well as 5-LO or 12-LO markedly suppressed the production of TH2 cytokines {IL-4 (interleukin-4), IL-5 (interleukin-5) and IL-13 (interleukin-13)} and alleviated lung inflammation and mucus secretion in HDM-induced eosinophilic airway inflammation mouse model. Together, these results indicate that the 5-/12-LO-BLT1/2 cascade plays a role in HDM-induced airway inflammation by mediating the production of TH2 cytokines. My findings suggest that BLT1/2 may be a potential therapeutic target for patients with HDM-induced allergic asthma.
3. Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) has been suggested to be closely associated with neutrophilic asthma pathogenesis. However, little is known about the factors regulating the production of G-CSF in neutrophilic asthma. I previously reported that a leukotriene B4 receptor 2, BLT2, played an important role in neutrophilic airway inflammation. Therefore, in the current study, I investigated whether BLT2 plays a role in the production of G-CSF in LPS/OVA-induced steroid-resistant neutrophilic asthma. The data showed that BLT2 critically mediated G-CSF production, contributing to the progression of neutrophilic airway inflammation. I also observed that 12-lipoxygenase (12-LO), which catalyzes the synthesis of the BLT2 ligand, 12(S)-HETE, was also necessary for G-CSF production. Together, these results suggest that the 12-LO-BLT2-linked signaling network is critical for the production of G-CSF, contributing to the development of neutrophilic airway inflammation. My findings can provide a potential new target for the therapy of severe neutrophilic asthma.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iii
• List of Abbreviations iv
• Abstract v
• Chapter Ⅰ Mediatory role of BLT2 in the lung inflammation in CLP-induced sepsis １
• 1. Abstract ３
• 2. Introduction ４
• 3. Materials and Methods ６
• 4. Results ９
• 5. Discussion １９
• 6. References ２２
• Chapter Ⅱ Mediatory role of BLT2 in House Dust Mites-induced eosinophilic lung inflammation ２６
• 1. Abstract ２８
• 2. Introduction ２９
• 3. Materials and Methods ３１
• 4. Results ３３
• 5. Discussion ４１
• 6. References ４４
• Chapter Ⅲ Mediatory role of BLT2 in LPS/OVA-induced neutrophilic lung inflammation via regulation of G-CSF production ４９
• 1. Abstract ５１
• 2. Introduction ５２
• 3. Materials and Methods ５４
• 4. Results ５８
• 5. Discussion ７３
• 6. References ７７
• Conclusion ８２
• Abstract in Korean ８４
• Acknowledgement ８６

참고문헌 (Reference)

1 Jr., Peebles, R. S., "Prostaglandins in asthma and allergic diseases", 193: 1-19, 2019

2 Lukacs, N. W., "Role of chemokines in the pathogenesis of asthma", 1: 108-116, 2001

3 Gelfand, E. W., "Importance of the leukotriene B4-BLT1 and LTB4-BLT2 pathways in asthma", 33: 44-51, 2017

4 Avalos, B. R., "Molecular analysis of the granulocyte colonystimulating factor receptor", 88: 761-777, 1996

5 Wang, J. Y., "The innate immune response in house dust mite-induced allergic inflammation", 5: 68-74, 2013

6 Sanak, M., "Eicosanoid Mediators in the Airway Inflammation of Asthmatic Patients: What is New?", 8: 481-490, 2016