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Bio리포트 학회참관기
Brain & Brain PET 2019 참석 후기
최영근(KAIST)
목차
Ⅰ. 주요 발표 내용
1. 7월 4일 (Educational courses)
2. 7월 5일 (Presidential lecture, Scientific programs)
3. 7월 6일 (Scientific programs)
4. 7월 7일 (Scientific programs, Poster sessions)
Ⅱ. 총평
I. 주요 발표 내용
4일간 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 imaging을 이용한 연구에서 anesthetic의 선택 (7/7 Poster sessions)
1. 7월 4일 (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)
UBC의 T. Murphy 교수는 Mesoscopic imaging의 다양한 method 개발에 앞장서는 연구자로서, 이번 학회에서도 Intact skull chronic window, Home-cage robotic lever pulling을 이용한 자동화된 imaging system 등을 소개하였다. Mouse에서 in vivo brain imaging을 위한 cranial window preparation 방법에는 크게 4가지가 있는데, ① Craniotomy(아예 skull을 들어냄), ② Thinned skull (skull을 20~50µm까지 갈아냄), ③ Chronic window (skull을 원형 cover glass 크기에 맞춰 갈아서 들어내고 cover glass를 끼워 넣음), ④ Intact skull chronic window (skull 위에 cover glass를 그대로 얹음)가 있다. Murphy 교수가 발표한 Intact skull chronic window는 less invasive하기 때문에 stability가 매우 높고, 실제로 만족하며 사용하고 있는 방법이다. 그리고 awake mouse에서 head fixed 상태로 photothrombosis를 이용해 ischemic stroke를 induction한 실험은 매우 인상적이었다. 왜냐하면 기존의 연구는 stroke induction 시 대부분 마취하에서 시행하기 때문에 실제상황을 얼마나 잘 모사하는지에 있어서 의문점이 있었다. 그래서 Murphy 교수는 awake 및 마취상태에서 ischemic stroke induction을 하면서 laser speckle contrast imaging과 wide-field calcium imaging을 수행하였고, targeted area로부터 depolarizing wave의 propagation을 관찰했는데, awake 상태에서 관찰했을 때 propagation의 magnitude가 유의적으로 작은 것을 관찰할 수 있었다.
2) Tonic and augmenting control of cerebral blood flow by astrocytes (G. Gordon)
G. Gordon 교수는 astrocyte가 neurovascular coupling에 어떤 mechanism으로 관여하는지 연구하고 있었다. 이번 발표에서는 Astrocyte의 Ca2+에 의한 arteriole constriction이 COX-1에 의해 mediation된다는 결과를 BAPTA와 COX-1 antagonist를 사용해서 보여주었는데, COX-1 antagonist 사용 시 basal CBF가 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 astrocyte endfoot Ca2+ transients만으로는 functional hyperemia가 일어나지 않으며 neuron의 activity가 올라간 이후에 astrocyte endfoot Ca2+ release가 이어지면서 functional hyperemia가 유지되는데 기여한다는 결과를 보여주었다.
3) Role of vascular mural cells in NVC (C. Hall)
David Attwell lab에서 독립하여 PI로서 연구를 시작한 C. Hall 교수는 기존의 연구주제인 pericyte를 중심으로 연구를 계속해 나가고 있었다. 그녀는 2014년 Nature에 발표한 논문에서 pericyte가 blood flow 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 밝혔는데, 이번 학회에서 발표한 내용은 크게 두 가지로 ① 3가지 type의 pericyte (Ensheathing, Mesh, Thin strand) 중에서 어떤 type의 pericyte가 contractility를 가지고 있는지, ② Visual cortex (V1)와 Hippocampus에서 Neurovascular coupling (NVC)을 비교한 결과였다. Two-photon excitation microscopy를 이용하여 V1의 경우 chronic window를 만들고 visual stimulus를 주면서 imaging하였고, Hippocampus는 cortex 일부를 suction하여 제거하고 task를 하면서 imaging하는 방법을 이용하였다. ①의 결과는 모든 종류의 pericyte가 contractility를 가진 것으로 보이지만 ensheathing pericyte가 가장 먼저 dilation되는 것으로 보인다. ② Hippocampus에서 NVC가 더 약한 것으로 보이며, 이는 V1에 ensheathing pericyte의 비율이 더 높은 것과 연관이 있을 것이라는 내용을 보여주었다. 특히 ②의 결과는 neuronal activity에 의한 BOLD signal이 brain의 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)
Columbia의 E.M.C. Hillman 교수는 mesoscopic imaging을 통해 neurovascular coupling을 연구하고 있다. 이번 발표에서 가장 강조했던 부분은 endothelial propagation of vasodilation에 대한 내용이었다. FITC-dextran fluorescent dye로 vessel 안을 채우고 blue light를 illumination하여 oxygen free radicals를 생성시켜 endothelium을 specific하게 망가뜨리는 방법을 이용하였는데, endothelial cells의 disruption 이후에 vasodilation의 retrograde propagation이 떨어지고 이것이 functional hyperemia 감소로 이어진다는 내용이었다. 그리고 이에 관한 mechanism을 밝히기 위해 후속 연구로 Ketorolac이라는 COX inhibitor를 이용하여 endothelial signaling을 inhibition하고 functional hyperemia를 측정해 보았더니 neural response의 변화 없이 HbT의 amplitude가 25%가량 떨어진다는 결과를 보여주었다. 즉 Neurovascular coupling에 endothelial signaling이 필수적인 파트라는 내용이었다. 이 결과에 대해 Q&A session에서 상당히 뜨거웠는데, treatment한 COX inhibitor가 BBB를 넘어가는지 여부와 같은 endothelial signaling만이 저해된 것이 맞는가에 대한 질문이 이어졌다. 그럼에도 이것은 cardiovascular disease와 cognitive decline을 연결시키는데 중요한 단서로 사용될 수 있고, 더 나아가 cognitive decline 상황에서 endothelial dysfunction이 therapeutic target 또한 될 수 있다고 생각할 수 있는 근거가 되는 결과였다.
2. 7월 5일 (Presidential lecture, Scientific programs)
Presidential lecture (D. Attwell)
UCL의 David Attwell 교수는 Pericyte 대가로서 patch clamp를 main tool로 사용하는데, 이번 lecture는 그간 자신의 연구를 총정리하는 시간이었다. Lecture의 제목은 ‘The role of capillary pericytes in regulating cerebral blood flow in health, ischaemia and Alzheimer’s disease’였는데, pericyte의 정의에서 시작하여 Amyloid β 축적에 의한 pericyte-mediated capillary constriction의 mechanism을 밝힌 2019년 자신의 Science 논문까지 다루었다. 주요 내용을 요약하면, cerebral blood flow는 Alzheimer’s disease를 비롯한 여러 neurological disease에서 떨어져 있다고 알려져 있는데, vascular resistance라는 개념에서 이를 접근해볼 때 vascular resistance에 가장 크게 기여하는 capillary에 위치한 pericyte의 dysfunction과 큰 연관이 있을 것이다. 최신의 연구에서 그의 그룹은 Amyloid β가 pericyte 위치에서 capillary를 constriction시키는 것을 발견했고, 이것이 Amyloid β에 의해 발생된 ROS에 의한 endothelin-1의 release에 의해 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 Alzheimer’s disease에서 Amyloid β에 의한 pericyte dysfunction이 어떻게 cerebral blood flow 감소로 이어지고, 이것이 β-secretase 1 (BACE1) expression 증가를 야기하여 지속적인 악순환을 일으키는 mechanism을 규명하였다. 논문에서만 보던 그를 실제로 만난 건 이번이 처음이었는데, 대학원생을 semi-automated system이라 지칭하여 청중들의 웃음을 자아내는 등 발표 중간중간에 특유의 유머와 위트가 있었으며 학회 기간 내내 연자의 발표 후 Q&A session에서 매우 적극적으로 참여하는 모습은 꽤나 인상적이었다.
Neurovascular coupling: mechanisms
1) The contribution of specific inhibitory cortical interneurons to neurovascular coupling
Clare Howarth lab에서 진행된 이 연구의 내용은 다음과 같다. Inhibitory interneuron이 vasodilation과 vasoconstriction에 관여한다는 사실은 이미 알려져 있었으나, 특정 subtype별로 어떠한 역할을 하는지에 대해서는 명확히 밝혀진 바가 없었다. 이 발표의 연구에서는 somatostatin (SST) – Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse와 neuronal nitric oxide synthase (NOS1) - Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse를 이용하여, 각각의 interneuron subtype을 흥분시켰을 때 haemodynamic response의 차이를 2D-OIS와 multichannel electrode를 이용하여 관찰하였다. 결과적으로 NOS1-ChR2는 local multi-unit activity (MUA)에 거의 영향을 미치지 못하였지만 SST-ChR2는 local MUA increase를 야기하였고, 이는 SST-ChR2에서 더 큰 haemodynamic response 변화로 이어졌다. 요약하면, cortical interneuron의 suptype별로 neurovascular coupling에 기여하는 정도가 다르다는 사실을 보여주었다.
2) Cerebral hemodynamics are differentially regulated by excitatory and inhibitory circuits
Adam Q. Bauer lab에서 진행된 이 연구에서는 parvalbumin (PV) - Channelrhodopsin-2 (ChR2) mouse를 이용하여 PV positive interneuron을 특이적으로 excitation시킨 후에 haemodynamic response의 변화를 측정하였다. Control 그룹으로는 Thy1 promoter를 이용하여 excitatory neuron을 excitation시켰는데, PV-ChR2 excitation 시 control에 비해 HbO는 떨어지고, HbR은 올라가고, HbT는 떨어지는, baseline 기준으로 완전히 반전된(flipped) 반응을 보였다. Q&A session에서 흥미로운 질문이 나왔는데, neuron을 excitation시켰음에도 불구하고 HbO와 HbT가 떨어지는 것에 대해서 어떻게 생각하냐는 질문이었다. 왜냐하면 neurovascular coupling 개념에 의하면 neural activity 발생에 따라 neurotransmitter release 등을 통해 HbO와 HbT가 따라서 올라가야 하기 때문이다. 이에 대해 발표자는 PV positive interneuron의 excitation이 주변 뉴런들의 activity를 inhibition시키기 때문일 것이라고 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-ChR2와 VGAT-ChR2 mouse를 사용하였다. OIS-CBV (572nm) and OIS-BOLD (620nm)를 decomposition하여 얻은 결과를 살펴보면(Supplementary Fig. S1), Thy1-ChR2와 VGAT-ChR2의 HbO, HbT 변화가 baseline 대비 올라가는 방향으로 일치하고 VGAT-ChR2에서 오히려 변화폭이 더 큰 것으로 보인다. 이러한 결과에 대해 논문에서 역시 inhibition of excitatory activity로 인하여 metabolic load가 낮아졌기 때문으로 설명하고 있기 때문에, 이 발표에서의 결과에 대해서는 좀 더 숙고가 필요할 것으로 보인다.
3. 7월 6일 (Scientific programs)
Interrogation of pericyte function in CNS physiology & pathophysiology
1) Interrogating mural cell identity and function in vivo (R. Hill)
R. Hill은 2017년에 Nature Neuroscience에 발표한 NeuroTrace 500/525 dye에 의한 pericyte 특이적인 labeling에 대해 발표했다. 지금까지 pericyte만을 특이적으로 labeling하는 것으로 알려진 antibody 또는 promoter는 존재하지 않았기 때문에 이 논문은 발표 당시 매우 주목받았다. 그러나 contractile cells in capillaries라는 pericyte의 정의와는 달리 이 논문에서 NeuroTrace 500/525 dye에 의해 labeling된 pericyte는 contractility가 없는 것으로 보고되어 논란이 있었다. 발표에서 이에 대해 R. Hill은 penetrating arterioles와 penetrating arterioles로부터 가지치는 first branch order vessels에 있는 mural cell만 contractile하고 이외에 위치한 mural cell은 모두 contractility가 없다는 결과를 제시했다. 그래서 mural cell을 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 pericytes로 구분할 필요가 있다고 주장했다. 이는 기존의 보고와 대치되는 주장이기 때문에 이후 이어진 Q&A session에서 David Attwell은 그러한 주장을 하는데 더욱 신중해야 할 필요가 있으며 지금보다 더 많은 증거가 필요하다는 의견을 제시했다.
2) Pericyte-deficiency in cerebral blood flow regulation (K. Kisler)
K. Kisler는 pericyte에 대해 활발히 연구하고 있는 USC의 Zlokovic lab에서 좋은 연구들을 꾸준히 하고 있는 연구자이다. 이번 발표에서는 pericyte가 줄었을 때 neurovascular uncoupling이 일어나고 이는 brain에 대한 oxygen supply의 제한으로 이어진다는 본인의 2017년 Nature Neuroscience 논문을 중심으로 발표하였다. Pdgfrb+/-, Pdgfrb+/+ mouse를 이용하여 진행한 이 연구에서 Pdgfrb+/- mouse는 Pdgfrb+/+에 비해 CBF response와 Time to 50% peak diameter가 capillary에서 특이적으로 감소하였고, 이는 arteriole과 무관하였다. 그리고 이러한 변화는 pO2 level의 감소와 함께 관찰되었고, 이를 통해 pericyte의 neurovascular coupling을 통한 functional hyperemia에 대한 기여를 보여주었던 연구였다. 다만 개인적으로 이 연구에서 Pdgfrb+/- mouse를 사용했기 때문에 development 과정에서 기저에 예기치 않은 effect들이 존재할 수 있고, brain뿐만 아니라 다른 organ에도 pericyte가 존재하고 있기 때문에 brain에 specific한 변화로 얘기할 수 없다는 점이 한계점이라고 생각했다. 그러나 이러한 한계점은 올해 6월에 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 논문에서는 두 가지 전략을 사용하게 되는데, ① Pdgfrb와 NG2를 합친 새로운 promoter를 사용함으로써 pericyte에 대한 specificity라는 Pdgfrb의 장점과 central nervous system에서의 높은 expression이라는 NG2의 장점을 결합시켰고, ② CreER system을 사용하여 conditional knock-out을 함으로써 development 과정에서 생길 수 있는 effect에 대한 문제를 배제하였다. 지난 연구에서 부족했던 부분을 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 lab에서 독립하여 PI로서 연구를 시작한 A. Mishra 교수는 capillary pericyte에 의해 blood flow가 조절되며, ischaemia 상황에서 pericyte에 의한 capillary constriction이 일어나고 이것이 pericyte death와 함께 blood flow의 지속적인 감소를 일으켜 neuronal damage까지 이어진다는 내용을 발표하였다. 특히 2017년에 Yale의 Jaime Grutzendler 그룹에서 발표한 Nature Neuroscience 논문(NeuroTrace 500/525 dye의 non-contractile한 pericyte labeling)에서의 결과와는 다르게, NeuroTrace 500/525 dye에 의해 labeling된 pericyte가 contractile한 것을 보여주는 결과는 매우 흥미로웠다. Brain slice에서 electric stimulation을 주었을 때 NeuroTrace 500/525 dye로 labeling된 cell이 수축되는 모습을 보여주는 동영상이었는데, 이 실험의 방법이 cell의 contractility를 보는데 적합한 것이었다면 이는 앞선 논문의 핵심내용을 완전히 부정하는 결과였고, 논문에 주저자로 참여한 R. Hill이 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 pericyte의 microglia로 분화 가능성에 대해 발표하였다. Yao 교수에 따르면 기존에 pericyte의 역할에 대한 연구 중에서 microglia로 분화하여 brain의 immune response에 관여한다는 연구가 있었는데 이것에 문제가 있을 수 있다는 내용이었다. 왜냐하면, 2018년 발표된 vascular single-cell transcriptomics 논문(A molecular atlas of cell types and zonation in the brain vasculature, Nature)에 따르면 현재까지 가장 solid한 pericyte marker로 여겨지는 Pdgfrb가 fibroblast도 상당하게 tagging한다는 내용이 있기 때문에 기존에 보고된 pericyte의 분화능이 함께 섞여 들어간 fibroblast에 의한 것이 아닌지 확인해보고 있다는 발표였다. 이를 위해 그는 Col1a1 promoter를 사용할 계획이라고 밝혔다. 만약 그의 생각이 사실로 증명된다면 pericyte의 다양한 role에 대한 검증이 다시 이루어져야 할 것으로 보인다.
4. 7월 7일 (Scientific programs, Poster sessions)
Brain and immunity in health and disease
Gut and brain axis (Microbiome, stroke immunity) (C. Iadecola)
Cornell의 C. Iadecola 교수는 vascular contribution to cognitive decline에 대한 수많은 연구와 review로 알려져 있는데, 이번 발표에서는 gut-brain axis에 대한 연구내용을 발표하였다. 발표에서 그는 microbiota가 acute brain injury와 어떤 관련이 있는지 연구해 보았는데, amoxicillin과 clavulanic acid라는 antibiotics의 treatment를 통하여 gut microbiota의 composition을 바꾼 후 MCAO를 통하여 brain injury를 야기하였다. 여기서 antibiotics treatment에 의한 gut microbiota composition의 변화가 MCAO에 의한 ischemic brain injury를 감소시키고, 이것이 regulatory T cell의 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 연사들로 구성되었다. Neutrophils and neuroinflammation이라는 주제로 University of Alabama at Birmingham의 E.T. Benveniste 교수가, Immune effects on neuronal function이라는 주제로 Weizmann의 M. Schwartz 교수의 발표가 있었다.
Haemodynamic imaging을 이용한 연구에서 anesthetic의 선택(Poster sessions 중에서)
Haemodynamic imaging을 이용한 연구에서 어떠한 마취 방법을 선택하는지는 연구의 결과를 바꿀 수 있는 매우 중요한 요소이기 때문에, 이번 학회의 Poster session에서도 이에 관해 Mass General C. Ayata 교수 연구팀, 성균관대 김성기 교수 연구팀 등 여러 그룹에서 발표하였다. 발표내용을 종합하면, 설치류의 Haemodynamic imaging에서 resting state functional connectivity를 그리는데 isoflurane, chloral hydrate의 사용은 적합하지 않으며, Avertin, Ketamin-Xylazine, Urethane은 awake 상태에서의 imaging 결과와 consistent 한 것으로 보아 적합한 것으로 나타났다. 특히 설치류에서 일반적으로 사용하는 isoflurane을 이용한 호흡마취 사용 시 hemodynamic signal의 fluctuation이 거의 없어지는 결과는 매우 인상적이었다. 그리고 Ketamin-Xylazine 마취와 isoflurane 마취를 비교했을 때 Ketamin-Xylazine을 tracheostomy를 통한 mechanical ventilation과 함께 사용했을 때 pO2, PH 등의 physiological monitoring에서 가장 이상적인 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
Ⅱ. 총평
본 학회는 뇌의 각종 병리에서 Neurovascular coupling과 같은 뇌혈관과 관련된 연구를 하는 연구자들에게 특히나 최적의 학회라는 생각이 들었다. 학회의 참석을 통해 Neurovascular coupling을 비롯한 pericyte, microglia, astrocyte, endothelial cell과 같은 Neurovascular unit 연구의 최신 연구 동향을 파악할 수 있었으며, neurovascular unit 연구에서 상대적으로 minor하다고 생각했던 pericyte 연구가 뇌혈관 관련 연구자들에게는 상당히 주목받고 있다는 느낌을 받을 수 있었다. 그리고 이번 학회는 특히나 Poster session이 상당히 유익했다. Poster presentation session과 viewing session이 분리되어 있고 포스터의 게시가 하루 단위로 돌아가기 때문에 저자와 대화를 나누면서 둘러보는데 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 연구자들이 참석하였다.
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