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뇌졸중 후 전기 자극을 통한 혈관 신생 촉진 및 전자약 파라미터 개발

  • 김범준 (Bum Jun Kim, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

This study aims to explore the potential of non-invasive and low-side-effect therapies by promoting angiogenesis through electrical stimulation and developing electroceutical parameters for ischemic stroke treatment. Cerebral blood vessels are uniquely structured to protect the brain, as they are tightly integrated with various brain cells such as astrocyte endfeet, pericytes, and endothelial cells. This structure is maintained by tight junction proteins and adhesion proteins, which strictly regulate the passage of external substances. However, during ischemic stroke, blood flow obstruction damages the integrity of the blood-brain barrier (BBB), leading to inflammation, edema, and neuronal cell death, which can result in irreversible damage. To address this issue, this study seeks to induce angiogenesis through electrical stimulation to promote the recovery of damaged brain tissue. Angiogenesis replaces or reconstructs damaged blood vessels, restoring blood flow to brain tissue. The restoration of blood flow improves the supply of oxygen and nutrients, promoting tissue regeneration and preventing further damage. Based on previous studies, a range of electrical stimulation parameters that could promote angiogenesis were shortlisted, and the optimal stimulation conditions were established. Experiments were conducted using the EleXir electrical stimulation device developed by NeuEyne Co., Ltd., and custom-designed cell culture plates were utilized to apply direct electrical stimulation to endothelial cells. Key stages of angiogenesis were evaluated individually, while vascular stability was assessed by analyzing the expression of tight junction proteins and adhesion proteins in endothelial cells. This study proposes a guideline for vascular therapy based on electrical stimulation, offering a new direction for ischemic stroke treatment and contributing to the development of safer and more effective therapeutic approaches. Keywords: ischemic stroke, electrical stimulation, blood-brain barrier (BBB), tight junction proteins, adhesion proteins

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초록/요약

본 연구는 허혈성 뇌졸중 후 전기 자극을 통한 혈관 신생 촉진 및 전자약 파 라미터 개발을 목적으로 비침습적이고 부작용이 적은 치료법을 제시하여 뇌졸 중 치료의 새로운 가능성을 연구하고자 한다. 뇌혈관은 성상아교세포(astrocyte endfeet), 주변세포(pericyte), 혈관 내피 세포(endothelial cell) 등과 같은 다양한 뇌세포와 긴밀히 결합되어 있으며, 밀착연접 단백질(tight junction protein)과 접착 단백질(adhesion protein)을 통해 외부 물질의 출입을 엄격히 조절하여 뇌 를 보호하는 독특한 구조를 형성하고 있다. 그러나 허혈성 뇌졸중 발생 시 혈 류 차단으로 인해 혈액-뇌장 벽의 무결성이 손상되고, 이로 인해 염증, 부종, 신경세포 사멸 등 비가역적인 손상을 초래할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구는 전기 자극을 통해 혈관 신생을 유도하고 손상 된 뇌 조직의 회복을 촉진하고자 한다. 혈관 신생은 손상된 혈관을 대체하거나 재구성을 통해 뇌 조직으로의 혈류를 복원한다. 혈류가 회복되면서 산소와 영 양분 공급이 개선되어 조직 재생을 촉진하고 추가적인 손상을 방지할 수 있다. 선행 연구를 기반으로 혈관 신생을 촉진할 수 있는 다양한 전기 자극 파라미 터를 후보군으로 선정한 후, 최적의 자극 조건을 정립하고자 했다. 실험에서 ㈜ 뉴아인의 EleXir 전기 자극 기기를 사용했으며, 혈관 내피세포에 직접 전기 자 극을 가할 수 있도록 맞춤 제작된 cell culture plate를 사용했다. 혈관 신생의 주요 단계를 각각 평가하고자 했으며 혈관의 안정성은 내피세포에서 발현되는 밀착연접 단백질과 접착 단백질의 발현 변화를 통해 확인했다. 본 연구는 전기 자극 기반의 혈관 치료 가이드라인을 제시함으로써 허혈성 뇌 졸중 치료의 새로운 방향성을 제안하고, 보다 효과적이고 안전한 치료법 개발 에 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 키워드: 허혈성 뇌졸중, 혈관 신생, 전기 자극, 혈액-뇌 장벽, 밀착연접 단백질, 접착 단백질

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목차

I. 서론 1
II. 실험 방법 3
A. Cell culture 3
B. Primary rat brain endothelial cell culture 3
C. Electrical stimulation 4
D. Migration assay 5
E. Cell proliferation assay 5
F. Tube formation assay 6
G. Immunocytochemistry 6
H. Photothrombosis stroke model 7
III. 실험 결과 8
1. 전기 자극 매개 변수 설정 8
2. 40Hz 전기 자극이 혈액-뇌 장벽 관련 단백질에 미치는 영향 10
3. 전기 자극이 내피세포의 이동성에 미치는 영향 13
4. 전기 자극이 내피세포의 증식에 미치는 영향 16
5. Tube formation assay에서의 배지 조성 19
6. Tube formation assay에서의 적절한 HUVECs 밀도 21
7. 전기 자극이 내피세포의 혈관 신생에 미치는 영향 23
8. 전기 자극이 내피세포의 혈액-뇌 장벽 관련 단백질 발현에 미치는 영향 26
9. Primary endothelial cell에서 전기 자극에 따른 최적 배양 조건 확인 29
10. Primary endothelial cell culture 이후 전기 자극 줬을 때 차이 32
11. Photothrombosis stroke model 제작 34
IV. 논의 및 결론 36
V. 참고 문헌 42
Abstract 45

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