Epidemiological studies have shown that fungal infections are among the main causes of respiratory tract diseases. Fungi such as Aspergillus and Candida species have become increasingly important pathogens as the global climate changes. Aspergillus species are major indoor fungi, and they produce enzymes that contribute to the pathogenesis of Aspergillus-induced diseases. Thus, Aspergillus proteases can cause invasive pulmonary aspergillosis, allergic bronchopulmonary aspergillosis, hypersensitivity pneumonitis, and atopic asthma and are involved in a complex interplay between the airway epithelium and host immune responses to inhaled spores. Since the airway epithelium is in continuous contact with foreign organisms, including pathogens, and is the first line of host defense, the physical barrier functions of the epithelium are tightly regulated. Proteolytic allergens such as Aspergillus proteases have the ability to disrupt epithelial barrier functions and cause inflammatory responses due to a disproportion between tolerogenicity and increasing permeability. Additionally, allergenic proteases generate reactive oxygen species (ROS), which cause toxic effects on epithelial tissues and affect cell-signaling mediators involved in immune responses. Mitochondrial ROS are especially important because they directly affect the production of inflammatory cytokines. Furthermore, recent studies have suggested that mitochondrial ROS could induce persistent inflammation via inflammasomes. However, the underlying mechanisms behind the generation of mitochondrial ROS and their role in allergenic protease-induced epithelial inflammation are not fully understood. Therefore, the present study aimed to investigate the effects of Aspergillus proteases on airway inflammation using human primary bronchial epithelial cells and A549 cells, in which we evaluated the inflammatory responses mediated by mitochondrial ROS and by the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family caspase activation and recruitment domain-containing protein 4 (NLRC4) inflammasome. In addition, we investigated the IL-1ß and caspase1 activation in vivo. Our results demonstrated that mitochondria were important sources of ROS in the context of cell stimulation with Aspergillus proteases. We showed that regulation of mitochondrial ROS could modulate the production of proinflammatory mediators by preventing the activation of mitochondrial ROS-induced activator protein 1 (AP-1) in airway epithelial cells. In addition, the results of this study indicated that uncoupling protein 2 (UCP2) played a role in the regulation of the mitochondrial ROS formation under conditions of cell stimulation with Aspergillus protease and that the NLRC4 inflammasome might be important for fungal protease-induced epithelial inflammation. These findings suggest that targeted suppression of mitochondrial ROS and of the NLRC4 inflammasome may be useful for the development of effective therapeutics to block inflammatory responses caused by fungal proteases in the airways. In the second part, we aimed to evaluate the effects of 18ß-glycyrrhetinic acid (GA) on airway epithelial inflammation using a fungal allergen and the inhibitory effects of GA in the production of mitochondrial ROS. Our results demonstrated that GA was a potent inhibitor of Aspergillus protease-induced inflammatory mediator expression. In addition, in vivo epithelial inflammation against Aspergillus protease stimulation was inhibited by GA. These inhibitory effects were dependent on the mitochondrial ROS/MAPK axis and regulation of UCP2 expression. Therefore, GA may represent a potential effective therapeutic agent for blocking inflammatory responses in the airways.
질병역학연구에 의하면, 기후 변화로 인해 아스퍼질러스나 칸디다 같은 진균류에 의한 호흡기 질환이 증가하고 있다. 아스퍼질러스는 가장 흔하게 접하게 되는 실내에도 서식하는 곰팡이 종류로, 프로테이즈를 생산하는데, 이것이 아스퍼질러스증 즉, 아스퍼질러시스 증이나 천식, 과민성 폐렴 등의 유발 요인이 될 수 있다. 기도 상피는 외부 환경과의 일차적인 접촉이 이루어지는 조직이기 때문에, 세균이나 바이러스 같은 병인에 항상 노출되어 있으며, 따라서 기도상피의 방어막 역할은 생체방어를 위해 적절히 조절되어야 한다. 프로테이즈는 용해작용을 통해, 상피의 방어막을 파괴할 뿐 아니라, 상피세포가 발현하고 있는 여러가지 종류의 패턴인식수용체를 자극하여, 면역반응을 일으키게 된다. 상피는 프로테이즈와 같은 알러젠에 의해 손상을 받으면, 요산이나 활성산소종 같은 손상연관 분자패턴을 생성하게 되는데, 이것은 다시 패턴인자수용체를 자극하여 면역반응을 지속시키고 활성화시키게 된다. 미토콘드리아는 대사과정 중에 많은 양의 활성산소종을 생산하는데, 적절한 양의 활성산소종은 세포의 신호전달이나 바이러스나 세균 같은 유해인자를 제거하는데 도움을 주지만, 과도한 양의 활성산소종이 발생할 경우는 조직손상이나 만성염증 반응을 초래할 수 있다. 염증반응에서 미토콘드리아 활성산소종의 역할은 활발하게 연구되어 있으나, 진균류 프로테이즈와 같은 병인에 의해 발생하는 염증과, 미토콘드리아 활성산소종이 진균류 프로테이즈에 의한 염증을 매개하는 기전, 미토콘드리아 활성산소종이 발생하는 기전 등에 대해서는 명확히 밝혀져 있지 않다. 따라서 우리는 진균류 프로테이즈에 의해 유도된 상피염증에서 미토콘드리아 활성산소종의 역할을 규명하고, 어떤 경로에 의해 미토콘드리아 활성산소종이 발생하는가에 대해 규명해보고자 하며, 이와 함께 지속적 염증상태와 관련 있는 인플라모좀이 진균류 프로테이즈 감염과 어떠한 연관성이 있는지 규명고자 이 연구를 수행했다. 이 연구에서, 진균류 프로테이즈는 기도 상피의 염증인자들을 유도하고, 2차적으로 여러 종류의 면역세포들을 병소로 유도하는 케모카인을 분비함으로써 활성화된 염증반응을 유도할 수 있는 항원능을 가지고 있는 것으로 나타났다. 또 진균류 프로테이즈는 미토콘드리아 활성산소종을 유도하는데, 이 활성산소종이 염증관련 시그날링을 조절하여 면역반응을 제어하는 것으로 나타났으며, 미토콘드리아 활성산소종은 진균류 프로테이즈가 미토콘드리아 활성산소종 생산의 억제 단백으로 작용하는, 미토콘드리아 내막에 있는 2번째 타입의 짝풀림 단백의 발현정도를 억제함으로써 증가하는 것으로 나타났다. 또한 진균류 알러젠은 인플라모좀 활성을 증가시켜 인터류킨 1베타의 활성을 유도함으로써 면역반응을 일으키는 것으로 보인다. 결론적으로 미토콘드리아 활성산소종과 인플라모좀은 진균류 프로테이즈 감염에서 상피염증을 유발하고 지속시키는 중요한 인자이며, 이는 기도상피 염증을 조절할 수 있는 표적 후보가 될 수 있다고 생각된다. 두번째 파트에서는, 18베타 글리시리티닉산이라는 약용식물의 컴파운드를 이용한 연구를 수행하여 염증억제, 미토콘드리아 활성산소종 억제 및 짝풀림 단백의 증가 효능을 관찰, 유의한 결과를 얻음으로써 진균류 프로테이즈에 의한 상피염증을 조절할 수 있는 유효물질을 발굴하였다.