ECM proteins exposed to glucose over long periods of time became glycated, and accumulated advanced glycation end-products (AGEs). This glucose-mediated matrix remodeling may change the structure and function of the protein. Previous studies on the mechanism of cellular damage caused by the accumulation of AGES in ECM is proceeding in two directions. First, the activation of the receptor of AGEs (RAGE) signaling pathway by AGEs molecules. Next, the activation of the mechanotransduction signaling pathway via biomechanical factor including increasing stiffness. Previous studies have only studied about the independent effects of RAGE and mechanotransduction pathway. However, in the body, these two signaling pathway was activated simultaneously, and had synergistically affect to induce an inflammatory response. Therefore, we designed an experiment to implement these two mechanisms simultaneously to investigate the mechanism by which ECM induces cellular inflammatory response by simulating a more similar environment in the body. Our hypothesis is that the AGEs accumulated on the ECM memorized glucose-induced stress, so it induces a chronic inflammatory response to cells even in normal blood glucose. To demonstrate this hypothesis, we cultured fibroblasts with collagen and glycated-collagen matrix, and regulated media glucose concentration differently. There was no significant difference in cellular viability between each group, so later results were non-influenced by cell death. In COL, the activation of RAGE and mechanotransduction was increased according to glucose concentration, and the inflammatory response was also induced. On the other hand, in GLY, activation of RAGE was always higher regardless of glucose concentration, whereas mechanotransduction increases according to glucose concentration. As a result, effector molecules regulated through these two signaling pathways will always express high levels in GLY regardless of sugar concentration. So, it was confirmed that in glycated-collagen, the increase in ROS production and the NF-$\kappaB$ activation through nuclear translocation are always highly regulated regardless of glucose concentration. Through this, it was confirmed that, glycated collagen induced chronic inflammation via synergistic effects of the RAGE and mechanotransduction signaling pathway. And it shows that this platform better mimetic the physiologically relevant diabetic tissue microenvironment. In the future this platform may be used for substitute in vitro inflammatory model, and used for test ECM-targeted therapy for chronic disease.
오랜 기간에 동안 높은 당에 노출이 된 조직 미세환경의 세포외기질 단백질들은 당화과정을 거쳐 최종당화산물을 축적 시키게 된다. 그로 인해 단백질의 구조와 기능이 변화하고, 조직 미세환경의 물성이 변화하며 그것이 세포에 손상을 주게 된다. 기존의 조직 미세환경내 최종당화산물 축적으로 인한 세포 손상에 대한 메커니즘 연구는 크게 두가지 방향으로 진행이 되고 있다. 첫번째는 최종당화산물 분자에 의한, 최종당화산물 수용체 매개 신호전달 경로의 활성화이고, 두번째는 단단해진 기질로 인한 세포의 기계적 신호전달 경로의 활성화이다. 기존의 연구들 에서는 기계적 신호전달과 최종당화산물 수용체의 독립적인 영향에 대한 연구만 진행이 되었다. 하지만 실제 환자의 체내에서는 이 세포외기질 단백질의 당화로 인한 최종당화산물의 축적과 물성증가가 동시에 나타나게 되고, 이것이 함께 세포에 염증반응을 유도하게 된다. 따라서 이 두가지 요소를 동시에 구현함으로써 체내와 더욱 유사한 환경을 모사하고 최종당화산물이 축적된 세포외기질이 세포의 염증반응을 어떻게 유도하는지에 대한 메커니즘을 알아보기 위한 연구를 디자인했다. 우리의 가설은 최종당화산물이 축적된 세포외기질에 포도당 노출에 의한 자극이 축적되어서 당 매개 기질 리모델링이 일어나고, 혈당이 정상화가 된 이후에도 세포에 만성적인 염증반응을 유도한다는 것이다. 우리는 콜라겐과 당화 유도된 콜라겐에 섬유아세포를 배양한 후 미디어의 포도당 농도를 다르게 조절하여 실험을 진행하였다. 세포의 생존율에는 크게 차이가 없는 상태에서 일반 콜라겐에서는 당의 농도에 따라 기계적 신호전달 경로의 활성과 최종당화산물 수용체의 활성이 증가하고 그로 인한 염증반응이 유도됨을 확인했다. 반면에 당화 유도된 콜라겐에서는 기계적 신호전달 경로는 일반 콜라겐과 같이 당의 농도에 따라 증가하지만, 최종당화산물 수용체 신호전달 경로는 당의 농도와 무관하게 항상 높은 수치를 보인다. 결과적으로 이 두 신호전달 경로를 통해 조절되는 작동체 분자들은 당의 농도와 무관하게 당화 유도된 콜라겐에서 항상 높은 수치를 보이게 된다. 결과적으로 당화 유도된 콜라겐에서는 활성산소 생성의 증가, 그리고 NF-$\kappa B$의 핵내 이동을 통한 활성이 당의 농도와 무관하게 항상 높게 조절된다는 것을 확인했다. 이를 통해 최종당화산물이 축적된 세포외기질이 최종당화산물 수용체 매개 신호전달 경로와 기계적 신호전달 경로의 상호작용을 통해 만성적인 염증을 유도한다는 것을 확인하였다. 또한 만성 당뇨환자에게서 혈당과 무관하게 만성적인 염증반응이 나타나는 것이 당화된 세포외기질에서의 두 신호전달경로의 공동활성 때문이라는 것을 보였고, 이것은 이 플랫폼이 실제 만성 당뇨환자의 생리학적 환경을 더 잘 모사했음을 보여준다. 향후 이 플랫폼은 기존의 체외 염증모델을 대체할 수 있는 보다 더 생리적으로 유사한 조직수준 염증반응 플랫폼으로 사용할 수 있으며 세포외기질 표적치료를 위한 플랫폼으로 활용 할 수 있다.
