Neurodegenerative diseases include Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, Parkinson’s disease and so on, and induce cognitive and behavior impairments. However, cellular-level dynamics at the onset of neuro-logical disease is poorly understood because of the technical limitation. Herein, our custom-built video-rate laser-scanning confocal microscopy system allowed to spatiotemporally visualize cerebral cortex in vivo though brain imaging window, and to investigate immune response and cerebrovascular alteration in the pathogenesis of chronic neuroinflammation and cerebral microinfarction model.
We successfully established a chronic neuroinflammation model, which is detected at the onset of neuro-degenerative disease, using 3-nitropropionic acid and performed a 30-day longitudinal intravital imaging of immune response and the alteration of blood-brain barrier in meninges and cerebral cortex.
We performed a 30-day longitudinal intravital imaging of cerebral microinfarct formation after inducing an acute focal ischemic damage in cerebral cortex. Astrocytes, pericytes and endothelial cells, which compose neurovascular unit, were visualized in vivo at same time, and the imaging data showed that a partial recovery of pericytes and endothelial cells restored blood flow from the blocked blood flow after the ischemic damage. On the other hand, an astrocyte reactivity, such as an increase of astrocyte soma size and a glial fibrillary acidic protein (GFAP) expression, highly increased at the peri-infarct area and was associated with a massive collagen deposition in the peri-infarct, resulting from glial scar formation. Furthermore, an administration of a reversible monoamine oxidase B (MAO-B) inhibitor suppressed astrocyte reactivity at the peri-infarct, lead-ing to decrease the collagen deposition in the microinfarct.
신경퇴행성 질환은 알츠하이머병, 헌팅턴병, 파킨슨병등을 포함하고, 인지 및 행동장애를 일으키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 신경퇴행성 질환의 발병 초기에 발생하는 세포수준의 변화는 기술적 한계로 인하여 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 자체적으로 제작된 실시간 영상화가 가능한 고해상도 레이저 주사 공초점 현미경을 사용하여, 뇌 영역을 시공간적으로 영상화가 가능하게 하였고, 만성 뇌염증 및 미세 뇌경색모델의 발병기전에서 면역반응과 뇌혈관변화를 연구하였다. 먼저, 신경퇴행성 질환의 초기 발병에서 관찰되는 만성 뇌염증 모델을 확립하고, 뇌수막과 뇌실질 영역에서 뇌혈관장벽의 변화에 따른 면역세포의 반응 변화를 30일간 장기영상화를 진행하였다. 또한, 뇌 실질영역에서 국소적으로 급성 허혈성 손상을 일으켜 미세 뇌경색이 형성되는 과정을 30일간 장기영상화를 진행하였다. 미세 뇌경색모델에서 신경혈관단위를 구성하는 성상세포, 혈관주위세포와 혈관세포를 동시 영상화를 진행한 결과, 혈관주위세포와 혈관세포의 경우 허혈성 손상이후 부분적인 회복으로 감소된 혈류를 증가시는 현상을 확인할 수 있었다. 반면에 성상세포의 반응성이 미세 뇌경색 주변에서 강하게 증가였고, 이는 신경교 흉터형성에 의한 콜라겐 침착과 연관이 있음을 확인하였다. 나아가 모노아민산화효소 저해제 투여가 미세 뇌경색 주변의 성상세포의 반응성을 감소시켜, 미세 뇌경색의 콜라겐 침착 현상을 줄이는데 효능이 있음을 확인하였다.
