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Elder ages decreases the susceptibility for Helicobacter pylori infection in an animal model

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(1)

Korean J Vet Res

(2007) 47(1) : 77~84

77

Helicobacter pylori의 감수성과 숙주 연령과의 상관성 연구

이진욱·김승희·박탄우1·김옥진1,*

서울대학교 의과대학 실험동물학교실, 1원광대학교 생명자원과학대학 동물질병연구실 (게재승인: 2006년 9월 19일)

Elder ages decreases the susceptibility for

Helicobacter pylori infection in an animal model

Jin-Uk Lee, Seung-Hee Kim, Tan-Woo Park

1

, Okjin Kim

1,

*

College of Medicine, Seoul National University, Seoul 110-799, Korea

1College of Life Science and Natural Resources, Wonkwang University, Iksan 570-749, Korea

(Accepted: September 19, 2006)

Abstracts :

Helicobacter pylori

(

H. pylori

) is an important bacterial pathogen that causes chronic gastritis and is associated with gastroduodenal ulcer disease, adenocarcinoma of the distal stomach, and gastric lymphoma in humans. The differences of host susceptibility of

H. pylori

infection associated with host age have not been well-defined in human. To evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition of

H. pylori

infection, we designed an experiment involving inoculation of

H. pylori

ATCC 43504 at different ages of Mongolian gerbils.

H. pylori

was inoculated at 5 weeks and 18 months of age, as representatives of early and late infection, respectively. Animals were sacrificed 1 week and 4 weeks after challenge, and the stomach was removed from each animal for bacterial culture, histological examination, and polymerase chain reaction test. 5 week-old gerbils revealed

H. pylori

infection and maintained continuously its infection until 4 weeks. However, old gerbils did not maintained

H. pylori

infection. These data suggest the insusceptibility of

H. pylori

in old Mongolian gerbils and the importance of animal ages for successful animal experimental infection. Also, the results demonstrated that early infection of

H. pylori

increases its host susceptibility, as compared to the case with later infection, possibly because of differences in host gastric mucosal factors and immunologic responses.

Key words : age,

Helicobacter pylori

, Mongolian gerbil, susceptibility

서 론

위점막에미생물이존재한다는것은

1893

Bizzozero

개의위점막에서

spirochetes

세균을관찰보고한 이후로여러연구자에의해서사람과동물의위점막에 유사한세균을관찰보고하였으나

,

음식으로부터

화되지않은세균으로생각하고

,

병리학적의미는없다

생각하였었다

[6].

그러나

Helicobacter pylori ( H.

pylori )

Marshall

Warren

의하여최초로

1984

년에

만성위염환자의위점막생검조직에서나선형의만곡

그람음성간균으로분리배양되었고

,

이후로위염

,

궤양

,

십이지장궤양

,

위암에이르는각종소화기질환의

주요한원인인자로밝혀지고있다

[7, 9, 15, 16].

서양

과는달리위장질환이많은국내에서는정상인에서

60- 70%,

위염환자에서

64-95%,

위궤양환자에서

75-94%,

이지장궤양환자에서

79-90%,

위암환자에서

40-60%

H. pylori

보균율을보이고있다

[13].

현재까지

H. pylori

병원성을결정하는인자로는

vacuolating cytotoxin

( vac A) gene [5], cytotoxin associated protein( cag A) gene [23], urease [4], catalase [18], superoxide dismutase [21]

*Corresponding author: Okjin Kim

College of Life Science and Natural Resources, Wonkwang University, Iksan 570-749, Korea [Tel: +82-63-850-6668,, Fax: +82-63-850-7308, E-mail: [email protected]]

(2)

등이추정되고있으며

,

이들병인성인자들에대한분자

생물학적분석들이활발히수행되어지고 있다

.

그러나

최근의일부보고들에의하면이러한유전자들의유무 병원성의발현사이에상관관계가높지않다고한다

[24].

따라서이들유전자들의유무로

H. pylori

균주들

병원성을단순히판단하는것은오류가따를 으며

,

병원성관련인자들에대한다양한연구가요구되

있는상황이다

. H. pylori

균주들의병원성차이라는 인자들과별개로숙주의감수성차이와관련되는인자

들이

H. pylori

감염의결과에영향을미칠것으로추정

되고있다

.

숙주와관련된인자들로는인종차이

,

유전적 개체차이등에관한연구와성별에의한감수성차이에 대한연구결과들이보고되고있다

.

역학자료에의하면

남성이여성보다

H. pylori

감염율이

20-30%

높은것으 보고되어지고있으며

[17], H. felis

균주를이용한

물실험을통하여

Helicobacter

균주의감염에대하여

컷이암컷보다감수성이높은것이확인되고있다

[2].

세계인구의

50%

이상이

H. pylori

감염되어있는

으로평가되고있으며

,

감염자의대부분이

5

이전에

감염이이루어지는것으로추정되고있다

[17]. H. pylori

감염은이유이전의

1-2

이전에이루어지며

[20],

린이에서위점막의

proinflammatory cytokine

발현이

가되는것으로보고되어지고있다

[14].

이러한연구보

고들에의하여어린연령에서

H. pylori

감수성병원

성이증가되는것으로유추해볼있으나사람에서의 자료들은역학자료들에제한되어져있기때문에숙주의

연령과

H. pylori

감수성병원성에대한보다많은

구가요구되고있다

.

한편

, Hirayama

[8]

H. pylori ATCC 43504 strain

Mongolian gerbil

감염시켜

100%

감염율과병리소견도사람의것과유사하다는것을 보고한후로현재

H. pylori

in vivo

실험은

Mongo- lian gerbil

사용하여수행되고있다

[6]. H. pylori

염된

Mongolian gerbil

사람의십이지장에서

발되는병변과유사한소견

[19]

보이는것뿐만아니

다른동물모델에서는관찰할없는만성감염의 지에의한위암유발이가능한

[9]

으로보고되고

.

이러한이유로

H. pylori

병태양상을밝히기위하

Mongolian gerbil

이용한많은실험들이수행되고

있다

.

연구는

H. pylori

감염에대한감수성과숙주의

령과의관계를동물실험을통하여알아보고자수행되었

.

현재까지관련연구들이없기때문에

H. pylori

감염

Fig. 1. Experimental scheme to evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition

of

H. pylori

infection.

(3)

숙주연령과의관계를밝히는최초의연구결과를 공할것으로기대되었다

.

재료 및 방법

실험동물

서울대학교의과대학실험동물실에서특정병원체부재

(specific-pathogen free, SPF)

상태로계통이유지되고 있는

5

주령

18

개월령의

Mongolian gerbil( Meriones unguiculatus )

공급받아

1

주일동안

SPF

사육실에서

화사육한실험에사용하였다

.

사육기간온도는

23

±

1

o

C,

습도

50

±

5%,

소음

60 phone

이하

,

조명시간

08:00-20:00(1

12

시간

),

환기시간당

10-12

회의

SPF

경에서사육되었으며

,

사료는실험동물전용사료

(

퓨리나

,

한국

)

2.0 Mrad

방사선으로멸균시켜자유급식

켰고

,

음수는자외선멸균수를자유급수하였다

.

H. pylori 배양

H. pylori (ATCC 43504; American Tissue Culture Collection, USA)

균주를

10% calf serum

첨가된브루 셀라한천배지에접종

, 10% CO

2

, 100%

습도가유지 되는

37

o

C

항온기에서

3

일간배양하였다

.

배양된

H.

pylori

멸균된

PBS(pH 7.2)

들어있는튜브에모은

, 1 ml

2.0

×

10

9

colony-forming unit(CFU)

포함하게준비하여실험에사용하였다

.

동물접종실험

동물접종을위한군구성은

Table 1

같이

8

군으

구성하였다

.

군구성을위한동물은

1

주일간의순화

사육

5

주령

18

개월령의건강한암·수

Mongolian

gerbil

시험에사용하였다

. 5

주령의어린연령과

18

월령의노령동물의군으로분류하여

18

시간절식시

, I, II, III

IV

군의동물은두당

0.5 ml

PBS

마우스용존대를이용하여경구

(p.o.)

투여하였고

, V,

VI, VII

VIII

군의동물은

1 ml

2.0

×

10

9

CFU

수가포함되게준비된배양액을두당

0.5 ml

경구

하여

H. pylori

감염을유발하였다

.

투여군의 동물들은

12

시간의절식사료를급여하였다

.

절식

안에음수는자유급이할 있도록 하였다

. H. pylori

또는

PBS

투여된군의동물들은

I, III, V

VII

동물은접종

1

주일후에

, II, IV, VI

VIII

군은

4

후에각각

18

시간절식시킨

ether

마취하에치사

시킨위를무균적으로적출하여세균배양

,

신속요소 분해효소검사

,

병리조직학적검사

polymerase chain reaction(PCR)

검사를수행하였다

(Fig. 2).

세균배양, 신속요소분해효소검사 및 병리조직학적 검사

군의동물들로부터무균적으로적출된유문부

일부를

10% calf serum

첨가된브루셀라한천배지

접종

, 10% CO

2

, 100%

습도가유지되는

37

o

C

온기에서배양하며

H. pylori

균의증식을관찰하였다

.

신속요소분해효소검사는무균적으로적출한유문부

위체부의점막

1

부위씩의조직을

CLO test

키트

(

아산제약

,

한국

)

넣고제조회사의설명서에따라 온에서배양하여노란색배지가적색으로변하는경우 양성으로판정하였다

(Fig. 2).

위점막병리조직학적

검사를위하여적출된위의일부를

10%

중성포르말린

고정하고

,

선위

(glandular stomach)

부위를가로

향으로

5 mm

간격으로잘라

,

개체

3

부위를선정

하였고

,

선별된부위들은다른개체들간에서로 동일한부위가되도록주의하여선정하였다

.

선정된

Table 1. Experimental design to evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition

of

H. pylori

infection

Group Inoculation Sacrifice time

post inoculation Animal age No. of animal

male female

I PBS 1 week 5 week-old 2 2

II PBS 4 weeks 5 week-old 2 2

III PBS 1 week 18 month-old 2 2

IV PBS 4 weeks 18 month-old 2 2

V

H. pylori

1 week 5 week-old 5 5

VI

H. pylori

4 weeks 5 week-old 5 5

VII

H. pylori

1 week 18 month-old 5 5

VIII

H. pylori

4 weeks 18 month-old 5 5

(4)

위들의조직들은병리조직학적검사를위한통상적인 방법을사용하여파라핀포매한

, 4

µ

m

두께로절편하

hematoxylin and eosin(H&E)

염색병리조직학적

검사를수행하였다

.

H. pylori 특이 PCR

H. pylori

감염

4

6

주에해당개체들의 문부점막일부를무균채취하여

DNA

추출한

H.

pylori

감염유지를확인하기위한

PCR

수행하였다

.

DNA

추출은

Lee

[13]

의하여사용된

bead beater- phenol extraction method

사용하였다

.

검체를

1 ml

증류수가들어있는

Mini-Bead Beater(Biospec Product,

USA)

전용

2 ml tube

무균채취하여세절한멸균

3

증류수에부유시킨

glass bead(0.1 mm size; Biospec Product, USA) 200

µ

l

phenol-chlorform-isoamyl alcohol

용액

(50 : 49 : 1) 200

µ

l

넣어

Mini-Bead Beater(Biospec Product, USA)

30

초간

5,000 rpm

으로진탕하였다

.

4

o

C

에서

12,000 rpm

으로

15

분간원심분리한

층액을멸균

2 ml tube

옮겼다

. 3 M sodium acetate 10 µl

ice-cold ethanol 250 µl

넣어

20

o

C

에서

10

분간

정체시킨

, 15,000 rpm

으로

15

분간원심분리하였다

.

침전물은

70% alcohol

세척하여실온에서건조시키고

Tris EDTA(pH 8.0) 60 µl

용해시켜실험에사용하였다

. Lee

[13]

방법에따라

genus Helicobacter

rpoB

DNA

분절을증폭시킬있는

primer

쌍을사용하여

PCR

수행하였다

. Forward primer(HF; 5' ACTTTAAC GCATGAAGATAT 3')

Reverse primer(HR; 5' ATATTT

TGACCTTCTGGGGT 3')

사용하여

PCR

Taq DNA

polymerase 1 U,

dNTP 250 µM, 50 mM Tris-HCl(pH 8.3), 40 mM KCl, 1.5 mM MgCl

2포함하는

AccuPower PCR Premix(Bioneer,

한국

)

이용하였다

.

추출된

DNA

template

50 ng,

primer 20 pmol

AccuPower

PCR Premix tube

넣고멸균증류수로최종부피를

20

µl

맞춘

, 94

o

C 30

, 52

o

C 30

, 72

o

C 45

초의

30 cycle

PCR

수행한

, 1.2% agarose gel

에서

458 bp

특이밴드의유무를확인하였다

.

통계학적 분석

시험군의양성율에대한

95% confidential interval (CI)

MINITAB software(Minitab, USA)

사용하여

해졌다

.

군의양성율에대한

CI

차이가있으면 계적으로유의한것으로판단되었다

.

결 과

H. pylori

감염에대한감수성병원성에숙주의

령이관련되는지를 알아보고자

5

주령과

18

개월령의

Mongolian gerbil

이용하여

H. pylori

감염의감수성 병원성차이를평가하였다

. 5

주령

18

개월령의암·

Mongolian gerbil

1.0

×

10

9

CFU

H. pylori

Fig. 2. Evaluated items for the maintainment of infection in the animals inoculated with

H. Pylori.

(5)

1

4

주에군의동물들의위를무균적으로

적출하여세균배양

, CLO test

PCR

검사를수행한

과는

Table 2

같았다

.

세균배양은

7

이상을배양하

얻은결과로

5

주령의동물들의

20%

정도에서접종

1

4

주에각각양성으로판정될있었다

(Table

2).

반면

, 18

개월령의노령동물들에서는접종

1

주에 수컷동물개체를제외하고는세균배양으로양성의 개체들을찾아낼없었다

.

이들노령동물들은접종

4

주에모든개체들이음성으로판정되었다

(Table 2).

병리조직학적검사로

5

주령의동물접종

1

주에

40%, 2

주에

60%

동물들에서위점막표면의세균들의

관찰과위점막의염증

,

위점막분비증가등의특징적인

병변을관찰있었다

(Fig. 3).

노령의동물들에서는

병리조직학적으로접종

1

주에암·수개체에 서만병변이인지되었고접종

4

주에서는검사된

동물에서특이병변을찾아보기어려웠다

. PCR

검사

통하여

H. pylori

특이적인밴드를확인함으로서

사된위조직내에

H. pylori

감염여부를판정할

었다

. PCR

검사결과

5

주령의동물들은접종

1

5

주에모두양성반응을관찰할있었다

(Table 2).

면에노령동물들의경우는접종

1

주에몇몇개체들

제외하고는음성으로판정되었으며접종

4

주에는 검사된모든개체들이감염되지않았음을있었다

(Fig. 4). CLO test

결과는검체에감염된

H. pylori

장시요소분해효소와제공된배지의요소와의반응

Table 2. The difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition of

H. pylori

infection Evaluated

items

Age 5 week-old 18 month-old

Time

a

1 week 4 weeks 1 week 4 weeks

Sex M F M F M F M F

Cell culture 40

b

(5.3-85.3) 20

(0.5-71.6) 40

(5.3-85.3) 40

(5.3-85.3) 20

(0.5-71.6) 0

(0-45.1) 0

(0-45.1) 0 (0-45.1)

Histopathology 40

(5.3-85.3) 40

(5.3-85.3) 60

(14.7-94.7) 60

(14.7-94.7) 20

(0.5-71.6) 20

(0.5-71.6) 0

(0-45.1) 0 (0-45.1)

PCR 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 40

(5.3-85.3) 20

(0.5-71.6) 0

(0-45.1) 0 (0-45.1)

CLO 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 100

(54.9-100.0) 40

(5.3-85.3) 20

(0.5-71.6) 0

(0-45.1) 0 (0-45.1)

a

Animals were sacrificed 1 week and 4 weeks after H. pylori challenge, and the stomach was removed from each animal for bacterial culture, histological examination, and polymerase chain reaction (PCR) test.

a

Incidence percentage (95% confidential interval) was calculated with MiniTab statistic software program.

Fig. 3. Histopathological findings of the stomach of 5-week old Mongolian gerbil at 4 weeks after

H. Pylori

inoculation.

Bacterial organisms were observed on the gastric mucosa and inflammatory cells were infiltrated on the submucosal layer (H&E,

×

400).

Fig. 4. Amplification of specific nucleic acids for

H. pylori

at 4 weeks after

H. Pylori

inoculation. M: 100 bp ladder,

P: positive control, N: negative control, 1~3: 5-week old

Mongolian gerbil, 4~6: 18 month-old Mongolian gerbil.

(6)

과로유도되는색깔변화로감염여부를손쉽게

있었다

(Fig. 2). CLO

검사결과는

PCR

검사결과와일치

하였으며

, 5

주령의개체들은접종

4

주까지도감염이

유지되고있음을확인할있었다

(Table 2).

반면

, 18

월령의노령동물들은접종

1

주에수컷개체를

외하고모두감염이이루어지지않았으며

,

접종

4

검사결과로

H. pylori

colonization

개체들이없는

것을있었다

(Table 2).

음성대조를위하여사용된

PBS

투여군은

5

주령과

18

개월령모두접종

1

4

주에모든개체들이세균배양

,

병리조직검사

, PCR

CLO

검사결과음성으로판정되었다

.

고 찰

현재까지

Helicobacter

감염의감수성과병원성에

연구는

cagA , vacA

같은

H. pylori

균주들의

virulence factor

집중되어있다

[5, 18, 23].

현재까지

Helicobacte r

감염과숙주인자들에대한연구결과들은숙주의성별 대한소수의연구를 제외하고는없는실정이다

[2, 3]. H. pylori

감염에대하여남성이여성보다감수성이 있음이역학연구와동물실험결과들로 밝혀지고있다

[2, 3].

숙주의성별에대한다른병원체들의감수성

이에관한연구결과로는

Staphylococcus aureus, Salmo- nella typhimurium

Listeria monocytogenes

경우에

성이보다감수성이있는것으로보고되고있다

[3].

, Mycobacterium avium , Trichuris muris

Plasmodium

chabaudi

남성이보다감수성이있는것으로알려져

있다

[3].

연구에서는시험에사용된동물의수가

한되어있기때문에암수의감수성차이는통계적으로 인정되지않았다

. H. pylori

감염에관한역학연구결과 의하면대부분의감염이출생

1-2

이전에획득

되어지는것으로추정되고있다

[20].

연구자들은

러한기존의연구보고들로부터숙주의연령에따라

H.

pylori

감염에대한감수성과병원성발현에차이가

않을까의문을가지게되었다

.

동일균주와동등한

bacterial load

노출되는조건으로실험이수행되어져

야만숙주의연령에대한감수성병원성발현의 이를알아볼있을것으로판단되었다

.

임상적으로 러한조건을충족시키는결과를얻어낼있다는것은 불가능하다

.

감염환자의균의특성이다양하고감염시 균수또한불규칙적일것으로판단이되며환자의식이

습관등의다양성이또한

H. pylori

감염에대한감수성

병원성발현에숙주의연령이외의인자로작용할 있기때문에임상결과로부터결론을도출한다는것은

매우어려운일이다

.

알콜

[11],

소염제

[12],

젓갈류의

염분섭취

[1]

등과스트레스

[22, 25]

등이

H. pylori

원성을더욱 증가시키는것으로보고되고있으며

, H.

pylori

감염환자들은다양한변수에노출되어있을것이

.

이러한이유로현재까지

H. pylori

감염과숙주의 령과의관계에대하여연구한그룹이없을것으로 구자들은추정을하였다

. H. pylori

감염을연구하기

실험동물모델로는

Mongolian gerbil

개발되어

용되고있으며

,

감염만성위염의유발과위암발생

양상이사람의

H. pylori

병태양상과유사한것으로

고되고있다

[9]. Mongolian gerbil

H. pylori

사람의 병태생리와유사하게만성으로진행되어위염

,

위궤양

위암을유발하는것으로알려져있다

[9].

연구자

들은사람의

H. pylori

감염동물모델인

Mongolian gerbil

이용하여

H. pylori

감염과숙주의연령과의관계에

대하여알아보았다

.

또한암수의성별을동시에사용하 성별에의한감수성차이인자를 줄이고자하였다

.

감염을확인할있는지표로세균배양

,

병리조직학적

검사

, CLO test

의한신속요소효소분해검사

PCR

사용하였다

.

세균배양은위장관의상재균에의한 염으로검사에 많은어려움이있었고

,

결과또한매우

낮은검출율을보였다

. PCR

검사와

CLO test

다른

사법보다높은검출율을보였고세균배양과병리조직학 검사결과양성의검체와일치되는결과를보여주었

.

세균배양은민감도가낮은방법이지만균주의분리 위해필수적이고

,

병리조직학적검사또한병변의 교를통한병원성비교를위하여필요하다

.

연구에서

H. pylori

감염검사의정확성을기하고자이들검사

법을모두사용하였다

.

연구의결과

5

주령의

Mongolian gerbil

18

개월령

노령

gerbil

비교하여

H. pylori

감염에대한감수

성이높은것으로있었으며

,

감염

H. pylori

식에의한병변의유발이

5

주령의동물들에서관찰할

있음을있었다

.

이러한연구결과로부터어린 연령이나이든개체들보다

H. pylori

감염에보다감수 성이있다는것을증명할있었다

.

연구는숙주의

연령에따라

H. pylori

감염에대한감수성과병원성

현에차이가있음을밝히는최초의결과들이다

.

이러한

결과로부터

H. pylori

감염실험을위한동물실험은어린 연령의 동물들을사용하여야된다는 것을있었

. Mongolian gerbil

경우에

3

이전까지모체의

유가이루어지기때문에기간에모체로부터의이행 항체가병원체감염실험에부정적인결과를유발할 있을것으로판단된다

.

따라서

4

주령의저빌을구입하

1

주간의순화사육

5

주령에접종실험을하는 가장좋은프로토콜이것으로사료되었다

.

또한

,

연구의결과는

H. pylori

감염이

1-2

이전에어린

연령에서이루어지며

[20],

어린이에서위점막의

proinfla-

(7)

mmatory cytokine

발현의증가되는것으로 보고되었던

[14]

사람에서의역학적연구결과들을설명해줄

직접적인연구결과가것이다

.

최근

World Health Organization

따르면

H. pylori

Class I carcinogen

분류하고있다

[10, 15].

연구결과의중요성은

개발이이루어져있지않은현재의상황에서발암인

자인

H. pylori

예방과피해를최소화하기위한효과

적인전략으로서감수성이높은어린연령에서의적극 적인감염방지대책이무엇보다중요하다는결과를 공할있다는점이다

.

결 론

연구의결과

5

주령의

Mongolian gerbil

18

개월령

노령

gerbil

비교하여

H. pylori

감염에대한감수

성이높은것으로있었으며

,

감염

H. pylori

식에의한병변의유발이

5

주령의동물들에서관찰할 있음을있었다

.

이러한연구결과로부터어린 연령이나이든개체들보다

H. pylori

감염에보다감수 성이있다는것을증명할있었다

.

연구는숙주의

연령에따라

H. pylori

감염에대한감수성과병원성

현에차이가있음을밝히는최초의결과들이다

.

현재까

숙주연령과 병원체의감수성에대한상관관계에 하여연구된자료들이거의없는실정이기때문에

구의결과는

H. pylori

감염아니라다른병원체들의

경우에도숙주의연령과의상관성연구에기초자료로 활용될것으로기대되어진다

.

감사의 글

논문은

2005

년도정부재원

(

교육인적자원부학술연

구조성사업비

)

으로 한국학술진흥재단의 지원

(KRF-

2005-003-E00262)

받아연구되었으며이에감사드립

니다

.

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수치

Fig. 1.  Experimental scheme to evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition of  H
Fig. 2.  Evaluated items for the maintainment of infection in the animals inoculated with  H
Table 2.  The difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition of  H

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