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. pyloriinfection 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. pyloriinfection, we designed an experiment involving inoculation of
H. pyloriATCC 43504 at different ages of Mongolian gerbils.
H. pyloriwas 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. pyloriinfection and maintained continuously its infection until 4 weeks. However, old gerbils did not maintained
H. pyloriinfection. These data suggest the insusceptibility of
H. pyloriin old Mongolian gerbils and the importance of animal ages for successful animal experimental infection. Also, the results demonstrated that early infection of
H. pyloriincreases 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
년Bizzozero
가개의위점막에서
spirochetes
의세균을관찰보고한 이후로여러연구자에의해서사람과동물의위점막에 서유사한세균을관찰보고하였으나,
음식으로부터소화되지않은세균으로생각하고
,
병리학적의미는없다고 생각하였었다
[6].
그러나Helicobacter pylori ( H.
pylori )
가Marshall
과Warren
에의하여최초로1984
년에만성위염환자의위점막생검조직에서나선형의만곡
형그람음성간균으로분리배양되었고
,
이후로위염,
위궤양
,
십이지장궤양,
위암에이르는각종소화기질환의주요한원인인자로밝혀지고있다
[7, 9, 15, 16].
서양과는달리위장질환이많은국내에서는정상인에서
60- 70%,
위염환자에서64-95%,
위궤양환자에서75-94%,
십 이지장궤양환자에서79-90%,
위암환자에서40-60%
의H. pylori
보균율을보이고있다[13].
현재까지H. pylori
의병원성을결정하는인자로는
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]]
등이추정되고있으며
,
이들병인성인자들에대한분자생물학적분석들이활발히수행되어지고 있다
.
그러나최근의일부보고들에의하면이러한유전자들의유무 와병원성의발현사이에상관관계가높지않다고한다
[24].
따라서이들유전자들의유무로H. pylori
균주들의병원성을단순히판단하는것은오류가따를수있 으며
,
병원성관련인자들에대한다양한연구가요구되고있는상황이다
. H. pylori
균주들의병원성차이라는 인자들과별개로숙주의감수성차이와관련되는인자들이
H. pylori
감염의결과에영향을미칠것으로추정되고있다
.
숙주와관련된인자들로는인종차이,
유전적 개체차이등에관한연구와성별에의한감수성차이에 대한연구결과들이보고되고있다.
역학자료에의하면남성이여성보다
H. pylori
감염율이20-30%
높은것으 로보고되어지고있으며[17], H. felis
균주를이용한동물실험을통하여
Helicobacter
균주의감염에대하여수컷이암컷보다감수성이높은것이확인되고있다
[2].
세계인구의
50%
이상이H. pylori
에감염되어있는것으로평가되고있으며
,
감염자의대부분이5
살이전에감염이이루어지는것으로추정되고있다
[17]. H. pylori
감염은이유이전의
1-2
살이전에이루어지며[20],
어린이에서위점막의
proinflammatory cytokine
발현이증가되는것으로보고되어지고있다
[14].
이러한연구보고들에의하여어린연령에서
H. pylori
감수성및병원성이증가되는것으로유추해볼수있으나사람에서의 자료들은역학자료들에제한되어져있기때문에숙주의
연령과
H. pylori
감수성및병원성에대한보다많은연구가요구되고있다
.
한편, Hirayama
등[8]
이H. pylori ATCC 43504 strain
을Mongolian gerbil
에감염시켜100%
의감염율과병리소견도사람의것과유사하다는것을 보고한이후로현재
H. pylori
의in vivo
실험은Mongo- lian gerbil
을사용하여수행되고있다[6]. H. pylori
에감염된
Mongolian gerbil
은사람의위및십이지장에서유발되는병변과유사한소견
[19]
을보이는것뿐만아니라다른동물모델에서는관찰할수없는만성감염의유 지에의한위암유발이가능한것
[9]
으로보고되고있 다.
이러한이유로H. pylori
의병태양상을밝히기위하여
Mongolian gerbil
을이용한많은실험들이수행되고있다
.
본연구는
H. pylori
감염에대한감수성과숙주의연령과의관계를동물실험을통하여알아보고자수행되었 다
.
현재까지관련연구들이없기때문에H. pylori
감염Fig. 1. Experimental scheme to evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition
of
H. pyloriinfection.
과숙주연령과의관계를밝히는최초의연구결과를제 공할것으로기대되었다
.
재료 및 방법
실험동물
서울대학교의과대학실험동물실에서특정병원체부재
(specific-pathogen free, SPF)
의상태로계통이유지되고 있는5
주령및18
개월령의Mongolian gerbil( Meriones unguiculatus )
을공급받아1
주일동안SPF
사육실에서순화사육한후실험에사용하였다
.
사육기간중온도는23
±
1
oC,
습도50
±5%,
소음60 phone
이하,
조명시간08:00-20:00(1
일12
시간),
환기시간당10-12
회의SPF
환경에서사육되었으며
,
사료는실험동물전용사료(
퓨리나,
한국
)
를2.0 Mrad
의방사선으로멸균시켜자유급식시켰고
,
음수는자외선멸균수를자유급수하였다.
H. pylori 배양
H. pylori (ATCC 43504; American Tissue Culture Collection, USA)
균주를10% calf serum
이첨가된브루 셀라한천배지에접종후, 10% CO
2, 100%
습도가유지 되는37
oC
항온기에서3
일간배양하였다.
배양된H.
pylori
를멸균된PBS(pH 7.2)
가들어있는튜브에모은 후, 1 ml
당2.0
×10
9colony-forming unit(CFU)
의균수 를포함하게준비하여실험에사용하였다.
동물접종실험
동물접종을위한군구성은
Table 1
과같이8
개군으로구성하였다
.
군구성을위한동물은1
주일간의순화사육후
5
주령및18
개월령의건강한암·수Mongolian
gerbil
을시험에사용하였다. 5
주령의어린연령과18
개월령의노령동물의두군으로분류하여
18
시간절식시킨후
, I, II, III
및IV
군의동물은두당0.5 ml
의PBS
를마우스용존대를이용하여경구
(p.o.)
로투여하였고, V,
VI, VII
및VIII
군의동물은1 ml
당2.0
×10
9CFU
의균수가포함되게준비된배양액을두당
0.5 ml
씩경구투여하여
H. pylori
감염을유발하였다.
투여후각군의 동물들은12
시간의절식후사료를급여하였다.
절식동안에음수는자유급이할 수있도록 하였다
. H. pylori
또는
PBS
투여된각군의동물들은I, III, V
및VII
군 의동물은균접종1
주일후에, II, IV, VI
및VIII
군은4
주후에각각
18
시간절식시킨후ether
마취하에치사시킨후위를무균적으로적출하여세균배양
,
신속요소 분해효소검사,
병리조직학적검사및polymerase chain reaction(PCR)
검사를수행하였다(Fig. 2).
세균배양, 신속요소분해효소검사 및 병리조직학적 검사
각군의동물들로부터무균적으로적출된위유문부
의일부를
10% calf serum
이첨가된브루셀라한천배지에접종후
, 10% CO
2, 100%
습도가유지되는37
oC
항온기에서배양하며
H. pylori
균의증식을관찰하였다.
신속요소분해효소검사는무균적으로적출한위유문부
와위체부의점막각
1
부위씩의조직을CLO test
키트(
아산제약,
한국)
에넣고제조회사의설명서에따라실 온에서배양하여노란색배지가적색으로변하는경우 를양성으로판정하였다(Fig. 2).
위점막병리조직학적검사를위하여적출된위의일부를
10%
중성포르말린에고정하고
,
선위(glandular stomach)
부위를가로방향으로
5 mm
간격으로잘라,
개체당3
개부위를선정하였고
,
이때선별된부위들은다른개체들간에서로 동일한부위가되도록주의하여선정하였다.
선정된부Table 1. Experimental design to evaluate the difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition
of
H. pyloriinfection
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. pylori1 week 5 week-old 5 5
VI
H. pylori4 weeks 5 week-old 5 5
VII
H. pylori1 week 18 month-old 5 5
VIII
H. pylori4 weeks 18 month-old 5 5
위들의조직들은병리조직학적검사를위한통상적인 방법을사용하여파라핀포매한후
, 4
µm
두께로절편하 여hematoxylin and eosin(H&E)
염색후병리조직학적인검사를수행하였다
.
H. pylori 특이 PCR
H. pylori
감염후4
주및6
주에해당개체들의위유 문부점막일부를무균채취하여DNA
를추출한후H.
pylori
감염유지를확인하기위한PCR
을수행하였다.
DNA
추출은Lee
등[13]
에의하여사용된bead beater- phenol extraction method
를사용하였다.
검체를1 ml
멸 균증류수가들어있는Mini-Bead Beater(Biospec Product,
USA)
전용2 ml tube
에무균채취하여세절한후멸균3
차증류수에부유시킨glass bead(0.1 mm size; Biospec Product, USA) 200
µl
와phenol-chlorform-isoamyl alcohol
용액
(50 : 49 : 1) 200
µl
를넣어Mini-Bead Beater(Biospec Product, USA)
로30
초간5,000 rpm
으로진탕하였다.
진 탕후4
oC
에서12,000 rpm
으로15
분간원심분리한후상층액을멸균
2 ml tube
에옮겼다. 3 M sodium acetate 10 µl
와ice-cold ethanol 250 µl
를넣어 −20
oC
에서10
분간정체시킨후
, 15,000 rpm
으로15
분간원심분리하였다.
침전물은
70% alcohol
로세척하여실온에서건조시키고Tris EDTA(pH 8.0) 60 µl
에용해시켜실험에사용하였다. Lee
등[13]
의방법에따라genus Helicobacter
의rpoB
DNA
분절을증폭시킬수있는primer
쌍을사용하여PCR
을수행하였다. Forward primer(HF; 5' ACTTTAAC GCATGAAGATAT 3')
와Reverse primer(HR; 5' ATATTT
TGACCTTCTGGGGT 3')
를사용하여PCR
은Taq DNA
polymerase 1 U,
각dNTP 250 µM, 50 mM Tris-HCl(pH 8.3), 40 mM KCl, 1.5 mM MgCl
2를포함하는AccuPower PCR Premix(Bioneer,
한국)
를이용하였다.
추출된DNA
를
template
로50 ng,
각primer 20 pmol
을AccuPower
PCR Premix tube
에넣고멸균증류수로최종부피를20
µl
로맞춘후, 94
oC 30
초, 52
oC 30
초, 72
oC 45
초의30 cycle
의PCR
을수행한후, 1.2% agarose gel
에서458 bp
의특이밴드의유무를확인하였다
.
통계학적 분석
각시험군의양성율에대한
95% confidential interval (CI)
이MINITAB software(Minitab, USA)
를사용하여구해졌다
.
각군의양성율에대한CI
가차이가있으면통 계적으로유의한것으로판단되었다.
결 과
H. pylori
감염에대한감수성및병원성에숙주의연령이관련되는지를 알아보고자
5
주령과18
개월령의Mongolian gerbil
을이용하여H. pylori
감염의감수성및 병원성차이를평가하였다. 5
주령및18
개월령의암·수
Mongolian gerbil
에1.0
×10
9CFU
의H. pylori
를투Fig. 2. Evaluated items for the maintainment of infection in the animals inoculated with
H. Pylori.여후
1
주및4
주에각군의동물들의위를무균적으로적출하여세균배양
, CLO test
및PCR
검사를수행한결과는
Table 2
와같았다.
세균배양은7
일이상을배양하여얻은결과로
5
주령의동물들의20%
정도에서접종후
1
주및4
주에각각양성으로판정될수있었다(Table
2).
반면, 18
개월령의노령동물들에서는접종후1
주에 수컷동물한개체를제외하고는세균배양으로양성의 개체들을찾아낼수없었다.
이들노령동물들은접종 후4
주에모든개체들이음성으로판정되었다(Table 2).
병리조직학적검사로
5
주령의동물중접종후1
주에40%, 2
주에60%
의동물들에서위점막표면의세균들의관찰과위점막의염증
,
위점막분비증가등의특징적인병변을관찰수있었다
(Fig. 3).
노령의동물들에서는병리조직학적으로접종후
1
주에암·수각한개체에 서만병변이인지되었고접종후4
주에서는검사된모든동물에서특이병변을찾아보기어려웠다
. PCR
검사를통하여
H. pylori
에특이적인밴드를확인함으로서검사된위조직내에
H. pylori
감염여부를판정할수있었다
. PCR
검사결과5
주령의동물들은접종후1
주및5
주에모두양성반응을관찰할수있었다(Table 2).
반면에노령동물들의경우는접종후
1
주에몇몇개체들을제외하고는음성으로판정되었으며접종후
4
주에는 검사된모든개체들이감염되지않았음을알수있었다(Fig. 4). CLO test
의결과는검체에감염된H. pylori
성 장시요소분해효소와제공된배지의요소와의반응결Table 2. The difference in host susceptibility to infection in relation to age of acquisition of
H. pyloriinfection Evaluated
items
Age 5 week-old 18 month-old
Time
a1 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. Pyloriinoculation.
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. pyloriat 4 weeks after
H. Pyloriinoculation. M: 100 bp ladder,
P: positive control, N: negative control, 1~3: 5-week old
Mongolian gerbil, 4~6: 18 month-old Mongolian gerbil.
과로유도되는색깔변화로감염여부를손쉽게알수
있었다
(Fig. 2). CLO
검사결과는PCR
검사결과와일치하였으며
, 5
주령의개체들은접종후4
주까지도감염이유지되고있음을확인할수있었다
(Table 2).
반면, 18
개월령의노령동물들은접종후
1
주에수컷한개체를제외하고모두감염이이루어지지않았으며
,
접종후4
주 의검사결과로H. pylori
가colonization
된개체들이없는것을알수있었다
(Table 2).
음성대조를위하여사용된PBS
투여군은5
주령과18
개월령모두접종후1
주및4
주에모든개체들이세균배양,
병리조직검사, PCR
및CLO
검사결과음성으로판정되었다.
고 찰
현재까지
Helicobacter
감염의감수성과병원성에대한연구는
cagA , vacA
와같은H. pylori
균주들의virulence factor
에집중되어있다[5, 18, 23].
현재까지Helicobacte r
감염과숙주인자들에대한연구결과들은숙주의성별 에대한소수의연구를 제외하고는없는실정이다
[2, 3]. H. pylori
감염에대하여남성이여성보다감수성이 있음이역학연구와동물실험결과들로 밝혀지고있다[2, 3].
숙주의성별에대한다른병원체들의감수성차이에관한연구결과로는
Staphylococcus aureus, Salmo- nella typhimurium
과Listeria monocytogenes
의경우에여성이보다감수성이있는것으로보고되고있다
[3].
반면
, Mycobacterium avium , Trichuris muris
과Plasmodium
chabaudi
는남성이보다감수성이있는것으로알려져있다
[3].
본연구에서는시험에사용된동물의수가제한되어있기때문에암수의감수성차이는통계적으로 인정되지않았다
. H. pylori
감염에관한역학연구결과 에의하면대부분의감염이출생후1-2
살이전에획득되어지는것으로추정되고있다
[20].
본연구자들은이러한기존의연구보고들로부터숙주의연령에따라
H.
pylori
감염에대한감수성과병원성발현에차이가있지않을까의문을가지게되었다
.
동일균주와동등한bacterial load
에노출되는조건으로실험이수행되어져야만숙주의연령에대한감수성및병원성발현의차 이를알아볼수있을것으로판단되었다
.
임상적으로이 러한조건을충족시키는결과를얻어낼수있다는것은 불가능하다.
감염환자의균의특성이다양하고감염시 균수또한불규칙적일것으로판단이되며환자의식이습관등의다양성이또한
H. pylori
감염에대한감수성과병원성발현에숙주의연령이외의인자로작용할수 있기때문에임상결과로부터결론을도출한다는것은
매우어려운일이다
.
알콜[11],
소염제[12],
젓갈류의염분섭취
[1]
등과스트레스[22, 25]
등이H. pylori
병원성을더욱 증가시키는것으로보고되고있으며
, H.
pylori
감염환자들은다양한변수에노출되어있을것이다
.
이러한이유로현재까지H. pylori
감염과숙주의연 령과의관계에대하여연구한그룹이없을것으로본연 구자들은추정을하였다. H. pylori
감염을연구하기위한실험동물모델로는
Mongolian gerbil
이개발되어사용되고있으며
,
감염후만성위염의유발과위암발생양상이사람의
H. pylori
병태양상과유사한것으로보고되고있다
[9]. Mongolian gerbil
에H. pylori
는사람의 병태생리와유사하게만성으로진행되어위염,
위궤양과위암을유발하는것으로알려져있다
[9].
본연구자들은사람의
H. pylori
감염동물모델인Mongolian gerbil
을이용하여
H. pylori
감염과숙주의연령과의관계에대하여알아보았다
.
또한암수의성별을동시에사용하 여성별에의한감수성차이인자를 줄이고자하였다.
감염을확인할수있는지표로세균배양
,
병리조직학적검사
, CLO test
에의한신속요소효소분해검사및PCR
을사용하였다
.
세균배양은위장관의상재균에의한오 염으로검사에 많은어려움이있었고,
결과또한매우낮은검출율을보였다
. PCR
검사와CLO test
는다른검사법보다높은검출율을보였고세균배양과병리조직학 적검사결과양성의검체와일치되는결과를보여주었 다
.
세균배양은민감도가낮은방법이지만균주의분리 를위해필수적이고,
병리조직학적검사또한병변의비 교를통한병원성비교를위하여필요하다.
본연구에서는
H. pylori
감염검사의정확성을기하고자이들검사법을모두사용하였다
.
본연구의결과
5
주령의Mongolian gerbil
은18
개월령의노령
gerbil
에비교하여H. pylori
감염에대한감수성이높은것으로알수있었으며
,
감염후H. pylori
증 식에의한병변의유발이5
주령의동물들에서관찰할수있음을알수있었다
.
이러한연구결과로부터어린 연령이나이든개체들보다H. pylori
감염에보다감수 성이있다는것을증명할수있었다.
본연구는숙주의연령에따라
H. pylori
감염에대한감수성과병원성발현에차이가있음을밝히는최초의결과들이다
.
이러한결과로부터
H. pylori
감염실험을위한동물실험은어린 연령의 동물들을사용하여야된다는 것을알수있었 다. Mongolian gerbil
의경우에3
주이전까지모체의수유가이루어지기때문에이기간에모체로부터의이행 항체가병원체감염실험에부정적인결과를유발할수 있을것으로판단된다
.
따라서4
주령의저빌을구입하여
1
주간의순화사육후5
주령에접종실험을하는것 이가장좋은프로토콜이될것으로사료되었다.
또한,
본연구의결과는
H. pylori
감염이1-2
살이전에어린연령에서이루어지며
[20],
어린이에서위점막의proinfla-
mmatory cytokine
발현의증가되는것으로 보고되었던[14]
사람에서의역학적연구결과들을설명해줄수있는직접적인연구결과가될것이다
.
최근World Health Organization
에따르면H. pylori
를Class I carcinogen
으로분류하고있다
[10, 15].
본연구결과의중요성은백신개발이이루어져있지않은현재의상황에서발암인
자인
H. pylori
의예방과피해를최소화하기위한효과적인전략으로서감수성이높은어린연령에서의적극 적인감염방지대책이무엇보다중요하다는결과를제 공할수있다는점이다
.
결 론
본연구의결과
5
주령의Mongolian gerbil
은18
개월령의노령
gerbil
에비교하여H. pylori
감염에대한감수성이높은것으로알수있었으며
,
감염후H. pylori
증 식에의한병변의유발이5
주령의동물들에서관찰할 수있음을알수있었다.
이러한연구결과로부터어린 연령이나이든개체들보다H. pylori
감염에보다감수 성이있다는것을증명할수있었다.
본연구는숙주의연령에따라
H. pylori
감염에대한감수성과병원성발현에차이가있음을밝히는최초의결과들이다
.
현재까지숙주연령과 병원체의감수성에대한상관관계에대 하여연구된자료들이거의없는실정이기때문에본연
구의결과는
H. pylori
감염뿐아니라다른병원체들의경우에도숙주의연령과의상관성연구에기초자료로 활용될것으로기대되어진다
.
감사의 글
이논문은
2005
년도정부재원(
교육인적자원부학술연구조성사업비
)
으로 한국학술진흥재단의 지원(KRF-
2005-003-E00262)
을받아연구되었으며이에감사드립니다