The anti-inflammatory effects of Bacillus amyloliquefaciens SOD (BA SOD) in DSS induced oxidative stress of SOD1 knockout mice

Abstract

본 연구는 9일동안 2% DSS로 WT (SOD1+/+) 마우스와 KO (SOD1-/-) 마우스에 장 내 산화스트레스를 유도 시켰고, 추가적으로 KO 마우스에 DSS 로 유도하기 일주일 전부터 BA SOD 또는 BA SOD+spore 를 경구투여 BA SOD의 장 내 산화스트레스 억제 작용을 아래와 같은 방법을 통해 분석하였다. 먼저 BA SOD 투여를 통한 체내 ROS의 변화를 확인하기 위해 Plasma 내의 ROS를 측정 하였다. 그 결과 WT 마우스에 DSS를 투여하였을 때 체내 산화스트레스로 인해 ROS가 유의적으로 증가하였고 KO 마우스에서는 WT 마우스 경우보다 유의적으로 증가 하였다. 하지만 KO마우스에 BA SOD와 BA SOD+spore를 병용 투여하였을 때 증가되었던 ROS를 효과적으로 감소시키는 것을 확인하였다. 또한 혈액 내에 존재하는 항산 화 효소들의 활성도를 분석하였으며 SOD, GPx, CAT, GSH 등 4개의 항산화 효소 모두에서 BA SOD 와 BA SOD+spore를 병용 투여한 군이 DSS만 투여한 군보다 활성도가 유의적으로 증가됨을 확인 하였다. 이를 통해 BA SOD 와 BA SOD+spore의 병용 투여는 체내 항산화 효소들의 활성을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 그 후 장내 구조적 및 마우스 모델에서의 표현형을 분석하였다. WT 마우스에 DSS를 투여하였을 때 혈변, 체중감소, 대장 길이의 감소 등 조직학적인 소견을 보였다. KO 마우스에서는 WT 마우스보다 장내 염증이 유의적으로 더 심해짐을 확인하였고 H&E 염색 및 IHC 분석을 통해 표피 주위에 점액조직의 비대, 과립백혈구의 침윤, 궤양형성, 조직벽의 심각한 부종 등 염증이 악화된 것을 확인하였다. 이에 BA SOD를 투여하였을 때, DSS군에 비하여 전반적인 양상이 호전되었고, BA SOD+spore를 병용 투여하였을 때 더 크게 호전되는 양상을 보였다. 장 길이가 덜 감소하였으며 조직학적 소견에서도 DSS군보다 유의적으로 적은 몸무게 감소와 줄어든 혈변이 나타났다. DAI 분석에서도 BA SOD를 투여한 군이 훨씬 DSS군에 비해 감소됨을 확인할 수 있었고 이를 통해 BA SOD가 염증을 효과적으로 억제하는 작용을 하는 것을 확인 하였다. 다음으로는 FACS 기법을 통한 세포수준에서의 면역세포 유형분석을 진행 하였으며 그 결과 DSS 투여 군에서 호중구(Neutrophil), 대식세포(Macrophage), 단핵구(Monocyte), 수지상세포(DCs) 의 수와 비율이 유의적으로 증가한 것을 확인하였다. 하지만 BA SOD를 투여한 군에서는 이들 세포분획이 모두 유의적으로 감소하였으며 BA SOD+spore를 병용처리한 군에서는 더 큰 폭으로 유의하게 감소함을 확인 하였다. 이를 통해 BA SOD와 BA SOD+spore는 장내 면역반응 조절을 통해 면역세포의 유입을 차단하여 염증을 억제한다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 BA SOD와 BA SOD+spore의 병용투여가 산화스트레스를 낮춤으로써 염증 반응을 억제하고 상피 장벽의 기능을 향상시키는 것을 확인하였다. 장 내 산화스트레스 및 염증을 완화시키는 것으로 미루어 보아 산화스트레스와 염증 관련 질환을 예방할 수 있는 기능성 식품으로의 개발 가능성을 제시해줄 수 있을 것으로 사료된다.;Oxidative stress reflects an imbalance between the systemic manifestation of reactive oxygen species and a biological system's ability to readily detoxify the reactive intermediates or to repair the resulting damage. Accumulating evidences suggest that the removal of ROS is as an effective and preventive strategy against various diseases and have a therapeutic value in both animal and clinical trials. This study aimed to examine the anti-inflammatory effects of the manganese-containing superoxide dismutase from Bacillus amyloliquefaciens (BA SOD) on modulating oxidative stress by targeting the mucosal immunoinflammatory response in dextran sulfate sodium (DSS) induced oxidative stress in wild type (WT) mice and SOD1 knockout (KO) mice. Six-week-old mice were randomly divided into six groups (n=10/group): WT_PBS (wild type, non-DSS induced), KO_PBS (SOD1 knock out, non-DSS induced), WT_DSS (wild type, DSS induced), KO_DSS (SOD1 knock out, DSS induced), BA SOD (SOD1 knock out, DSS induced + BA SOD 20U/day), BA SOD+spore (SOD1 knock out, DSS induced + BA SOD 20U+spore 1X107/day). BA SOD, BA SOD+spore, or placebo was administrated by gavage for 16 days. For induction of acute oxidative stress, mice received 2% of DSS dissolved in drinking water for last 9 days. KO_DSS group showed a much more higher activity of reactive oxygen species (ROS) than WT_DSS group. Proportionally, antioxidant activity of superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPx), catalase (CAT), glutathione (GSH) were significantly increased in the BA SOD and BA SOD+spore groups. Body weight, disease activity index (DAI), colon length and histological score were significantly restored toward normal in the BA SOD group compared to the DSS induced groups. As the colitis and oxidative stress induced, there was increased inflammatory infiltration in colon of WT_DSS and KO_DSS groups due to increased infiltration of neutrophil, macrophage, monocyte, dendritic cell (DC). However, BA SOD treatment groups showed down-regulated these immunity cell responses during the progress of acute DSS through a positive feedback mechanism. Moreover, BA SOD+spore group showed more decrease of these immunity cell production compared to BA SOD group. In conclusion, these results suggest that protective effects of BA SOD in DSS induced oxidative stress via modulating pro-inflammatory mediators in mucosal immune system.