염증성 장질환(IBD) 연구 모델—크론병 및 궤양성 대장염 연구를 위한 BALB/c-Il10 KO 마우스

최근 케이트 미들턴(Kate Middleton) 영국 왕세자비가 크론병(Crohn's disease, CD)을 앓고 있다는 소식이 전해지면서 이 질환에 대한 대중의 관심이 크게 증가했습니다. 크론병(CD)은 흔히 'Green cancer'로 불리지만, 실제로는 진정한 암이 아니며 만성 염증성 장질환(Inflammatory Bowel Disease, IBD)의 일종입니다.^[1] 'Green cancer'라는 별칭은 다양한 임상 증상, 개인별 큰 차이, 넓은 범위의 영향을 미치는 발병 부위, 높은 재발률, 그리고 치료의 어려움 등에서 유래했습니다. 한 번 진단되면 환자는 평생 이 질환을 관리해야 합니다.

염증성 장질환(IBD)의 현황

염증성 장질환(IBD)은 주로 회장, 직장, 결장에 영향을 미치는 특발성 염증성 질환입니다. 임상 증상으로는 설사, 복통 등을 포함되며, 때로는 혈변까지 나타납니다. IBD는 궤양성 대장염(UC)과 Crohn's 병(CD)의 두 가지 하위 유형으로 나뉩니다. IBD의 병인은 매우 복잡하며, 유전, 면역 반응, 환경적 요인, 장내 감염이 관여합니다. 현재 전 세계적으로 1,000만 명 이상의 사람들이 IBD를 앓고 있으며, 중국에서는 인구 10만 명당 3명 이상의 발생률을 보입니다.^[2] 그러나 IBD의 진단 과정은 매우 복잡하고 현재로서는 치료법이 없습니다. 질환 치료 비용이 계속 증가함에 따라 이 질환의 부담을 줄일 수 있는 효과적인 전략이 절실히 필요합니다.

그림 1. 염증성 장질환(IBD)의 분류 ^[3]

IL10과 염증성 장질환(IBD)의 관계

Interleukin-10 (IL10)은 염증성 장질환(IBD)의 주요 감수성 유전자로, 그 기능적 결핍은 궤양성 대장염(UC) 발병의 핵심 기전으로 작용합니다.^[4] 또한, Interleukin-10 (IL10)의 유전자 다형성은 궤양성 대장염(UC) 또는 크론병(CD)의 발병으로 이어질 수 있습니다.^[5] 아주 이른 시기에 발병하는 염증성 장질환(VEO-IBD) 환자 중에서 가족력이 뚜렷한 경우, IL10 및 그 수용체(receptor)인 IL10R에서 단일 유전자 돌연변이(monogenic mutation)가 높은 비율로 검출됩니다.^[6] 따라서 인간 IBD의 임상 표현형을 모방할 수 있는 IL10 knockout (KO) 마우스는 연구에서 가장 널리 사용되는 유전자 모델입니다.^[7] IL10 KO 마우스에서는 IL-23과 Th1 유사 염증(Th1-like inflammation) 및 미생물 자극의 영향으로 자발적이고 만성적인 대장염이 발생합니다. 이러한 표현형은 유전적 배경에 매우 의존합니다. SPF condition에서, BALB/c 배경의 IL10 KO 마우스 모델은 조기 발병, 높은 침투율(질환 유발할 가능성), 심각한 질환 표현형, 개체 간 최소한의 표현형 변이 등 특징이 나타나며, 인간의 만성 대장염의 여러 측면을 적절한 시간 내에 정확하게 재현할 수 있습니다.^[8-9] 따라서 IL10 KO 마우스 모델은 발병 기전 연구 및 약물 스크리닝에 중요한 이점을 제공합니다.

그림 2. 염증성 장질환(IBD) 연구에 널리 사용되는 마우스 모델 ^[7]

• 성장 곡선 및 생존 곡선

BALB/c-Il10 KO 마우스 모델의 체중은 wild-type(WT) 마우스 모델에 비해 감소합니다. 10주째부터 마우스 모델은 사망하기 시작하고 질환이 진행됨에 따라 생존율이 더욱 감소합니다.

그림 3. BALB/c-Il10 KO 마우스의 성장 및 생존 곡선

• 질환 발생률 및 질환 활동도 지수(DAI)

질병 활동 지수(DAI) 및 크론병 활동 지수(CDAI)를 기반으로 BALB/c-Il10 KO 마우스의 질환 발생률을 정량적으로 분석하였습니다. 결과에 따르면 BALB/c-Il10 KO 마우스는 8주에서 9주 사이에 질환 증상을 보이기 시작합니다. 수컷 마우스는 암컷 마우스보다 발병이 더 빠르며, 약 16주째에 수컷 마우스는 모두 발병합니다. 나이가 들수록 질환의 중증도는 점진적으로 증가합니다.

그림 4. BALB/c-Il10 KO 마우스의 질환 발생률 및 질환 점수

• 외모 및 신체 형태

수컷 BALB/c-Il10 KO 마우스의 외모 및 신체 형태를 관찰한 결과, 출생 후 약 22주에 마우스 모델의 대장염 표현형이 매우 심각해집니다. 마우스 모델은 설사, 혈변, 직장 탈출, 비정상적인 신체 형태와 같은 증상을 보입니다.

그림 5. 22주령 수컷 BALB/c-Il10 KO 마우스의 외형

• 결장(직장) 해부학적 검사

Wild-type(WT) 마우스와 질환이 있는 BALB/c-Il10 KO 마우스를 해부한 결과, BALB/c-Il10 KO 마우스는 대장 벽이 두꺼워지고 장이 커졌으며, 염증을 나타내는 붉은 색을 띠고 있는 것으로 나타났습니다. 또한, 장 내용물이 끈적하고 확산되어 있으며, 대변은 불규칙한 모양을 보입니다. 검사 데이터에 따르면 수컷 마우스는 암컷 마우스보다 질환이 더 일찍 발병하고 증상이 더 심각합니다.

Figure 6. Wild-type(WT) 마우스와 질환 발병 상태인 BALB/c-Il10 KO 마우스의 결장(직장) 해부학적 비교

• 장 조직 H&E 염색

Wild-type(WT) 마우스와 BALB/c-Il10 KO 마우스의 결장(직장) 조직을 H&E 염색을 진행했습니다. 그 결과는 초기 발병 단계(10주)에서 BALB/c-Il10 KO 마우스가 결장(직장) 조직에서 염증 세포 응집 및 crypt 손상과 같은 표현형을 나타냈습니다. 질환 발병은 말기(22주)에 이르면서 이러한 표현형이 더욱 심각해졌으며, 추가로 배상 세포(goblet cell) 박리와 같은 징후도 관찰되었습니다.

Figure 7. Wild-type(WT) 마우스와 BALB/c-Il10 KO 마우스의 장 조직 H&E 염색 결과 비교

• 염증성 Cytokine 발현 수준

마우스 모델의 장 조직에서 염증성 cytokine 발현을 RT-qPCR로 분석한 결과, wild-type(WT) 마우스와 질환이 없는 BALB/c-Il10 KO 마우스에 비해, 질환 발병 상태인 BALB/c-Il10 KO 마우스의 장 조직에서 TNF-α 및 IL6와 같은 염증성 cytokine의 발현 수준이 크게 증가된 것으로 나타났습니다.

그림 8. 질환 발병 상태인 BALB/c-Il10 KO 마우스에서 크게 증가한 염증성 cytokine 수준

결론

BALB/c-Il10 KO 마우스(제품 코드: C001527)는 8~9주령에 증상이 나타나기 시작하며, 주로 체중 감소, 생존율 저하, 염증성 cytokine 수준 증가, 장염 및 비정상적인 장의 표현형으로 나타납니다. 수컷 마우스는 암컷 마우스보다 더 일찍, 더 심하게 발병하고, 22주령이 되면 설사, 혈변, 직장 탈출과 같은 심각한 증상이 나타납니다.
또한 마우스 모델의 대장 벽이 두꺼워지고, 장이 커지며, 장의 색깔이 붉어지고, 끈적하고 퍼진 장 내용물, 그리고 불규칙한 형태의 대변과 같은 뚜렷한 장염 표현형을 보입니다.
조직학적 검사 결과에 따르면, 질환 초기 발병 단계에서 BALB/c-Il10 KO 마우스의 결장(직장) 조직에서 염증 세포 응집과 crypt 손상이 현저하게 나타나며, 질환 발병 말기 단계에서는 배상 세포(goblet cell) 박리로 진행됩니다.
염증성 cytokine인 TNF-α와 IL6의 발현 수준은 질환 발병 상태인 BALB/c-Il10 KO 마우스에서 크게 증가합니다.
따라서 BALB/c-Il10 KO 마우스는 자발적인 장염을 나타내는 염증성 장질환(IBD) 모델로서 크론병(CD) 및 대장염 연구에 사용할 수 있으며, 암, 선천성 면역(innate immunity) 및 적응 면역(adaptive immunity), 기타 염증성 질환 또는 자가면역 질환과 관련된 연구 분야에서도 활용될 수 있습니다.

Cyagen은 염증 및 자가면역 연구 분야에서 연구자의 실험 요구를 충족시키기 위해 다양한 자연발생성 또는 유도성 염증성 질환 모델, 인간화 타겟 유전자 질환 모델을 제공하고 있습니다. 아울러 궁금하신 사항이 있으시면 언제든지 환영하오니 연락부탁드립니다.

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참고 문헌:

[1]Royal Family News. "Kate Middleton Surgery Colon Crohn's Disease." Last modified March 10, 2024. https://royalfamily.news/kate-middleton-surgery-colon-crohns-disease/.
[2]Zhang Y, Liu J, Han X, Jiang H, Zhang L, Hu J, Shi L, Li J. Long-term trends in the burden of inflammatory bowel disease in China over three decades: A joinpoint regression and age-period-cohort analysis based on GBD 2019. Front Public Health. 2022 Sep 7;10:994619.
[3]Johns Hopkins Medicine. "Inflammatory Bowel Disease." Last modified March 10, 2024. https://www.hopkinsmedicine.org/health/conditions-and-diseases/inflammatory-bowel-disease.
[4]Franke A, Balschun T, Karlsen TH, Sventoraityte J, Nikolaus S, Mayr G, Domingues FS, Albrecht M, Nothnagel M, Ellinghaus D, Sina C, Onnie CM, Weersma RK, Stokkers PC, Wijmenga C, Gazouli M, Strachan D, McArdle WL, Vermeire S, Rutgeerts P, Rosenstiel P, Krawczak M, Vatn MH; IBSEN study group; Mathew CG, Schreiber S. Sequence variants in IL10, ARPC2 and multiple other loci contribute to ulcerative colitis susceptibility. Nat Genet. 2008 Nov;40(11):1319-23.
[5]Zhu L, Shi T, Zhong C, Wang Y, Chang M, Liu X. IL-10 and IL-10 Receptor Mutations in Very Early Onset Inflammatory Bowel Disease. Gastroenterology Res. 2017 Apr;10(2):65-69. 
[6]Kotlarz D, Beier R, Murugan D, Diestelhorst J, Jensen O, Boztug K, Pfeifer D, Kreipe H, Pfister ED, Baumann U, Puchalka J, Bohne J, Egritas O, Dalgic B, Kolho KL, Sauerbrey A, Buderus S, Güngör T, Enninger A, Koda YK, Guariso G, Weiss B, Corbacioglu S, Socha P, Uslu N, Metin A, Wahbeh GT, Husain K, Ramadan D, Al-Herz W, Grimbacher B, Sauer M, Sykora KW, Koletzko S, Klein C. Loss of interleukin-10 signaling and infantile inflammatory bowel disease: implications for diagnosis and therapy. Gastroenterology. 2012 Aug;143(2):347-55.
[7]Kiesler P, Fuss IJ, Strober W. Experimental Models of Inflammatory Bowel Diseases. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2015 Mar 1;1(2):154-170.
[8]Berg DJ, Davidson N, Kühn R, Müller W, Menon S, Holland G, Thompson-Snipes L, Leach MW, Rennick D. Enterocolitis and colon cancer in interleukin-10-deficient mice are associated with aberrant cytokine production and CD4(+) TH1-like responses. J Clin Invest. 1996 Aug 15;98(4):1010-20.
[9]Sellon RK, Tonkonogy S, Schultz M, Dieleman LA, Grenther W, Balish E, Rennick DM, Sartor RB. Resident enteric bacteria are necessary for development of spontaneous colitis and immune system activation in interleukin-10-deficient mice. Infect Immun. 1998 Nov;66(11):5224-31.