Anti-inflammatory Effects of Pentoxifylline and Neutrophil Elastase Inhibitor on Lipopolysaccharide-Induced Acute Lung Injury In Vitro

In Vitro 내독소 유도성 급성 폐손상에서 Pentoxifylline과 Neutrophil Elastase Inhibitor의 항염효과

Background : Acute lung injury (ALI) is a commonly encountered respiratory disease and its prognosis is poor when the treatment is not provided promptly and properly. However no specific pharmacologic treatment is currently available for ALI, although recently several supportive drugs have been under scrutiny. We studied anti-inflammatory effects of pentoxifylline (PF), a methylated xanthine, and ONO-5046, a synthetic neutrophil elastase inhibitor on lipopolysaccharide (LPS)-induced ALI in vitro. Methods : To establish an in vitro model of LPS-induced ALI, primary rat alveolar macrophages and peripheral neutrophils in various ratios (1:0, 5:1, 1:1, 1:5, 0:1) were co-cultured with transformed rat alveolar epithelial cells (L2 cell line) or vascular endothelial cells (IP2-E4 cell line) under LPS stimulation. Each experiment was divided into five groups-control, LPS, LPS+PF, LPS+ONO, and LPS+PF+ONO. We compared LPS-induced superoxide anion productions from primary rat alveolar macrophages and peripheral neutrophils in various ratios, and the resultant cytotoxicity on L2 cells or IP2-E4 cells between groups. In addition we also compared the productions of tumor necrosis factor (TNF)-$\alpha$ interleukin (IL)-$1{\beta}$, monocyte chemotactic protein(MCP)-1, IL-6, and IL-10 as well as mRNA expressions of TNF-$\alpha$ inducible nitric oxide synthetase(iNOS), and MCP-1 from LPS-stimulated primary rat alveolar macrophages between groups. Results : (1) PF and ONO-5046 in each or both showed a trend to suppress LPS-induced superoxide anion productions from primary rat alveolar macrophages and peripheral neutrophils regardless of their ratio, except for the LPS+PF+ONO group with the 1:5 ratio, although statistical significance was limited to a few selected experimental conditions. (2) PF and ONO-5046 in each or both showed a trend to prevent IP2-E4 cells from LPS-induced cytotoxicity by primary rat alveolar macrophages and peripheral neutrophils regardless their ratio, although statistical significance was limited to a few selected experimental conditions. the effects of PF and/or ONO-5046 on LPS-induced L2 cell cytotoxicity varied according to experimental conditions. (3) PF showed a trend to inhibit LPS-induced productions of INF-$\alpha$ MCP-1, and IL-10 from primary rat alveolar macrophages. ONO-5046 alone didnot affect the LPS-induced productions of proinflammatory cytokines from primary rat alveolar macrophages but the combination of PF and ONO-5046 showed a trend to suppress LPS-induced productions of INF-$\alpha$ and IL-10 PF and ONO-5046 in each or both showed a trend to increase LPS-induced IL-$\beta$ and IL-6 productions from primary rat alveolar macrophages. (4) PF and ONO-5046 in each or both showed a trend to attenuate LPS-induced mRNA expressions of TNF-$\alpha$ and MCP-1 from primary rat alveolar macrophages but at the same time showed a trend increase iNOS mRNA expression. Conclusion : These results suggest that PF and ONO-5046 may play a role in attenuating inflammation in LPS-induced ALI and that further study is needed to use these drugs as a new supportive therapeutic strategy for ALI.

연구배경 : 내독소 유도성 급성 폐손상(acute lung injury : ALI)은 비교적 임상에서 흔히 접하는 호흡기질환으로서, 조기에 적절한 치료가 이루어지지 않을 경우 예후가 좋지 않은 것으로 알려져 있다. 하지만 최근 몇 가지 보조치료약제가 임상에서 사용되고 있기는 하지만, 아직 ALI를 효과적으로 치료할 수 있는 약제는 개발되어 있지 않은 실정이다. 이에 본 연구지들은 최근 ALI의 새로운 보조치료약제로서의 가능성이 대두 pentoxifylline (PF) 및 ONO-5046(specific neutrophil elastase inhibitor)이 백서의 내독소 유도성 ALI와 관련된 염증반응에 대해 어떤 효과를 나타내는지 알아보고자 하였다. 방법 : 내독소 유도성 ALI의 생체외(in vitro) 모델을 확립하기 위해 백서의 폐포대식세포 및 말초혈액 호중구를 다양한 비율(1:0, 5:1, 1:1, 1:5, 0:1)로 혼합하여 내독소 자극 하에서 백서의 폐포상피세포주(L2 cells) 혹은 혈관내피세포주(IP2-E4 cells)와 함께 혼합 배양하였다. 모든 실험은 5군(대조군, LPS군, LPS+PF군, LPS+ONO군, LPS+PF+ONO군)으로 나누어 비교하였는데, 우선 다양한 비율로 혼합된 백서 폐포대식세포 및 말초혈액 호중구의 배양상층액으로부터 내독소 유도성 과산화음이온 생성능을 측정하고, 이들 염증세포들이 각 폐조직세포에 미치는 세포독성능을 측정하였다. 아울러 백서의 폐포대식세포로부터 내독소 유도성 TNF-$\alpha$, MCP-1, IL-6, IL-$1{\beta}$, IL-10 분비 및 TNF-$\alpha$ iNOS, MCP-1 mRNA 발현을 관찰하였다. 결과 : (1) 세포혼합비가 1:5일 때 LPS+PF+ONO군을 제외하고는 세포혼합비에 상관없이 LPS+PF군, LPS+ONO군 및 LPS+PF+ONO군 모두에서 각 세포혼합비의 LPS군에 비해 백서 폐포대식세포와 말초혈액 호중구로부터 내독소 유도성 과산화 음이온 생성능이 억제되는 경향을 보였다. (2) 백서 혈관내피세포(IP2-E4 cells)에 대한 염증세포들의 내독소 유도성 세포독성능은 세포혼합비에 상관없이 LPS+PF군, LPS+ONO군 및 LPS+PF+ONO군 모두에서 각 세포혼합비의 LPS군에 비해 감소하는 경향올 보였다. 하지만 백서 폐포상피세포(L2 cells)에 대한 염증세포들의 내독소 유도성 세포독성능은 세포혼합비 및 각 실험군에 따라 다양한 양상을 보였다. (3) LPS+PF군 및 LPS+PF+ONO군 포두에서 백서 LPS군에 비해 TNF-$\alpha$ 분비가 LPSrns에 비해 통계적으로 유의하게 감소되었으며, MCP-1 및 IL-10 분비도 LPS군에 비해 다소 감소 하는 경향을 보였다. 반면에 LPS+ONO군은 LPS군과 비교하여 백서 폐포대식세포로부터 내독소 유도성 cytokines 분비에 별 차이가 없었다. LPS+PF군, LPS+ONO군 및 LPS+PF+ONO군 모두에서 백서 폐포대식세포로부터 내독소 유도성 IL-$1{\beta}$ 및 IL-6 분비는 LPS군에 비해 오히려 증가하는 경향을 보였다. (4) LPS+PF군, LPS+ONO군 및 LPS+PF+ONO군 모두에서 백서 폐포대식셰포로부터 내독소 유도성 TNF-$\alpha$ 및 MCP-l mRNA 발현이 억제되는 경향을 보였으나, iNOS mRNA 발현은 오히려 증가하는 경향을 보였다. pentoxifylline은 백서의 염증세포들로부터 내독소 유도성 과산화 음이온 생성을 억제하였고 폐포대식세포로부터 TNF-$\alpha$ 및 MCP-1 mRNA 발현과 억제하여 폐조직세포 손상을 감소시켰으며 ONO-5046은 과산화 음이온 생성억제 및 TNF-$\alpha$ MCP-1 mRNA 발현억제, MCP-1의 분비를 억제하였을 뿐 아니라 항염증 매개물질인 IL-10 분비를 증가시킴으로써 폐조직세포의 손상을 방지할 수 있음을 확인하였다. pentoxifylline과 ONO-5046의 병용투여시에도 과산화 음이온 생성 및 일부 염증성 물즐의 mRNA의 발현 및 분비를 억제함으로써 폐조직세포의 손상을 방지함을 확인할 수 있었다. 결론 : 이상의 결과들로 보아 PF 및 ONO-5046은 내독소 유도성 ALI의 염증반응을 완화시키는 역할을 하는 것으로 추측되며, 향후 이 약제들은 ALI의 새로운 보조 치료제로 사용하기 위해서는 추가 연구가 필요할 것으로 생각되는 바이다.