The Lymphocyte Dependent Bactericidal Assay of Human Monocyte and Alveolar Macrophage for Mycobacteria

마이코박테리아에 대한 인체 말초혈액 단핵구와 폐포대식세포의 림프구 의존적 살해능에 관한 연구

Background : Though mononuclear phagocytes serve as the final effectors in killing intracellular Mycobacterium tuberculosis, the bacilli readily survive in the intracellular environment of resting cells. The mechanisms through which cellular activation results in the intracellular killing is unclear. In this study, we sought to explore an in vitro model of a low-level infection of human mononuclear phagocytes with MAC and $H_{37}Ra$ and determine the extent of the lymphocyte dependent cytotoxicity of human monocytes and alveolar macrophages. Materials and Methods : The peripheral monocytes were prepared using the Ficoll gradient method from PPD positive healthy people and tuberculosis patients. The alveolar macrophages were prepared from PPD positive healthy people via a bronchoalveolar lavage. The human mononuclear phagocytes were infected at a low infection rate (bacilli:phagocyte 1:10) with MAC(Mycobacterium avium) and Mycobacterium tuberculosis $H_{37}Ra$. Non-adherent cells(lymphocyte) were added at a 10:1 ratio. After 1,4, and 7 days culture in $37^{\circ}C$, 5% CO2 incubator, the cells were harvested and inoculated in a 7H10/OADC agar plate for the CFU assay. The bacilli were calculated with the CFU/$1{\times}10^6$ of the cells and the cytotoxicity was expressed as the log killing ratio. Results : The intracellular killing of MAC and $H_{37}Ra$ within the monocyte was greater in patients with tuberculosis compared to the PPD positive controls (p<0.05). Intracellular killing of MAC and $H_{37}Ra$ within the alveolar macrophage appeared to be greater than that within the monocytes of the PPD positive controls. There was significant lymphocyte dependent inhibition of intracellular growth of the mycobacteria within the monocytes in both the controls and tuberculosis patients and within the macrophages in the controls(p<0.05). There was no specific difference in the virulence between the MAC and the $H_{37}Ra$. Conclusion : This study is an in vitro model of a low-level infection with MAC and $H_{37}Ra$ of human mononuclear phagocytes. The intracellular cytotoxicity of the mycobacteria within the phagocytic cells was significantly lymphocyte dependent. During the 7 days culture after the intracellular phagocytosis, the actual confinement of the mycobacteria was observed within the monocytes of tuberculosis patients and the alveolar macrophages of the controls as in the case of adding lymphocytes.

연구배경 : 말초혈액 단핵구와 폐포 대식세포가 림프구에 의하여 활성화된 후 탐식된 세포내 결핵균을 제거하는 최종 효과기로 작용하지만 결핵균은 이러한 세포 내에서조차 살아남아 증식한다. 본 연구에서는 인체 감염의 경우와 유사하도록 낮은 감염률(결핵균:포식세포 1:10)을 이용하여 MAC(Mycobacterium avium)과 Mycobaterium tuberculosis $H_{37}Ra$에 대한 단핵구와 폐포 대식세포의 림프구 의존적 결핵균 살해능의 정도를 측정하고자 하였다. 방 법 : 정상인과 폐결핵 환자의 말초혈액 단핵구를 Ficoll gradient 방법을 이용하여 분리하고, 정상인의 폐포 대식세포를 기판지폐포 세척액에서 분리 하여 96well plate에 $1{\times}10^5$ 씩 분주하고 결핵균주 MAC과 $H_{37}Ra$에 낮은 감염률(결핵균:단핵구 1:10)로 감염시켰다. 일부는 비부착세포(림프구)를 림프구:포식세포 10:1 비율로 첨가하여 $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ 배양기에 배양하였다. 1일, 4일, 및 7일째 각각 수확하여 middlebrook 7H10/OADC agar plate에 접종 후 집락이 형성될 때까지 $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ 배양기에 배양하였다. 결핵균의 수는 lysate의 $m{\ell}$(세포수 $10^6$)당 CFU로 표시하였고, 결핵균의 살해능은 log killing ratio[logKR=$log_{10}$(Final CFU/Initial CFU)]로 표시하였다. 배양 1일째 상층액에서 TNF-${\alpha}$, 배양 4일째 상층액에서 ${\gamma}$-IFN을 Elisa kit를 사용하여 측정하였다. 결 과 : 단핵구의 세포내 결핵균 살해능은 정상대조군에 비하여 결핵환자군에서 ${\Delta}logKR$가 MAC -0.4, $H_{37}Ra$ -0.2 정도로 유의하게 증가되어 있었다(p<0.05). 정상대조군에서 폐포 대식세포의 결핵균 살해능은 단핵구에 비하여 ${\Delta}$logKR가 MAC과 $H_{37}Ra$ 모두 -0.2정도로 증가된 경향을 보였다. 단핵구와 폐포 대식세포내 결핵균 살해능은 림프구 의존적으로 림프구 첨가시의 ${\Delta}logKR$는 MAC -0.4, $H_{37}Ra$ -0.5 정도로 포식세포 단독에 비하여 유의하게 증가되었다 (p<0.05). ${\gamma}$-IFN은 말초 단핵구와 폐포 대식세포 단독배양시 분비량이 경미하였으나 림프구 첨가시에는 유의한 분비의 증가를 보였다. 결 론 : 본 연구는 낮은 결핵균 감염률을 이용한 인체 포식세포의 세포내 결핵균 감염 모델이다. 결핵균 살해능은 림프구 의존적이며, 포식세포의 결핵균 탐식 후 7일까지의 배양에서 결핵환자의 단핵구와 PPD 양성 정상인의 폐포 대식세포에 림프구를 첨가한 경우에만 실질적인 균 증식의 제한을 볼 수 있었다.