Measuring Intracellular Mycobacterial Killing Using a Human Whole Blood Assay

인체 전혈 모델을 이용한 세포내 결핵균 살균력에 관한 연구

Background : The mechanisms through which cellular activation results in intracellular mycobacterial killing is only partially understood. However, in vitro studies of human immunity to Mycobacterium tuberculosis have been largely modeled on the work reported by Crowle, which is complicated by several factors. The whole blood culture is simple and allows the simultaneous analysis of the relationship between bacterial killing and the effect of effector cells and humoral factors. In this study, we attempted to determine the extent to which M. tuberculosis is killed in a human whole blood culture and to explore the role of the host and microbial factor in this process. Methods : The PPD positive subject were compared to the umbilical cord blood and patients with tuberculosis, diabetes and lung cancer. The culture is performed using heparinized whole blood diluted with a culture medium and infected with a low number of M. avium or M. tuberculosis $H_{37}Ra$ for 4 days by rotating the culture in a $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ incubator. In some experiments, methlprednisolone- or pentoxifyline were used to inhibit the immune response. To assess the role of the T-cell subsets, CD4+, CD8+ T-cells or both were removed from the blood using magnetic beads. The ${\Delta}$ log killing ratio was defined using a CFU assay as the difference in the log number of viable organisms in the completed culture compared to the inoculum. Results : 1. A trend was noted toward the improved killing of mycobacteria in PPD+ subjects comparing to the umbilical cord blood but there was no specific difference in the patients with tuberculosis, diabetes and lung cancer. 2. Methylprednisolone and pentoxifyline adversely affected the killing in the PPD+ subjects umbilical cord blood and patients with tuberculosis. 3. The deletion of CD4+ or CD8+ T-lymphocytes adversely affected the killing of M. avium and M. tuberculosis $H_{37}Ra$ by PPD+ subjects. Deletion of both cell types had an additive effect, particularly in M. tuberculosis $H_{37}Ra$. 4. A significantly improved mycobacterial killing was noted after chemotherapy in patients with tuberculosis and the ${\Delta}$ logKR continuously decreased in a 3 and 4 days of whole blood culture. Conclusion : The in vitro bactericidal assay by human whole blood culture model was settled using a CFU assay. However, the host immunity to M. tuberculosis was not apparent in the human whole blood culture bactericidal assay, and patients with tuberculosis showed markedly improved bacterial killing after anti-tuberculous chemotherapy compared to before. The simplicity of a whole blood culture facilitates its inclusion in a clinical trial and it may have a potential role as a surrogate marker in a TB vaccine trial.

연구배경 : 대표적 세포내 감염질환인 결핵에 대한 숙주의 방어기전 및 면역반응은 아직도 정확히 이해되지 못하고 있으며 이러한 병리기전을 연구하기 위하여서는 적절한 감염모델이 필요하다. 전혈 (whole blood)은 체액성 면역과 세포성 면역을 모두 포함한 생체의 상태를 반영하므로 다양한 대상에서 면역상태의 차이에 따른 개체간 결핵균 살균력의 차이를 비교 할 수 있는 적절한 모델로 추정된다. 따라서 본 연구의 목적은 인체의 결핵균 전혈 배양모델을 개발하여 궁극적으로 시험관내에서 숙주면역의 정도를 측정하는 대리 표지자를 개발하고자하는 것이다. 방 법 : PPD 양성 정상인을 대상으로 제대혈, 결핵환자, 당뇨 및 폐암환자와 비교하였다. 전혈을 희석하여 결핵균 Mycobacterium avium과 M. tuberculosis $H_{37}Ra$에 낮은 감염률로 감염시키고 $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ 배양기 속의 회전교반기에서 회전시키면서 배양(rotating culture) 하였다. 배양 1 일, 3일 및 4일 뒤 증류수로 긴장저하용해 시킨 후 Middlebrook 7H10/OADC 평판배지에서 결핵균 집락이 형성될 때까지 3-4주간 $37^{\circ}C$, 5% $CO_2$ 배양기에 배양하여 집락수를 계산하였다. 일부실험에서 TNF-${\alpha}$의 분비능을 90%이상 감소시키 기 위하여 methylpredmsolone과 pentoxifylline을 첨가하여 면역조정을 하였으며, CD4+ T-림프구와 CD8+ T-림프구를 magnetic bead에 코팅된 단클론 항체를 사용하여 제거하였다. 결핵균의 수는 용해질 $m{\ell}$ 당 CFU로 계산하였다. 살균력은 ${\Delta}$ log killing ratio로 표시하였다. ${\Delta}$ logKR=$log_{10}$(Final CFU/Initial CFU). 결 과 : 1. 제대혈의 결핵균 살균력이 PPD 양성 대조군에 비하여 다소 감소된 경향을 보였으며, 결핵환자의 결핵균 살균력은 PPD 양성 대조군과 특별한 차이를 보이지 않았다. 또한 당뇨군과 폐암군의 결핵균 살균력도 정상 대조군에 비하여 특별한 차이를 보이지 않았다. 2. Methylprednisolone과 pentoxyfylline을 사용한 면역조정 시에 제대혈, PPD 양성 정상 대조군과 결핵군 모두에서 전혈에서의 결핵균의 살균력이 감소되는 경향을 보였다. 3. CD4+ 및 CD8+ T-림프구 삭제시 log KR가 증가되어 유의하게 결핵균 살균력이 감소되었으며 CD4+ 및 CD8+ T-림프구 동시 삭제시 현저한 상승효과를 보였고 이러한 결과는 Mycobacterium avium보다는 독력이 없는 균인 Mycobacterium tuberculosis $H_{37}Ra$에서 보다 뚜렷하였다. 4. 폐결핵 치료후의 결핵균 살균력은 치료 전과 비교하여 유의하게 ${\Delta}$ logKR가 감소하였으며, 배양 3-4일에도 현저한 결핵균 증식의 억제를 보였다. 결 론 : 인체의 결핵균에 대한 감수성인 개체간의 면역상태를 전혈에서 결핵균 살균력을 통하여 비교할 수는 없었다. 그러나 인체 전혈 모델은 간단하고 임상경과 관찰이 쉬우며 결핵환자에서 치료 전과 후에 현저한 결핵균 살균력의 차이를 보이므로, 최근 결핵연구의 가장 중요한 과제의 하나인 백신 개발에서 그 성과를 판단하는 vaccine trial에 이용할 수 있을 가능성을 시사한다.