Abstract
Background : It has been documented that brief repetitive periods of ischemia and reperfusion (ischemic preconditioning, IP) enhances the recovery of post-ischemic contractile function and reduces infarct size after a longer period of ischemia. Many mechanisms have been proposed to explain this process. Recent studies have suggested that transient increase in the intracellular calcium may have triggered the activation of protein kinase C(PKC); however, there are still many controversies. Accordingly, the author performed the present study to test the hypothesis that preconditioning with high concentration of calcium before sustained subsequent ischemia(calcium preconditioning) mimics IP by PKC activation. Material and Method : The isolated hearts from the New Zealand White rabbits(1.5∼2.0 kg body weight) Method: The isolated hearts from the New Zealand White rabbits(1.5∼2.0 kg body weight) were perfused with Tyrode solution by Langendorff technique. After stabilization of baseline hemodynamics, the hearts were subjected to 45-minute global ischemia followed by a 120-minute reperfusion with IP(IP group, n=13) or without IP(ischemic control, n=10). IP was induced by single episode of 5-minute global ischemia and 10-minute reperfusion. In the Ca2+ preconditioned group, perfusate containing 10(n=10) or 20 mM(n=11) CaCl2 was perfused for 10 minutes after 5-minute ischemia followed by a 45-minute global ischemia and a 120-minute reperfusion. Baseline PKC was measured after 50-minute perfusion without any treatment(n=5). Left ventricular function including developed pressure(LVDP), dP/dt, heart rate, left ventricular end-diastolic pressure(LVEDP) and coronary flow(CF) was measured. Myo car ial cytosolic and membrane PKC activities were measured by 32P-${\gamma}$-ATP incorporation into PKC-specific pepetide. The infarct size was determined using the TTC (tetrazolium salt) staining and planimetry. Data were analyzed using one-way analysis of variance(ANOVA) variance(ANOVA) and Tukey's post-hoc test. Result: IP increased the functional recovery including LVDP, dP/dt and CF(p<0.05) and lowered the ascending range of LVEDP(p<0.05); it also reduced the infarct size from 38% to 20%(p<0.05). In both of the Ca2+ preconditioned group, functional recovery was not significantly different in comparison with the ischemic control, however, the infarct size was reduced to 19∼23%(p<0.05). In comparison with the baseline(7.31 0.31 nmol/g tissue), the activities of the cytosolic PKC tended to decrease in both the IP and Ca2+ preconditioned groups, particularly in the 10 mM Ca2+ preconditioned group(4.19 0.39 nmol/g tissue, p<0.01); the activity of membrane PKC was significantly increased in both IP and 10 mM Ca2+ preconditioned group (p<0.05; 1.84 0.21, 4.00 0.14, and 4.02 0.70 nmol/g tissue in the baseline, IP, and 10 mM Ca2+ preconditioned group, respectively). However, the activity of both PKC fractions were not significantly different between the baseline and the ischemic control. Conclusion: These results indicate that in isolated Langendorff-perfused rabbit heart model, calcium preconditioning with high concentration of calcium does not improve post-ischemic functional recovery. However, it does have an effect of limiting(reducing) the infart size by ischemic preconditioning, and this cardioprotective effect, at least in part, may have resulted from the activation of PKC by calcium which acts as a messenger(or trigger) to activate membrane PKC.
연구배경: 짧은 기간 동안 허혈-재관류를 반복(ischemic preconditioning, IP)할 경우 후속되는 보다 긴 기간 동 안의 허혈에 대하여 재관류시 심근의 수축기능 회복이 증가, 심근괴사 범위 감소 등의 심근보호효과가 있음 은 여러 가지 동물실험으로 밝혀졌으며 인간의 심장에서도 유사한 효과가 나타나는 것으로 보고되고 있다. 최근 칼슘이 매개가 되어 protein kinase C(PKC)의 활성화가 일어남으로서 IP효과가 나타날 것이라는 실험결 과들이 제시되고 있으나 논란이 많다. 본 연구에서는 적출 토끼심장을 이용하여 칼슘이 심근세포내의 PKC 활성도에 어\ulcorner 영향을 미치는가를 연구하고자 하였다. 대상 및 방법: 적출관류 흰토끼 심장을 이용하여 관 류를 차단하는 방법으로 전체허혈을 유도하였으며 전체허혈(5분), 재관류(10분)를 1회 실시하여 IP를 유도하 고 45분 동안 전체허혈후 120분 동안 재관류를 실시하였다(IP군, n=13). 허혈 대조군(n=10)에서는 IP없이 45 분 동안 전체허혈후 120분 동안 재관류를 실시하였다. 칼슘투여군에서는 5분 동안 허혈후 10분 동안 10 (n=10) 또는 20 mM(n=11)의 칼슘을 포함한 관류액으로 관류하고 이어서 45분 동안 전체허혈과 120분 동안 재관류를 실시하였다. 전 실험 기간 동안 좌심실기능, 관혈류를 측정하였으며 실험 종료 후 PKC-specific peptide와 32P-${\gamma}$-ATP incorporation으로 PKC활성도(nmol/g tissue)를 측정하였다. 심근괴사 크기는 1% tetra zolium chloride로 염색하여 형태계측하였다. 결과: IP를 실시한 결과, LVDP(left ventricular developed pressure), 심근수축력, 관혈류 등은 허혈 대조군에 비하여 현저히 증가하였으며(p<0.05) 이완말기압의 상승폭은 저하되 었고(p<0.05) 심근괴사 크기는 38%에서 20%로 감소하였다(p<0.05). 칼슘투여군에서는 LVDP, 심근수축력, 관 혈류 등에는 허혈 대조군에 비하여 큰 차이가 없거나 오히려 저하되었으나 심근괴사 크기는 19~23%로 현 저히 감소하였다(p<0.05). 세포질분획의 PKC활성도(nmol/g tissue)는 IP군, 칼슘투여군에서 각각 5.98$\pm$0.57, 6.30$\pm$0.24(20 mM 칼슘 전처치군), 4.19$\pm$0.39(10 mM 칼슘 전처치군)로 기준(7.31$\pm$0.31)에 비하여 특히 10 mM 칼슘 전처치군에서 유의하게 감소하였으며(p<0.01), 세포막분획의 PKC활성도는 각각 4.00$\pm$0.14, 2.50$\pm$ 0.31, 4.02$\pm$0.70으로 기준(1.84$\pm$0.21)에 비하여 IP군과 10 mM 칼슘 전처치군에서 유의하게 증가하였다 (p<0.05). 그러나 허혈대조군에서는 두 분획 모두 기준선과 비교하여 큰 차이가 없었다. 결론: 이상으로 적출 관류 토끼심장에서 장시간 동안의 허혈전 높은 농도의 칼슘으로 전처치하면 허혈후 재관류시 심근기능의 회 복증가는 기대하기 어려우나 IP와 유사한 심근괴사 범위 감소효과가 있으며 이러한 효과는 아마도 칼슘의 매개에 따라 PKC활성화가 일어남으로써 나타나는 것으로 생각된다.
