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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(8): 985-992. |
Regulation of CC Chemokines in TDI-Induced Nasal Hyperreactive Rats: Expression of RANTES and Eotaxin mRNA Examined Using Competitive PCR. |
Chan Seung Hwang, Hang Park, Seng Ho Park, Jung Hoon Lee, Young Ho Hong, Hoon Kim, Hak Hyun Jung, Sung Joon Park |
1Department of Otolaryngology, College of Medicine, Chung-Ang University, Seoul, Korea. 2Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, College of Medicine, Korea University, Seoul, Korea. 3Department of Otolaryngology, Dae Rim Saint Mary's Hospital, Seoul, Korea. |
TDI로 유발된 비과민성 흰쥐에서 CC Chemokines mRNA의 발현양상 |
황찬승1 · 박 항1 · 박성호1 · 이정훈1 · 홍영호1 · 김 훈1 · 정학현2 · 박성준3 |
중앙대학교 의과대학 이비인후과학교실1;고려대학교 의과대학 이비인후과학교실2;대림성모병원3; |
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주제어:
TDIㆍ호산구ㆍRANTESㆍEotaxinㆍ중합효소반응. |
ABSTRACT |
BACKGROUND AND OBJECTIVES: Chemokines are effective leukocyte chemoattractants and may play an important role in mediating eosinophil recruitment in various allergic conditions in human. Eotaxin is an eosinophil-specific chemokine associated with the recruitment of eosinophils to the site of allergic inflammation. However, it is not yet known as to whether or not RANTES is associated with selective tissue eosinophilia. The aim of this study is to understand the events involved in selective eosinophil migration into inflammatory sites.
MATERIALS AND METHODS: We performed the quantitative analysis of RANTES and eotaxin mRNA expression levels in TDI-induced nasal hyper-reactive rats. Expression levels of RANTES and eotaxin mRNA from inferior turbinate mucosa were examined using competitive PCR in 35 experimental rats and 5 control rats compared with infiltrated eosinophil counts.
RESULTS: The quantity of RANTES mRNA increased 3 folds 2 day after provocation, and the infiltrating eosinophils were correlated with the expression levels of RANTES mRNA (p<0.01). The quantity of eotaxin mRNA increased 15 folds 1 day after provocation. These results suggest that RANTES and eotaxin play a role in controlling antigen-induced eosinophil recruitment into the tissue. Eotaxin is a more potent and selective chemoattractant for eosinophils than infiltrating eosinophils, and were correlated with the expression levels of eotaxin mRNA (p<0.01).
CONCLUSIONS: Further investigations for chemokine receptor related to eosinophils will provide better understanding of the mechanism involved in selective tissue eosinophilia. |
Keywords:
TDIㆍEosinophilㆍRANTESㆍEotaxin |
서론
Chemokine은 특정세포에 대하여 화학주성을 가지는 cytokine으로 정의되며, 분자의 아미노산 구조에 따라 CXC, CC, C chemokine으로 분류된다. CXC chemokine은 두 개의 cystein기 사이에 다른 아미노산 구조를 포함한 것으로 주로 다형핵 백혈구의 화학주성에 관여하고, CC chemokine은 두 개의 cystein기를 가진 것으로 림프구, 단핵구, 호산구 및 호염기구에 화학주성을 가지고 있으며, C chemokine의 기능은 아직까지 잘 알려져 있지 않다.1)
호산구는 알레르기성 천식, 알레르기성 비염, 아토피성 피부염 등의 알레르기 질환에 있어 매우 중요한 역할을 하는 proinflammatory 과립구로 알레르기 질환에서 특징적인 호산구 조직내 침윤이 관찰되고 알레르기 증상과 조직내 침윤된 호산구 수와는 밀접한 연관성이 있는 것으로 알려져 있다.2) 그러나 선택적인 호산구 침윤의 기전에 대해서는 아직 확실하게 규명되지 않았다.
본 연구의 목적은 천식, 알레르기성 비염, 비과민성을 초래하는 것으로 알려진 toluene 2,4-diisocyanate(TDI)를3-6) 흰쥐의 비전정에 국소도포하여 감작을 유발시킨 후 competitive PCR을 이용하여 CC chemokine인 RANTES와 eotaxin mRNA의 정량적 분석을 하고, 조직내 침윤된 호산구 수와 상관관계를 알아봄으로써 선택적 호산구 침윤의 기전에 대하여 이해하고자 하였다.
재료 및 방법
실험동물
실험동물로는 체중 200~250 g의 건강하고 비부비동이 정상으로 확인된 흰쥐(Sprague-Dowley rats) 숫컷 40마리를 사용하였다. 2주간 실험실에 적응기간을 둔 후 35마리는 실험군으로 나머지 5마리는 대조군으로 사용하였다.
비과민성 동물 모델의 제작
Scheerens4)와 Sugawara5)의 방법을 응용하여 ethyl acetate에 용해시킨 10% TDI 용액을 35마리의 실험군의 흰쥐 비정부위에 하루에 한차례씩 5일간 연속해서 도포시키고, 3주가 경과한 후 같은 방법으로 5일간 감작시킨 후 1주일이 지난 후에 5% TDI를 도포하였다. 실험군중 5마리는 5% TDI를 비정부위에 도포하기 직전에 희생시키고, 나머지 30마리는 5% TDI를 도포하여 비증상을 30분간 관찰한 후 3시간, 1일, 2일, 3일, 4일, 5일째 각각 5마리씩 희생시켜 비점막 조직을 채취하였다. 대조군에서는 10% TDI 용액 대신 실험군과 동일한 방법으로 ethyl acetate만을 도포하였으며, 5% TDI를 도포하여 비증상을 30분간 관찰한 후 희생시켰다(Fig. 1).
비증상의 평가
비증상의 평가는 Abe3)가 측정하였던 방법을 응용하여 비강내 5% TDI 점적 직후부터 재채기 횟수, 코를 긁는 동작의 횟수와 비즙의 정도를 증상점수로 하여 실험군과 대조군의 모든 흰쥐에 대하여 관찰기록하고 그 증상점수의 합을 구하여 두 군을 비교하였다(Table 1).
흰쥐 비점막의 병리표본 제작과 호산구의 관찰
Ketamine hydrochloride를 근육주사(75 mg/Kg)하여 마취시킨 후 비배부 중앙부위의 피부를 제거하고 골막에서부터 양측 비강내까지 수직절개하여 양측 비강을 노출시켰다. 점막에 손상을 주지 않도록 주의하면서 양측 하비갑개를 비강 외측벽으로부터 분리시킨다음 하비갑개 전방 1/3부위와 중앙 1/3부위 경계 및 비중격에서 비점막을 채취하였다. 한 쪽의 비점막은 광학현미경하에 호산구 침윤을 관찰하기 위해 10% 포르말린용액에 넣고, 다른 한 쪽은 즉시 -70℃에 냉동 보관하여 추후 total RNA 분리에 이용하였다.
10% 포르말린용액에 24시간 고정한 조직은 파라핀 포매과정을 거쳐 4~5 μm 두께로 박절하여 인접한 2개의 절편을 100 μm 간격으로 3군데에서 얻어 모두 6개의 절편을 얻어 H-E 염색을 하였다. 광학현미경 400배율에서 한 시야당 호산구 수를 세고 한 절편당 10시야를 관찰하여 그 평균을 산술하여 호산구 수를 산출하였다.
비점막 조직에서 total RNA의 분리
Total RNA를 추출하기 위해 냉동 보관된 각각의 비점막 조직을 eppendorf tube에 옮긴 후 RNA를 침전시키기 위하여 TRI ZOL 용액(Gibco BRL, Grand Island, NY) 1 ml를 첨가하여 glass homogenizer로 균질화 시킨 후 chloroform 용액 0.2 ml을 넣어 잘 혼합시켰다. 여기서 얻은 재료를 14,000 rpm, 4℃에서 20분간 원심분리한 후 상층액을 다른 eppendorf tube에 옮기고 핵산 침전이 잘 되도록 isopropanol을 첨가하여 약하게 흔들어 혼합시켰다. 10분 후 14,000 rpm, 4℃에서 10분간 원심분리하여 상층액은 제거하고 남은 침전물에 DEPC water로 희석한 ethyl alcohol 1 ml을 첨가하여 RNA 침전물을 세척하고 10,000 rpm, 4℃에서 5분간 원심분리하였다. 다시 상층액을 제거하고 30분간 대기중에서 건조시킨 후 RNA 침전물을 녹이기 위하여 DEPC 처리한 증류수 50 μl를 첨가한 후 농도와 순수도를 측정하고 -70℃에서 보관하였다.
RANTES, eotaxin, β2-microglobulin primer의 제작
중합효소반응을 위한 RANTES mRNA, eotaxin mRNA, β2-microglobulin mRNA의 primer는 gene work soft-ware를 이용하여 주문제작하였으며(Life Technologies, Gaitherberg, MD, USA), 각의 중합효소반응 산물의 크기는 각각 213 bp, 183 bp, 188 bp이었다(Table 2).
RANTES, eotaxin의 역전사-중합효소반응(RT-PCR)
역전사(reverse transcription)
Messenger RNA(mRNA)에서 complementary DNA (cDNA)를 합성하는 역전사를 위하여 total RNA 0.5 μg에 DEPC 처리된 증류수와 oligo dT primer를 혼합하여 70℃에서 10분간 가열 후 얼음에서 냉각시켰다. 5x buffer 4 μl, 0.1 M DTT 2 μl, 10 mM dNTP 1 μl를 혼합 후 42℃에서 5분간 가열하고 MML-V enzyme(Gibco BRL) 1 μl를 첨가하여 42℃에서 50분간 가열한 뒤 70℃에서 15분간 가열하여 mRNA를 cDNA(총량 20 μl)로 역전사시켰다. 이를 증류수를 이용하여 80 μl로 희석한 후 그 중 1 μl를 취하여 중합효소반응에 이용하였다.
중합효소반응(polymerase chain reaction) cDNA의 양을 증폭시키는 과정으로 역전사과정에서 얻은 cDNA 1 μl에 각각 1 μl의 sense primer와 antisense primer, dH 2O 39.5 μl, 10 mM dNTP 2 μl, 10x PCR buffer 5 μl, Taq polymerase 0.5 μl를 혼합하여 반응시켰다. 중합효소반응에는 block방식인 GeneAmp PCR system 2400(Perkin Elmer)을 사용하였고, 반응조건은 변성반응(denaturation)을 위해 94℃에서 1분간, 결합반응(annealing)을 위해 58℃에서 30초, 연장반응(extension)을 위해 72℃에서 1분 30초 주기로 35회 증폭하였고 최종 72℃에서 5분 30초간 더 반응시켰다. 최종 PCR 용액의 일부는, 1.5% agarose gel에 5 μl/ ml ethidium bromide로 염색을 한 후 10 μl의 PCR 산물과 2 μl gel-loading buffer를 혼합한 후 100voltage에서 전기영동 시켜 분리 관찰하였다. 또한 분리된 중합효소반응 산물의 일부는 pGEM-T vector에 cloning하여 automated sequencer로 염기서열을 관찰하였다.
RANTES와 eotaxin mRNA 발현의 정량적 분석을 위한 competitive PCR
Competitor(MIMIC)의 제작
220 bp의 non-homologous DNA fragment에 RAN-TES primer를 포함한 약 39mer의 oligoprimer를 이용하여 PCR을 시행하여 258 bp의 RANTES mimic을 만들고, 219 bp의 non-homologous DNA fragment에 eotaxin을 포함한 40mer의 oligoprimer를 만들어 PCR을 시행하여 259bp의 eotaxin mimic을 만들며, 236 bp의 non-homologous DNA fragment에 β2-microglobulin을 포함한 40mer의 oligoprimer를 만들어 PCR을 시행하여 276 bp의 β2-microglobulin mimic을 만들었다. 각 MIMIC의 PCR용액의 일부를 1.5% agarose gel에서 분리하여 관찰하고, 분리된 PCR products의 일부는 pGEM-T vector에 cloning하여 automated sequencer로 염기서열을 관찰하여 확인하였다.
Competitive PCR
비점막에서 만든 cDNA 100 μl중 1 μl와 MIMIC을 1fM에서부터 각각 3배로 연속 희석하여 0.333fM, 0.111fM, 0.037fM, 0.012fM, 0.00412fM, 0.00137fM, 0.000457fM, 0.000152fM, 0.000051fM(0.051aM)로 만든 후 이중 1 μl를 첨가하여 각각 위와 동일한 방법으로 중합효소반응을 시행하였다. 최종 PCR용액의 일부를 2% agarose gel에서 분리하여 관찰한 후, 사진을 찍어서 NIH image analysis software를 7) 이용하여 template와 competitor의 면적을 계산하고 microsoft exel을 이용하여 회귀분석을 시행하여 template와 competitor의 면적이 1:1인 점을 구하여 정확한 RANTES mRNA, eotaxin mRNA, b2-microglo-bulin 각각의 양을 측정하였다.
통계학적 분석
실험군과 대조군의 비증상점수의 합을 비교하기 위하여 t-test를 사용하였고, 병리조직 소견상의 호산구수와 RA-NTES mRNA, eotaxin mRNA의 시간의 경과함에 따른 변화를 비교하기 위하여 일원분산분석(one way ANOVA test)를 이용하여 5% 유의수준에서 통계학적으로 분석하였다. 병리조직 소견상의 호산구수와 RANTES mRNA, eotaxin mRNA의 발현양과의 상관관계를 알기 위해 Pearson 상관계수를 이용하여 분석하였다. 모든 통계는 SPSS 통계 소프트웨어를 이용하였으며 p<0.05인 경우를 유의하다고 보았다.
결과
비증상
TDI로 감작된 실험군에서 재채기, 소비동작과 수양성 비루를 관찰할 수 있었고, 일부에서는 호흡곤란 및 천식증세를 나타내었다. 증상점수의 합은 실험군은 7.3점, 대조군은 2.8점으로 통계학적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01, t-test)(Table 3).
비점막 조직내의 호산구 소견
실험군에서 호산구는 5% TDI 점적 후 3시간부터 3일째까지 통계학적으로 유의한 차이를 보이며 증가하였으며, 4일째부터 감소하는 양상이 관찰되었다(p<0.05, One way ANOVA)(Table 3). 호산구는 주로 상피층과 기저막 아래 고유층에서 관찰되었고(Fig. 2), 대조군에서는 염증세포의 침윤이나 상피세포의 손상을 관찰할 수 없었다.
RANTES mRNA과 eotaxin mRNA의 정량적 분석
RANTES mRNA에 대한 β2-microglobulin mRNA의 비는 5% TDI 점적 전의 군에서는 0.07% 이었으며, 5% TDI 점적 2일째 0.2%로 최고 3배 정도 증가하였고, 5% TDI 점적 후 시간에 따라 유의한 차이가 있었다(p<0.05, One way ANOVA)(Table 4)(Figs. 3 and 4). 또한 비점막 조직내 침윤된 호산구 수와 RANTES mRNA 발현양과도 상관관계가 있었다(p<0.01, r=0.783)(Fig. 5).
Eotaxin mRNA에 대한 b2-microglobulin mRNA의 비는 5% TDI 점적 전의 군에서는 0.05%이었으며, 5% TDI 점적 후 3시간째부터 2일째까지 통계학적으로 유의하게 증가하였고 3일째부터 감소하였다(p< 0.05, One way ANOVA)(Table 4)(Figs. 3 and 4). 특히 5% TDI 점적 1일째 0.7%로 약 15배 정도로 가장 많이 증가하였다. 또한 비점막 조직내 침윤된 호산구 수와 eotaxin mRNA 발현양과도 유의한 상관관계가 있었다(p<0.01, r=0.764)(Fig. 6). 대조군과 5% TDI 점적 전의 군과는 호산구 수와 RA-NTES mRNA, eotaxin mRNA의 발현양에 있어서 거의 차이가 없었다.
고찰
TDI는 폴리우레탄 프라스틱, 자동차용 페인트, 광택제 등을 생산하는데 사용되는 저분자 화합물로써 산업현장에서 널리 사용되고 있으며, 많은 근로자들이 TDI에 노출되고 있다. TDI로 유발된 알레르기 비염이나 천식은 제 1 형 과민반응성 질환으로, TDI 감작(sensitization)은 TDI로 감작된 동물의 폐나 비점막 조직에서 히스타민 변성(degradation)에 중요한 역할을 하는 histamine N-methyltransferase(HMT)의 활성도를 증가시킨다.3) 또한 substance P, calcitonin gene related peptide(CGRP)의 합성을 증가시키고 삼차신경계에서 축삭이송(axonal transport)을 증가시킴으로써 TDI는 알레르기 비염이나 천식을 유발하게 된다.8) 본 연구에서도 TDI로 감작된 실험군과 대조군은 비증상점수가 7.3점과 2.8점으로 통계학적으로 유의한 차이가 있었으며, 비점막 조직에 침윤된 호산구 수도 유의한 차이가 있었다.
호산구는 기생충 감염, 천식, 알레르기성 비염, 아토피성 피부염에 중요한 역할을 하는 proinflammatory 과립구로 알레르기성 비염이나 비용조직에서 특징적인 조직내 호산구 침윤이 관찰되며 임상증상과 호산구 수는 밀접한 연관성이 있는 것으로 알려져 있다.2) 호산구는 풍부한 cytotoxic protein, lipid mediators, oxygen metabolites, cytokines 등을 생성 분비하며 이러한 물질들은 염증을 유발하게된다. 알레르기를 유발한 실험적 동물에서 항원 자극 후 초기에는 특징적으로 neutrophil influx를 보이다가 점차적으로 상피세포 손상이나 airway hyperresponsiveness에 관여하는 호산구가 24h~96h 동안 증가한다.9) 본 연구에서도 5% TDI 점적 후 3시간에서 4일째까지 비점막 조직 소견상 호산구 침윤이 유의한 차이를 보이면서 증가하였다. 그러나 이와같이 알레르기 염증반응에 중요한 역할을 하는 호산구의 선택적인 조직 침윤의 기전에 대하여는 아직 확실하게 규명되지 않았다.
선택적 호산구 침윤의 기전은 접착분자와 chemokine이 관여하는 것으로 알려져 있다.10) 접착분자란 세포와 세포간, 세포와 세포외기질과의 상호 접착을 통하여 세포의 다른 분획으로의 이동, 조직내 안정성 및 생존, 신호전달 등에 관여함으로써 면역반응 혹은 염증반응에서 주된 역할을 하는 glycoprotein이다.10)
Chemokine은 ‘chemotactic cytokine’으로 1987년 처음으로 분류된 이래 특정 세포를 활성화 시키고 inflammation mediator로서 기능을 갖고 있기 때문에 최근 많이 연구되고 있다.10) Chemokine의 구조는 특징적인 disulfide bond로 연결된 4개의 cystein 잔기로 이루어져 있고 처음 2개의 cystein 위치에 따라 CXC, CC, C chemokine으로 구분한다. 특히 CC chemokine중 eotaxin, RAN-TES, MCP-3 등이 호산구의 화학주성에 주로 관여한다.1)
RANTES는 T림프구, 대식세포, 섬유아세포, 혈소판, 기관지점막 상피세포, 비점막 상피세포 등에서 생성 분비되고, TNF-α, IFN-γ, IL-1β, 내독소(lipopolysaccharide) 등이 RANTES 발현을 상향조절(up-regulation)하고, IL-4, IL-13 등이 하향조절(down-regulation)한다.11) RAN-TES는 기억세포(memory T cell), 단핵구 및 호산구에 화학주성을 가지며, 호산구와 T림프구를 활성화시키고 히스타민과 eosinophil cationic protein(ECP)의 분비에 의하여 급만성 알레르기 염증반응에 관여한다.12) 이와같이 RA-NTES는 염증반응에 의하여 발현되고 조절되므로 비과민성 동물 모델에서 RANTES mRNA 발현양의 정량적 분석을 통하여 RANTES가 호산구 침윤에 관여하는지를 규명하는 것은 선택적 호산구 침윤기전을 밝히는데 많은 도움을 줄 것으로 생각한다. RANTES의 호산구 순환(recruitment) 유발기전에 대하여는 아직 확실하게 규명되지는 않았지만 호산구에 존재하는 접착분자 Mac-1 발현을 증가시키고, diapedesis 과정 후 호산구가 염증부위로 이동하도록 직접적으로 자극함으로써 이루어진다고 알려져 있다.13) 이와같이 RANTES는 호산구 침윤과 밀접한 연관성이 있는 것으로 보고되고 있으나,11)12) 최근의 보고에 의하면 RANTES의 호산구에 대한 화학주성에 의문이 제기되고 있다. 즉 재조합 인체 또는 기니픽 RANTES 유전자를 기니픽에 주사하면 호산구는 침윤되지 않고 거대세포와 기억세포만이 침윤을 초래한다는 보고도 있다.14)15) 그러나 이러한 재조합 유전자는 구성성분에 있어서 RANTES의 형태를 전부 포함하지 않고 종(species)간에도 차이가 있을 수 있다. 본 연구결과에서 RANTES mRNA 발현양은 대조군에 비해 실험군에서 최고 3배 정도 증가하였고, 5% TDI 점적 후 시간에 따라 유의한 차이가 있었다. 또한 비점막 조직내 침윤된 호산구 수와 RANTES mRNA 발현양과도 유의한 상관관계가 있었다. 따라서 RANTES는 호산구 침윤에 관여할 것으로 생각된다.
Eotaxin은 기니픽에서 처음 발견되었으며 호흡점막의 상피세포, 내피세포, 섬유아세포, 호산구에서 생성 분비되고 호중구, 단핵구, 림프구에 대해서는 화학주성을 갖지 않고 호산구에 대해서만 선택적으로 화학주성을 갖는 chemokine으로 RANTES에 비해 호산구에 대해 강력한 화학주성을 갖는다.16)17) 또한 호산구에서 생성 분비된 eotaxin이 자가반응(autocrine reaction)기전으로 호산구에 작용함으로써 호산구 침윤이 많은 알레르기 질환에서 호산구 침윤을 더욱 촉진시킬 수 있다.18) 본 연구결과에서 RANTES mRNA 발현양이 대조군에 비해 실험군에서 최고 3배 정도 증가한 것에 비해 eotaxin mRNA 발현양은 최고 15배까지 증가하였고, 5% TDI 점적 후 시간에 따라 유의한 차이가 있었다. 또한 비점막 조직내 침윤된 호산구 수와 eotaxin mRNA 발현양은 유의한 상관관계가 있었다. RANTES와 eotaxin mRNA 발현의 정점은 1~2일째 이었으며, 3일째에는 거의 정상적이었다. 반면 호산구 수는 3일째까지 높은 농도로 지속되어 발현의 차이가 있었다. 또한 조직내로 침윤된 호산구의 생존시간은 짧게는 12시간 길게는 2~3일로 추정되고 있다.9) 호산구의 생존에 chemokine이 영향을 주지 않으며, 단지 화학주성에만 관여하기 때문에 1~2일까지 특히 eotaxin은 1일에 정점을 이루는 것으로 보아서 호산구의 화학주성에 밀접한 연관성이 있을 것으로 생각된다. Eotaxin을 피내주사한 후 호산구를 측정한 in vivo실험에서도 피내주사 후 1시간부터 호산구 침윤이 증가하여 피내주사 후 5시간까지 지속적으로 호산구 침윤이 증가하였다.19) 결론적으로 eotaxin은 조직내 호산구 침윤과 밀접한 연관성이 있을 것으로 생각된다.
최근 chemokine외에 알레르기 염증반응에서 호산구의 선택적 조직침윤에 관여하는 chemokine receptor에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 CKR-3는 다른 chemokine receptor와는 달리 호산구에 국한되어 존재하고, 지금까지 밝혀진 유일한 eotaxin recptor이며, 다른 chemokine receptor에 비해 호산구에 약 40,000~400,000/cell로 많이 존재하기 때문에 알레르기 염증반응에서 선택적 호산구 조직침윤에 관여하는 것으로 알려져 있다.20)21) 향후 CKR-3에 대한 추가적인 실험이 필요할 것으로 생각되며, chemokine과 chemokine receptor에 대한 연구는 호산구 침윤이 특징적인 알레르기 질환에서 부작용이 없고 선택적인 치료방법과 더 나아가 알레르기 질환을 예방할 수 있는 기본적 자료를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
결론
결론적으로 TDI로 유발된 비과민성 흰쥐 모델에서 CC chemokine인 RANTES와 eotaxin은 호산구의 화학주성에 밀접한 연관성이 있을 것으로 생각된다.
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