Combinatorial modulation of photobiological responses against wound-associated fibrosis in skin and trachea
- Alternative Title
- 피부 및 기관 내 창상성 섬유증에 대한 광생물학적 반응의 융합 조절
- Abstract
- 본 연구는 광 생체 조절을 기반으로 섬유화 조직 치료를 위한 새로운 예방 치료법을 개발하였으며, 물질과의 병용을 통해 효과적인 다학제적 치료접근을 시도하였다.
섬유증은 각종 질병의 원인이 되는 만성 염증의 가장 흔한 병리학적 특징이다. 이는 손상된 조직의 회복 과정에서 과도한 염증 반응과 섬유성 결합조직의 축적으로 유발된다. 섬유증은 조직의 기능을 저하시켜 기관 기능부전을 초래하고 심하게는 환자의 생명을 위협한다. 현재까지 섬유화 조직을 치료하기 위한 다양한 연구가 이루어졌지만, 치료법이 여전히 부족하고 완치가 어려운 실정이다. 현존하는 치료법은 단지 통증을 완화하거나 진행을 늦추는 데에 그치는 한계가 있고, 이미 섬유화가 진행된 조직을 치료하기에는 높은 재발률과 부작용이 따른다. 그러므로, 섬유증을 근본적으로 치료하기 위한 예방적 접근과 다학제적 시도를 필요로 한다.
최근 레이저를 응용한 광 치료 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 점차 다양한 의료분야에 적용되고 있다. 특히, 저출력 레이저를 이용한 광 생체 조절 요법 (Photobiomodulation therapy)은 비침습적 방법으로 생체 활동을 조절하는 기술로써 주목받고 있다. 효과적인 광 생체 조절을 위해서는 파장대별 효능과 기전을 규명하고, 조직 손상을 최소화하여 광생물학적 반응을 유도하는 것이 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 파장대의 광 전달과 물질 융합을 통한 광 생체 조절의 섬유증 예방 효과와 그 가능성을 조사하였다.
우선, 항염증 효과가 있는 것으로 알려진 635 nm 레이저와 플로로글루시놀 (Phloroglucinol)을 이용하여 광열 유도 화상 모델에서의 섬유화 예방 효과를 확인하였다. 제안된 레이저와 물질의 융합은 증진된 함염증 및 항섬유화 효과를 보였고, 결론적으로 화상으로 유도된 흉터 조직의 형성을 유의하게 감소시켰다. 이와 유사하게, 635 nm 레이저는 구강 궤양 모델의 염증 반응을 조절하여 점막 조직의 재상피화를 가속화하였다. 또한, 오레가노 에센셜 오일을 함유한 키토산-젤라틴 기반 하이드로겔 (Hydorgel)과의 융합을 통해 당뇨발 모델에서의 향상된 상처 치료 효과를 확인하였다. 이러한 결과는 광 생체 조절과 물질의 융합이 효과적인 섬유증 치료를 위한 다학제적 접근법이 될 수 있음을 보였다.
더욱이, 광 전달 기반 섬유화 치료 효과를 기관 삽관 및 절개술 환자에게 적용하고자 하였다. 최근 급격한 고령사회와 코로나바이러스감염증-19 (COVID-19)의 확산으로 기관 삽관 및 절개술 시행이 증가함에 따라 후유증인 기관 협착과 상처 회복으로 고통받는 환자들이 늘고 있다. 이를 개선하기 위해 두가지 다른 파장대의 레이저 (405 와 635 nm)를 조사하여 후두 주변 조직에서의 광생물학적 조절 효과를 평가하였다. 기관절개술 (Tracheostomy)을 통해 후두 기공 협착이 유도된 새로운 질병 맞춤형 동물모델을 개발하였고, 이를 활용하여 광 치료 유효성을 검증하였다. 405 nm 레이저와 플로로탄닌 (Phlorotannin)의 융합은 전환성장인자 베타 (Transforming growth factor beta, TGF-β) 신호전달계 조절을 기반으로 육아조직의 과형성을 방지하였고, 2주차 대조군에서 폐색이 발생한 것과 달리 기공의 형태를 유지하였다. 635 nm 레이저는 외과적 수술로 유발된 과도한 급성 염증 반응을 낮추어 정상 조직으로의 상처 치유를 촉진하였을 뿐만 아니라 기도 점막이 두꺼워지는 것을 완화시켰다. 이러한 실험 결과들은 광 생체 조절이 섬유화 조직 치료법으로써 기관절개술과 같은 외과적 수술 후 발생하는 후유증을 예방할 수 있는 가능성을 보였다. 나아가, 광 생체 조절 치료를 임상 적용하기 위해 삽관 튜브용 기능성 광 전달기기를 개발하였고, 대동물에서 제안된 예방 치료의 안전성 및 유효성을 입증하였다.
결론적으로, 본 연구는 기관 협착에 대한 예방적 접근으로서 광 생체 조절의 가능성을 드러냈을 뿐만 아니라 다인성 섬유증 질환을 효과적으로 개선하기 위한 새로운 치료 전략의 길을 열었다. 추후, 장기적인 대동물 실험을 통해 광 치료의 부작용 여부와 다양한 생체 조절 메커니즘을 규명하고, 상용 약물과의 병용을 통해 더욱 효과적인 융합 치료법을 개발하기 위한 연구가 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
- Issued Date
- 2023
- Awarded Date
- 2023-02
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 부경대학교
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 4차산업융합바이오닉스공학과
- Advisor
- 강현욱
- Table Of Contents
- Chapter 1. Introduction 1
1.1. Current status of fibrosis 1
1.2. Photobiomodulation therapy (PBM) 5
1.3 Therapeutic strategies against fibrosis 8
Chapter 2. Chemo-combined PBM for burn-induced skin fibrosis 12
2.1. Introduction 12
2.2. Materials and methods 15
2.2.1 In vitro treatment 15
2.2.2 Cell viability and inflammation 16
2.2.3 Western blot analysis 17
2.2.4. Burn scar animal model 18
2.2.5. In vivo treatment 19
2.2.6. In vivo wound healing 21
2.2.7. Histological analysis 21
2.2.8. Statistical analysis 22
2.3. Results 23
2.3.1. Cytotoxicity and inflammatory responses 23
2.3.2. Protein expressions and signaling pathways 25
2.3.3. In vivo wound healing 27
2.3.4. Histological features 29
2.3.5. Immunohistochemical evaluation 34
2.4 Discussion and conclusion 36
Chapter 3. Transoral low-level laser for oral ulcer treatment 42
3.1. Introduction 42
3.2 Materials and methods 44
3.2.1 Animal model of oral ulcer 44
3.2.2 Transoral device and laser treatment 44
3.2.3 Oral ulcer wound healing 46
3.2.4 Statistical analysis 47
3.3 Results 50
3.4 Discussion and conclusion 54
Chapter 4. Nanoemulgel-assisted low-level laser for diabetic wound healing 58
4.1. Introduction 58
4.2 Materials and methods 62
4.2.1 Oregano essential oil (OEO) nanoemulsion 62
4.2.2 Assessment of OEO biological activities 63
4.2.3. Total phenolic content (TPC) 65
4.2.4 Antioxidant activity 66
4.2.5 Fabrication of nanoemulgel (NEG) 67
4.2.6. Characterization of hydrogel 67
4.2.7. Drug content and release profile 72
4.2.8. In vitro laser treatment 72
4.2.9. Antibacterial activity of NEG 73
4.2.10. Cytotoxicity and wound healing 73
4.2.11. In vivo in diabetic foot ulcer model 75
4.2.12. Statistical analysis 77
4.3 Results 79
4.3.1 Antibacterial efficiency of OEO 79
4.3.2 Antioxidant effects of OEO 82
4.3.3 Analysis of chemical components in OEO 84
4.3.4 Nanoemulsion of OEO and characterization 84
4.3.5 NEG fabrication and characterization 89
4.3.6 In vitro drug content and release profile 98
4.3.7 Mechanical properties of NEG 100
4.3.8 Physical properties of NEG 103
4.3.9 Antibacterial activity of NEG 108
4.3.10 Cytotoxicity and wound healing of LLLT and NEG 108
4.3.11 In vivo wound healing 114
4.3.12 Histological examination 115
4.4 Discussion and conclusion 119
Chapter 5. Biomodulative effects on tracheal fenestration in vivo model 126
5.1. Introduction 126
5.2 Materials and methods 128
5.2.1 Cell culture and in vitro model 128
5.2.2 In vitro laser treatment 128
5.2.3 Cell viability and inflammation 129
5.2.4 Protein expressions 130
5.2.5 In vivo tracheal fenestration model 131
5.2.6 In vivo laser treatment 132
5.2.7 Histological analysis 132
5.2.8 Statistical analysis 133
5.3 Results 135
5.3.1 Cytotoxicity of LLLT 135
5.3.2 Anti-inflammatory effect 135
5.3.3 Protein expressions 136
5.3.4 Appearance of tracheal fenestration model 138
5.3.5 Histopathological changes 140
5.3.6 Collagen deposition 142
5.3.7 Immunohistochemical evaluation 143
5.4 Discussion and conclusion 146
Chapter 6. Combinatorial preventive approach against tracheal stenosis 152
6.1. Introduction 152
6.2 Materials and Methods 156
6.2.1 Phlorotannins (PT) 156
6.2.2 Laser light source 156
6.2.3 Cell culture and in vitro model 157
6.2.4 Combined treatment on stimulated fibroblasts 159
6.2.5 In vivo tracheal fenestration model 159
6.2.6 Combined treatment on fenestrated wounds 160
6.2.7 Cell viability and proliferation 162
6.2.8 Cell migration 162
6.2.9 Protein expressions and cell signaling pathways 163
6.2.10 Histology and immunohistochemistry 164
6.2.11 Quantification and statistical analysis 164
6.3 Results 166
6.3.1 Cytotoxicity of combined treatment 166
6.3.2 Cell migration and proliferation 168
6.3.3 Fibrotic protein release 170
6.3.4 TGF-β/SMAD and non-SMAD pathways 170
6.3.5 Histological changes 171
6.3.6 Collagen accumulation and fibrogenesis 174
6.3.7 Proinflammatory and profibrotic cytokines 175
6.4 Discussion and conclusion 179
Chapter 7. Discussion and conclusion 188
7.1. Summary of current findings 188
7.2 Further directions 190
References 193
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- Doctor
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- 대학원 > 4차산업융합바이오닉스공학과
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