Effect of Noopept on Dynamics of Intracellular Calcium in Neurons of Cultured Rat Hippocampal Slices (2018)

https://doi.org/10.1007/s10517-018-3983-3

 

누펩트(Noopept)는 피라세탐과 구조적으로 유사한 프로린 기반의 디펩타이드로, 신경 보호 및 기억력 증진 효과를 가진 대표적인 누트로픽 약물이다. 해당 논문은 쥐의 해마 조직에서 Noopept가 신경 세포 내 칼슘 농도(Ca²⁺)와 동역학에 미치는 영향을 조사했으며, 그 결과 특정 뉴런 그룹에서 칼슘 신호 빈도가 증가하는 특이적 효과를 밝혔다. 이 연구는 Noopept가 신경 활성화 및 신경 보호 간의 상호작용을 이해하는 데 중요한 기초 자료를 제공한다.

 

주요 내용 요약

1. Noopept가 칼슘 신호 빈도에 미치는 효과

   • 해마의 stratum radiatum (SR) 층 뉴런

     • Noopept 처리 후 칼슘 신호 빈도가 유의미하게 증가(3.6±0.5 mHz → 9.8±0.5 mHz, p<0.001)

     • 이는 Noopept가 SR 층에서 칼슘 채널 활성화를 유도하거나 특정 수용체를 조절했기 때문으로 추정됨

   • 해마의 stratum pyramidale (SP) 층 뉴런

     • 칼슘 신호 빈도, 지속 시간 및 강도에서 유의미한 변화가 관찰되지 않음

     • SP 뉴런에서의 효과 미비는 해당 뉴런의 흥분성 변화가 적었기 때문으로 해석됨

2. 칼슘 신호의 지속 시간 및 진폭

   • SR 층에서 칼슘 신호의 지속 시간이 약간 증가(13.0±1.2초 → 15.0±1.0초)했으나 통계적 유의성은 불분명(p=0.08)

   • SP 층에서는 지속 시간 및 진폭 모두 변화 없음

3. 작용 메커니즘 분석

   • SR 뉴런에서 Noopept는 전압 의존성 칼슘 채널 또는 칼슘-투과성 AMPA 및 α7 아세틸콜린 수용체를 양성 조절할 가능성이 제시됨

   • SP 뉴런에서의 효과 부족은 해당 영역의 신경 세포 흥분성이 Noopept에 의해 영향을 덜 받았음을 시사함

   • Noopept는 SR 층에서 억제성 신경 전달물질(GABAergic)의 증가를 유도하여 칼슘 신호 빈도를 높였을 가능성도 있음

 

연구 방법

1. 연구 설계
   • 연구 목적
     • Noopept가 해마 뉴런의 칼슘 농도([Ca²⁺]i) 및 칼슘 신호 동역학에 미치는 영향을 분석
     • 특정 해마 층(stratum radiatum, stratum pyramidale)의 선택적 작용을 밝히는 데 초점
   • 연구 배경
     • 칼슘 신호는 뉴런의 전기적, 화학적 활동을 반영하며, 신경 전달 및 신경 보호와 밀접한 관련이 있음
     • Noopept는 피라세탐과 유사한 구조를 가지며 신경 활성화 및 보호를 동시에 제공하는 약물로 알려져 있음

2. 실험 모델
   • 실험 대상
     • 생후 6-8일 된 Wistar 쥐에서 해마 조직을 추출
     • 추출 후 해마 절편(300μm)을 생성하여 조직의 생리학적 특성을 유지
   • 이유
     • 해마는 기억과 학습에 중요한 역할을 하며, 뉴런 활동성 분석의 이상적인 모델로 간주됨
     • 신경 퇴행성 질환 연구에서도 널리 사용되는 구조임

3. 조직 배양 과정
   • 배양 환경
     • 배양액 조성: 25% 말 혈청, 50% Opti-MEM, 25% Hanks’ 균형염 용액, 포도당(25mM), L-GlutaMax(1mM)
     • 배양 조건: 95% 공기와 5% CO₂ 환경에서 35°C로 배양
     • 배양 주기: 3일마다 배양액 1/3을 교체하여 세포 생존율 유지
   • 배양 기간: 14~18일 동안 배양하여 신경 세포가 안정적으로 유지되도록 함

4. 칼슘 농도 측정
   • 형광 염료 사용
     • Fluo-4 형광 염료를 이용하여 칼슘 농도의 상대적 변화를 시각적으로 기록
     • 염료는 칼슘 농도 증가 시 형광 강도가 증가하는 특성을 가짐
   • 측정 환경
     • 칼슘 신호 기록에 사용된 용액: NaCl(126mM), KCl(2.5mM), MgCl₂(1.0mM), NaH₂PO₄(1.25mM), NaHCO₃(26mM), CaCl₂(2.0mM), D-포도당(10mM)
   • 장비 및 절차
     • 형광 현미경(Olympus BX51WI)과 디지털 카메라를 사용하여 3Hz 속도로 데이터를 캡처
     • 기록 시간: 1,000초 (300초는 Noopept 적용 전, 나머지는 적용 후)

5. Noopept 처리 조건
   • 처리 농도: 1µM
   • 처리 시간: 실험 중 300초 이후 적용

6. 데이터 처리 및 분석
   • 분석 지표: 칼슘 신호의 빈도, 지속 시간, 진폭을 주요 분석 항목으로 설정
   • 계산 방식
     • 상대적 형광 강도 변화 계산: ΔF/F₀ = (F - F₀)/F₀ × 100%
       • F: 현재 형광 값, F₀: 기준 형광 값
   • 통계 방법: Student’s t-test를 사용하여 유의미성을 분석
   • 데이터 처리 도구: ImageJ 소프트웨어로 데이터 후처리 및 분석 수행

 

 

그래프 설명

1. Frequency of Calcium Signals (mHz)
   • 내용
     • SR (Stratum Radiatum) 층에서는 Noopept 처리 후 칼슘 신호의 빈도가 약 3.6 mHz → 9.8 mHz로 크게 증가했다.
     • SP (Stratum Pyramidale) 층에서는 Noopept 처리 전후 빈도 차이가 미미하다.
   • 의미
     • Noopept는 SR 층 뉴런의 활동성을 증가시키는 반면, SP 층 뉴런에는 유의미한 영향을 미치지 않았다.
     • 특정 뉴런 그룹에 선택적으로 작용함을 보여준다.

2. Duration of Calcium Signals (seconds)
   • 내용
     • SR 층에서 Noopept 처리 후 칼슘 신호 지속 시간이 약간 증가(13.0초 → 15.0초)했으나 통계적 유의성은 불확실하다.
     • SP 층에서는 처리 전후 지속 시간이 동일(19.0초)
   • 의미
     • SR 층에서는 신호 지속 시간이 조금 늘어났지만, Noopept의 주요 효과는 신호 빈도의 증가에 중점이 있음을 알 수 있다.
     • SP 층에서는 신호 지속 시간에 영향을 주지 않았다.

3. Amplitude of Calcium Signals (%)
   • 내용
     • SR 층에서 신호 진폭은 8.0%에서 9.0%로 약간 증가했으나 통계적으로 유의미하지 않았다.
     • SP 층에서는 Noopept 처리 후 진폭이 12.0%에서 10.0%로 약간 감소했지만, 역시 유의성은 불확실하다.
   • 의미:
     • SR 층에서 칼슘 신호의 빈도 변화가 두드러진 반면, 진폭은 큰 변화가 없었다.
     • SP 층에서는 진폭에 미치는 영향이 미미하다는 점에서 Noopept가 뉴런 흥분성을 선택적으로 조절함을 시사한다.

 

연구 결과

1. 칼슘 신호 빈도의 변화
   • Stratum Radiatum (SR) 층
     • Noopept 적용 후 칼슘 신호 빈도가 유의미하게 증가(3.6±0.5 mHz → 9.8±0.5 mHz, p<0.001)
     • 이는 Noopept가 뉴런 활동성을 증대시키며 SR 층 뉴런에서 선택적으로 작용함을 시사
   • Stratum Pyramidale (SP) 층
     • 칼슘 신호 빈도에 유의미한 변화가 없음(8±1 mHz → 8.5±1.0 mHz, p=0.4)
     • SP 뉴런의 흥분성이 Noopept에 의해 영향을 덜 받음

2. 칼슘 신호 지속 시간 및 진폭
   • SR 층 뉴런
     • 지속 시간: 13.0±1.2초 → 15.0±1.0초로 약간 증가했으나 통계적으로 유의미하지 않음(p=0.08)
     • 진폭: 8.0±0.8% → 9.0±1.5%로 큰 차이 없음(p=0.7)
   • SP 층 뉴런
     • 지속 시간: Noopept 처리 전후 차이 없음(19±2초 → 19±2초, p=0.9)
     • 진폭: 12±2% → 10.0±1.6%로 큰 차이 없음(p=0.3)

3. 작용 메커니즘 분석
   • SR 층에서의 작용
     • 칼슘 신호 빈도 증가는 전압 의존성 칼슘 채널 활성화 가능성
     • 칼슘-투과성 AMPA 수용체 및 α7 니코틴성 아세틸콜린 수용체의 양성 조절로 설명 가능
     • GABAergic 억제성 신호 증가에 따른 효과 가능성
   • SP 층에서의 낮은 효과
     • SP 층 뉴런의 흥분성이 Noopept의 영향을 덜 받음

4. SR과 SP 층의 선택적 효과
   • Noopept는 SR 층 뉴런에서만 유의미한 효과를 나타냄
   • 이는 약물이 뉴런 종류에 따라 선택적으로 작용하며, 특정 층에서 강력한 활성을 유도함을 의미

 

연구 결론

Noopept는 특정 해마 뉴런 그룹에서 칼슘 신호 빈도를 증가시키며, 신경 활성화 및 신경 보호 간의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 이는 인지 기능 저하 및 신경 퇴행성 질환 환자에게 치료 옵션으로 사용될 가능성을 제시하며, 추가 연구를 통해 보다 넓은 범위의 임상 적용 가능성이 기대된다.

 

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