서 론
세포외 소포체(extracellular vesicle)는 세포에서 유래하여 세포 바깥으로 방출된 막으로 둘러싸인 다양한 크기의 수포(vesicle)를 통칭하는 용어다. 세포외 소포체는 단백질, 지질, 여러 종류의 리보핵산(ribonucleic acid [RNA], messenger RNA [mRNA], microRNA [miRNA]) 및 데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA) 등의 물질을 가지고 있어서 세포와 세포 사이에 의사소통 역할을 하고 있다[1]. 이러한 세포외 소포체는 혈액, 뇌척수액, 양수, 모유, 침 및 소변 등의 여러 종류의 다양한 생체액(biofluid)에서 검출이 가능하다. 소변에서 검출되는 세포외 소포체는 사구체 발세포(glomerular podocyte), 요세관 상피세포(tubular epithelial cell), 요세관 내피 세포(tubular endothelial cell)에서 기원하기 때문에 소변의 세포외소포체 분석을 통하여 비뇨생식관(genitourinary tract)의 상태를 파악할 수 있다[2]. 따라서 소변의 이러한 세포외 소포체 성분 변화는 급성 신부전, 사구체 질환 및 신장 이식같은 여러 신장 질환을 조기 진단하는 새로운 생체지표로 사용될 수 있고[3,4], 이와 관련된 연구가 활발히 진행 중이다. 본고에서는 세포외 소포체의 소개, 이용 방향, 최근 연구 결과를 주로 신장 질환과 관련하여 간단하게 정리하고자 한다.
본 론
세포외 소포체(extracellular vesicle)의 종류 및 분리 방법
세포외 소포체는 1967년에 처음 발견되었고, 그 당시에는 세포가 불필요한 물질을 배출하는 기능을 하는 것으로 인식되었으나[5], 그 후에는 세포 사이에서 상호 소통하는 역할이 알려지면서 주목을 받게 되었다. 이들은 크기에 따라서 엑소좀(exosome), 미세 수포(microvesicle) 및 세포자멸체(apoptotic body)로 나뉜다(Table 1) [6]. 이러한 다양한 명칭의 문제점때문에 관련 학회에서 모든 구조체를 세포외 소포체로 통칭하도록 권고하였으나, 아직 많은 연구에서는 예전 이름들이 사용되고 있다.
소변에서 세포외 소포체를 검출하기 위해서는 단백질 분해(proteolysis)를 막기 위해 이상적인 저장 조건을 유지하는 것이 중요하다. 방금 채취한 소변을 이용하여 세포외 소포체를 검출하는 것이 가장 좋지만, 그럴 수 없는 경우에는 섭씨 영하 80도에 보관하는 것이 가장 좋다[7]. 소변에서 세포외 소포체를 분리하는 방법은 여러가지 있는데, 일반적으로 분획 원심분리(differential centrifugation)와 초원심분리(ultracentrifugation) 방법 등이 있다[8]. 하지만 이러한 방법들은 노동 집약적이며, 시간이 많이 소요되므로 임상 응용을 하기 어려운 단점이 있다. 나노막(nanomembrane)을 이용한 한외여과(ultrafiltration) 등의 방법은 보다 단순하고 빠르게 세포외 소포체를 검출할 수 있지만, 단백질이 나노막에 붙는 성향 때문에 신증후군(nephrotic syndrome)과 같은 단백뇨가 나오는 환자의 검체는 이러한 방법이 적절치 않다. 최근에는 보다 빨리 세포외 소포체를 검출하기 위하여 원심분리 후에 침전법을 이용해서 세포외 소포체를 분리하기도 한다. 초원심분리 없이 비교적 빠르게 세포외 소포체를 분리할 수 있는 장점 때문에 여러 침전 시약이 시중에서 소개되었고 이용 중이다[9]. 소변에서 세포외 소포체를 분리한 후에 식별(characterization)하기 위한 방법으로, 단백질 전기영동(western blot), 효소 면역 측정법(enzyme-linked immunosorbent assay), 유세포분석기(flow cytometry) 및 나노 입자 추적 분석기(nanoparticle tracking analysis) 등이 있다[10].
신장 질환에서 진단적 생체표지자로서의 소변의 세포외 소포체
소변에서 검출되는 세포외 소포체는 분비되는 세포 혹은 장기(organ)의 상태를 반영하기 때문에 소변의 세포외 소포체 분석을 통하여 여러 신장 질환의 상태를 파악할 수 있고, 조기에 진단하는 데 도움이 된다(Fig. 1) [11,12].
급성 신부전(acute kidney injury)
신기능을 반영하는 지표인 혈청 크레아티닌의 상승보다 먼저 신기능의 상태를 확인할 수 있는 생체표지자를 찾는 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 소변의 세포외 소포체에서도 마찬가지이다. 시스플란틴(cisplantin)을 주입하여 만든 급성 신부전 쥐 모델에서 소변 내 엑소좀의 fetuin-A의 의미 있는 증가가 혈청 크레아티닌의 상승 전에 관찰되었고, 제한된 수지만 급성 신부전을 가지고 있는 중환자실 환자에서 그 진단적 유용성을 확인할 수 있었다[13]. 그리고 그 효용성은 패혈증 환자에서 발생하는 급성 신부전에서도 확인할 수 있었다[14]. 또한 소변 내 엑소좀의 아쿠아포린-1 (aquaporin-1)이 허혈-재관류(ischemia/reperfusion) 쥐 실험에서 급성 신부전을 가진 소변 내 엑소좀 내의 아쿠아포린-1이 감소한다는 사실이 밝혀지면서 급성 신부전의 가능성 있는 생체지표로 여겨지고 있다[15]. 따라서 급성 신부전의 원인 별로 증가하는 특이적인 소변의 세포외 소포체를 발견한다면 급성 신부전의 조기 진단에 도움이 될 것으로 보인다.
사구체 질환(glomerular disease)
소변 내 생체지표는 사구체 질환의 진단에 필요한 침습적인 신장 생검의 필요성을 줄이는 데 도움이 된다. 사구체기저막(glomerular basement membrane)과 함께 사구체 여과 장벽을 형성하는 데 중요한 세포인 발세포(podocyte)는 사구체 질환과 연관이 있는 주요한 세포이다. 따라서 발세포에서 분비되는 세포외 소포체는 사구체 손상의 중요한 지표이다. Wilms 종양-1은 정상 신장 발달에 필요한 전사 인자인데, 소변의 엑소좀 내 Wilms 종양-1이 발세포 손상의 표지자로 연구되고 있다. 발세포 손상이 특징인 국소분절사구체경화증(focal segmental glomerulosclerosis)에서 Wilms 종양-1의 연구가 이루어졌는데, 허탈성 사구체병증(collapsing glomerulopathy) 동물 모델에서 알부민뇨 발생 일주일 전부터 엑소좀 내 Wilms 종양-1의 증가가 관찰되었다[16]. 이러한 소견은 건강대조군과 비교 시에 국소분절사구체경화증에 의해 신증후군을 가지고 있는 소아 환자의 소변에서도 관찰되었다[16]. 이러한 소변의 세포외 소체는 IgA 신장병(IgA nephropathy)과 얇은기저막병(thin basement membrane disease)을 구분하는 데에도 도움을 준다. Moon 등[17]은 이 두 질환의 소변 내 엑소좀을 분석하였을 때, aminopeptidase-N과 vasorin 전구 물질이 얇은 기저막병에서 증가한 반면에 α-1-antitrypsin과 ceruloplasmin 농도가 IgA 신장병 환자에서 높아서 소변 내 엑소좀 분석이 두 질환을 구분하는 데 도움이 된다고 보고하였다. 또한 최근 연구에 의하면 소변 내 엑소좀에서 측정한 chemokine ligand-2가 정상인에 비해 IgA 신장병 환자에서 증가해 있고, 신기능 및 조직학적 손상과 비례함을 보고하였다[18]. 향후에 다양한 사구체 질환에 특이적인 소변의 세포외 소포체를 찾기 위한 노력이 계속될 것으로 보인다.
당뇨신병증(diabetic kidney disease)
당뇨신병증은 만성 신질환의 가장 흔한 원인으로 2형 당뇨의 절반 정도에서 만성 신질환이 발생하는 것으로 알려져있어서 당뇨 환자에서 신장기능 악화를 조기에 발견하는 것이 중요하다. 미세 단백뇨가 당뇨신병증을 조기에 진단할 수 있는 지표로 알려져 있지만, 최근에 Sun 등[19]은 소변에서 CD63 양성 엑소좀 측정을 통하여 당뇨신병증을 발생을 미세단백뇨보다 조기에 발견할 수 있다고 보고하였고, Burger 등[20]도 알부민뇨보다 빨리 초기 당뇨신병증을 확인할 수 있는 발세포에서 나오는 세포외 소포체를 발견하였다. 이외에도 최근에 80명의 당뇨 환자를 대상으로 이루어진 연구에 의하면, 소변의 세포외 소포체 내 miRNA-192 농도가 알부민뇨와 비례함을 보고하면서, 당뇨신병증을 초기에 진단할 수 있는 생체표지자로서의 가능성을 제시하였다[21].
신혈관성 질병(renovascular disease)
신혈관성 질병은 이차성 고혈압의 가장 흔한 원인이며, 지속적인 신장 조직의 허혈은 비가역적인 신장 손상을 유발한다. Kwon 등[22]은 고혈압의 기전에 따라서 세포외 소포체에서 발현되는 miRNA가 다름을 보고하였다. 본태성 고혈압 환자 소변의 세포외 소포체에서 측정한 miRNA-21, -93, -200b가 신혈관성 고혈압(renovascular hypertension) 환자에 비하여 의미 있게 감소함을 확인해서, 소변의 세포외 소포체가 고혈압 환자의 신손상(renal damage)의 원인을 구분하는 지표로서의 가능성을 보여주었다. 또한, 소변 내 발세포에서 배출된 세포외 소포체가 신혈관성 질병에서 발생하는 사구체 손상을 반영하고[23], 최근에 Sun 등[24]은 고혈압 환자에서 발생하는 세뇨관 주위 모세혈관의 손상을 소변 내 세포외 소포체로 측정하여 예측할 수 있음을 보고하여서, 소변의 세포외 소포체 분석을 통하여 고혈압 환자에서 발생하는 신손상을 확인하는 좋은 지표가 될 것으로 생각된다.
다낭성 신장병(polycystic kidney disease)
상염색체우성 다낭성 신장병(autosomal dominant polycystic kidney disease)은 양측 신장에 다수의 낭종을 특징으로 하는 가장 흔한 유전성 신질환으로, 원인 유전자로는 PKD1과 PKD2의 두 유전자가 알려져 있다. PKD1과 PKD2 유전자는 각각 polycystin-1 (PC1)과 polycystin-2 (PC2) 단백질을 합성하는데, 이러한 polycystin 단백질은 일차 섬모(primary cilia) 활동에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 세포외 소포체가 섬모(cilia) 활동에 중요한 역할을 하는 것으로 알려지면서[25], 다낭성 신장병의 생체표지자로 역할을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 최근에는 PKD1 유전자 변이를 가진 다낭성 신장병 환자의 소변의 엑소좀 내의 transmembrane protein-2 (TMEM2) 농도가 정상인에 비하여 2배 이상 높은 것으로 관찰되었고, 엑소좀 내의 polycystin과 TMEM2의 비율이 신장 용적과 반비례하는 것으로 알려져, 상염색체우성 다낭성 신장병의 환자에서 질병의 진행을 측정할 수 있는 좋은 지표로 여겨진다[26]. 상염색체우성 다낭성 신장병은 일반적으로 PKD 유전자의 변이를 특징으로 하지만, 약 8% 정도까지 PKD 유전자의 변이를 가지고 있지 않는 경우가 보고되고 있어서[27], 상염색체우성 다낭성 신장병과 다른 낭성 질환을 구분할 때 유전자 검사가 완벽하지 않을 수 있다. 이러한 경우에 소변의 세포외 소포체 검사가 도움이 될 수 있는데, 최근에 Bruschi 등[28]은 수질해면신장(medullary sponge kidney)과 상염색체우성 다낭성 신장병 환자 소변에서 측정한 세포외 소포체 검사를 분석 시 발현하는 단백질이 다르다고 보고하여, 세포외 소포체 분석을 통하여 두 질환을 감별할 수 있음을 제시하였다.
신이식(kidney transplantation)
신이식은 말기신부전의 가장 이상적인 치료 방법이다. 소변의 세포 외 소포체가 이러한 신이식에서도 연구가 되었는데, Alvarez 등[29]은 급성 신부전을 조기 진단하는 데 도움이 된다고 알려진 neutrophil gelatinase-associated lipocalin(NGAL)을 신이식 환자의 소변과 소변의 엑소좀에서 측정하였다. 이식신의 기능 지연(delayed graft function)이 있던 그룹과 없던 그룹을 비교 시에, 소변에서 측정한 NGAL 농도는 두 그룹에서 비슷하였지만, 소변의 엑소좀에서 측정한 NGAL은 이식신 기능 지연 그룹에서 높게 측정해서, 이식신의 기능 지연을 진단하는 데 도움이 된다고 보고하였다. 또한, 신이식 환자의 급성 세포성 거부 반응의 진단을 위해서는 이식신 조직 검사를 통하여, T세포의 이식신 내 침윤을 확인하는 것인데, 최근 연구에서는 소변 내 CD3 양성 엑소좀이 이식신의 T세포 침윤을 반영하여 급성 세포성 거부 반응 진단에 도움이 된다는 연구가 있어서 신이식 환자에서 침습적인 검사 등을 피할 수 있는 가능성을 제시하였다[30].
신장 질환에서 치료적 관점에서 세포외 소포체의 역할
최근에는 세포외 소포체의 신장 질환의 진단 및 예후 인자로써의 역할뿐만 아니라, 치료적 관점에서도 연구가 이루어지고 있다. 2009년도에 Bruno 등[31]은 급성 신부전 동물 모델에서 골수 유래 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell)에서 분비되는 세포외 소포체가 요 세관 세포의 증식을 유도하여, 세관 손상을 회복하고 신기능을 보호한다고 보고하였다. 또한, 최근에는 신동맥의 협착이 있는 신혈관성 고혈압에서의 연구가 활발하다. Eirin 등[32]은 신동맥 협착이 있는 돼지를 이용한 동물실험에서, 중간엽 줄기세포의 세포외 소포체를 신동맥 협착이 있는 돼지의 신동맥에 투여 시에, 신기능이 회복된다고 보고하였고, 그 기전으로 항염증(anti-inflammatory) 사이토카인인 interleukin-10이 세포외 소포체의 역할에 중요하게 관여한다고 밝혔다. 향후에 보다 여러 질환에서 세포외 소포체의 치료적 역할을 강조하는 연구들이 나올 것으로 기대된다.
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