2007 년도대한췌담도학회추계학술대회 Session I: Basic Research on Pancreatobiliary Diseases Periductal Fibrosis in the Recurrent Cholangitis: Role of PDGF 원광대학교의과대학소화기내과학교실 김태현 서론 Periductal fibrosis 또는담관의협착을유발하는대표적인질환은간내담석증 (Hepatolithiasis) 과원발성경화성담도염 (Primary sclerosing cholangitis, PSC) 이있다. 간내담석증은지역에따른발생빈도가달라동양, 특히한국, 중국, 일본등을포함한동아시아에서호발하며서양에서는그빈도가낮은것으로알려져있고경화성담도염은동양보다는서양에서많이발생한다. 1 두질환은반복되는담도염으로간내농양을형성하고, 간실질손상이진행되어담즙성간경변증까지진행하고간내담도암이발생하기도한다. 간내담석은담관암의중요한위험인자로잘알려져있으며간내담석환자의 2.4 10%, PSC 환자의 10 15% 에서담관암이발생한다. 2,3 이질환들이치료를위하여약물치료, 내시경적치료, 그리고수술적치료가적용되고있지만완치가어렵고재발하는경우가많아문제가되고있다. 간내담석증과 PSC는확장된간내담도의여러곳에 bilirubin-calcium 결석이형성되고, 확장과협착을가진간내담도의진행성 periductal fibrosis 을특징으로한다. 5 이들질환의가장대표적인조직학적특징은증식성담도염 (proliferative cholangitis) 으로담도및담도주위의염증세포침윤, 담도및담도주위선들의증식, 담도세포의증식, 섬유화조직의증대를보인다. 혈관의동맥경화처럼담도벽의두께가증가하여담도협착이초래되어담즙이정체되고다시결석이형성되면서반복적인담도염이발생하여이차성 간경변이발생한다. 6,7 이를치료하기위해서과거부터여러가지가개발되어근래에는경피경간적담도내시경을통한담석을제거하는내시경적제거방법이나간내담석이존재하는간엽을절제하는간엽절제술이사용되고있지만간내담석의완전한제거에는한계가있고, 특히담도협착이심한경우에는완전제거율이떨어지고간내담석의재발률도높은실정이다. 8,9 그러므로간내담석의치료는간내담석을완전히제거하고가능하면재발을예방하기위한다른치료법이요구된다. 이를위해서는담도협착및섬유화에대한기초연구가필요할것으로생각된다. 지난 20여년간간섬유화의분자생물학적이해뿐만아니라자연경과및섬유화의확인법등을통해서간섬유화뿐만아니라조직학적경변증인경우에서도원인질환의치료에의해섬유화정도가호전될수있다는많은연구결과들이나오고있다. 하지만간내담석이나재발성담도염에서담도주위의섬유화에대한연구는많지않다. 이러한연구들을통해효과적인항섬유화치료는만성간질환뿐만아니라재발성담도염질환의치료및예후에영향을미칠수있을것으로기대해본다. 따라서간섬유화의기전에대하여먼저알아보고담도주위섬유화 (periductal fibrosis) 와사이토카인에대하여알아보고자하였다. Biliary Liver Fibrosis 발생기전정상간은간세포, 혈관내피세포, kuffer cell 131
132 2007 년도대한췌담도학회추계학술대회 그리고성상세포 (stellate cell) 의 4종류의세포로구성되어있다. 정상간을구성하는 4가지세포중간섬유화에과정에서가장중요한역할을하는세포는성상세포 (stellate cell) 이다. 이 4가지의세포들은 sinusoid 내에집합적으로구성되며 sinusoidal endothellium과간세포사이에는 space of Disse가존재하는데정상간에서이공간은기저막양기질이차지하고있다. 이기질 (estracellular matrix, ECM) 은간내에존재하는모든종류의세포들이각각의고유의기능을수행하는데필수적이다. 간의섬유화가진행됨에따라서 ECM은양적으로또한질적으로조성에변화를가져오게되는데섬유화가진행되면 collagen 과 non-collagenous component가 3 5배증가하면서 space of Disse에있는 ECM이정성적인기저막양기질에서 fibril forming matrix로변화하게된다. 10 여러가지원인에의하여간세포가손상을받으면여러세포들이상호작용에의해각종사이토카인 (cytokines) 및산소유리잔기 (oxygen free radical) 등이생성되고, 정상 ECM이손상을받으며, ECM의이상증식이유발되어간섬유증이진행된다. 간경화실험모델로는총담관의결찰하여유도한담즙울체성 rat가대표적이다. 10,11 총담관결찰몇주후에는염증세포들이증식된담도상피세포주위로모여들게되고주위에있는성상세포들이활성화되고증식되면서많은양의 ECM이형성되고축적되어섬유화가진행된다. 11,12 담관결찰첫주에는 growth factors (HGF, EGF) 와 chemokines (IL-6, CINC) 가 upregulation되고 cholangiocyte 증식, periductal inflammatory cells/ myofibroblasts 침윤, 섬유화반응이발생한다. 만성시기, 즉 2내지 12주에사이에들어서면 VEGF, basic fibroblast growth factor (bfgf), IL-6 receptor, NF-κB activation이활성화되어 neoangiogenesis와 apoptosis에대한저항이발생하고, cholangiocyte 증식이감소하면서 profibrogenic factors인 PDGF, TGF-β, bfgf이증가한다. 13 또한이시기동안에는상피세포와 fibroblast, 혈관내피세포사이에활발한교류가일어나간문맥사이에섬유화밴 Fig. 1. Interrelation between cells and cytokines in extracellular matrix production.
김태현 :Periductal Fibrosis in the Recurrent Cholangitis: Role of PDGF 133 드가발생하면서간경변이형성된다 (Fig. 1). Periductal Fibrosis의동물모델과병태생리사람에서의 PSC나간내담석증의특징과일치하는동물모델은없는실정이지만최근에알려진대부분의모델은 PSC를염두에둔모델들이대부분이다. 소장내세균증식이나장염을유발시켜담관염을만드는모델, 담관상피세포에손상을주어담관염을유발하는모델, 담관내로독성물질또는감염물질을주입시켜담관염을만드는모델로구분할수있다. 모델이너무다양하여모두기술하지않고최근주목을받고있는모델을알아보고병태생리에대하여알아보고자한다. Rat의십이지장을절개한후, 십이지장유두부를통하여나이론실을삽입하고 7일정도유지한다. 시간이경과하면서담도내감염과담즙정체가발생하여담도의염증을유발하여사람의간내담석증이가지고있는담도의두께증가, 담도상피세포의증식, 담도주위의선증식과섬유화등의조직학적특징을총담관에서관찰할수있다. 14,15 이동물모델을이용하여 Paclitaxel의섬유화억제와유전자치료로증식성담도염의치료효과를연구보고하였다. 16,17 Mouse에서 Lithocholic acid (LCA) 를먹이로사용하면 bile canalicular membrane의손상과 bile canaliculi내에 crystalline plugs를유발하여담즙울체가발생하고시간이경과함에따라서 periductal fibrosis가초래된다. 18 이모델에서는 cholangiocyte사이의 tight juntion이파괴되고 cholagiocyte가활성화되어담관의 leakage가발생한다. 독성이있는담즙이담관밖으로유출되고여러가지염증세포들이 cholagiocyte 주변으로침투하여 cholangiocyte는담관기저층으로부터분리가된다. 또한유출된담즙이간문맥혈관주위로도침투하고주위의 periductal myofibroblast의증식이점점증가하여 periductal fibrosis가진행된다. 이약제에의한담도염은 LCA의높은 hydrophobicity와 lithogenicity에기인한다. 19 최근에는 Multidrug resistance gene (Mdr2) (Abcb4) knockout mice (Mdr2 / ) 에서 tight junctions과기저막이파괴되어담즙이문맥쪽으로흘러들어가 TNF-α, interleukin-1β, profibrogenic cytokine인 TGF-β1 등이활성화된다. 이사이토카인들이 periductal myofibroblasts를자극하여 collagen형성이증가되어 PSC와유사한 periductal fibrosis가유발된다고보고되었다. 20 그러나 PSC 에서 MDR3 variants (the human orthologue of rodent Mdr2) 의역할이정확하게알려지지않았고, PSC 환자를대상으로한두보고에서대조군과환자군사이에 MDR3 variants의차이가없었다는점, 그리고사람에서담도암이동반되지않는다는점이 PSC의모델로서제한점이있다. 21 또한 Mdr2 knockout mouse 모델은비수술적인방법으로인간의경화성담도염과비슷한병리학적소견, 즉 bile duct 협착과확장, onion skin-type like pericholangitis, periductal fibrosis가관찰되고재현성이높아주목을받고있다. 20 Periductal fibrosis는많이알려진혈관의동맥경화에비유할수있다. 혈관에서동맥경화는 lipid homeostasis의변화로혈관내피세포의 adhesion molecule의유도와함께산화된 LDL이침착되면서대식세포의활성화가발생하여여러가지사이토카인들이유출되어주위의 smooth muscle cell의증식과콜라겐형성이증가한다. 22 경화성담도염이나간내담석증역시원인은정확하게밝혀지지않았지만상기에기술한여러가지실험모델과기초실험을토대로보면, 독성담즙 (toxic bile acid, oxidized cholesterol, phospholipid) 이 cholangiocyte를자극하여여러가지사이토카인즉 TNF-α, TGF-β, PDGF 등을분비하여염증세포들이주위로침윤하게되어다시여러가지사이토카인이분비되면서주위의 myofibroblast와간성상세포의증식을초래하여 periductal fibrosis가발생할수있다 (Fig. 2). 23 혈관의동맥경화처럼 cholangiocellular VCAM-1 발현이 Mdr2/Abcb4 knockout mice에서발현이증가되고콜레스테롤의산화로발생한독성이있는담즙
134 2007 년도대한췌담도학회추계학술대회 Fig. 2. Model of the development of primary sclerosing cholangitis. 산이 Mdr2 / mice에서담도염을유발할수있는방아쇠가될수도있다. 25,26 담즙은정상적으로 micelle형태로담도내에서유지되어 cholangiocyte를보호하지만독성이있는담즙은 cholangiocyte의 apoptosis를유발할수있다. 23 담도의동맥경화는활성화된 cholangiocyte로부터시작되어담도의증식과반응으로 biliary fibrosis가진행된다. 하지만담관의증식이어떻게 periductal myofibroblast를자극하는지 TGF-β나 PDGF를통하여어떻게신호전달을하는지아직정확하게밝혀지지않고있고어떠한형태의 PDGF isoform이분비되는지알려져있지않다. 섬유화에서 Cytokine 연구 : PDGF 간손상시혈관내피세포는다양한세포성 fibronectin을분비하여간성상세포의활성화를자극한다. 손상된간내의혈소판과자극을받은 macrophage는 platelet-derived growth factor (PDGF), Transforming growth factor-β (TGF-β) 그리고 epidermal growth factor (EGF) 등을포함한중요한매개체를분비하게된다. 27 간손상시에여러 종류의 mitogenic factor들에의해서간성상세포의수가급격하게증가하게되는데이중강력한인자는 PDGF이고, PDGF 수용체도 upregulation되게되어증가된 PDGF에대한반응성도증가되게된다. 또한 TGF-β와 PDGF가간성상세포의 ECM을생성하는데가장영향을많이미치는성장인자이다. 또한간손상부위에간성상세포의수가증가하는것은세포자체의증식또는손상부위로의세포의이동즉, chemotaxis에의해서이다. Monocyte chemotactic factor-1 (MCP-1) 과더불어 PDGF가간성상세포의 chemoattractant로그역할이잘알려져있다. 27,28 조직에서섬유화는조직손상에대한반응으로서조직의복구을위하여발생한다. PDGF는 fibroblasts, smooth muscle cells, pericutes의증식과활성화시켜조직손상시, angiogenesis와 wound healing에중요한역할을한다. 28 PDGF-A 와 -B chain의 dimeric 형태인 PDGF-AA와 -BB는 myofibroblast 증식과 chemostaxis를항진시키고콜라겐형성을자극한다. PDGF-AA는선택적으로 PDGFRα와결합하고, PDGF-BB는 PDGFRα와 PDGFRβ 양 receptors에모두결합할수있다 (Fig. 3). 29 PDGF가이들 receptor들과결합하면세포내에신호전달이이루어져여러가지반응이나타난다. 최근에알려진 PDGF-C는 C-terminal domain을가진 multidomain protein으로서 PDGFRα와결합을하고, 30 PDGF-D는 two-domain 구조이고 disulphide-linked homodimer형태로분비되어 PDGFRβ와결합한다. 31 PDGF에대한연구는호흡기질환인 idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) 에서많은연구가진행되어왔다. 이질환에서는 alveolar macrophage에서 PDGF-AA보다는주로 PDGF-BB가형성되어폐의섬유화에관여하고, 폐의 myofibroblast는 PDGF-AA의주요공급처이다. 32 결국 myofiborblast는이러한 autocrine 활성화로이세포가증식하고콜라겐을증식하게한다. 최근에는 PDGF- C도폐의섬유화에관여한다는보고도있다. 33 폐에서는여러가지요인들에의하여 PDGFRα가
김태현 :Periductal Fibrosis in the Recurrent Cholangitis: Role of PDGF 135 Fig. 3. Interaction between PDGF isoforms and PDGFR. 유도되거나억제되고 PDGFRβ는일정하게발현되는반면, 간에서는 PDGFRα가주로유도된다. 27 PDGF가간성상세포를 myofibroblast phenotype 으로유도되는과정에서 PDGFRß의발현을증가시켜서 autocrine 성장과 chemotaxis를하도록한다. 특히 PDGF는 EGF, TGF-α, TGF-β, FGF-2에비하여성상세포의증식에아주강한효과를가지고, 28 TGF-β가 PDGF에의해서자극된세포의증식을더욱강화시킨다. TGF-β는특히 PDGF- BB의증식효과를상승시키지만 PDGF-AA의효과는상승시키지않는다. 이는 PDGFRβ mrna 와세포표면의 PDGF binding sites가증가하기때문으로생각된다. 결국성상세포에서는 TGFβ loop를통하여 PDGFRβ의발현증가를통하여 PDGF-BB의효과가나타남을의미한다. 간손상경우에 PDGF-A와 -B mrna 발현이크게증가하고침투된염증성세포들에서 PDGF-AA와 PDGF-BB immunoreactivity가관찰된다. 34 PDGFR β의발현이증가되는것으로보아간섬유화과정에서생성되는 PDGF-BB가주된형태이고, 주로 macrophage에서생성된다. 최근에는 PDGF- C transgenic mouse의연구에서 PDGF-C가 profibrotic gene들즉 TGF-β, PDGFRβ, PDGFRα의발현을증가시켜간섬유화가발생하고간암이발생한다고보고하였다. 35 Rat의담관결찰시에간성상세포가활성화가발생하지만담도주위의섬유화세포도활성화되어 phenotypic modulation이발생한다. 36 이는담도상피세포에서생성된 paracrine factors이주 위의 mesenchymal cell즉 fibroblast들을자극하여담도주위에콜라겐형성이증가하면서 periductal fibrosis가발생할수있다. Grappone 등 37 은이러한동일모델에서담도상피세포와담도주위의 mesenchymal 세포들이결찰후지속적으로증가함을관찰하였고동시에담도상피세포에서도 PDGF-B의생성이증가한다고보고하면서이들이주위의성상세포뿐만아니라 fibroblast에도영향을줄수있음을시사하였다. 또한담도주위의섬유화세포들은 PDGFR beta의발현이증가되고 cholangiocyte와이들세포간의 cross talk 가있을수있음을예견할수있다. 그외에도 cholangiocyte는다양한사이토카인들, 즉 MCP-1, TGF-β, 그리고 connective tissue factor가분비되어주위의섬유화세포와간성상세포에영향을주어이들세포들의증식, 이동, ECM 형성에기여한다. 38 Cholangiocyte와담도의 fibroblast에서 PDGF가단지발현된다는보고들은있지만 PDGF isoform 발현에대한연구는많지않다. 저자들의연구에서는담즙이축적이되어자주감염되는 E.Coli 의 LPS (Lipopolysaccharide) 로 rat의 cholangiocyte 와담도 fibroblasts를자극하였을때, cholangiocyte로부터 PDGF-AA의분비가의미있게증가되었고 fibroblast에서는의미있는증가는없었다. 각각의세포들에서모두 PDGF-BB와 PDGF-AB 는검출되지않았다. 또한세포내의 PDGF 연구에서는소량의 PDGF-BB와 AB를검출할수있었고단지 cholangiocyte에서만 LPS에의해서 PDGF-BB가증가되었다. 또한저자는 cholangiocyte와 bile duct fibroblasts에서 PDGF-C의발현에대하여연구하였는데 LPS에의하여 PDGF-C 단백질발현이 bile duct fibroblast에서는증가하였지만 cholangiocyte에서는발현되지않았다. PDGF 와결합을하는 stellate cell에관한연구는많지만 periductal fibroblast의 PDGFR에대한연구는많지않다. 저자는 LPS로 bile duct fibroblast를자극하였을때, PDGF-Rα와 β의 mrna와단백질발현이증가되었다. 간내담석증의경우에담
136 2007 년도대한췌담도학회추계학술대회 즙정체가발생하여 2차적인감염으로지속적으로세균에노출이될가능성이높아세균의 LPS 에의하여 cholangiocyte에영향을주어 PDGF 등의사이토카인이형성되어 periductal fibrosis에기여할것으로생각된다. 결 간섬유화발생에있어서최근에는성상세포뿐만아니라 portal fibroblast와 periductal fibroblast 도담즙성간경변을유발하는데기여한다고알려지고있다. 특히담도주위의섬유화는다양한원인에의해서 cholangioctye에서여러가지사이토카인이생성되어증식하는 cholangiocyte, portal fibroblast, stellate cells, inflammatory cell (neutrophil, macrophage, lymphocyte) 사이의오케스트라와같은협연을통하여진행이될것으로생각된다. PSC와간내담석증의중요한병태생리인담도주위의염증과섬유화에대한더많은연구를통하여효과적인치료약제나치료법을개발할수있기를기대해본다. 론 참고문헌 1. Nakanuma Y, et al: Definition and pathology of primary sclerosing cholangitis. J Hepatobiliary Pancreat Surg 1999; 6: 333-342. 2. Mendes FD, Lindor KD: Primary sclerosing cholangitis. Clin Liver Dis 2004; 8: 195-211. 3. Ben-Menachem T: Risk factors for cholangiocarcinoma. Eur J Gastroenterol Hepatol 2007; 19: 615-617. 4. Matsumoto Y, Fujii H, Yoshioka M, Sekikawa T, Wada T, Yamamoto M, Eguchi H, and Sugahara K: Biliary strictures as a cause of primary intrahepatic bile duct stones. World J Surg 1986; 10: 867-875. 5. Maki T: Pathogenesis of calcium bilirubinate stone: role of E. coli, -glucuronidase and coagulation by inorganic ions, polyelectrolytes and agitation. Ann Surg 1966; 164: 90-100. 6. Nakanuma Y, et al: Pathologic features of hepatolithiasis in Japan. Hum Pathol 1988; 19: 1181-1186. 7. Nakanuma Y, et al: Definition and pathology of primary sclerosing cholangitis. J Hepatobiliary Pancreat Surg 1999; 6: 333-342. 8. Lee KT, Sheen PC, Tsai CC, Chen JS, Ker CG: Long-term results of one hundred and seven hepatic resections for intrahepatic stones. Dig Surg 1992; 19: 298-302. 9. Lee SK, Seo DW, Myung SJ, Park ET, Lim BC, Kim HJ, Yoo KS, Park HJ, Joo YH, Kim MH, Min YI: Percutaneous transhepatic cholangioscopic treatment for hepatolithiasis: an evaluation of long-term results and risk factors for recurrence. J Pathol 1999; 189: 609-614. 10. Friedman SL: Liver fibrosis-from bench to bedside. J Hepatol 2003; 38: S38-S53. 11. Kountouras J, Billing BH, Scheuer PJ: Prolonged bile duct obstruction: a new experimental model for cirrhosis in the rat. Br J Exp Pathol 1984; 65: 305-311. 12. Cassiman D, Roskams T: Beauty is in the eye of the beholder: emerging concepts ad pitfalls in hepatic stellate cell research. J Hepatol 2002; 37: 527-535. 13. Desmet V, Roskams T, Van Eyken P: Ductular reaction in the liver. Pathol Res Pract 1995; 191: 513-524. 14. Katayama F: Alterations of the mucin components in bile duct epithelium associated with proliferating cholangitis-an experimental study. Hokkaido J Med Sci 1996; 71: 585-598. 15. Saji Y: The effect of decreased portal blood flow on the biliary system. Jpn J Surg 1988; 18: 558-568. 16. Park SM, Choi JW, Kim ST, Cho MC, Sung RH, Jang LC, Park JW, Lee SP, Park YH: Suppression of proliferative cholangitis in a rat model by local delivery of paclitaxel. J Hepatobiliary Pancreat Surg 2003; 10: 176-182. 17. Yoshida M, Yamamoto N, Nitta T, Uehara T, Terao R, Hatano E, Iimuro Y, Yamaoka Y: Suppression of proliferative cholangitis by E2F decoy oligodeoxynucleotide. J Surg Res 2002; 102: 95-101. 18. Fickert P, Fuchsbichler A: Segmental bile duct obstruction and destructive cholangitis in mice. Am J Pathol 2006; 168: 410-422. 19. Palmer RH. Bile acid sulfates: II. Formation, metabolism, and excretion of lithocholic acid sulfates in the rat. J Lipid Res 1971; 12: 680-687. 20. Fickert P, Zollner G, Fuchsbichler A, Stumptner C, Weiglein AH, Lammert F, Marschall HU, Tsybrovskyy O, Zatloukal K, Denk H, Trauner M: Ursodeoxycholic acid aggravates bile infarcts in bile duct-ligated and Mdr2 knockout mice via disruption of cholangioles. Gastroenterology 2002; 123: 1238-1251.
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