인간수정능력의조절 박용석실장 <arkangel@nate.com> 삼성제일병원불임연구실 서론체외에서인간의정자와난자가수정을이루는것은인간생식 (human reproduction) 역사에서가장성공적인일중하나이다. 지금까지체외수정에대한많은연구가있었으며이를바탕으로정자의수정시간, 난포자극기술, 양질의정자를준비하는방법등이확립되었고난자의성숙, 정자의수정능력획득, 수정과전핵의형성등체외수정을진행하기위해필수적인정보들도잘알려지게되었다. 그러므로체외수정시술은성숙된난자를얻어양질의정자와수정시키고배아로발달시킨후환자의자궁내로배아를이식하는복잡하고신비한과정이다. 이러한과정을거쳐새로운생명이탄생하게되지만불행하게도자연상태에서수정과임신에도달하지못하는경우가발생한다. 이러한문제를극복하기위하여개발된방법이체외수정방법에의한임신이다. 체외수정 (in vitro fertilization, IVF) 이란체외에서난자와정자가만나수정란을형성하는과정이고, 이를위한 IVF 시술은성숙된난자의획득, 정자와의수정, 배아로발달, 자궁내로이식등의과정으로이루어져있다. 처음에 IVF 는불임이된여성환자를대상으로소개되었다. 그러나그대상이확대되어여성불임의원인으로는난관요인, 자궁경부요인, 난소기능장애로인한배란요인, 자궁내막증, 자궁요인, 복막요인, 면역학적요인, 여성호르몬의분비이상, 유전자이상등이있고, 남성불임은정자형성장애, 정자의운동성장애, 정자수의감소, 기형정자의증가등더넓은영역의환자에게로확대되었다. 이제까지의체외수정에관한연구의주된변화는보조생식술 (assisted reproductive technology, ART) 의발달에의한임신성공률의증가, 관련학문의발전, 보조생식술관련환자의증가, 불임부부의노화등을들수있다. 여성의생식생리 1) 난자의형성사람의생리주기는평균 28 일정도이며매주기마다여성의자궁양쪽에있는난소중한쪽난소에서난자를배출하는데이를배란 (ovulation) 이라고한다. 배란된난자는나팔관으로들어가는데, 정자가여성의질과자궁을통해나팔관으로이동하여난자와만나면수정이되는것이다. 이렇게수정된수정란이여성의자궁에이르러착상되어아기로자라게된다. 생리주기동안난모세포가성숙하고난소에서방출된다. 난소에서방출되기전약 8~10 시간동안난모세포는제 1 감수분열을완료한다. 그후세포질이분열되고, 2 개의세포가형성된다. 제 2 난모세포는거의세포질로차있고, 다른세포는제 1 극체가된다. 4 개세포간의염색체의감수분열이제 2 난모세포의 2 배체염색체수를가지게하여배우자와성적생식에정확한수가유지된다. 2) 난소와생리주기여성이생리를시작하는것은임신이가능해진다는것을의미한다. 여성의월경주기는 10~16 세사이에시작한다. 보통생리를처음시작하여난자의생성이점점감소하고, 호르몬분비가줄어드는폐경기 (menopause) 를맞을때까지의 15~44 세의여성을가임여성이라한다. 생리주기는약 28 일정도지속되지만, 이것은평균에지나지않는다. 즉, 사람에따라기간은길수도, 짧을수도있다. 정상인경우한생리주기에임신할수있는가능성 (fecundity) 은약 20~25% 이고, 1 년이내에 80% 이상임신이되고, 2 년을경과하면 5% 이하만이임신이되지않는다. 임신율은나이가들수록점점감소하므로결혼후피임하지않은상태에서 1 년정도임신이안되면검사를받아보는것이필요하다. 1
생리주기과정을 3 주기로나누면, 난포기로주기가시작된다. 생리가일어나며, 자궁내막이허물어져내리고, 다시형성되어진다. 다음은난소에서난모세포가방출되는배란이다. 그후, 난포가파열된뒷자리에형성되는황체가형성되는황체기동안, 자궁내막은임신하기에최적화된다. 이러한주기는모두난소에서시상하부, 뇌하수체까지의되먹임기전 (feedback mechanism) 을통해조절된다. 난포자극호르몬 (FSH) 과황체형성호르몬 (LH) 은난소에서주기의변화를진행시킨다. FSH 와 LH 는난소가성호르몬 (- 에스트로겐, 프로게스테론 ) 을분비하여자궁내막에서주기적변화를진행하도록자극한다. 에스트로겐을포함하는액은난포내에축적되고에스트로겐의혈중수준이증가하기시작한다. 생리주기의중간쯤뇌하수체는혈중에스트로겐수준의증가를감지하고, LH 가증가하게하는데, 이것은난포를빠르게부풀도록한다. 따라서주기의중간쯤 LH 의상승은배란을유발시키고효소에의해부푼난포벽을분해하여약해진벽이파열되고, 난포액이제 2 난모세포 ( 성숙난포 ) 와함께방출된다. 이것을배란이라한다 ( 그림 1). 또한매주기동안자궁내막은태어날수정란 ( 배아, embryo) 을수용하고, 양분을공급하기에최적화된다. 각생리주기마다수백개의미성숙난포가성장을시작하는데뇌하수체호르몬등의작용으로인해한개만의우성난포를형성하여배란되게되며배란후난포는황체화되며배란전의난포에서는에스트로겐, 배란후황체에서는에스트로겐과프로게스테론이주로분비됨으로써자궁내막의증식과분화를유도하여배아가착상할수있도록내막을준비하게된다. 만약수정란이착상되지않으면증식된자궁내막이탈락되어출혈이되는것을생리 (menstruation) 라부른다. 이러한출혈은 " 배아가없음을의미하며이는임신이되지않았다 " 는것을뜻하는것으로, 새로운생리주기의첫날을나타낸다. 따라서시험관아기시술이나인공수정을준비하는과정에서생리주기의첫날이중요한의미를갖고있다하겠다. 그림 1. 배란주기중호르몬, 자궁의변화 2
남성의생식생리정자형성과정은뇌하수체후엽에서분비되는성선자극호르몬에의한자극의결과로활동적인성적생활동안고환의세정관에서일어나는데평균 13 세에서시작하여대부분남은일생동안계속되지만나이가들어노년기에는현저하게감소한다. 1) 정자의형성고환에서정자형성과정은시상하부와뇌하수체에서분비되는호르몬과고환내체세포에서분비되는분비요소들, 그리고정자형성과정의생식세포에서발현되는유전자들에의해조절된다. 사람의경우는최소한 3 회이상의체세포분열과 2 회의감수분열을거치며, 정원세포에서정자에이르기까지약 70 일정도소요된다. 사람정자세포의분화과정은정자분화정도에따라형태학적으로 14 가지형태로나눈다. 2) 정자형성과정을자극하는호르몬인자들뇌하수체전엽에서분비되는 FSH 는 Sertoli 세포를자극하고 LH 는 Leydig 세포를자극하여테스토스테론을분비한다. Sertoli 세포가난포자극호르몬에의해자극될때테스토스테론으로부터형성되는에스트로젠은정자완성과정에필수적이며, 테스토스테론은정자세포의성장과분열에필수적이다. 시험관아기시술조절 1) 여성불임진단성숙된난자를많이얻고, 이를여러가지방법으로수정시킨후양질의배아를이식하는것은성공적인 IVF 를수행하기위해중요한요소들이다. 따라서정상적인배란에대한내분비적이해와배란을유도하는다양한방법의연구는성공적인 IVF 를위해필수적이다. 우선이러한모든과정은여성의배란기에맞추어시행된다. (1) 진단검사기초검사와호르몬검사, 성교후검사, 자궁 - 난관조영술, 자궁경검사, 기초체온검사, 자궁내막조직검사, 황체호르몬검사, LH 검사등의배란검사와복강경검사등을시행한다. (2) 과배란유도 (controlled ovarian hyperstimulation ; COH) 불임치료를위한가장기본적이고일반적인방법이배란유도제의사용이다. 배란유도제는자궁내막이나자궁점액의개선외에배란이이루어지는여성에서난자의수를증가시킬목적으로도이용된다. 이러한제제는대부분성선자극호르몬 (gonadotropin, Gn) 제제들이사용되며, 다수의과배란을유도하게된다. 그러나이러한 Gn 제제에지나치게예민하게반응하거나과다용량으로투여하게되면 난소과자극증후군 (ovarian hyperstimualtion syndrome; OHSS) 을초래할수있다. 1 과배란유도제제 clomiphene citrate 제제, human menopausal gonadotropin (HMG ; FSH+LH) 제제, FSH 제제, human chorionic gonadotropin (hcg) 제제, GnRH agonist 제제등이사용되고있다. 2 과배란유도법 GnRH agonist 사용기간에따라장기투여법, 단기투여법, 초단기투여법, 초장기투여법등으로구별할수있으며, clomiphene citrate 단독투여법, GnRH antagonist 투여법등이있다. GnRH antagonist 투여법은기존의과배란투여법에따른과배란유도법의단점을보완하며 LH 분비억제에즉각적인효과를나타내고있다. 이와같이, 과배란유도에사용되는다양한제제가개발되고있으며투여방법또한여러가지방법이개발되고있다. 그러므로환자개개인의상태에따른효과적인과배란유도방법을잘선택하여체외수정시술의효과를높여야한다. IVF 를통하여채취된 3
난자중약 70-80% 의난자가수정에성공하여난할을진행하고최근보조부화술의발달로이식된배아중 50% 정도까지임신에도달하는것으로알려졌다. 2) 남성불임진단남성불임의원인으로는내분비계의장애, 사정장애, 박테리아나바이러스의감염, 면역학적요인, 정계정맥류, 정류고환, 합성스테로이드에의한불임등이알려져있으나, 원인을규명할수없는불임증상도매우많은비율을차지한다. 정자형성조절인자의결함으로정자형성장애가일어나남성불임이유발되며전체성인남성의약 2% 가불임을나타내남성불임환자의약 10-l5% 는무정자증을보이거나과소정자기형 (oligoasthenoteratozoosgermia, OATS) 증상을나타낸다. (1) 남성불임진단방법정액분석, 고환의조직학적인검사, 고환의용적측정, 혈액내호르몬의농도측정, 그리고유전학적인검사등이기본적으로실시되고있다. (2) 무정자증의치료무정자증이란병명을나타내는용어가아니라정액검사에서정자가없는상태를말한다. 그러므로이러한무정자증이라도그원인에따라치료방향이달라지게되며실제로크게폐쇄성무정자증 (obstructive azoospermia; OA) 과비폐쇄성무정자증 (nonobstructive azoospermia; NOA) 로대별된다. 선천성정관이상이나폐쇄성정로장애로인한무정자증은남성불임의주요원인이며그빈도는남성불임환자의 6-14% 를차지한다고보고되어있다. 폐쇄성무정자증을원인별로분류하면선천성정관형성부전증, 염증성부고환폐쇄, 염증성정관폐쇄, 인위적인정관절제등이있으며, 치료방법으로는정관 - 부고환문합술, 인공정액낭, 정관복원술, 미세수술적부고환정자흡입술등이있다. 조직학적검사소견상무정자형성으로판정된비폐쇄성무정자증환자의조직에서활력정자와발달단계의정자세포가발견되는경우는국소적정자형성과정이일어나기때문으로정자와정자세포를찾기위한세심한관찰이필요하며일부조직만으로는정자형성과정을확인하기어렵기때문에더많은부위의조직을검사할필요가있다. 그리고 ICSI 기술이폐쇄성무정자증환자의치료에도입, 개발되면서비폐쇄성무정자증환자특히심각한초기정자형성기능이상환자에서도임신에이를수있다. 또한고환내정자의동결보존은정자회수장소가고환이유일한환자에서반복적, 다중적 TESE 로인한부담을줄일수있으며고환내정자의수정기전을관찰할수있는또다른방법이다. (3) 세포질내정자주입술 (intracytoplasmic sperm injection, ICSI) 인간의생식세포에대한이해와특수한기술들의발달로일반적인체외수정방법으로는수정란을얻기어려운경우에도수정란을얻을수있는방법들이개발되었다. ICSI 는 1993 년 Palermo 와 Van Steirteghem 등에의해이를이용한첫임신과출산이보고된이후현재까지남성요인에의한불임을극복하는데가장효과적인 ART 방법으로적용되고있다. 최근에는 ICSI 의적용범위가확대되어사정정자의질적, 양적인결함이있는경우뿐만아니라부고환정자와고환정자를이용한경우에도성공적으로체외수정및배아이식술을수행할수있는것으로보고되고있다. 또한, 남성요인이외의원인으로수정과정에문제가있는면역학적요인, 체외성숙난자등에서도 ICSI 를시행하고있다. 지금까지기술한바와같이 ICSI 는여러가지복잡한과정을거쳐시행되지만그하나하나의과정이모두중요하며이에대한숙달이필요하다. 이러한숙달을위해서는연구자의부단한노력이필요하며동물실험을통해 ICSI 를연습한다면보다쉽게숙달될수있을것으로생각된다. ICSI 방법은난자에상해를준다든가혹은유전적인면에서여러가지문제점이발생될수있지만현재까지보고된바에의하면 ICSI 방법은기존의시험관아기방법또는정상적인임신에비해기형출산율과 4
태아이상의빈도가높지않은것으로알려져있다. ICSI 방법은남성요인에의한불임즉, 정자의상태에문제가있는모든경우에적용하여그성공률이지금까지보고된어떤방법보다높으며그적용범위가점차확대되어가고있다. 그러나아직까지난자의세포질에주입된정자의수정과정과이에대한기작이명확하게밝혀져있지않으므로이에대한연구가진행되어야할것이다. 이와같이인간수정과정중발생하는어려움을극복하기위해서는더많은연구와지식, 다양한 ART 가필요하며더새로운기술로지속적인접근이이루어지고있다. 지금까지 IVF 와여러 ART 들이전세계적으로알려졌고불임의극복을위해이용되고있지만아직해결해야할많은문제들이남아있고낙관할수는없다. 그러므로수정과배아의발달에대한생물학적이해를기초하여새로운기술과더많은연구가요구된다. 지금까지 IVF 와여러 ART 들이전세계적으로알려졌고불임의극복을위해이용되고있다. 5