대한내분비학회지 : 제 20 권제 6 호 2005 지상강좌 혈관석회화의분류, 동맥경화증및혈관의석회화의유발기전 성균관대학교삼성제일병원내분비내과 한기옥 The Classification and Mechanism of Vascular Calcification Ki Ok Han Division of Endocrinology, Department of Internal Medicine Sungkyunkwan University School of Medicine Samsungcheil Women's Healthcare Center and Hospital 서론정규장소밖의석회화 (ectopic calcification) 는오랫동안단순한칼슘과인의과잉으로인한물리화학적현상으로인식되어왔다. 혈관의석회화역시조직괴사로유발된단순한칼슘과인의축적일것으로생각되어왔다. 그러나최근의여러연구에의하면, 이들혈관에발생하는석회화의양상이골과연골의무기질화 (mineralization) 와매우유사한것을관찰하였다. 혈관석회화과정에서도연골내석회화 (endochondral calcification) 및막성석회화 (membranous calcification) 가모두관찰된다. 역학연구들에서도골다공증과혈관석회화의연관성이관찰되어, 이두기관의조절기전이유사하지않을까추측되고있다. 따라서이곳에서는혈관석회화에있어특징적인소견과현재까지연구된유발기전에대하여논하고자한다. 혈관석회화의분류 1. 발생장소에따른분류혈관석회화는혈관의두부위에서특징적으로일어난다. 내막석회화 (intimal calcification) 는죽상경화증 (atherosclerosis) 과연관되어발생한다. 죽상경화증은처음에는혈관내측에지방이풍부한대식세포들과 T 임파구들이축적되어지방층 (fatty streak) 을형성하고, 이어서혈관평활근세포 (vascular smooth muscle cell) 들이혈관의중막 (media) 으로부터이동하여들어온다. 이들의이동을자극하는화학역동물질 (chemokine) 들은인근혈관내피, 활성화된탐식세포등에서생성되는것으로생각되고있다. 이동된혈관평활근세포들은증식하고, 지방이축적되고, 세포외간질 (extracellular matrix, ECM) 을생성한다. 석회화는죽상경화반 ( 斑 : plaque) 의중심부에서일 어난다. 혈관중막석회화는죽상경화증및내막석회화와는독립적으로발생한다. 말단동맥들에서생긴혈관중막석회화를 Mückeberg's sclerosis라고부르기도하며, 이는주로노령의당뇨병환자에서많이관찰된다. 발생에는혈관평활근세포와엘라스틴 (elastin) 이연관된다고생각되고있다. 2. 석회화의조직병리학적양상에따른분류 1) 죽상경화적석회화 (Atherosclerotic or fibrotic calcification) 죽상경화적석회화는세포괴사, 염증, 지단백과인산화단백의복합물등에서시작되는것이특징이다. Virchow의 endarteritis deformans 는손상된혈관의석회화를보여주는매우좋은실례이다. 세포막에서유래된지방복합체, 혈관내 thrombo-fibrinoid 복합체, 혈청지단백이죽상경화의반과오래된심근경색과연관되어석회화를일으킨다. 혈관내피세포의이상기능은혈전형성을증가시키고, 산화지방물은활성화된탐식세포및 T 림파구를끌어들이는각종신호를생성한다. 석회화는염증세포가모여든곳과세포괴사부위에인접한섬유석회판 (fibrocalcific plaque) 의지방중심부에서시작된다. 연골내골형성의경우와같이연골이형성, 연골석회화등이관찰된다. 진행된경우에는조혈기능을가진골수의형성까지도관찰된다. 2) 심장판막석회화 (Cardiac valve calcification) 심장판막석회화는물리적힘과염증에의하여생성된다. 발생초기에는탐식세포, T 림파구의침범이있고, 지방침착, 판막섬유화, 지방축적이진행되며, 점점이간질칼슘이축적된다. 섬유세포는혈관외막 (adventitia) 과유사한간질세포로보 - 556 -
- 한기옥 : 혈관석회화의분류, 동맥경화증및혈관의석회화의유발기전 - 인다. 흥미롭게도, 죽상경화증이없는대동맥판막석회화에도간질세포의염증과활동성이관찰되어, 최근에는노령으로인한석회화와죽상경화증으로인한석회화의기전이어떤면에서는유사할것으로추정하기도한다. 이경우는연골이형성은드물고, 막내골형성과유사한석회화가관찰된다. 3) 혈관중막석회화 (Medial artery calcification) 혈관중막석회화는당뇨병, 말기신부전등에서특징적인석회화로, 막내두개골형성및치아형성과유사한형태로발생한다. 연골이석회화과정을중개하지않고, BMP2, Msx2 전사전달과정이연관되는것으로연구되고있다. 전자현미경소견상, 석회화는세포외기질섬유와연관되어초기에기질소포 (matrix vesicle) 에서시작되는것이관찰된다. 당뇨병에서 Msx2과 Msx1이대동맥에서증가되어발현되는데, 이들은 BMP2와연관된조골세포의전사인자로두개골형성기에막내골형성과치아형성에필요한인자로알려져있다. 당뇨병에서는혈관내막석회화와중막석회화가모두관찰되는데, 역학연구로는혈관중막석회화가더중요하여, 하지절단과심혈관사망에대한더의미있는예측인자로추정된다. 4) 혈관칼시피락시스 (Vascular calciphylaxis) 칼슘과인이생리적인용해능을초과할때연조직에서복합물의침착이일어나는데, 이를칼시피락시스라고부른다. 임상적으로는혈청칼슘과인의농도의곱이 60 mg 2 /dl 2 일때광범위한연조직석회화가일어난다. 이경우는무형의칼슘 -인의침착이고연골이나골의형성은없다. 임상적으로는말기신부전, 횡문근융해또는종양융해를동반한급성신부전, 의인성고인산혈증에서발생된다. 내막석회화와중막석회화의특성 1. 혈관내막석회화척추동물에서뼈의발생과정은연골내골형성과막성골형성등두가지로분류된다. 연골내골형성은시초에혈관이없는연골판이생기고이곳으로혈관이침투하면서연골의석회화, 파골세포에의한골재형성등의과정으로뼈가만들어진다. 이러한연골내재형성과신생혈관의생성에는 Sox9과 Runx2 (Cbfa1 또는 Osf2으로도불린다 ) 와같은전사조절인자들이결정적인역할을한다고알려져있다. 분자생물학적지문검사법 (fingerprinting) 에의하여뼈의형성과죽상경화증으로인한혈관석회화의과정이매우유사하다는것이관찰되고있다. 기질 G1a 단백결핍생쥐 (MGP-/-) 와 apoe-/- 생쥐모델에서도이와흡사한연골이형성을통한혈관석회화를보이는데아직정확한기전은밝혀지지않았다. MGP는 BMP2 신호전달과정에있어 noggin과유사한억제제로작용하는것으로연구되고있다. 또한 BMP2와 BMP 수용체 II를경유한신호전달이심혈관계발생에필요불가결하다고알려져있다. 따라서 MGP의억제효과가소실된상태에서 BMP2 신호전달이혈관석회화를발생시키는기전으로추정된다. BMP 수용체 II의세포내억제제인 Smad6가소실된상태에서도연골이형성을통한혈관석회화가관찰된다. BMP2는간질줄기세포에서연골형성또는골형성을유도할수있고, Msx2 발현을지속적으로유지시킨경우골형성이촉진된다. 2. 중막혈관석회화 중막혈관석회화와연골이형성을수반한죽상경화적석회화가차이를보이는까닭은아직까지밝혀지지않았고, 여전히논란의대상이다. LDLR -/- 생쥐모델과 apoe -/- 생쥐모델은모두죽종 (atheroma: 粥腫 ) 을형성하지만, LDLR -/- 생쥐모델은연골의관여없이석회화를형성하고, 반면 apoe -/- 생쥐모델에서혈관은연골이형성을거쳐석회화가된다. LDLR -/- 생쥐모델과달리 apoe -/- 생쥐모델은고지방식이에도당뇨병이발생하지않는다. 외막근섬유아세포 (adventitial myofibroblast), 즉혈관주위세포 (pericyte) 는식이로유도된당뇨병에서활성화되고, Msx2와연관된전사프로그램에의하여조골세포계열로전환된다. 혈관평활근세포는 osteopontin (OPN) 을생성하는데, 일부가설에의하면당뇨병에서평활근이생성한 OPN이혈관주위세포를이동시킨다고주장되기도한다. 당뇨병과말기신부전에서의고혈당과고인산혈증이 OPN의중막발현을유도한다고보고되기도한다. 한연구에의하면동물실험에서혈관외막을부분제거하였을때분절에중막동맥석회화 (segmental medial artery calcification) 가관찰되었다고보고하였다. OPG가결핍된생쥐모델에서연골이형성이없는중막석회화가관찰되고, 이때혈관 T 림파구의활성화및골소실이동반관찰된다. 혈청 OPG가당뇨병에서증가되어관찰되고또한 LDLR -/- 생쥐모델에서도관찰된다. 이는아마도 OPG작용에대한저항이존재한다는의미일것이며, OPG의작용은 RANKL의신호전달을억제하는기능을가진다고알려져있다. 그러나구체적인기전은밝혀지지않고있다. 혈관석회화의유발기전을설명하는네가지가설들 (Fig. 1) 1. 첫번째가설 : 억제기전의소실 (Loss of inhibition) 앞에서도부분적으로언급하였듯이, 유전자변이동물실험모델을통하여혈관석회화를조절하는여러가능한물질들을추정하게되었다 (Table 1). 위에서도언급하였듯이, 혈관과연골의석회화의주된억제인자중하나인기질 Gla 단백 (MGP) 이가장많이연구되고있다. MGP-/- 생쥐는생후첫 2개월내에죽는데, 대혈관의심한 - 557 -
- 대한내분비학회지 : 제 20 권제 6 호 2005 - Fig. 1. 네가지가설에따른혈관석회화의기전 Table 1. 혈관석회화의표현형을나타내는유전자변형생쥐모델 석회화로인한혈관파열과심부전이사인이다. 아울러이모델에서는연골의석회화의지장을초래한것이관찰되고골감소증을보인다. MGP는 10-kDa 단백으로 5 γ-carboxyglutamic acid (GLA) 기를보유하고있는데, 이에의하여칼슘과결합한다. 칼슘을킬레이트화함으로칼슘- 인축적을억제한다고추정된다. 또한혈중칼슘제거에도관여하고, BMP2를억제한다고 연구된다. OPN은정상동맥에는관찰되지않지만석회화된동맥에는풍부하다. OPN은산성인단백으로골과치아등정상무기질화조직에존재하며, 파골세포를자극하고인회석결정 (apatite crystal) 이커지지못하게억제하는역할을한다고알려져있다. OPN-/- 생쥐모델은뼈와혈관에대한특별한표현형이관찰되 - 558 -
- 한기옥 : 혈관석회화의분류, 동맥경화증및혈관의석회화의유발기전 - 지않았지만, 난소절제나부갑상선호르몬치료로인한골흡수를예방한다고연구된다. 특수처리한돼지의대동맥판막을 OPN-/- 생쥐모델의피하에이식하였을때정상쥐에비하여석회화가 5-10배증가되었고, 정상쥐인경우석회화부위에 OPN 이밀착되어발현되어 OPN이동맥석회화를억제한다고보고된다. 이외에도 OPN-/- MGP-/- 이중결핍생쥐모델에서 OPN+/+MGP-/- 생쥐보다더극심한혈관석회화를보여 OPN 의석회화억제에대한역할이일관적으로여러실험을통하여주장되고있다. 이외에도 fetuin, CAII 단백등이석회화억제인자로연구되고있다. 2. 두번째가설 : 골형성의조장 (Induction of bone formation) 이미언급하였듯이, 혈관석회화와골형성의유사성은여러면에서관찰된다. 이를혈관의어떠한세포가조골세포계통으로분화됨으로골형성과정이진행된다고설명하려는시도들이있다. 중막혈관세포를분리하여배양하였을때석회화를유발할수있다는보고들이있고, 혈관평활근세포가골 / 연골전구세포와유사하게분화된다는보고가있었다. 그러나성체줄기세포에의한것인지혹은평활근세포의 trans- differentiation에기인한것인지는밝혀지지않았다. Bostrom 등은혈관중막에서장기간세포배양을통하여석회결절을형성하는클론을분리하여내었는데, 이를석회화혈관세포 (calcifying vascular cell: CVC) 라고명명하였다. CVC 는조골세포와유사하게 alkaline phosphatase, osteocalcin을발현하고, 배양조건에따라지방세포로도분화한다. 그러나클론으로분리하지않은혈관평활근세포는 CVC와같이자연적으로석회화결절을형성하지못한다. 이들세포는배양액에인의농도가높아야만석회화를일으킨다. 높은인의농도가평활근포의지표인 SM α-actin, SM22α의발현을소실시키고, OPN, RUNX2, osteocalcin 등골지표로전환시키는데, 이러한효과는 Na + -dependent phosphate cotransporter (NPC) 에대한억제제를첨가하였을때억제된다고보고된다. 이로써증가된인의세포내유입이표현형의전환을유도한다고추정된다. 이와유사한전환은 MGP-/- 생쥐모델에서도관찰된다고보고되고, 노령의생쥐모델에서는이형화된연골주위로연골세포와유사한세포들이둘러싸여있는것이관찰되어특징적인연골조직형성의양상을보인다고보고된다. 3. 세번째가설 : 혈액내핵화복합체 (Circulating nucleational complexes) 혈관석회화와골재형성이상호연관성이있다는증거들이발표된다. OPG는조골세포, 활성화된 T 림파구등에서분비되는당화단백으로, RANK-L의 decoy receptor로써 RANK-L의작용을억제함으로파골세포의분화화활성을억제한다. OPG-/- 생쥐모델에서골다공증과혈관석회화가관찰된다. 그러나 OPG의혈관에대한작용에대한연구는많지않다. OPG와비스포스포네이트제제가골흡수를억제하는용량에서와파린과비타민 D 처치쥐에서혈관석회화를억제한다고보고된다. 파골세포특이성 vacuolar H + -ATPase 억제제인 SB242784를사용하였을때파골세포골흡수및혈관석회화가모두억제된다고발표되었다. 따라서 Price 등은골흡수장소에서형성되는결정핵 (crystal nuclei) 이혈관을따라이동하여연조직석회화를일으킨다는가설을내었다. 그러나이러한혈액내복합물질이어떻게혈관내막을통과하는지에대한설명은없다. 4. 네번째가설 : 세포사멸 (Cell death) 세포사멸은오래전부터혈관석회화의주요핵심으로여겨왔다. 넓은괴사부위가관찰되는죽상경화증에서특징적인데, 사멸하는세포에서는칼슘, 인등의투과성이높고따라서이러한이온들이농축되면용해점을넘어결정화된다고생각한다. 실험실연구에서혈관평활근세포의석회결절이세포자연사 (apoptosis) 후에생긴다는것이관찰되었고, 세포자연사를조절하면석회화결절의형성도조절되며, apoptotic body 주변으로칼슘이응집된것이관찰된다. Matrix vesicle처럼 apoptotic body내의칼슘도크리스탈화되어있음이관찰된다. 그러나이것이 matrix vesicle로어떻게연결이되는지는밝혀져있지않다. 결어과거에는단순히칼슘과인의과잉으로인한연조직침착을혈관석회화의원인으로생각하였으나, 최근에는매우정교하게조절되고있는기전에의하여일련의혈관석회화가진행될것이라는증거들이밝혀지고있다. 정상혈관에서는석회화를조장시키는쪽보다는억제시키는쪽이우세하지만어떠한자극이나원인에의하여억제기전이역할을못하고조장하는쪽으로갈때혈관석회화가발생한다고생각한다. 그러나그정확한일련의기전이나관여하는세포들의역할이아직은명확하지않다. 이에대한연구가진행되면예방및치료제의개발까지도가능하리라기대하여본다. 참고문헌 1. Bostrom K, Watson KE, Horn S, Wortham C, Herman IM, Demer LL: Bone morphogenetic protein expression in human atherosclerotic lesions. J Clin Invest 91: 1800-1809, 1993 2. Price PA, June HH, Buckley JR, Williamson MK: Osteoprotegerin inhibits artery calcification induced by - 559 -
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