신경퇴행성 질환에서의 소교세포(Microglia)의 역할과 그 활용
1. 개요
뇌에는 신경세포(neuron)와 신경아교세포(neuroglia, glial cell, glia)가 존재한다. 뇌 속에 가장 많이 분포하고 있는 신경아교세포는 크기는 신경세포의 1/10 수준으로 작으나 수적으로는 약 10 배정도로 수 척억 개로 추정된다. 이 세포들은 그 자체로는 신경전달을 생성시키지 못하지만 신경원들이 고유의 기능을 수행하는데 도움을 주며, 뇌 조직이 손상되었을 때 이를 회복시키는데 중요한 기능을 수행하고 있다. 이 밖에도 신경세포에 영양물질을 공급, 신경전달이 이루어지도록하는 세포외액의 조절, 슈반 세포에서처럼 보다 효과적인 신호전달을 위해 세포 절연, 신경세포의 면역작용 등의 다양한 역할을 수행하고 있다. 그 형태에 따라 희소 돌기아교세포 (oligodendroglia), 성상세포(astrocyte), 미세아교세포(microglia) 및 방사신경교세포(radial glia)로 나눌 수 있다.
특히, 미세아교세포(Microglia)에 대한 최근의 연구를 통하여 건강, 노화 및 신경 퇴행성 질환에서의 그들의 역할에 대해 급격한 진보를 보였다. 100 년 전 피오 델 리오 호르테가 (Pio del Rio Hortega)가 미세아교세포를 염색하고 구별하는 방법을 발표하였다. 호르테가는 미세아교세포를 중추신경계 ‘제 3의 요소(third element)’라고 명명했으며 이들의 식균 기능(phagocytic function), 발현 분포 등을 보고하였다[1].
미세아교세포를 분리하고 배양하는 방법의 개발로 식균 작용과 아밀로이드-β (Aβ)에 대한 반응 및 신경 변성에서 그들의 역할을 알 수 있었다. 형광표지를 가진 마우스의 생산으로 미세아교세포를 현미경을 통해 시각화할 수 있었고 다양한 신경퇴행성 질환에서 그들의 역할에 대한 탐구를 할 수 있게 되었다[2]. 또한 성체에서 미세아교세포의 분리 및 배양법의 개발로 그들의 전사체 분석을 통하여 미세아교세포의 하위 분류에 대해서도 연구가 진행중에 있다. 본 분석물에서는 신경퇴행성 질환에서 미세아교세포의 역할 및 최신 동향을 요약하고자 한다.
미세아교세포는 중추신경계 세포의 5-12%를 차지하고 있다. 이들은 뇌에 거주하고 있는 면역세포이며 뇌 항상성 및 병원체 등에 대한 숙주 방어에 밀접하게 관여하고 있다[3]. 최근까지 미세아교세포는 CX3CR1, CD11b, Iba1 및 f4/80을 발현하는 골수성 기원의 선천성 면역세포로 정의하고 있다. 최근, 포괄적인 유전자 발현 프로파일링 및 기능적 연구를 통하여 새로운 기능 및 분자적 정의를 하게 되었다. 전사체 분석을 통하여 HexB, P2ry12, S100A8, S100A9, Tmem119, Gpr34, SiglecH, TREM2 및 Olfml37을 포함하는 새로운 미세아교세포 특이적 마커를 확인할 수 있었다.
미세아교세포는 배아단계에서 성인기 및 노화에 이르기까지 다양한 발달 단계에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히, 중추신경계에 걸친 네트워크를 형성하여 항상성 유지 및 숙주방어기능을 위한 감지기능을 수행하고 있고 시냅스 리모델링 (중추신경계 발달, 항상성 및 신경 변성에 중요), 수초 (myelin)항상성 유지에도 중요한 역할을 수행한다. 또한 성상세포 (astrocyte)와의 상호작용을 통하여 항상성 유지, 염증 및 신경 변성에 관여하고 있다.
2.1. 알츠하이머Alzheimer’s disease
알츠하이머 병은 Aβ-함유 플라크(plaques), 세포 내 과인산화된 타우(Tau) 단백질을 포함하는 신경 섬유 엉킴(neurofibrillary tangles) 및 뉴런 손실을 특징으로 한다[4]. Aβ의 축적이 미세아교 활성화를 유도하고 타우 단백질의 과인산 화 및 신경 섬유 엉킴의 형성을 촉진하여 신경 퇴화 및 인지 장애를 초래한다. 알츠하이머 환자 및 실험동물 모델을 통하여 미세아교세포는 노화와 관련된 플라크 주위에 축적되어 전 염증성 변화(조직 적합성 복합체 2 (MHC-2), CD36, IL-6 등 염증성 마커들이 증가함)를 유발하게 된다. 최근 알츠하이머에서 미세야교세포의 기능적 역할을 활발히 탐구되고 있다.
특히, CR1, HLA-DRB1, CD33, MS4A6A 및 BIN1와 같은 미세아교세포 유전자의 돌연변이는 알츠하이머의 발병과 밀접한 관련이 있다. 또한 아밀로이드 베타의 생성과 제거 사이의 평형 유지의 실패는 비정상적인 아밀로이드의 축적을 초래할 수 있다. 아밀로이드 베타의 제거에는 미세아교세포의 식균 작용 및 세포 내 이입과 아밀로이드 분해효소에 의한 세포 외 분해 등이 중요하게 작용하고 있다. 알츠하이머 실험동물 모델에서는 이러한 포식세포 수용체 및 분해 효소의 발현이 유의적으로 감소되어 있지만, 전 염증성 사이토카인을 생산하는 능력은 여전히 유지되고 있다. 따라서 아밀로이드 베타의 축적이 독성 펩타이드를 제거하는 미세아교 세포의 조절 실패로 나타나는 것을 시사하고 있다. 또한 미세아교세포에 의한 염증 유발도 중요하게 작용하고 있다. 미세아교세포-아밀로이드 베타의 상호작용은 초기 시냅스 소실, 신경 독성 반응에 의한 ROS 반응, NLRP3 염증 활성화 및 전 염증성 사이토카인의 생성으로 이어진다. 이러한 반응에서 TLR등을 포함한 미세포아교세포에 존재하는 패턴 인식 수용체가 중요하게 작용한다. 실제로 아밀로이드 베타로 유도된 전 염증성 사이토카인은 미세아교세포의 아밀로이이드 베타 제거 능력을 감소시키며 NRP3의 활성화로 아밀로이드의 확산을 초래한다. 유사하게 아밀로이드 베타에 의해 유도된 사이토카인은 타우 단백질을 과인산화시키고 알츠하이머 병리를 촉진하여 질병의 악화를 초래한다[5]. 특히, 미세아교세포는 알츠하이머병에서 양날의 검이라 불린다. 질병의 진행 중 특정 시점에서는 질병을 막기위한 유용한 기능을 수행하지만 기능 장애 등을 나타내는 세포로 진행하여 결국 해롭게 작용하고 있다. 이러한 개념에는 미세아교세포 하위 분류에서 나타나는 소집단들의 존재와 특징에 따른 것으로 나타나고 있다. 미세아교세포는 타우 단백질을 삼키고 분해하여 제거할 수 있다. 하지만 전 염증성 미세아교세포는 타우 단백질을 인산화하고 증가시켜 타우 단백질에 의한 병의 확산을 유도한다[6]. 이것은 알츠하이머 환자의 뇌척수액 및 혈액에서 높은 수준의 미세소포관련 타우 단백질이 존재한다는 연구를 통해 알려졌다. 이러한 연구를 통하여 미세아교세포가 타우 단백질에 의한 신경독성을 매개할 수 있음을 시사한다 [7].
2.2. 파킨스씨 병(Parkinson’s disease)
파킨슨씨 병은 65세 이상에서 1.2% 정도로 흔한 퇴행성 신경질환이다. 파킨스씨 병의 신경퇴행은 도파민성 탈신경화 및 알파 시누클레인을 함유하는 Lewy body의 축적과 함께 substantia nigra에서 발생한다. 이러한 파킨슨씨 환자의 실질 조직에는 활성화된 미세아교세포가 많이 발견된다. 미세아교세포가 파킨슨씨 병에 관여하는 기전은 알츠하이머의 기전과 매우 유사하다. 미세포아교세포는 알파 시누클레인을 분해하여 제거할 수 있다. 이 과정의 결함은 알파 시누클레인의 축적을 초래하게 되고 미세아교세포는 전염증성 사이토카인을 분비할 수 있는 특성을 보이게 된다. 따라서 미세아교세포도 파킨스씨 병에서 양날의 검일 가능성이 높아 보인다. 중추신경계와 말초에서의 염증은 파킨슨씨 병의 주요 특징이다. 중추신경계에서 상주 면역세포로 알려진 미세 아교세포는 파킨슨씨 병에서 염증 반응을 매개하는 것으로 알려져 있다. 특히, 파킨스씨 병, 노화 및 만성 스트레스는 중추신경계 및 말초에서 증가된 전 염증성 매개체와 밀접한 관련이 있다. 하지만 뇌에서 면역염증에 중요한 역할을 수행하는 미세아교세포와 파킨슨씨 병의 발달 및 진행에서 그들의 역할은 여전히 명확하지 않으며, 그들의 변화가 신경세포 소실의 원인인지 또는 결과인지 아직 명확하지 않다. 최근, 건강과 질병의 맥락에서 미세아교세포의 복잡한 여러 표현형을 정의하는 전사체 연구는 미세아교세포의 기능과 파킨스씨 병에 미치는 잠재적 영향을 밝히는데 도움을 줄것이다.
2.3. 다발성 경화증 (Multiple sclerosis)
다발성 경화증 환자에게서는 뇌의 white, gray matter에서 탈수초화된 플라크가 존재한다. 이로 인해 신경변성을 초래하고 뇌 위축을 야기한다. 신경염증은 다발성 경화증의 모든 단계에서 존재하며 이러한 부위에 미세아교세포의 존재 여부로 병변을 분류한다. 동물실험 연구 (EAE)를 통하여 미세아교세포에서 방출되는 프로테아제, 전 염증성 사이토카인 및 ROS 등이 반응성 T 림프구를 불러들여 신경세포 및 oligodendrocyte 전구체에 독성을 유발한다. 이러한 동물모델에서 미세아교세포 특이적 TGF-B에 의해 활성화된 NF-KB, JNK 및 ERK21/2경로의 억제로 중추신경계 염증 및 축삭, 마이엘린 수초의 손상을 감소시킬 수 있었다. 따라서 이러한 결과는 미세아교세포가 EAE에서 조직 손상을 촉진한다는 것을 시사한다. 하지만 다발성 경화증이 진행될 때, 미세아교세포는 축삭의 재상, 재 수초화, 억제성 수추 파편의 제거 및 신경 영양 인자의 방툴을 촉진하는 등 유익한 역할을 수행하기도 한다 [8]. 비록 미세아교세포가 탈수추화를 유도하는 등 병변과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 이러한 결과는 다발성 경화증의 진행 단계와 깊은 관련이 있을 것으로 추측하고 있다. 분명한 것은 미세아교세포의 감지, 제거 및 신경보호 반응을 일으키는 능력이 다발성 경화증에서는 변화된다는 것이다.
2.4. 헌팅턴 질환 (Huntington’s disease)
헌팅턴 단백질의 돌연변이로 야기되는 헌팅턴 질환은 striatum과 피질 (cortex)의 점진적인 위축을 특징으로 한다. 특히, 분자적으로 헌팅턴 유전자의 CAG 반복확장에 의해 발생하며 조기 신경 퇴화를 특징으로 한다. 헌팅턴 단백질은 많은 조직에서 발현되며 질병의 세포 병인은 완전히 이해되지 않고 있다. 헌팅턴 환자에서 돌연변이체 HTT(mHTT) 발현 및 비정상 면역계 활성화로 인한 면역세포 기능 장애에 기인한 염증 과정이 헌팅턴 발병에 기여할 수 있음이 보고 되고 있다. 이 질환에서 전 염증성 미세아교세포가 조기에 관찰된다. 헌팅턴 질환에서 전 염증성 미세아교세포 질환의 중증도와 밀접한 관련이 있다. 또한 미세아교세포의 기능 및 유전자 발현 프로파일의 변경도 깊은 관련이 있다. 다양한 실험논문을 통해 미세아교세포에서 증가된 Tlr2, Cd14, Fcgr1, Clec4d, Adora3, Tlr9, Tnfrsf1b와 같은 유전자는 세포외 자극을 감지하는 능력이 증가된 상태로 존재하며 이들의 증가로 인한 미세아교-신경독성과 깊은 관련을 보인다 [9]. 또한 미세아교세포의 IL-6 및 TNFa에 의해 숙주 방어반응이 증가되어 신경변성을 악화시키는 것으로 나타나고 있다. 따라서 미세아교세포를 이용한 면역 조절은 헌팅턴 질환 치료를 위한 표적으로 주목받고 있다.
2.4. 근위축성 측삭경화증 (Amyotrophic lateral sclerosis)
근 위축성 축삭 경화증 (루게릭 병으로도 알려져 있음)을 가진 대부분의 환자는 SOD1, C9ROF72, TDP43 및 FUS74를 포함한 특정 유전자에서 돌연변이를 보이고 있다. 이 질환은 피질, 뇌간 및 척수에서 운동 신경세포의 상실을 보인다. 이 질환에서 손상된 신경세포 근처에서 염증을 발현하는 미세아교세포가 발견된다 (76). 실험동물 모델을 통하여 돌연변이체 SOD1의 과발현은 질병 발병을 가속화시키고, 미세아교세포 활성화는 운동 신경세포의 사멸을 악화시킨다 [10]. 돌연변이체 SOD1에 의한 미세아교세포의 신경독성은 NF-kB 의존적이며 염증성 사이토카인인 IL-1B가 부분적으로 매개하고 있다. 이러한 발견을 통해 근위축성 측삭경화증 진행에서 SOD1과 미세아교세포의 중요성을 설명해 주고 있다. 특히, 근위축성 측삭경화증에서 미세아교세포의 활성화및 신경 독성으로 이어지는 경로는 외인성 자극에 의존한다. 미세아교세포에서의 돌연변이체 SOD1의 발현은 NAPDH 산화효소의 조절을 방해하여 과도한 신경독성 과산화물 생성을 초래한다 [11]. 또한 비정상적인 SOD1 단백질의 폴딩은 미세아교세포에 의해 감지되어 염증을 유발하는 신호로 작용한다. 따라서 근위축성 측삭경화증에서의 미세아교세포가 신경보호에서 신경독성으로 질병 진행을 가속화하는 것은 다른 신경퇴행성 질환 경로와 유사한 방식이다.
C9orf72 유전자 과발현 마우스는 행동 이상이나 신경 변성없이 근위축성 측삭경화증의 병리학적 특징을 나타낸다. 또한 C9orf72이 결핍된 마우스는 비정상적인 리소좀, TNFa, IL1 발현 강화와 관련이 깊다. 따라서 C9orf72는 정상적인 미세아교세포의 기능에 필요하며 숙주 방어에서 중요한 단계인 리소좀 성숙에 중요하게 작용하며 이를 이용하면 환자의 신경변성을 치료하는데 중요한 타겟이 될 수 있음을 시사하고 있다.
3. 결론
감염성 병원체, 아밀로이드 베타, 응집된 알파 시누클레인 또는 SOD1과 같은 리간드에 의해 세포괴사 및 세포 사멸 (apoptosis)이 발생된다. 미세아교세포 또한 iNOS를 과발현하거나 글루타메이트를 직접 방출함으로써 흥분성 뉴런 독성을 유발하여 사멸을 유도한다. 또한 카텝신과 같은 미세 아교세포 프로테아제는 아밀로이드 베타에 반응하여 방출되며 신경세포의 사멸을 유도하고 매트릭스 메탈로 프로테아제는 저산호 (hypoxia) 혈증에서 뉴런의 손상을 유발한다고 알려져 있다. 미세아교세포는 TNFa를 방출하거나 신경보호 기능을 가지고 있는 BDNF (brain-derived neurotrophic factor)와 IGF (insulin-like growth factor)의 생성을 줄임으로써 신경세포를 간접적으로 손상시켜 신경세포 사멸 (apoptosis)을 증가시킬 수 있다. 따라서, 미세아교세포의 숙주 방어 기능으로 신경세포를 사멸시키는 기전은 잘 알려져 있다. 하지만 외부자극에 대한 미세아교세포의 과잉 반응을 방지하기 위해 Trem2, CxCr1- fractalkine 감지 및 염증 반응을 확인하는 프로그레눌린 (progranulin) 경로과 같은 다양한 면역학적 체크 포인트를 통해 정교하게 유지되고 있다. 이들 경로의 혼란 및 비정상 조절로 신경 변성을 개시하거나 악화시키게 된다.
단일세포 수준에서의 유전자 발현 프로파일을 통해 미세아교세포에 대한 생물학적 이해는 지난 10년 동안 급격하게 증가되었다. 현재, 신경 퇴행성 질환에서 미세아교세포의 역할을 이해하고 전 염증성 반응에서 양날의 검이라 불리는 미세아교세포의 특정 경로에 대해 활발히 연구가 진행 중에 있다. 또한 말초 장내 미생물 군집에 의한 이들의 영향도 탐구되고 있다. 다양한 질환상태에서 전사체 및 후성 유전적 프로파일을 분석하고, 노화 및 질병 진행에서 세포수준에서 이들 프로파일이 어떻게 변화되는지 이해해야 하며 이러한 변화와 미세아교세포의 기능에서의 상관관계를 적립하는것이 필요한 시점이다. 특히, 마우스 모델을 이용한 실험모델에서 인간 환자로의 연구확장이 필요하며 생체 내 이미징 및 분석을 위한 추가 기술 뿐만 아니라 환자에서 유래한 신뢰할 수 있는 세포 모델의 개발이 필요하다. 이와 관련하여, 사후 뇌 조직으로부터 Primary 미세아교세포를 분리하거나 인간 줄기세포 또는 단핵구를 미세아교-유사 세포로 분화시킬 수 있는 또는 신경 퇴행성 질환을 갖는 환자로부터 세포를 배양할 수 있는 기술 등도 필요할 것이다. 그러나 성공적인 미세아교세포의 배양을 위해서는 세포의 환경이 중요하기 때문에 3차원 오가노이드 및 생체 내 전사체, 후성적 유전적 프로파일을 유지하면서 뇌 절편 배양을 위한 새로운 기술 등의 개발이 중요한 돌파구가 될것이다. 이러한 단계는 신경 퇴행성 질환의 치료를 위해 미세 아교세포를 이용하는데 열쇠가 될것이다.