[내재면역] "면역 전문 살해자, 호중구: 감염 부위로의 민첩한 침투와 활약"

1. 학습 목표

1. 호중구의 구조와 기능을 이해해 봅시다.
2. 백혈구의 부착분자를 통한 혈관벽 통과 및 감염 부위 이동 과정을 알아봅시다.
3. 호중구의 활성화와 면역 시스템에서의 역할을 이해해봅시다.

2. 핵심 내용

1. 호중구는 미생물을 파괴하고 면역계의 핵심 역할을 하는 전문 식세포입니다.
2. 호중구는 대식세포와 함께 감염 발생 시에 빠르게 반응하여 염증 조직으로 이동하며, 수명이 짧은 특화된 세포로 볼 수 있습니다..
3. 백혈구의 이동은 부착분자와 화학 매개물질에 의해 조절되며, 호중구는 감염 부위에서 염증 매개물질에 응답하여 이동하고 활성화됩니다.
4. 혈관밖유출은 호중구가 혈관벽을 통과하여 염증 부위로 이동하는 네 단계의 과정을 포함합니다.
5. 호중구의 이동은 감염 부위에서 발생하는 화학 매개물질에 의해 조절되며, 면역 시스템이 감염 부위로 백혈구를 유도하는 데 중요한 역할을 합니다.

3. 본문 내용

“호중구는 감염부위로 소집되는 전문 식세포이다.”

식세포는 미생물을 포획하고 소멸시킴으로써 면역계가 침입한 병원체를 파괴하는 주요 수단으로 활용됩니다. 이 목적을 수행하는 주요 두 종류의 식세포는 대식세포와 호중구입니다. 대식세포는 조직에 상주하며 감염이 발생하는 즉시 작용하여 경보를 발신하며, 상대적으로 긴 수명을 가지고 있습니다. 호중구(neutrophil)는 혈액을 따라 순환하며 대식세포가 감염 조직으로 보내는 경보를 기다립니다. 이는 수명이 짧은 전문적인 살해자로 볼 수 있습니다.

 

호중구는 세포질에 수많은 과립을 가지고 있는 과립구의 한 종류로, 비정형적인 핵 모양 때문에 다형핵백혈구(polymorphonuclear leukocyte)로도 알려져 있습니다. 크기가 대식세포보다 작아 역사적으로는 소식세포(microphage)로 불렸습니다. 건강한 성인은 호중구를 약 500억 개 정도 가지고 있으며, 이는 수가 가장 많은 백혈구 중 하나입니다. 호중구는 순환하면서 감염 발생 시 대응하기 위해 대식세포보다 빠르게 반응할 수 있습니다. 성숙 호중구는 약 5일 동안 골수에 저장된 후 순환계로 방출됩니다. 이는 호중구를 대량으로 소집하여 감염에 효과적으로 대응하기 위한 전략입니다. 수명이 짧은 순환 호중구는 골수 조혈 기능의 약 60%를 차지하여 면역 시스템의 핵심을 이룹니다.

호중구는 건강한 조직에서는 발견되지 않지만 감염된 부위에서 염증매개자의 유인으로 혈액을 떠나 감염 부위로 이동합니다. 이로써 호중구는 해당 부위에서 가장 풍부하게 출현하는 식세포 중 하나가 됩니다. 매일 약 3x10^9 개의 호중구가 신체에서 오염이 더 심한 부위인 임과 목의 조직으로 이동합니다. 중구의 침투는 염증 반응이라고 불리는 일련의 과정의 첫 번째 단계로, 이 반응에 의해 내재면역의 세포와 분자가 상처 부위나 감염 부위로 모이게 됩니다. 호중구는 손상된 조직에서도 일반적인 무산소 조건에서도 작용할 수 있도록 특별히 전문화되어 있지만, 침투 후 몇 시간 안에 죽습니다. 이러한 과정에서 호중구는 감염된 상처 부위나 다른 감염 부위에서 특징적으로 발생하는 크림 모양의 고름(pus)을 형성합니다. 따라서 수많은 호중구가 공격하는 표피 감염 및 농양의 원인균인 S. aureus와 같은 세포 외 박테리아를 고름 형성 또는 화농성(pyogenic) 박테리아라고 합니다.

 

 

“호중구는 혈관 내피와의 결합을 변화시키면서 염증조직으로 회귀한다.”

혈액과 조직 사이에서 백혈구의 이동은 면역반응의 모든 측면에서 결정적이며, 이는 상보적 부착분자(adhesion molecule) 쌍 간의 결합에 의해 조절됩니다. 부착분자 쌍 중 하나는 백혈구 표면에 발현되고, 다른 하나는 혈관 내피나 다른 조직 세포의 표면에 발현됩니다. 면역계의 부착분자는 네 가지 종류의 단백질로 이루어져 있습니다(셀렉틴, 뮤신, 인테그린, 면역글로불린 수퍼패밀리).

 

셀렉틴은 다당류에 특이적으로 결합하는 탄수화물 결합 단백질 또는 렉틴으로, 여러 혈관 주소물질과 특이적으로 상호 작용합니다. 인테그린은 큰 부착분자 패밀리로, α사슬과 β사슬 폴리펩티드의 일반구조를 갖고 있습니다. 보체수용체 CR3와 CR4는 인테그린의 한 예입니다. 면역글로불린 수퍼패밀리에 속하는 부착분자의 세포외 부분은 약 100개의 아미노산으로 구성된 단단한 단백질 모듈을 가지고 있습니다. 이들은 면역글로불린에서 처음 발견되었기 때문에 면역글로불린 유사 도메인이라고 불립니다.

 

호중구는 활성화된 대식세포가 분비하는 케모카인 CXCL8과 보체 활성화 동안 C5에서 절단된 아나필락시스독소와 같은 염증 매개 물질에 대한 표면 수용체를 보유하고 있습니다. 또 다른 호중구 수용체는 박테리아 감염 시 생성되는 화학 유인제에 결합합니다. 이러한 수용체는 박테리아에 풍부하게 존재하지만 사람에는 없는 N-포밀메티오닌이 있는 펩티드에만 결합합니다.

 

감염 동안 이러한 리간드 수용체 결합은 호중구 표면에 부착 분자의 발현을 유도합니다. 동시에 염증 매개 물질은 감염 부위 내 및 주변에 있는 모세혈관 내피에 이러한 부착 분자 리간드의 발현을 촉진합니다. 이러한 변화를 겪은 혈관 내피는 활성화되었다고 합니다. 이 변화로 인해 혈액 속의 호중구가 감염 부위 내의 활성화된 혈관 내피에 결합하여 혈관 내피 세포 사이로 침투하여 감염 조직으로 들어갈 수 있게 됩니다.

 

호중구가 모세혈관을 빠져나와 조직으로 이동하는 과정은 혈관밖유출(extravasation)이라 불리며, 이 과정은 네 단계로 진행됩니다. 먼저, 순환 중인 백혈구와 혈관벽 사이의 결합이 호중구를 천천히 움직이게 합니다. 이 결합은 탄수화물 결합 셀렉틴을 매개로 이루어집니다.

 

류코트리엔 LTB4, C5a, 히스타민과 같은 염증 매개 물질에 노출되면 바이벨 팰라드소체(Weibel-Palade body)에 있는 P-셀렉틴이 세포 표면으로 이동합니다. 두 번째 셀렉틴인 E-셀렉틴도 LPS나 TNF-α에 노출된 후 몇 시간이 지나면 내피 세포 표면에 발현됩니다. 두 가지 셀렉틴은 백혈구 표면에 있는 당지질과 당단백질의 탄수화물 쪽에 결합합니다. 이러한 탄수화물에는 시알린산이 많이 있으며, 이들은 루이스 혈액군 체계의 항원 중 하나로, 시아릴-루이스로 알려져 있습니다.

이러한 가역적 결합을 통해 호중구는 혈관벽에 부착하고, 세포 뒷쪽의 부착 결합을 깨고 앞에서 새로운 부착 결합을 형성함으로써 혈관벽을 따라 천천히 전진합니다.

 

혈관밖유출의 두 번째 단계에서는 호중구의 인테그린 LFA-1 및 CR3과 내피에 있는 ICAM-1과 같은 부착분자 간의 결합이 중요합니다. ICAM-1의 발현 또한 TNF-α에 의해 유도됩니다. 정상 상태에서 LFA-1과 CR3는 내피 부착분자와 약하게만 결합합니다. 그러나 염증 조직에서 세포가 내보내는 CXCL8에 노출되면, 움직이고 있는 백혈구 표면의 LFA-1과 CR3의 구조가 변하며 이들의 부착이 강화됩니다. 이 결과로 호중구는 내피에 단단히 붙잡히고 더 이상의 전진이 중지됩니다.

 

세 번째 단계에서 호중구는 혈관벽을 가로질러 이동합니다. LFA-1과 CR3이 이 이동을 일으키고 면역글로불린 수퍼패밀리 단백질인 CD31도 이 부착에 참여합니다. CD31은 호중구와 내피 세포가 서로 접하는 부위에서 양쪽 세포 모두에서 발현됩니다. 백혈구는 혈구누출(diapedesis)이라는 움직임을 통해 이웃한 내피 세포 사이에 끼어들어가고, 세포 외 기질의 일부인 기저막에 도달합니다. 그 후, 막을 분해하는 단백질분해효소를 분비하여 기저막을 가로지르게 됩니다.

 

혈관밖유출의 네 번째, 마지막 단계에서 호중구는 조직의 감염 중심부를 향해 이동합니다. 이 이동은 감염 부위에서 나온 CXCL8의 농도 기울기에 의해 이루어집니다. 즉, 감염 부위 주변에서 높은 농도의 CXCL8가 호중구를 감지하고 이동을 유도하여 감염 중심부로 이동하게 됩니다.

 

성숙, 활성화, 그리고 효과기능을 발휘하는 동안 여러 종류의 백혈구는 회귀(homing)라고 알려진 과정을 통해 특정 조직으로 이동합니다. 이 모든 이동 과정에는 호중구가 감염 부위로 침투하는 것을 조절하는 메커니즘이 사용되며, 이 메커니즘은 다양한 백혈구에서 공통으로 사용됩니다. 싸이토카인과 케모카인은 백혈구와 혈관 내피 상에 있는 부착분자의 변화를 유도하여 언제, 어디에서 혈관밖유출이 일어날 것인지를 결정합니다. 이러한 싸이토카인과 케모카인은 각 백혈구가 특정 조직으로 이동할 수 있도록 해당 부착분자의 발현을 조절하며, 이는 회귀 프로세스를 조절하는 데 중요합니다. 이러한 메커니즘은 면역 시스템이 감염 부위로 백혈구를 유도하고 특정 장소에서의 백혈구의 기능을 향상시키는 데에 기여합니다.

 

4. 정리

• 식세포의 역할: 식세포는 면역계가 침입한 병원체를 파괴하는 주요 수단 중 하나로 활용됩니다.
• 대식세포와 호중구: 대식세포는 조직에 상주하며 감염 발생 시 경보를 발신하고, 호중구는 혈액을 따라 순환하여 대식세포의 경보를 기다립니다.
• 호중구의 특징: 호중구는 과립구 중 하나로, 비정형적인 핵 모양과 크림 모양의 고름 형성 등의 특징을 가지고 있습니다.
• 호중구의 기능과 수명: 호중구는 감염 발생 시 빠르게 반응하여 감염 부위로 이동하며, 수명이 짧은 특별한 살해자로 볼 수 있습니다.
• 호중구의 수량과 출현: 건강한 성인은 약 500억 개의 호중구를 가지고 있으며, 감염 부위에서는 수량이 증가하여 특히 염증이 발생한 부위로 이동합니다.
• 호중구의 침투 과정: 호중구는 감염 부위로 이동하기 위해 혈액 속에서 발생하는 염증 조직으로 침투하며, 혈관밖유출(extravasation)과정을 거쳐 감염 부위로 들어갑니다.
• 부착 분자와 호중구의 이동: 호중구는 부착분자와의 상호 작용을 통해 혈관벽에 부착되고, 염증 매개 물질의 영향으로 혈관벽을 가로지르면서 감염 부위로 이동합니다.
• 호중구의 이동 조절과 회귀: 호중구의 이동은 싸이토카인과 케모카인에 의해 조절되며, 감염 부위에서 나온 화학 물질의 농도 기울기에 의해 감염 중심부로 이동합니다.

 

 

참고문헌- 면역학 3판, 라이프사이언스