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간세포이식
성균관대학교 의과대학 외과학교실 / 권준혁ㆍ이석구
서 론
간은 단백질 생산과 물질 대사 등을 관장하는 중요한 기관으로 생명유지에 필수적인 장기이다. 최근 간이식의 눈부신 발전으로 인해 이와 같이 기능이 소실된 만성 간경화나 급성 간부전 또는 대사성 간질환의 치료가 가능해졌다. 그러나, 장기 공급이 간이식을 원하는 환자 수를 충족하지 못하여 대기 중 사망하는 환자가 아직 많다. 국립장기이식센터(KONOS, Korean Network for Organ Sharing)의 통계에 의하면 2003년 간이식 대기자 수는 786명에 불과하였으나 2008년 10월 기준으로 2,466명으로 3배 이상 증가한 반면, 뇌사자 장기를 이용한 간이식은 2007년에도 연간 128명에 불과하다. 결국 생체간이식에 의존할 수밖에 없게 되지만 생체간이식도 연 750례 정도 밖에 시행되지 않고 있어 간이식을 희망하는 환자의 1/3 정도만 이식을 받게 되고 대기자의 대부분은 결국 사망하게 된다. 이런 장기 부족의 문제를 해결하는 방안 중 하나로 간세포이식이 대안이 될 수 있다. 간세포이식은 한 명의 기증자로부터 다수의 수여자에게 이식을 할 수 있는 장점과 간이식으로 사용하기에 부적합한 간을 이용하여 시행할 수 있기 때문에 기증자의 수를 늘리는데 유용하다.
간세포이식은 임상에서 크게 3개 분야에서 적용이 될 수 있다. 급성 간부전 환자에서 자신의 간이 회복될 때까지 보조해주는 역할, 간이식 없이 생명 유지가 어려운 환자에게 이식을 받을 수 있을 때까지 간기능을 일시적으로 보조하는 가교(bridge) 역할과, 전반적인 간기능은 정상이나 특정 효소의 결핍으로 인해 생명유지가 어렵거나 일상생활이 불가능한 환자에게 영구적인 치료방법으로 사용될 수 있다. 본 논문에서는 간세포이식 동물실험에 사용되는 설치류의 종류와, 현재까지 임상에서 시행된 간세포이식의 결과 및 한계점에 대해 다루고, 간세포이식이 아직까지 제한적으로 시행될 수 밖에 없는 이유에 대해 논하겠다. 또한 본원에서 시행한 간세포이식의 경험에 대해 간략하게 언급하고자 한다.
동물 모델
간세포이식을 연구하는데 사용되고 있는 동물 모델은 크게 대사성 질환을 대상으로 개발된 모델과 급성 또는 만성 간질환을 대상으로 개발된 모델이 있다. 대사성 간질환의 연구 모델로는 Gunn rat (Crigler-Najjar type I의 모델), FAH mouse(tyrosinemia type I), Long Evans cinnamon rat (Wilson씨 병), mdr2 mouse(progressive familial intrahepatic cholestasis type3), spf-ash mouse (ornithine transcarbamylase deficiency), Watanabe heritable hyperlipidemic rabbit (familial hypercholesterolemia), 와 hyperuricemic Dalmatian dog 모델 등이 있다. 1976년에 Matas 등에 의해 간세포이식을 최초로 시도한 모델은 Gunn rat 모델로써 uridine diphosphate glucuronyltransferase이 결핍되어 있어 빌리루빈을 배설하지 못하는 모델이다. 설치류에 정상 간세포를 문맥을 통해 간에 이식한 결과 혈청 빌리루빈이 감소하였다고 보고 하였다. 이후에 인간에게 발생할 수 있는 다양한 효소의 결핍 종류에 따라 모델이 개발되어 왔다. 급성 간질환 모델로는 carbon tetrachloride, dimethylnitrosamine, D-galactosamine을 이용한 모델이 있으며 소량의 carbon tetrachloride를 반복적으로 투여하면 간경화로 진행되는데, 간경화 모델에 사용된다. 이 외에도 간세포이식 후 간세포의 기능을 평가하는데 많이 사용되는 모델로는 Nagase analbuminemic rat이 있으며, Gunn rat모델과 더불어 가장 많이 사용되고 있는 모델이기도 하다.
간세포이식의 장점
위에서 언급한 바와 같이 간세포이식은 부족한 장기의 한 대안으로 주목을 받고 있다. 이 외에 간세포이식은 간이식에 비해 여러 가지 장점이 있다.
1) 냉동보관이 가능하다
간이식의 경우 장기 구득 후 12시간 이내에 이식해야 하며 장기간 장기 보관이 불가능하여 응급 환자 발생 시 기증자가 없으면 기증자가 나타날 때까지 기다릴 수밖에 없다. 그러나 간세포이식의 경우 간세포를 분리한 후 냉동시키면 장기간 보관이 가능하기 때문에 응급환자가 생기면 곧바로 해동시켜 이식을 시행할 수 있다.
2) 한 명의 기증자로 다수의 환자에게 이식이 가능하다
간이식의 경우 보통 1명의 기증자의 간을 1명의 수여자에게만 이식이 가능하다. 분할간이식은 예외적으로 기증자의 상태가 양호하고 간의 크기가 충분한 일부 기증자의 경우 2명의 수여자에게 이식을 시행할 수 있다. 그러나 간세포이식의 경우 기증자 1명으로부터 분리한 간세포는 다수의 환자에게 투여가 가능하다. 특히 소아환자가 대부분인 대사성 간질환의 경우 이식을 받을 수 있는 환자의 수는 더욱 많아질 수 있다.
3) 유전자 조작이 가능하다
간세포이식은 이식하기 전에 필요한 유전자를 선택적으로 간세포에 삽입하여 원하는 기능을 하게 할 수 있다. 간기능의 일부분만 결핍되어 있는 대사성질환 환자의 경우 자신의 간에서 분리한 세포를 이용하여 유전자 조작을 하면 면역억제제 사용 없이 환자에게 이식을 시행할 수 있다.
4) 시술이 간단하고 비용이 적게 든다
간세포이식은 경피적 방법으로 문맥에 접근하여 자신의 간은 보존한 상태에서 세포를 이식하기 때문에 간이식에 비해 술기가 매우 간단하여 합병증도 적다. 또한 비용이 적게 들고, 입원 기간도 단축시킬 수 있다. 환자의 간을 절제하지 않기 때문에 향후 간이식이 필요할 경우, 간이식을 일반적인 방법과 동일하게 시행할 수 있는 장점도 있다
임상적용의 한계점
동물실험에서 얻은 좋은 성적과 간세포이식의 장점에도 불구하고 간세포이식은 임상에서는 아직 활성화되지 않았다. 가장 큰 이유로는 간세포이식에 사용할 수 있는 간세포가 절대적으로 부족하기 때문이다. 기증자 중 간상태가 비교적 양호한 경우 간이식에 사용되며 이식하기에 부적절한 장기만 간세포이식에 사용하게 되는데, 이런 경우 분리되는 간세포의 수가 상당히 감소하게 된다. 간이식에 사용할 수 없는 가장 흔한 원인으로는 심한 지방간으로, 지방간이 없는 경우 분리되는 간세포의 생존율(viability)이 70% 이상인 반면, 중증도 이상의 지방간이 있는 경우 생존율이 35%도 되지 않는다.
간세포이식이 활성화되지 못하는 또 다른 이유는 비용이며, 미국의 경우 임상에 사용할 수 없는 장기이더라도 장기 1개당 $4,000∼6,000이 소요되어 연구비가 이 수요를 충당하기 어려운 경우가 많다. 우리나라의 경우에는 비용 외에도 법적으로 간을 연구용으로 사용할 수 없도록 되어 있는 장기이식법이 걸림돌로 작용하고 있으며, 심평원에서는 간세포이식을 치료로 인정하고 있지 않기 때문에 간세포이식 시술료 뿐만 아니라 이식 후 복용해야 하는 면역억제제가 의료보험을 받지 못하여 환자가 부담해야 하는 비용이 증가하는 것이 문제다. 간세포이식의 활성화를 위해서 시급히 법의 개정이 필요하겠다.
이식 부위 및 이식 방법
간세포를 이식하기 가장 적합한 부위로는 간, 비장과 복막이 있다. 간은 간세포이식에 가장 흔히 사용되고 있는 부위로써 문맥에 따라 간세포를 이식하면 간실질 내 sinusoid에 들어가 숙주의 간세포와 더불어 안착하게 된다. 문맥을 통해 간에 간세포를 이식할 경우 간의 구조가 그대로 유지되어 이식된 간세포에서 분비되는 담즙은 기존 담관을 따라 배출될 수 있는 장점이 있다. 또한 장에서 흡수되어 문맥을 통해 유입되는 영양분을 공급받을수 있으며 간에 존재하는 여러 종류의 측분비인자(paracrine factor)에 영향을 받아 생존하기 좋은 조건이 형성된다. 문맥을 통해서 간세포를 이식하면 간부피의 약 4% 까지 이식이 가능하며, 이식세포 수가 많으면 많을수록 문맥압이 많이 상승하나 대부분의 경우 일시적이어서 서서히 주입하면 문제가 되지 않는다. 문맥체단락(portosystemic shunt)이 있는 경우 폐순환으로 유입되어 폐색전이 생길 수 있고 간경화가 동반된 경우 문맥의 혈전이 발생할 위험이 있으므로 주의가 필요하다.
간경화가 있으면 대부분 비장비대가 동반되어 간세포를 이식할 공간이 많아지므로 비장이 이식하기에 좋은 부위가 될 수 있다. 비장에 안착되었던 간세포는 결국엔 문맥을 통해 대부분 간으로 이주하게 된다. 간세포의 일부분은 비장 내에서 간 실질과 유사한 구조를 갖고 기능하는 조직으로 발달할 수도 있다.
복막은 공간이 충분하여 다량의 세포를 이식할 수 있는 장점이 있으나 혈액 공급이 좋지 않아 대부분 안착하지 못하고 사멸하게 되어 많이 사용되지 않는다. 콜라겐비드에 부착시키거나 캡슐로 보호막을 만드는 등의 방법으로 세포의 생존율을 높여 볼 수 있다.
비장 동맥에 간세포를 주입하는 방법은 주로 간부전 환자에서 사용되는 방법으로 접근성이 좋은 장점이 있으나 동맥의 전단 응력(shear stress)으로 인해 비장 또는 간에 고정되지 못하고 간세포의 대다수가 죽게 되기 때문에 현재는 많이 사용 안 한다.
간세포이식에 필요한 적절한 간세포 수는 아직 잘 알려져 있지 않으나, 기저 질환에 따라 필요한 세포 수는 다를 것으로 추정된다. 대사성 간질환의 경우 추정 간 질량의 5∼10% (kg당 2∼4×10⁹개의 간세포)가, 간경화의 경우에는 약 1∼3%의 간세포가 적절할 것으로 추정된다. 이식된 세포 중 대부분은 이식하는 과정에서 사멸되고 30% 이하의 세포만 간에 안착되어 기능할 것으로 예상되고 있다.
임상적용
1994년도에 최초로 환자를 대상으로 간세포이식이 시행된 이래 현재까지 전세계적으로 80례 정도의 간세포이식이 시행되어 왔다. 간세포이식의 대상은 크게 대사성 간질환, 전격성 간부전, 급성 또는 만성 간부전, 및 간경화로 나눠질 수 있으며 각 적응증 별로 설명하도록 하겠다.
1) 대사성 간질환
대사성 간질환은 신생아 중 1/900의 확률로 발생하는 비교적 희귀한 질환으로 대부분 전문적인 의료진의 치료가 필요하며 많은 경우 희귀약품을 사용하게 되기 때문에 치료에 어려움이 많은 질환군이다. 일부 질환의 경우 생명에 지장이 없고 성장 장애 등의 삶의 질에만 영향을 주는 경우가 있어 모든 환자에게 위험이 수반되는 간이식을 권고하고 있지 않아 대사성 간질환은 간세포이식의 좋은 적응증이 되며 현재까지 25명 이상에서 간세포이식이 시도되어 왔다(Table 1).
사람을 대상으로 처음 시행된 간세포이식은 familial hypercholesterolemia 환자로, 면역억제제 사용을 피하기 위해 자신의 좌외측간을 절제한 후, 간세포를 분리하여 ex vivo에서 LDL receptor 유전자를 transfection 시킨 후 간세포를 이식하는 방법으로 시행되었다. 5명 중 3명에서 20% 이상의 콜레스테롤을 감소시킨 효과가 있었으나, 추후 간 조직 검사에서 LDL receptor 유전자 발현이 5% 미만으로 나타나 장기적인 결과를 얻는 데는 실패하였다.
이후에 대사성 간질환을 대상으로 시행된 간세포이식은 대부분 검사 또는 임상 증상의 호전을 보이는 데는 성공하였으나, 개선 정도가 미미하거나 일시적인 경우가 많아 절반 이상에서 결국 간이식을 시행할 수 밖에 없었다. 고로 아직까지 간세포이식을 대사성 간질환의 주치료방법으로 인정하기엔 부족한 면이 있다. 그러나 간세포이식은 반복적으로 시행이 가능한 시술이며, 반복적으로 시행한 후 향상된 성적을 보고하는 경우가 많아 향후 대사성 간질환의 중요한 치료 방법이 될 가능성이 높다. 본원에서 시행한 임상 증례도 반복적으로 간세포이식을 시행한 결과 우수한 장기적인 결과를 얻었다.
2) 급성 간부전(Acute Liver Failure)에서 간세포이식
급성 간부전에서 간세포이식의 목적은 두 가지다. 첫째, 가교역할(bridge)로써 간이식을 받을 때까지 부족한 간기능을 보조해줘 간이식을 받을 수 있게 해 주는 것이다. 둘째, 자신의 간세포가 재생할 수 있게 보조하여 이식이 필요 없게 하는데 있다. 급성 간부전에서 최초로 시행된 간세포이식은 태아 간세포(fetal hepatocyte)을 이용하여 복막에 이식한 경우로써 간성혼수 3, 4기 환자를 대상으로 간세포를 이식하여, 생존율을 33%에서 48%로 향상시켰고, 특히 간성혼수 3기 환자 중에서는 사망자가 발생하지 않아 이 분야에서 간세포이식의 가능성을 보여주고 있다.
현재까지 보고된 급성 간부전 환자에서 간세포이식 37례 중 7례는 간이식으로의 가교가 가능하였으며, 7례는 회복하였으나 23례는 사망하여 아직까지 간세포이식의 효과가 만족스럽진 못하다. 다만 대부분의 경우 혈청 암모니아 수치나 프로트롬빈 시간의 단축 등의 생화학적 개선을 얻을 수 있었고, 간성혼수의 호전도 상당 수에서 보고되어 향후 적용 가능성은 충분하다 하겠다.
임상에서 간세포이식의 장기적인 효과를 평가하는데 있어서의 한계점은 많은 경우 세포이식 후 1주 이내에 간이식을 받게 되어 이식된 간세포의 효능을 평가할 수가 없는데 있다. 급성 간부전 환자의 20%는 간이식을 받지 않아도 생존할 수 있는 것으로 알려져 있기 때문에 환자의 증상 호전이 이식 된 간세포에 의한 것인지 단정지을 수 없는 문제가 있다. 그러나, 간세포이식의 경우 분리한 간세포를 냉동 보관할 수 있기 때문에 기증자가 있어야만 이식이 가능한 간이식과 달리 즉시 냉동 간세포를 해동시켜 이식을 시행할 수 있어 급성 간부전 환자 중 응급한 상황에서 간세포이식이 중요한 역할을 할 가능성이 있다.
현재까지 보고된 대부분의 세포이식은 문맥에 주입되었으나 급성 간부전 시 간 실질 내의 염증으로 인해 문맥압이 낮아지기 때문에 문맥혈전이 생길 우려가 더 높아 주의를 요한다. 다른 대안으로 비장동맥과 복강으로 이식하는 방법이 있으나 아직 어떤 결론에 이르기엔 자료가 부족하다.
3) 만성간질환(Chronic Liver Disease)에서 간세포이식
만성간질환에서의 간세포이식은 잔존 간기능을 향상시키거나 간이식으로의 가교역할을 하는데 이용될 수 있다. 만성간질환 환자에서 간세포이식은 Mito 등에 의해 1992년도에 최초로 시행되었으며, Child A부터 C에 해당하는 환자들의 좌외측간을 절제하여 분리한 후 비장에 이식하는 방법을 사용하였다. 이식된 간세포가 비장 내에서 기능을 하고 있는 것을 확인하였으나 환자의 임상적 호전과의 관계는 잘 규명하지 못하였다.
만성간질환의 경우 문맥압 증가로 인해 문맥 혈류량이 감소되기 때문에 문맥에 간세포를 이식할 경우 문맥혈전의 위험성이 있고 보통 비장이 비대해져 부피가 800∼1,200 ml로 증가되어 있어 비장에 직접 주입하는 방식이 더 선호된다. 성인의 경우 6×10⁸∼10⁹개의 간세포 주입이 가능하며, 이중 대부분은 문맥을 통해 간으로 이주하고 일부는 비장에 남아 간조직을 형성할 수 있으며 이런 현상을 hepatization of spleen이라고 한다.
만성 간질환에서의 간세포이식은 혈중 암모니아 감소, 간성혼수 개선 등이 확인되었으나, 궁극적으로 간이식으로 간경화를 치료해야 하는 문제가 있으므로, 간기능이 급격히 저하되는 acute on chronic의 경우 외 적용하는데 한계가 있다. 위에 언급한 Mito 등이 시행한 자가 간세포이식 외에 만성 간질환으로 간세포이식을 시행한 경우는 10예가 겨우 넘는다.
삼성서울병원의 경험
본원에서 시행한 간세포이식도 대사성 간질환을 대상으로 시행되었다. Glycogen storage disease type Ib(GSD Ib)를 가진 18세 남아로 7세에 GSD로 진단받고 옥수수 전분을 처방 받았으나, 12세부터 저혈당으로 인한 의식소실이 반복적으로 발생하였고 면역력 저하로 인해 설사, 항문주위 농양, 급성중이염, 편도선염 등이 발생하였다. 출혈 경향이 있어 코피가 거의 매일 있었으며, 1년에 3∼4번은 입원 치료를 요구하게 되었다. GSD로 인한 반복적인 합병증으로 인해 환자의 성장이 원활하지 않아 18세에 신장 145 cm, 체중 37 kg밖에 나가지 않아 신장이 같은 연령의 3 percentile에도 미치지 못하였다.
환자는 두 명의 기증자로부터 얻은 간세포를 이용하여 이식을 시행하였다. 기증자는 뇌출혈로 뇌사가 된 48세 남자와 30세 여자로 각각 알코올성 간경화와 장기간 저혈압 상태로 인해 장기가 손상되어 간이식에 장기를 사용하지 못한 경우였다. 간세포 분리는 기증자의 간을 적출한 후 back table에서 문맥을 통해 EDTA perfusion buffer와 collagenase perfusion buffer를 사용하여 modified two-step collagenase perfusion 방법으로 시행되었으며, 세포 생존율은 각각 75%와 82%였다(Fig. 1∼3).
첫째 기증자의 경우 간세포의 일부는 곧바로 이식을 시행하였고 일부는 85% UW+15%DMSO 용액에 냉동시킨 후 7일 후에 해동시켜 다시 간세포이식을 시행하였다.
간세포이식은 국소마취 하에 초음파를 이용하여 경피적으로 문맥을 접근한 후 문맥압과 활력증후를 관찰하면서 간세포와 heparin을 섞은 용액을 서서히 주입하였다(Fig. 4). 투입된 간세포수는 각각 2×10⁹, 1×,10⁹ 3×10⁹이었으며 이는 수여자의 추측 간실질의 약 6%에 해당된다. 면역억제제는 일반적으로 간이식에 사용하는 면역억제제와 동일하게 투여되었다. Baxiliximab와 solumedrol 500 mg IV로 induction하고, Cyclosporine과 Mycophenolate mofetil로 유지하였다.
간세포이식 후 시행한 fasting test에서 금식 후 6시간째 혈당은 70 mg/dL 이상 유지되었고 간 조직 검사에서 시행한 glucose-6-phosphatase activity는 정상 범위로 측정되어 간세포가 성공적으로 안착됨을 알 수 있었다. 이식 후 1년 사이에 신장은 10 cm 이상, 체중은 41 kg까지 증가하고 3년째엔 161 cm에 45 kg까지 성장하였고 2차 성 증후도 발현되었다(Fig. 5).
그러나 환자는 간세포이식 후 시행한 복부CT 상 크기가 증가하는 간선종이 발견되어 간세포이식 후 38개월째 생체간이식을 받았다. 조직검사 상 0.8∼6 cm 크기의 선종이 10개가 발견되었다. 현재 이식 후 특별한 문제없이 잘 지내고 있다.
향후 연구 분야
아직까지 간세포이식은 임상에 적용하기에 다소 부족한 면은 있지만 향후 연구를 통해 성적이 개선되면 임상에서 주요한 역할을 할 수 있을 것이다. 우선 간세포이식 연구의 활성화를 위해선 사용하지 않는 장기를 연구목적으로 사용할 수 있도록 법 개선이 필요하겠다. 향후 간세포이식의 성적을 향상시키기 위한 연구 분야로는 (1) 손상된 간장이나 지방간에서도 높은 viability가 가진 양질의 간세포를 분리할 수 있는 방법의 고안, (2) 냉동과 간세포 배양 기술의 개선, (3) 이식된 간세포의 engraft 메커니즘의 이해로 이식세포의 생존율 향상 등이 있을 수 있겠다. 또한 성인의 간세포보다 증식 능력이 뛰어난 태아 간세포를 이용한 간세포이식도 간세포이식의 성적을 높이는데 이바지할 수 있을 것으로 본다.
J Korean Soc Transplant | 2009;23:1-7
ftp://210.101.116.17/kiss8/17806044.pdf
▶ 이종장기이식의 현황과 전망
synapse.koreamed.org/.../Data/.../0083JKSTN/jkstn-23-203.pdf
▶ 이종이식거부반응의 조절: 이종췌도이식을 중심으로
synapse.koreamed.org/.../Data/.../0083JKSTN/jkstn-23-214.pdf