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조혈모세포이식의 역사, 방법, 그리고 면역학

●조혈모세포이식의 역사적 배경

조혈모세포이식(hematopoietic stem cell transplantation, HSCT)의 개념은 1940년대 방사선 피폭의 부작용을 치료하기 위한 연구로부터 시작한다. 마우스 실험에서 비장을 방사선조사 영역에서 제외하면 쥐가 치사량의 방사선조사에도 죽지 않는 것을 알았다.

계속되는 연구에서는 비장세포나 골수세포가 같은 효과를 나타낸다는 사실을 알았다. 처음에는 이러한 효과가 호르몬이나 성장인자에 의한 것으로 생각하였으나 추후 실험을 통하여 세포이식 자체가 동물을 치사량의 방사선의 골수독성으로부터 동물을 살린다는 사실을 확인하였다.

초기 동종 마우스 이식연구을 통하여 9.5Gy 이상의 방사선조사 및 동종형식으로는 백혈병이 완치되지는 않지만 동종이식으로는 백혈병이 완치되는 "이식편대백혈병 효과(graft-versus-leukemia effect)"가 발견되었고 또한 추후 이식편대숙주질환으로 밝혀진 이차질환도 기술되었다.

1952년에는 마우스의 H₂유전자에 해당하는 사람백혈구항원(human leukocyte antigen, HLA)을 기술하였고 1957년에는 최초로 6명의 말기 백혈병 환자가 방사선치료 후 정상인으로부터 골수를 이식받았으나 효과를 보지 못하였다.

이후 개에서의 실험을 통하여 개백혈구항원(dog leukocyte antigen, DLA)의 일치가 골수이식 성공에 중요함이 알게되었고 많은 임상 경험을 통하여 1982년에는 백혈병 환자의 골수이식에 있어서 싸이크로포스파마이드(cyclophosphamide)와 전신방사선조사(total body irradiation, TBI)를 이용하는 전처치 기법이 확립되었다.

1983년에는 방사선조사 없이 약물로만 전처치를 시행하는 부설판(busulfan)-싸이클로포스파마이드(cyclophosphamide) 전처치가 기술되었고, 1998년경에는 환자의 골수 제거가 아닌 면역억제만으로 조혈모세포이식을 가능하게 하는 강도경감 전처치(reduced-intensit conditioning, RIC)가 기술되었다.

1980년대 중반부터 개발된 세포의 냉동보관 및 해동 기술은 자가조혈모세포이식을 가능하게 하였다. 환자와 환자의 형제 한 사람이 HLA가 일치할 확률은 25%이며 n명의 형제를 가진 환자가 HLA가 일치하는 형제를 찾을 확률은 따라서 1-(0.75)ⁿ이다. 전체적으로 동종조혈모세포이식이 필요한 환자가 HLA가 일치하는 형제를 찾을 가능성이 30% 정도이므로 많은 환자에서 HLA가 일치하는 공여자를 찾기 힘들다.

타인공여자로부터의 조혈모세포이식을 비혈연간 조혈모세포이식(matched unrelated donor HSCT)이라 부르며, 공여자를 쉽게 찾기 위하여 공여자 등록체계가 확립되었는데 우리나라의 경우 한국조혈모세포은행협회와 가톨릭조혈모세포정보은행이 있다.
 

한편 1980년대 말에는 골수뿐만 아니라 말초혈액에도 조혈모세포가 존재함이 기술되었고, 1990년 초부터는 조혈모세포를 가동화하여 말초혈액으로부터 조혈세포를 백혈구분반술(leukapheresis)을 이용하여 채취하게 되었다.

이를 말초혈액 조혈모세포이식(peripheral blood hematopoietic cell transplantation)이라 기술하였다. 또한 신생아 출산 때에 버려지는 태반과 탯줄에도 조혈세포가 존재함이 알려졌고 이를 이용한 이식을 제대혈 조혈모세포이식(cord blood hematopoietic cell transplantation)이라 부른다. 최근에는 골수를 포함한 다양한 경우의 이식을 통칭하여 조혈모세포이식이라고 부른다.

●조혈모세포이식의 분류

 1) 조혈모세포이식 공여자 세포의 면역학적 특성에 따른 분류
  - 자가이식(autologous transplantation): 환자 자신의 세포를 냉동 보관하였다가 해동하여 이식
  - 동계이식(syngeneic trasplantation): 일란성 쌍생아 형제간의 이식 (HLA-identical twin)
  - 동종이식(allogeneic transplantation): 가족이나 타인간 이식 (HLA-identical sibling or matched unrelated donor)

? Donors are pretreated with G-CSF to increase the amount of stem cells
? Treatment-related morbidity and mortality are higher, due to GVHD and infections

2) 조혈모세포의 획득 근원에 따른 분류
  - 골수이식(BM transplantation): 공여자의 골수세포를 장골(iliac bone)로부터 흡인 채취 이식
  - 말초혈액조혈모세포이식(PB HSCT): 공여자 말초혈액으로부터 가동화된 조혈모세포를 분반술

    (leukapheresis)을 통하여 채취 이식
  - 제대혈조혈모세포이식(cord blood HSCT): 제대혈로부터 채취한 조혈모세포를 이식

●조혈모세포이식의 방법

형제나 타인간에 조혈모세포이식을 시행할 경우 골수에서 약 1200mL의 골수를 채취하여 환자에게 이식한다. 1200mL의 골수에는 약 1000mL의 적혈구, 160-180mL의 단핵세포, 그리고 20-40mL의 과립세포가 존재한다. 단핵세포의 대부분은 림프구이며 극히 일부가 이식하였을 때 착상을 하여 환자의 조혈기능을 회복시킬 수 있는 조혈모세포이다.

조혈모세포의 숫자를 측정하기 위하여 임상에서는 CD34라는 단클론항체(monoclonal antibody)를 세포에 반응하여 양성 세포의 수를 유세포분석(flow cytomety)을 통하여 측정한다. 일반적으로 환자에게 이식되는 세포 수는 단핵세포로 0.5-10×10?/kg, CD34양성 세포로 1-10×10?/kg이다. 말초 조혈모세포이식의 경우 골수에서 채취한 세포수보다 단핵구는 약 10배, CD34 양성 세포는 약 2배의 세포가 투여된다.

●동종조혈모세포이식의 면역학
 

성공적인 동종조혈모세포의 착상과 기능을 위하여 이식 전처치로 환자의 면역체계를 억제하는 것이 필수적이다. 대개 악성혈액질환의 경우 TBI와 싸이클로포스파마이드(cyclophosphamide)를 투여한다. TBI 대신 부설판(busulfan)을 투여할 수도 있다. 재생불량빈혈의 경우 싸이클로포스파마이드와 항흉선세포글로불린(anti-thymocyteglobulin, ATG)을 투여한다. 이러한 전처치는 강력한 면역억제 효과를 나타낸다. 전처치를 강화하면 항백혈병 효과는 상승하지만 전처치에 따른 부작용이 증가하여 그 효과가 상쇄된다.

최근에는 백혈병의 치료에 전처치의 항백혈병 효과보다 오히려 이식편대백혈병 효과가 중요함이 알려지고 또한 골수제거 없이 면역억제만으로 동종세포의 착상이 가능하는 것이 알려지면서 플루다라빈(fludarabine)을 근간으로 한 가도경감 전처치의 사용이 증가하고 있다. 자가 조혈모세포이식의 경우 전처치는 면역억제의 목적이 아닌 고용량 함암요법의 목적으로 사용된다.

조혈모세포이식을 시행하고 이식된 조혈세포가 환자에서 기능을 시작하였다는 첫 번째 징후는 중성구의 증가이다. 이식 초기에는 매일 CBC를 시행하며 말초혈액 중성구의 수(absolute neutrophil count, ANC)가 500/㎣ 이상으로 이틀 이상 지속되는 이를 생착이라 부른다. 대개 동종조혈모세포이식의 경우 이식 후 15-20일에 생착이 이루어진다. 혈소판의 회복은 대개 중성구의 회복보다 더디며 이식 후 3-5주에 이루어진다.

이식 후에는 공여자로부터 유래한 조혈기능과 면역기능이 환자의 조혈기능과 면역기능을 완전히 대체하게 되어 환자의 체내에 두 개의 유전적 배경을 가진 독립된 조직이 공존하는 완전 키메라 현상(full chimerism)이 성립된다. 이는 고형장기이식의 경우와는 달리 조혈모세포이식의 경우 이식된 공여자의 면역기능이 환자의 다른 장기와 면역관용(immune tolerance)의 상태를 이루기 때문이며 이러한 면역관용의 성립에 이식된 조혈세포로 유래한 T세포가 흉선(thymus)을 통하여 분화 및 증식하는 것이 중요함이 밝혀졌다.

이러한 면역관용 현상은 동종조혈모세포이식의 성공 여부를 결정하는 요소인 이식 후 환자의 면역억제 상태, 이식편대숙주반응, 그리고 이식편대종양반응에 지대한 영향을 미친다.

동종조혈모세포이식 후 성공적인 면역학적 회복의 기준은 다수의 다양한 항원 특이성을 가진 T세포의 회복이다. 현재 동물 실험을 통하여 T세포의 회복이 대략 세 가지 기전을 통하여 이루어진다는 것이 밝혀졌다. 즉 ① 흉선에 의존한 골수세포로부터의 T세포 분화 및 증식, ② 이미 성숙된 T세포의 말초 확장, 그리고 ③ 골수세포의 비흉선의존 T세포 분화 및 증식 등이다.

환자에 이식된 골수세포 중 일부는 골수에서 림프전구세포(lymphoid precursor)로 분화 증식하고 T세포 수용체를 발현하면서 흉선에서 환자 자신의 주조직적합복합체(major histocompatibility complex, MHC) 분자에 합당한 T세포 수용체를 가진 림프구 클로닝 선택이 되고(positive selection), 이어서 자기 자신의 조직 항원에 반응하는 T세포 클론의 탈락(negative selection)이 이루어진다.

 이러한 T세포의 흉선에 의존한 분화 증식은 마치 태아에서 정상적으로 T세포가 흉선을 통하여 분화 증식하면서 자기만의 독특한 MHC 분자에 제한된(MHC-restricted), 그리고 자기자신의 조직에는 반응하지 않는 T세포의 생성과 비슷하다 하여 “recapitulation of ontogeny"라는 현상으로 기술되었다. 이러한 림프구 클론의 선택과정의 오류가 만성이식편대숙주질환의 발생고 연관이 있다고 생각되고 있다.

위의 흉선에 의존한 T세포의 분화 증식 이외에 가장 중요한 T세포 증식의 기전은 말초 확장(peripheral cxpansion)이다. 이식된 조혈모세포 중 이미 T세포 수용체 유전자 재배치가 끝난 성숙된 T세포가 환자의 체내의 새로운 항원의 자극을 받아 급격하게 증식하는 것이다. 말초 확장에 의한 T세포 증식은 환자의 나이가 많을수록 흉선의 기능이 저하되기 때문에 상대적으로 더 중요한 T세포 증식의 기전이 된다.

환자의 나이가 적을수록 흉선의 기능이 좋기 때문에 말초 확장에 의한 T세포 증식은 억제된다. 말초 확장에 의해 증시된 T세포는 일반적으로 T세포 수용체의 다양성에 제한이 있다. 흉선에 의존하여 증식한 T세포와 말초 확장에 의한 T세포는 CD45항원(leukocyte common antigen)의 한 종류인 CD45R항원의 차이에 의하여 구분할 수 있다. 흉선에 의존하여 증식한 T세포는 고분자량 형태의 CD45RA항원을 나타내는 데 비하여, 말초 확장에 의하여 생성되는 T세포는 저분자량 형태의 CC45RO항원을 나타낸다.

환자의 연령이 면역 기능의 회복과 연관성이 있으며, 이식 1년 후 T세포의 절대수가 환자의 연령과 반비례하는 경향이 있다. 제대혈조혈모세포이식 후 일반적으로 생착이 늦으나 면역 기능의 회복은 소아에서는 비혈연간 조혈모세포이식과 비슷하다.

 
●소아 조혈모세포이식

소아에서 조혈모세포이식은 성인과 다른 특수한 면이 고려되어야 한다. 소아의 조혈모세포이식이 불리한 점으로는 성인과 약물역동학적으로 차이가 있으며, 이식 대상질환별 환자 수가 적어 무작위 임상연구를 수행하기가 어렵다. 또한 성장장애를 포함한 내분비장애가 오는 경우가 성인보다 많은 경향이 있으며, 특히 TBI를 포함한 전처치 후 발생할 수 있는 후기 합병증에 취약하다.

소아에서의 조혈모세포이식이 유리한 면은 골수구계열 세포의 생착이 성인보다 빠른 경향이 있으며, 심한 이식편대숙주질환의 발생 빈도가 낮다는 것이다. 또한 비혈연 도는 불일치이식이나 이식 관련 독성에 대해 성인보다 내성이 좋으며, 이식 후 면역 기능의 회복이 더 빠르고 완전한 경향이 있다.

●결론

조혈모세포이식은 1970년대에 도입이 된 이래 백혈병과 재생불량빈혈의 치료에 표준요법으로 자리잡았다. 그러나 현재도 조혈모세포의 근원(형제, 타인, 말초혈액, 제대혈), 이식 가능한 HLA의 유사 정도, 그리고 대상질환(림프종, 다발골수종, 고형종양, 선천성대사이상, 선천면역결핍 등)에 있어서 끊임없이 발전하고 있다. 한편 MHC에 대한 연구를 포함한 면역학의 발전이 조혈모세포이식의 발전에 기여한 바가 매우 크며 반대로 동종조혈모세포이식 후 면역학적 회복과 감염의 양성에 대한 연구가 면역학의 발전에 기여한 바도 크다. 

[출처] 조혈모세포이식의 역사, 방법, 그리고 면역학|작성자 청해지기