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장기이식에서 면역관용의 감시

경희대학교 의과대학 강동경희대병원 신장내과 / 문주영ㆍ이상호

서 론
지난 반세기 동안 신장이식과 간이식은 말기신부전과 급, 만성간부전 환자에서 최선의 치료로 자리매김하게 되었다. 또한 면역억제제의 개발은 급성 거부반응의 발생률을 낮추고 이식장기의 단기 생존율 증가에 큰 기여를 담당하였으나 아직 이식장기의 장기 생존율은 크게 향상되지 못한 상태이다. 이는 장기생존에 영향을 미치는 급, 만성 거부반응에 대한 완전한 해결책이 존재하지 못하는 현실에서 다양한 부작용을 가지고 있는 면역억제요법을 평생 지속해야 하기 때문이다.
이식 항원에 대한 면역반응의 기능적 또는 분자생물학적 반응을 측정하는 면역 감시(immune monitoring)는 급성 거부반응과 면역관용 상태를 사전에 예측함으로써 환자에 따른 맞춤치료에 활용할 수 있을 것이다. 급성 거부반응을 예측하는 여러 방법이 개발되고 소개되고 있지만 면역관용을 예측할 수 있는 효과적인 면역 감시 방법은 아직까지 그 효과가 증명되지는 못한 상태이다.
최근에 발전을 거듭하고 있는 면역억제제의 개발에도 불구하고 면역억제제의 장기적인 사용은 약제 독성, 감염, 악성 종양의 발병 위험성 등의 부작용을 피할 수는 없다. 따라서 면역관용은 모든 이식 전문의의 궁극적 목표라 할 수 있다. 면역관용은 임상적으로 두 가지 측면에서의 접근이 가능하다. 첫째는 효과적인 면역관용의 유도 방법을 개발하는 것이며, 둘째는 면역억제치료를 받고 있는 환자에서 관용 상태에 있는 환자를 구별해내는 것이다. 특히 면역관용 상태의 환자를 효과적으로 감시할 수 있다면 선택된 환자들에서 면역억제제를 감량하거나 중단할 수 있을 것이다. 또한 면역관용의 감시 방법의 개발은 보다 효과적인 면역관용 유도요법을 개발하는 함에 있어서도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
현재까지 면역관용 감시에 활용되거나 제안된 방법은 크게 두 가지 접근으로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 면역검사법을 이용한 면역관용 감시 방법이다. 하지만 대부분의 방법들이 급성 거부반응의 사전 예측에 어느 정도 유용성이 제시되고 있지만 면역관용 상태의 감시 측면에서는 유용성이 떨어지는 것이 현실이다. 둘째는, 최근 단백체학 및 전사체학의 발전으로 이식환자의 혈액 및 소변을 이용한 면역관용 바이오마커를 개발하는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 본 논평에서는 신장이식과 간이식에서 면역관용을 예측하기 위해 그 동안 연구되었던 면역감시 방법들을 소개하고 향후 임상적 적용을 위한 고려사항을 고찰하고자 한다.

장기이식에서 면역관용과 모니터링
고형 장기 이식에서 외부 장기의 주조직적합복합체(major histocompatibility complex, MHC)에 대한 직, 간접적인 인식은 면역반응을 필연적으로 수반하게 되므로 이식장기의 장기생존을 위해서는 3가지 전략이 가능하다. 첫째 공여자, 수용자 간의 완전한 조직적합성 항원의 일치, 둘째 비특이적 면역억제제의 사용, 마지막이 면역관용의 유도이다.
공여자와 수용자 간의 완전한 조직적합성 항원의 일치는 임상적으로 불가능하고 면역관용 유도 프로토콜은 현재까지 개발 단계에 머물러 있으므로 임상의는 고형장기 이식에서 비특이적 면역억제제를 사용할 수밖에 없다.
또한 장기 이식은 시행 순간부터 면역학적 손상의 시작을 의미하고 이를 예방하고자 하는 면역억제제의 사용은 약물 부작용의 시작을 동시에 의미하기 때문에 이식장기는 이식 시점부터 지속적인 손상에 노출되게 된다. 따라서 현재 장기이식의 가장 큰 문제는 환자 개개인의 면역반응의 정도에 대한 고려 없이 획일적인 비특이적 면역억제제를 사용함에 있다고 규정지을 수 있다. 따라서 환자의 면역관용 상태를 적절하게 감시할 수 있다면 면역억제요법의 수준을 조절하여 거부반응과 불필요한 면역억제제의 부작용을 예방할 수 있을 것이다.
이식 관용(transplantation tolerance)은 개념적으로 이식장기에 대한 파괴적 면역반응이 선택적으로 소실됨을 뜻한다. 동물 모델, 특히 설치류 모델에서는 이식 관용이 실험적으로 성공하였으며 이를 통해 획득된 이식 관용은 공여자 선택적이며 단지 이식장기에 대한 면역반응의 실패가 아닌, 보다 선택적으로 면역반응이 일어나지 않게하는 활동적 과정으로서, 다양한 기전이 작용한다는 사실들이 밝혀지고 있다. 반면에 영장류 실험에서는 개념적 이식 관용이 아직 성공하지 못하였고 임상적으로 면역억제제를 사용하지 않고도 의미 있는 이식장기의 손상 증거 없이 장기간의 생존을 유지하는 상태, 즉 operational tolerance 상태의 환자를 우연히 발견하는 정도에 그치고 있다.
이러한 operational tolerance는 다른 병적 상황에 따라 의사가 의도적으로 또는 환자가 자의적으로 면역억제제를 중단하는 경우에만 발견되므로 임상에서는 아직 활용되기 힘든 상태이다.
이러한 배경에서 1999년 미국 보건기구가 주축이 되어 Immune Tolerance Network가 결성되었으며 이후 임상이식 분야에서 operational tolerance를 유도하고 이를 효과적으로 감시하고자 하는 시범 연구들이 간 및 신장 이식 분야에서 활발히 진행되기 시작하였다.
면역관용유도 연구로는 신장이식 분야에서는 mixed chimerism을 이용한 방법, Campath-1H, tacrolimus, sirolimus 복합 면역억제제 사용, 공여자 줄기세포 주입법, LEA29Y 이용 등이 연구되었다. 간이식 분야에서는 비교적 operational tolerance의 유도가 용이하여 거부반응의 위험도가 적을 것으로 예상되면서 동시에 약제의 부작용이 문제가 되는 C형 간염 환자를 주로 대상으로 하였고, 소아 환자에서는 경험적 시도 또는 Campath-1H 유도법 등이 주로 시도되었다.
이러한 임상적 면역관용 유도를 위한 지속적인 노력은  또 다른 큰 숙제를 동시에 남기게 되었다. 바로 면역관용이 이미 유도된 환자를 감별해내고 또 유도 가능성이 있는 환자를 선별하는 방법의 개발이 면역관용의 임상 적용을 위해 선행되어야 한다는 점이다. 따라서 효과적인 면역관용의 감시 방법의 개발은 보다 효과적인 면역관용유도요법의 개발에 있어서도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

※ chimerism : 한 개체에 기원이 다른 세포가 공존하는 것. 

면역관용의 면역학적 감시
면역학적 감시의 이해를 돕기 위해 Table 1에 이식 면역에 관여하는 면역세포의 종류와 각각의 기능에 대한 전반적 개괄을 기술하였다. 이 같은 면역세포의 수와 기능을 분석함으로써 장기이식 환자의 장, 단기 예후를 평가하고자 하는 노력은 현재까지 진행된 임상 이식과 역사를 같이 한다. 각각의 선천면역과 적응면역에 작용하는 면역세포들은 면역 활성 및 염증 유도 작용 외에 면역조절에도 동시에 관여하고 있음이 역시 잘 알려져 있다. 게다가 이들 면역세포의 절대 또는 상대적인 수가 변화 없다 하더라도 공여자 항원에 대한 세포의 활성 및 사이토카인 분비능은 크게 달라질 수 있어 면역검사법을 이용한 면역관용의 감시는 해석에 주의를 요한다.
현재까지 면역관용 감시에 활용되거나 제안된 면역학적 검사 방법은 역시 크게 두 가지 접근으로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 공여자 항원에 특이적 면역반응을 실험실 또는 동물 모델을 이용하여 직간접적으로 측정하는 방법으로 mixed lymphocyte reaction(혼합림프구반응)을 이용한 방법, ELISPOT(single cell enzyme linked immunosorbent assay), trans-vivo DTH 분석, hematopoietic chimerism 분석 등이 이에 속한다. 둘째는 공여 항원 비특이적 면역관용 감시방법이며 CD30을 포함한 각종 soluble marker의 측정법, immuknow 측정법, 말초혈액 T cell(Treg) 분석법 또는 관해 유도 dendritic cell 분석법 등이 이에 속한다.
하지만 대부분의 방법들이 급성 거부반응의 사전 예측에 어느 정도 유용성이 제시되고 있지만 면역관용 상태의 감시 측면에서는 유용성이 떨어지는 것이 현실이다.  Table 2에는 면역관용 감시에 활용 가능한 주요 면역 감시법들을 기술하였다.

공여자와 수용자 간의 면역 반응 감시의 가장 기초적인 방법은 mixed lymphocyte reaction(혼합림프구반응)을 이용하는 것이다. 이는 공여자와 수용자 사이의 MHC class II의 차이에 의한 면역반응을 알아보는 방법으로 임상에 적용성을 높이기 위해 표적 세포에 Cr51 또는 CFSE를 표지하여 보다 정량적 분석을 가능하게 하고 수용자의 림프구의 농도를 다양한 분획을 주는 희석법도 개발이 되었다. 하지만 이러한 mixed lymphocyte reaction을 기초로 개발된 면역감시 방법은 naïve 또는 memory T 림프구 간의 역할을 감별할 수 없으며 원론적으로 항원 인식과정의 direct pathway에 대한 반응을 검출할 수밖에 없고 실제 in vivo의 이식장기에 미치는 영향을 예측할 수 없는 단점들을 가지고 있어 면역관용 감시에서 유용성이 떨어진다. 반면에 ELISPOT은 공여자의 항원에 대한 활성 또는 memory T 림프구 반응으로 분비되는 사이토카인을 정량적으로 분석함으로써 민감도와 재현성이 높고 조합에 따라 indirect pathway(간접경로)에 대한 분석이 가능하므로 급성거부반응의 예측뿐만 아니라 면역관용 감시에 활용될 가능성이 있다. 향후 면역관용 감시에서 ELISPOT의 유용성에 대한 보다 많은 연구가 필요한 상황이다.
In vivo 실험을 이용한 trans-vivo delayed-type hypersensitivity(DTH) assay 역시 공여자 항원에 대한 수용자의 면역 반응 체계를 regulator 및 sensitized 표현형으로 구분할 수 있다. 공여자 특이 tolerance 발생의 진단에 타 면역검사법에 비해 이론적으로 우월하고 이 같은 분석 결과를 통해 면역억제제 감량을 시도하여 효과를 제시한 연구결과도 보고되었지만, 정량화 및 재현성에 한계를 보이며 실제 면역관용 환자를 대상으로 그 유용성이 증명되지는 못한 상태이다.
공여자 항원 비특이적 면역감시법으로는 Treg monitoring과 ImmuKnow assay가 대표적 방법들이다. 고전적 개념상 Treg은 면역관용 유도와 유지에 핵심 역할을 담당하므로 이식 환자의 말초혈액에서 CD4＋CD25high, FOXP3 발현 양성을 모니터링하여 면역관용상태를 파악하고자 하는 노력이 주로 시도되었다. 하지만 연구결과들에서 비록 관용환자들의 말초혈액에서 Treg의 분포는 만성거부반응 환자보다는 증가되어 있지만 안정된 면역억제요법을 받고 있는 환자와는 큰 차이가 없어 임상활용에 유용성은 없는 상태이다.
ImmuKnow assay법은 면역세포(CD4＋) 내 adenosine 5-triphosphate 양을 phytohemagglutinin 자극 후 직접 측정하는 방법으로 환자의 CD4＋에 대한 면역억제 정도를 파악하는 데 유용하며 미국 FDA의 승인도 받은 상태이다. 하지만 Immunknow assay는 장기간 반복 측정을 통한 상대적 변화량이 임상적으로 유용하고 특히 면역관용 상태의 예측에 대해서는 연구된 바가 없다.

Omics를 이용한 면역관용의 감시
장기이식은 개념적으로 수용자와 다른 공여자의 genome을 이식하는 genome 이식으로 규정할 수 있다. 따라서 공여자와 수용자의 면역 또는 비면역계의 다양한 유전자의 다형성이 이식장기의 장기생존 또는 관용 유도에 영향을 미칠 수 있다. 또한 이식 후 면역반응과 다양한 원인에 의한 장기의 손상은 조직 및 말초혈액의 전사체나 단백체에 영향을 미칠 수 있으며 이는 진단적으로 활용이 역시 가능하다.
이식 분야에서 임상 양상에 따른 유전적 소인을 분석하려는 노력은 지난 수십 년간 많은 연구자에 의해 시도되었으나 일부 약물 유전체학에 미치는 효과를 제외하고 그 결과는 만족스럽지 않으며 더구나 면역관용에 영향을 미치는 유전자 변이는 아직 보고되지 못한 상태이다.
면역관용 측면에서 가장 활발히 연구되고 있는 genome 연구 분야는 전사체학이다. 실제로 환자 조직에서의 전사체의 특성 분석은 임상적으로 단일 질병, 심지어 병리학적으로도 단일 질병으로 규명된 질환이라 하더라도 병태생리학적인 차이를 보이는 특정 세부 질병군으로 구별하는 데 유용하게 활용되고 있다. 이 같은 배경에서 말초혈액 백혈구의 전사체를 분석하여 이식환자의 면역반응상태를 알아보고자 하는 연구들이 최근 10년간 활발히 진행되었다. 대표적인 결과가 심장이식 환자의 말초혈액 전사체를 분석하여 급성거부반응을 진단하는 Allomap 진단법이며, 2008년 미국 FDA의 승인을 받았다.
신장이식에서 처음 말초 전사체 분석을 통한 관용 유도 환자를 구별하고자 하는 노력은 Brouard 등에 의해 처음 보고되었다. 이들은 원저에서 면역관용을 보이는 신장이식 환자의 말초혈액에서 TGF-β 관련 전사체의 발현이 증가되었다고 주장하였으나 이후 후향적 분석에서 B 림프구 관련 유전자들이 주로 면역관용 환자에서 증가되어 있음이 밝혀졌다. 2009년 미국의 Immune Tolerance Network 그룹과 유럽의 Reprogramming the Immune System for the Establishment of Tolerance (RISET) 연구진에 의해 신장이식 관용 환자의 말초 혈액에서  B 림프구 전사체의 발현이 증가되어 있음이 보고되면서 신장이식 면역관용에 B 림프구의 역할이 주목 받게 되었다.
반면에 간이식 분야에서는 2008년 Martínez-Llordella 등이 간이식 관용 환자의 말초혈액에 natural killer cell(자연 살해 세포)와 γδ T 림프구 관련 전사체의 발현이 증가되어 있다고 보고하였다. 이는 면역관용에 관여하는 병태생리기전과 말초전사체 바이오마커가 이식장기에 따라 다를수 있음을 시사하는 것이다. Lozano 등은 신장과 간이식 환자를 동시에 말초혈액 전사체 분석을 통해 신장이식은 B 림파구 관련 전사체, 간이식 관용은 natural killer 세포 관련 전사체가 주로 관여함을 역시 증명하였다. 한편, Li 등은 성인뿐 아니라 소아 간이식에서도 natural killer 세포 관련 전사체가 관용 환자에서 증가되어 있음을 보고하였다. 이 같은 연구결과들은 면역관용이 이식장기에 따라 발생 기전이 차이가 있음을 시사함과 동시에 면역관용을 감시하고자 하는 노력이 관용 유도의 새로운 기전을 규명하는 데 유용하게 활용될 수도 있음을 보여준다.
아직 이식 관용 환자에서 관용 특이 단백질을 규명한 연구는 없는 상태이다. 하지만 단백체 바이오마커, 특히 소변 단백체학을 이용한 면역 감시 연구 역시 활발히 진행되고 있어 가까운 시일에 이식 관용의 진단적 감시에 활용 가능한 단백체가 규명될 것으로 기대되고 있다.

※ genome : 한 생물이 가지는 모든 유전 정보를 말하며 유전체라고도 한다. 일부 바이러스의 RNA를 제외하고 모든 생물은 DNA로 유전 정보를 구성하고 있기 때문에 일반적으로 DNA로 구성된 유전 정보를 지칭한다

omics : 합성론적으로 생물학을 총체적으로 이해하고, 각 체계학적 부분들의 관련성으로부터, 새로운 지식을 대량으로 창출

γδ-T 림프구 : 적응 면역의 초기 형태로 우리 몸의 약 1~10% 정도를 차지한다. 세포성 면역을 나타낼 수 있어서 감염된 세포를 죽일 수 있다.

natural killer cell : T 세포도 B세포도 아닌 림파구로 면역되지 않은 개체에 존재하며 MHC와 무관한 방법으로 암세포를 죽일 수 있는 세포독성 면역 세포.

결 론
공여자 특이 또는 비특이적 면역반응 검사법을 이용한 대부분의 연구들은 급성 거부반응의 사전 예측에 어느 정도 유용성이 제시되었지만 면역관용 상태의 감시 측면에서는 유용성이 입증되지 못한 것이 현실이다. 하지만 최근 단백체학 및 전사체학의 발전으로 이식환자의 혈액 및 소변을 이용한 면역관용 바이오마커를 개발하는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 특히 microarray(분자생물학 실험)를 이용한 말초혈액 전사체 분석은 면역관용 바이오마커의 개발에 국한되지 않고 면역관용의 발생 기전을 이해하는 데 새로운 단서를 제공하고 있으며 장기별로 면역관용의 발생 기전에 차이가 있음을 시사하고 있다. 새롭게 발견된 면역관용 바이오마커들이 임상에 적용되기 위해서는 전향적 연구들 통해 바이오마커의 유용성이 먼저 증명되어야하며 면역관용에 미치는 병태생리학적 기전을 밝히고자 하는 노력이 우선되어야 할 것이다.

※ microarray : 슬라이드글라스에 서로 다른 DNA를 고밀도로 집적시켜 유전자들이 어떻게 상호 작용을 하는지를 밝히는 연구방법.

대한이식학회지 | 26권 4호 2012

[유비무환]

클로버님 안녕하세요..요즘 활동을 하지 않으신듯 하여 아쉬운 마음에 게시글을 보니 반갑고 감사한 마음입니다..
그런데 글을 읽어도 어렵네요.ㅎㅎ
한가지 질문이 있는데요...왜 이식인들마다 fk506 농도수치가 다른지요?
개인의 면역차이 라고 이해 해야 하는지요?..
어제 올린 제 게시글을 참조하여 답변 부탁드려 봅니다...^^
fk농도의 적절 가이드라인은 없는건가요?..
항상 건강하시고 행복하시길 바랍니다..무탈하세요~^^

[클로버]

Tacrolimus 권장 약물농도
이식센터 별로 간이식 후 유지하는 혈중농도는 차이가 있어요. 그냥 내주치의가 최고입니다.

[유비무환]

아..네~~클로버님...
이식센타마다 약간의 차이가 있는거군요...
그리고 약물마다 차별성이 있나 봅니다..저희는 그냥 다 같은 약물정도로 일반적으로 생각했네요..
귀한자료 찾아서 올려주시는 그 수고로움에도 감사드립니다..

맞습니다..내 주치의가 최고입니다....공감합니다..~^^
감사합니다.~~~~~~~~~~^^건강하세요~^^

[유비무환]

영어님...왜 지우셧나요?ㅠ
전문적인 지식에 감탄하며 매우 감사해하며 두번 세번 읽어봣습니다..
의학적인 지식이 매우 풍부하신 분 같아요...긴 답글에 매우 감사드립니다~~~~~^^
혹시 의료진이세요?...일반인 같지 않은 전문성이 돋보엿습니다..^^
영어님의 답글을 읽고서 저의 무지한 관점으로
fk농도 가 낮게 유지되는 이식인들은 거부반응없이 공여받은 간을 잘 받아 들이고 있는 것이라고 해석되어졌으며..
아...면역억제제 종류도 누적되는 진료 상담에 마추어 조율되어 가장 적합한 약물과 농도로 처방내려진 것이라고..이해했습니다..
결과적으로
저희는 면역관용까지는 아니더라도 낮은 수치를 유지해도 될만큼 유전적으로..체질적으로..면역체계적으로..조금 안정적이라는 생각을 가지게 되었습니다..
주신 답글에 대한 저의 이해가 바른건지요?.....

월권 같아서 바쁘신 교수님께도 물어보지 못한 부분이고 우리모두의 궁금증일텐데...
모두 한번쯤 읽어두시면 도움될만한 글이었는데.....삭제되어져서 매우 아쉽습니다.
영어님 다시 올려주시면 안될까요~
자주 글 올려주시고 ...항상 무탈하시고 건강하세요...행복하세요~
답글 감사합니다 ^^

[주께감사]

그러게요.

굉장히 전문적이고
이해하기 쉽게 설명 해주셧는데..

아쉽습니다.

[유비무환]

혹시 클로버님께서 영어님이신가요?~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
아..주신 답글이 지워져서 너무 아쉽습니다 ...........감사합니다..

[클로버]

아닙니다.
70세까지 리버가이드에 출근해야지요.

[유비무환]

아...네~^^...
우가차카님과 클로버님께 많은분들이 항상 감사의 마음을 가지고 계신답니다..
백이십세까지 출근 해 주세요~ .~^^
항상 좋은자료 올려주시고 궁금한 사항에 지침의 댓글 주셔서 감사드립니다..
건강하세요..^^