심혈관 손상과 보호: 미토콘드리아 활성산소의 양면적 기능

심근 경색에 의한 산소 및 영양소의 차단은 세포들의 정상적인 활동을 방해하고, hypoxia condition에서 살아가고 있다. 

역설적이게도, 심근 경색을 일으킨 원인을 제거하여 재관류(reperfusion)를 유도하고 산소와 영양소가 다시 공급되는 환경으로 유도를 해주면, 해당 부위에서 metabolism 이 과다하게 발생하여 과도한 reactive oxygen speices (ROS, 활성산소)를 만들게 된다. 과도하게 생성된 활성산소는 허혈부위 주변의 세포와 조직들을 파괴할 수 있어서 이를 보호할 수 있는 재료의 개발이 필요하다. 

 

I/R injury 대표 발현 증상

• 세포의 괴사성 사멸(necrotic cell death)
• 미토콘드리아가 비정형적인 형태
• 근섬유 수축상태 지속, 막의 투과성 증대(구멍나서) - 세포 내 효소의 방출, 칼슘의 과축적

 

재관류 시 생성되는 과도한 활 성산소가 죽어가는 세포의 사멸을 촉진할 수 있다는 가설이 제시되었으며, I/R 손상 시 활성 산소(특히 superoxide)의 생성이 미토콘드리아의 기능 저하를 유도할 수 있다는 것은 1970 년대 중반이 되어서 실험적으로 입증

 

활성산소 관련 미토콘드리아 치료법

mitochondrial permeability transition pore(mPTP) 억제

 

 I/R 에 의한 심근 세포 손상을 치료하는 항산화 전략 - 결국 항산화 치료 법은 임상에서 비효과적인 것으로 판명되었다.(2012)

하지만, 최근에 사용된 미토콘드리아를 표적으로 하는 MitoVit-E, Alda1(aldehyde dehydrogenase 2 의 activator), MitoQ(mitoquinone), SkQ1 (plastoquinone)과 같은 항산화 물질은 I/R 에 의한 산화적 스트레스를 줄여 심장 보호 효과 를 보여주었다[6~8].

 

I/R injury

미토콘드리아 <-> 활성산소

 

 

 

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[참고문헌]

ER16-249_The_Role_of_Mitochondrial_Reactive_Oxygen_Species_in_Cardiovascular_Injury_and_Protective_Strategies_N134.pdf

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심혈관 손상과 보호: 미토콘드리아 활성산소의 양면적 기능
김성환 (The Warren Alpert Medical School of Brown University 연구원, 한국화학연구원 , 책임연구원 )

분석자 서문

 재관류(reperfusion)란, 혈액이 차단된 허혈 조직에 혈액을 재공급하는 것으로, 이는 심근경색 환자의 보편적인 치료 방법이다. 하지만, 재공급된 혈액은 허혈 부위에 손상을 유발할 수 있는데, 이를 국소빈혈/재관류 손상 (ischaemia/reperfusion injury, I/R injury)이라고 하며, 미토콘드리아에서 유래된 과다한 활성산소(reactive oxygen species, ROS)의 생성이 주요한 손상 메커니즘으로 알려져 있다. 하지만, 허혈 혹은 재관류 부위의 미토콘드리아에서 자연적으로 생성되는 미량의 활성산소는 심장 보호의 기능을 갖고 있어, 미토콘드리아의 활성산소는 심장 손상 및 보호의 양면성을 갖고 있다고 할 수 있다. 따라서, 본 논문에는 미토콘드리아 활성산소의 양면성에 대하여 살펴보고, 미토콘드리아를 표적으로 하는 심장 보호 전략에 대하여 논의하겠다[1].

 

1. 서론

 심장의 I/R 손상은 심근경색을 포함한 급성 관상동맥(심장혈관) 증후군의 위험 요소 중 하나이다. 심근경색(myocardial infarction, MI; 심장 혈관이 막혀 충분한 영양분과 산소가 공 급되지 않아 심장근육이 손상되는 질환)은 전 세계적으로 높은 치사율을 보이는 질환으로, 매년 수백만 명이 심근경색으로 사망한다[2]. 심근경색을 치료하기 위한 보편적인 방법으로는 혈전용해술(thrombolysis)이나 관상동맥혈관형성술(angioplasty)을 이용한 관상동맥 의 재관류 방법이 있다. 하지만, 허혈 부위는 재공급된 혈액으로 인하여 손상을 받을 수 있는데, 이를 I/R 손상이라고 하며, 이는 미토콘드리아에 의해 조절될 수 있음이 다수의 연구 결과를 통해 입증되었다[3]. 따라서, 미토콘드리아가 I/R 손상에서 심장을 보호하기 위한 주요한 타깃으로 결정된 다수의 ‘미토콘드리 아 표적 치료법’이 현재 임상 시험 중에 있다.

 미토콘드리아의 기능 이상을 초래하는 다수의 메커니즘 중에서, 과도한 활성산소의 생성은 심근 세포 사멸과 이와 관련된 다양한 메커니즘을 유도하는 주요한 원인으로 알려져 있다.

 이렇게, 미토콘드리아에서의 과도한 활성 산소 생성은 허혈성 심근 손상 메커니즘이지만, 미량의 활성산소 생성은 심장 보호 기능을 한다고 알려져 있다. 따라서, 본 논문에는 이러한 미토콘드리아 활성산소의 양면성에 대하여 살펴보고, 미토콘드리아를 표적으로 하는 심장 보호 전략에 대하여 알아보도록 하겠다.

 

2. I/R 손상에서의 미토콘드리아 기능 이상

치명적인 허혈성 손상(lethal ischaemic injury)은 1960 년대 후반에 Robert Jennings에 의해 ‘동맥혈의 재관류를 통한 산소의 재공급 에도 불구하고 세포가 사멸되는 심각하고 지속적인 허혈성 손상’으로 정의되었다. 이러한 지속적인 과정은 심근 세포에 비가역적인 손상을 주어, 결국에는 세포의 괴사성 사멸(necrotic cell death)을 초래하게 된다.

 또한, 비가역적인 손상은 미토콘드리아가 비정형적인 형태가 되도록 하는데, 이는 비가역적인 손상을 대표하는 표현형이라 할 수 있다. 이 밖에도, 근섬유막의 수축 고정 상태의 지속과 투과성 증대로 인한 세포 내 효소의 방출, 칼슘의 과축적 등이 관찰되는데, 이는 치명적인 재관류 손상에서 관찰되는 현상이라 할 수 있다.

 

 산화적 인산화 과정을 통한 ATP 생성은 심근 세포 회복에 필수적이지만, 이와 반대로 미토콘드리아의 호흡을 억제하여 ATP 생성을 줄이면, 재관류 손상과 관련되는 현상들이 줄어든다고 한다. 1960 년대 당시에는 기술적인 한계로 인하여, 미토콘드리아 구조 변화가 심근 세포의 사멸과 관련이 있다는 것을 증명할 수는 없었지만, 재관류 시 생성되는 과도한 활 성산소가 죽어가는 세포의 사멸을 촉진할 수 있다는 가설이 제시되었으며, I/R 손상 시 활성 산소(특히 superoxide)의 생성이 미토콘드리아의 기능 저하를 유도할 수 있다는 것은 1970 년대 중반이 되어서 실험적으로 입증되었다. 이후, 많은 연구를 통하여 ‘너무 많은 활성산소는 유해하지만, 어느 정도의 활성산소 는 유익할 수도 있다’는 사실이 보편적으로 받아들여 졌다. 실제로, 허혈성 재관류 이후 활성산소 농도가 급격히 증가하게 되면 단백 질, 지질, DNA 등이 산화적 손상을 입지만, 낮은 농도의 활성산소는 신호 물질로 작용하 여 심장 보호와 같은 다양한 생리 과정을 조 절하는 중요한 역할을 수행할 수 있다.

 

3. 유해 활성산소의 원천: 미토콘드리아

3.1. 산화적 스트레스의 정의

 

산화적 스트레스란, 세포 손상을 유발할 수 있는 활성산소의 증가와 항산화 시스템의 감소를 의미한다. 여기에서 활성산소란, superoxide anion 및 hydroxyl radical 과 hydrogen peroxide, peroxynitrite, singlet oxygen 을 포함하는데, 유해한 활성산소뿐만 아니라 유익한 활성산소를 만들어내는 세포 내 기관은 미토콘드리아이다.

 

3.2. 유해한 활성산소를 만들어내는 미토 콘드리아

 

미토콘드리아는 호흡한 산소의 98%를 사 용하여 삶을 유지하기 위한 에너지를 생성하 는데, 이때 필수불가결하게 활성산소가 만들 어진다. 활성산소는 1) 독성 물질에 의한 전자전달 시스템의 기능 이상이나 스트레스, 돌연변이에 의한 손상, 미토콘드리아 세포막의 전위차 변화 등에 의해 예기치 못하게 만들어 지기도 하고, 2) 대사와 관련된 효소의 발현, 기능 등의 변화에 따라 부가적으로 생성되기 도 한다.

미토콘드리아의 전자전달계(electron transport complex; ETC)의 complex I 과 complex III 는 superoxide 를 생성하는 주요한 복합체이며, complex II 의 기능 저하 혹은 허혈성 심장에 서 관찰되는 complex IV 의 과인산화는 singlet oxygen 의 과잉 생성을 야기할 수 있다고 알려져 있다.

 

3.3. I/R 심장 내에서 생성되는 미토콘드 리아 활성산소

 

생리학적으로 낮은 농도의 미토콘드리아 활성산소는 심장에 좋은 효과를 준다고 알려져 있다[4]. 심근 세포의 분화 및 수축/이완의 정상적인 작용은 산화-환원 체계에 의해 조절 되지만, 활성산소 과잉 생성으로 인한 미토콘드리아 활성산소의 증가는 심장 세포의 손상 (부정맥, 세포 사멸, 괴사 및 섬유화)을 일으킬 수 있으며, 혈전, 고혈압, 당뇨 등에 연관 된 혈관의 염증 반응도 일으킬 수 있다[5].

 

 허혈과 같이 산소 농도가 낮을 때나, 재관류에 의해 산소 농도가 높을 때도, 활성산소의 생성이 증가된다.  허혈로 인하여 심근 세포가 저산소증 상태로 되면, 미토콘드리아 ETC 복합체의 기능이 저하되고, 이때 생기는 전자는 잉여 산소와 반응하여 superoxide anion 을 생성시킬 수 있다. 

 

I/R 시, 활성산소 과잉 생성은 주로 미토 콘드리아 complex I 의 산화적 기능 저하로 유발된다. 특히, NADH dehydrogenase 는 singlet oxygen 을 생성시키는 효소이기에, 재관류 시 에 유도되는 singlet oxygen 증가를 재관류 시 에 관찰되는 NADH dehydrogenase 의 활성 증가로 설명할 수도 있다.

 

Complex II 의 억제제가 ATP-sensitive potassium(mKATP) channels 을 활성화시켜 심장 보호 기능을 한다는 것이 보고되었지만, 허혈성 심장에서의 활성산소 증가와 complex II 의 기능과의 연관성에 대해서는 아직까지 분명하 게 밝혀진 것은 없다.

 

Complex III 과 IV 도 complex I 과 마찬가 지로, 허혈성 심장에서 나타나는 미토콘드리아 활성산소 증가에 주요한 원인이 되는 복합체 로 알려져 있다. 특히, 미토콘드리아의 protein kinase A(PKA) 활성 증가로 유도되는 complex IV 의 과인산화는 심장의 허혈 상태를 증대시 키는데, 이는 beta1-adrenergic receptor 활성을 억제시킴으로써 극복될 수 있다고 한다.

 

Monoamine oxidases(MAOs)도 미토콘드리 아 내 활성산소 증가와 관련된 효소다. H2O2 는 미토콘드리아 외벽에 존재하는 MAO-A 와 MAO-B 에 의해 생성되기 때문에, 재관류 시 에 증가하는 MAO-A 활성 증가는 심근 세포 손상으로 인한 활성산소의 증가에 기인한다고 할 수 있다. 이와 더불어 최근에는 MAO-B 의 활성 증가가 미토콘드리아 기능 이상과 심장 구조 및 기능 이상을 초래할 수 있다는 것이 동물 모델을 통해 관찰되었다.

 

3.4. I/R 손상에 대응하는 항산화 시스템

 

미토콘드리아의 항산화 시스템은 매우 복잡하지만, 크게 (1) superoxide dismutase 2 (MnSOD)와 catalase, (2) peroxiredoxin(Prx) 3 와 5, (3) glutathione peroxidase(GPX) 1 과 4 에 의한 시스템으로 구분할 수 있다. 

하지만, I/R 에 의한 심근 세포 손상을 치료하는 항산화 전략에서는 유해한 활성산소와 유익한 활성산소를 구별할 수 있는 방법이 없으며, 환자의 병리학적 상태가 동물 모델에서 충분히 재현되지 않았기에, 결국 항산화 치료 법은 임상에서 비효과적인 것으로 판명되었다.

하지만, 최근에 사용된 미토콘드리아를 표적으로 하는 MitoVit-E, Alda1(aldehyde dehydrogenase 2 의 activator), MitoQ(mitoquinone), SkQ1 (plastoquinone)과 같은 항산화 물질은 I/R 에 의한 산화적 스트레스를 줄여 심장 보호 효과 를 보여주었다[6~8].

이 밖에도, I/R 에 의한 심근 세포의 손상 은 1) MnSOD 나 Prx 의 과발현, 2) 생존에 필 요한 aldehyde dehydrogenase-2 microRNAs 의 과발현 등의 유전자 치료법으로도 가능할 것 으로 다수의 연구를 통하여 관찰되었다.

 

4. 유익한 활성산소의 원천: 미토콘드리아

앞서 언급한 바와 같이, 재관류에 의한 산소 재공급은 치료를 위해서 반드시 필요하 지만, 이는 활성산소를 증가시켜 심근 세포를 손상시키는 원인이 되기도 한다. 하지만, 많은 연구를 통해 활성산소는 유해하기도 하지만, 반대로 세포나 조직에 유익할 수도 있다고 알 려졌다. 

• 1986 년에 Murry 박사 연구팀은 장기적이고 치명적인 허혈로부터 심장을 보호하기 위 한 ischaemic reconditioning(IPC; 허혈성 전처치)를 소개하였는데, 이는 짧은 시간의 허혈 조건을 반복적으로 진행하여 장기적이고 치명 적인 허혈 상태에서 심근 세포를 보호하기 위 한 기술이다[9].

 

• 2003 년에는 Vinten-Johansen 박사 연구팀이 postconditioning(PostC)을 제안 하였는데, 이는 재관류 시작 3 분 동안, 간헐 적으로 재관류가 일어나도록 하는 방법으로, IPC 보다는 심근경색을 억제하는 효과가 더 크다고 보고하였다[10].

 

• 이후, 심장의 특정 부위에 I/R 이 시술되면, 다른 부위에서 보호 효과가 나타난다는 remote ischaemic conditioning (RIC)이라는 방법도 제안되었는데, 앞서 언급 된 세 가지 방법은 모두 활성산소 생성과 밀 접하게 연관되어 있다.

 

4.1. IPC

 

IPC 를 수행하면 허혈 상태가 장기화되기 전에 어느 정도의 활성산소(H2O2)가 PKCepsilonmKATP 신호 전달 체계와 MAO-A 에 의해 생 성되는데, 이렇게 만들어진 활성산소는 mitochondrial permeability transition pore(mPTP) 억제 를 통하여 전체 활성산소의 농도를 줄일 수 있어 허혈로 인한 손상을 최소화할 것이라고 생각되고 있다.

 

??????????? 무슨 말인지 잘 모르겠다. 

 

 

4.2. PostC

 

PostC 에 의한 심장 보호 효과도 활성산소와 관련이 있다; PostC 에 의해 생성된 활성 산소는 PKC-adenosin receptors 의 활성화를 통 해 궁극적으로는 mPTP 를 억제하여 심장 보호의 효과를 보인다. 이는 임상에 적용되어 그 효과를 증명하려고 시도되었지만, 2 번의 임상 연구를 제외하고는 다른 연구에서는 심장 보호 효과를 관찰할 수는 없었다. 이러한 차이는 임상 프로토콜의 차이로 생각되어, 현재도 관련 임상 연구가 지속되고 있다. 

 

4.3. RIC

 

1993 년에 처음으로 보고된 RIC 의 작용 메커니즘은 매우 복잡할 것으로 생각되고 있지만, 여러 실험을 통하여 RIC 의 작용 메커 니즘에도 활성산소가 관여됨을 확인할 수 있 었다. 동물실험을 통해서도 RIC 의 효과가 관찰되었지만, 미토콘드리아를 표적으로 하는 임상 연구에서는 만족할 만한 결과를 확보하 지는 못하였다.

 

5. 미토콘드리아의 활성산소와 내피세포의 기능 이상

내피세포에는 미토콘드리아가 세포 부피의 2~6% 정도로 매우 적게 분포되어 있지만, 내피세포의 미토콘드리아 또한 세포 형태의 변화에 반응하여 활성산소를 만들어 방출할 수 있으며, 내피세포의 기능 이상도 심장 혈관 질환의 주요한 병리학적 요인이라고 알려져 있다[11].

 

미토콘드리아의 ETC 복합체 이외에도, 내피세포의 nicotinamide adenine dinucleotide phosphoate oxidase 4(NOX-4), growth factor adapter protein p66shc, mitoKATP, MAO-A 도 활성 산소를 만들어 내피세포의 기능 이상을 초래 할 수 있다. I/R 자체도 내피세포 내의 활성산소를 증가시켜 백혈구가 혈관 내피세포에 부착되는 것을 촉진하는데, 이는 혈전을 유발하고 결국 에는 혈관 수축을 유도하여 더 이상의 혈류 공급이 이루어지지 않게 한다.

2021.08.24 - [상식+/- 심장] - 황화물이성질화효소(Protein disulfideisomerase)와 심혈관질환

2021.08.24 - [상식+/- 심장] - Protein disulfide isomerases

 "혈액응고, 그리고 integrin ligation에도 관여한다."

아직까지 혈관 내피세포에서의 미토콘드 리아 활성산소 신호 전달 체계의 정확한 역할 은 규명되어 있지 않지만, 혈관의 활성산소를 표적으로 하는 지속적인 연구는 내피세포 기능 이상을 완화시킬 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있을 것이다.

 

6. 결론

근본적으로 재관류는 허혈 조직에 혈류를 재공급하는 방법이지만, 이로 인하여 심장 손상(I/R 손상)도 나타날 수 있다. 미토콘드리아 기능 이상과 산화적 스트레스가 I/R 손상의 주된 규명되어 있기 때문에, 미토콘드리아를 표적으로 하는 약물을 활용한 심근 세포 사멸 억제 방법의 치료적 효과를 증명하기 위하여 다양한 임상학적 연구가 진행되었으며, 실제로, 미토콘드리아를 표적으로 하는 항산화 물질이 허혈과 재관류에 의한 심장 조직 손상의 치료에 효과적이라는 많은 연구가 보고되었다. 하지만, I/R 에 의해 유도되는 미토콘드리아의 기능 이상은 매우 복잡한 신호 전달 체계를 통해 이루어지기 때문에, 추후 연구에서는 단일 투여가 아닌, 병행 투여 방법 등의 방법이 새롭게 고안되어 연구되어야 할 것이다.

 

References

1. Muntean DM, Sturza A, Dănilă MD, Borza C, Duicu OM, Mornoș C. The Role of Mitochondrial Reactive Oxygen Species in Cardiovascular Injury and Protective Strategies. Oxid Med Cell Longev. 2016;2016:8254942.

2. Go AS, Mozaffarian D, Roger VL, Benjamin EJ, Berry JD, et al.; American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Executive summary: heart disease and stroke statistics—2014 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 2014 Jan 21;129(3):399-410.

3. Braunwald E, Kloner RA. Myocardial reperfusion: a double-edged sword? J Clin Invest. 1985 Nov;76(5):1713-9.

 

4. Votyakova TV, Reynolds IJ. DeltaPsi(m)Dependent and -independent production of reactive oxygen species by rat brain mitochondria. J Neurochem. 2001 Oct;79(2):266-77.

5. Chen YR, Zweier JL. Cardiac mitochondria and reactive oxygen species generation. Circ Res. 2014 Jan 31;114(3):524-37.

6. Kalogeris T, Bao Y, Korthuis RJ. Mitochondrial reactive oxygen species: a double edged sword in ischemia/reperfusion vs preconditioning. Redox Biol. 2014 Jun 2;2:702-14.

7. Adlam VJ, Harrison JC, Porteous CM, James AM, Smith RA, Murphy MP, Sammut IA. Targeting an antioxidant to mitochondria decreases cardiac ischemia-reperfusion injury. FASEB J. 2005 Jul;19(9):1088-95.

8. Bakeeva LE, Barskov IV, Egorov MV, Isaev NK, Kapelko VI, et al. Mitochondria-targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 2. Treatment of some ROS- and age-related diseases (heart arrhythmia, heart infarctions, kidney ischemia, and stroke). Biochemistry (Mosc). 2008 Dec;73(12):1288-99.

 

9. Murry CE, Jennings RB, Reimer KA. Preconditioning with ischemia: a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium. Circulation. 1986 Nov;74(5):1124-36.

 

10. Zhao ZQ, Corvera JS, Halkos ME, Kerendi F, Wang NP, Guyton RA, Vinten-Johansen J. Inhibition of myocardial injury by ischemic postconditioning during reperfusion: comparison with ischemic preconditioning. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2003 Aug;285(2):H579-88.

11. Tang X, Luo YX, Chen HZ, Liu DP. Mitochondria, endothelial cell function, and vascular diseases. Frontiers in Physiology, vol. 5, article 175, 2014.