꼬슬꼬슬 Convergence !!

대학 다닐 때 친구와 함께 인공혈관 지지체(scaffold)를 제작했던 기억이 있어 글을 써봅니다.
실제로 몸에 넣을 수 있는 물건을 만든 것은 아니지만 정말 재미있던 실험이었습니다.
요즘 임플란트라고 하면 막연하게 치과용 임플란트를 많이 떠올리게 되는데, 몸 속에 들어가는 모든 인공물을 임플란트라고 하지요.

몸에 넣는 삽입물에는 유기재료에서 무기재료까지 다양한 것이 있습니다. 최근 “생명과학과 공학의 원리를 이용하여 이용하여 손실된 기관의 기능을 복원 혹은 보존을 목적으로 생물학적 대체물의 재생에 적용되는 학문간상호 협조를 필요로 하는 분야”인 조직공학이 발달하면서 새로운 조직 성장 요구를 충족하는 적합한 분해율을 지닌 3차원 구조의 지지체를 통해서 조직을 재생하는 방식의 치료법도 연구되고 있습니다.

예전에 포스팅한 적이 있는 Anthony Atala의 강연 속 (http://kkoseul.tistory.com/60 )의 인공장기도 그런 것이죠.
  
저는 전기방사라는 방법을 이용해서 수 마이크로 미터 단위의 가느다란 폴리우레탄 실(fiber)을 만들어서 둥근 쇠봉에 코딩하여 혈관 지지체를 만들었었습니다.  
 

그리고 전자현미경(FE-SEM)으로 그 단면을 촬영해보는 좋은 기회도 얻었었죠.
결과는 ... 실이 떡이 되서 비드(Beads)가 보여 안타까웠지만요 
아래 사진에 보이는 fiber 사이 사이의 기공에서 세포들이 자라게되고 나중에는 이 지지체가 분해되면서 완전한 조직으로 회복하게 되는 원리입니다.
 

마지막으로 수압으로 언제까지 견디나 실험도 했었지요.. 
이때 에피소드가 있었던게 저는 갑자기 물이 새길레 엄청 실망하고 교수님께 저희가 실험에 실패한것 같다고 말씀 드렸더니
교수님曰 : 바보야 물이 새야 세포도 살지 막혀 있음 우째 살끼고!!ㅋㅋ 
이러 사연이었네요 ㅋㅋ 
 

학부 수업 중의 실험이었지만 정말 재미있는 경험이었습니다.
모든 의공학도들 화이팅 ㅋ 

  요즘 TED에 이런 뉘앙스의 강연들이 종종 올라오는군요. 그리고 저는 계속 반복해서 질문하게됩니다.

  기술만으로 의료문제를 해결할 수 있는가?

  우리는 학교에서 무엇을 배웠을까요? 그리고 직장에서는 또 뭘 배우고 있을까요? 뭔소린지..^^

  농구를 하다보면 상대에 따라 다른 전술을 써야할 때가 있습니다. 물론 여기서도 개인의 기본기는 필수 적이죠 (기술) 상대가 신장이 좋은 팀? 아니면 스피드가 좋은 팀? 야투가 좋은 팀? 골밑이 좋은 팀? (상황) 그리고 상황에 따라 나오는 해답인 전술 만큼 중요한게 있습니다. 상황을 극복하겠다는 분위기(동기).

  기술, 전술이 있어도 분위기가 아니면 힘이 안나죠^^

  요즘 직장인 1년차가 되다보니 이런저런 생각들이 많습니다. 선배님들도 모두 겪으셨겠지요? ^^
오늘도 스스로 성숙해질려고 노력 중입니다. 농약 먹고 클 순 없으니깐요ㅋㅋ.
벌레 먹더라도 오늘도 쓸데없는 고민을 해봅니다.
함께 보시죠~

제이슨 폰틴 (Jason Pontin): 기술이 거대 문제를 해결할 수 있는가?
Jason Pontin: Can technology solve our big problems?

요즘 방황하다가 문득 TED를 열었는데
Sonia Shah라는 사람이 말라리아에 대해 이야기 하는게 제일 위해 올라와 있네요.
이미 치료법도 예방법도 알고 있지만 말라리아를 없애지 못하는 3가지 이유라..
의공학도로서 깊은 고민에 빠지게 되는 내용입니다.
언젠가 외과가 발전할 수 있었던 결정적인 요니 4가지에 대해 배웠는데 지금 3가지 밖에 기억이 나질 않네요.
수혈, 마취....... 하나는 머드라..... ㅠ
아무튼 나머지는 지극히 의학적인 요인이었지만
단 한가지 정말 결정적인 외과 발전의 요인은 '교통' 이었습니다.
중증의 외상 환자를 care할 수 있는 곳 까지 옮길 수 없다면 그 어떤 준비도 무용지물이 되는 것이죠.
그리고 대부분의 약은 t.i.d , b.i.d 로 처방이 되는데.... 하루 세 번  8시간 마다... 또는 하루 두 번 12시간 마다
이런 시간에 대한 관념을 가지고 있지 않은 사람들이라면 정확한 투약이 불가능하죠.
약이 있어도 시,분 단위의 시간에 대한 인지가 필요 없는 문화에서는 효과를 보기 힘들 것입니다.
내용 중에 전기에 대한 이야기도 심각하게 고민되네요.. 최근 전자적인 컨셉을 가진 투약 알람 등의 개념이 많이 나오던데 이것도 전기가 없는 지역의 사람들에게는 무용지물이겟네요..


아.. 어렵다. 의료의 혜택도 결국엔 부익부 빈익빈일까요?
다시 한 번 '기술' 보다 '환경과 문화'가 중요함을 느끼게 됩니다.

 

쿠엔 누엔 : 색이 보이는 수술

 

제가 일하고 있는 곳은
Real-time PCR을 이용해서 pathogene을 검사하는
전과정에 대한 솔루션을 만드는 곳입니다.
Real-time PCR에는 신호의 검출을 위해 형광 물질을 사용합니다.

사실 형광에 대해서 잘 이해하지 못하는 사람들이 많습니다.
매우매우 간단히 설명하면
형광은 x라는 파장의 빛(에너지)을 받으면 y라는 파장의 빛(에너지)을 내보내는 것입니다.
더 쉽게 말하자면 노란색을 보면 화가나서 빨간색이 되버리는 사람과 비슷하게 생각하면 됩니다.

이런 형광이 체외 진단뿐만 아니라
외과 수술에서도 쓰일 수 있군요.



책에는 각각의 장기들을 구분된 색으로 칠하지만 실제는 그렇지 않다는것.
실제 수술 뿐만 아니라 교육적인 목적으로도 사용할 수 있을 것 같네요.


Quyen Nguyen: Color-coded surgery

오랜만에 TED를 보다가
4학년 1학기 보건의료정보시간에
잠깐 언급됐었던 이야기가 나와서
글을 써봅니다.
자세한 이야기는 한 번 들어보시죠.
사실 이 이야기를 듣고나서
 
'개인의 사생활 보호가 더 중요해!'라고 말씀하시는 분도 있을 것 같습니다.
하지만 저는 문화가 바뀌고 있다고 생각합니다.
전.. 매우 두리뭉실 넘어가고 있군요. 제 생각 조차도 말로 표현하기 힘든 수준이네요.. ^^
아직 내공이 쌓일려면 한참 남은거 같습니다.

실제로 개인의 건강에 대한 정보를 공유하기 위한 커뮤니티가 많이 있습니다.
그런 커뮤니티를 통해 질병에 대한 정보를 공유하면서
치료에 한발 한발 다가가는 경우도 있지요.

다음엔 시간을 내서 그런 커뮤니티에 대해서 한번 알아봐야겠습니다^^

의학데이터를 공유해봅시다 - 존 윌뱅크스
Let's pool our medical data - John Wilbanks

유전 정보의 저장

 

■ A ,G, T, C

지구상에 존재하는 알려진 모든 생명체의 유전 정보는
A, G, T, C로 표기되는 염기(base)의 배열로 DNA에 저장됩니다.
단 네가지 분자로 다양한 특징을 가진 엄청난 종류의 '생명'을 만들어 냈다고 생각하면 정말 대단 한것 같습니다.
사람도 switch on, off 를 통해 엄청난 일을 하긴 하지만 아직 '자연' 또는 '신'의 영역(?)까진 무리인 듯 합니다^^.

각각 다음과 같이 분류됩니다.

퓨린(purine) 계		피리미딘(pyrimidine)계
A : 아데닌(Adenine)	G : 구아닌(Guanine)	T : 티민(Thymine)	C : 시토신(Cytosine)

■ 코드, 트리플렛코드

DNA를 구성하는 염기의 배열을 코드(code)라 부르고
단백질을 구성할 하나의 아미노산은 염기 3개가 한 조로 이뤄진 트리플렛 코드(triplet code)에 의해 결정됩니다.

DNA 이중 나선(double helix)은 각각의 가닥(strand)이 A-T, G-C의 쌍(pair)으로 상보적결합해 있습니다.

RNA 에는 티민(T) 대신 우라실(U : Uracil)이 존재합니다. 전사(transcription)과정에서 DNA의 A(adenine)에 대해 상보적으로 결합하죠. 

■ 코돈

mRNA(messenger RNA)에서 한개의 아미노산을 지정하는 염기 3개의 배열을 코돈(codon) 이라고 부르며 총 64가지가 있습니다.

■ 안티코돈

또 mRNA 코돈과 상보적으로 결합하는 tRNA의 염기 서열을 안티코돈(anticodon) 이라고 합니다.
아래 왼쪽 그림에서 빨간색이 안티코돈이죠. mRNA로 전해진 정보가 아미노산으로 번역(translation)되는 과정에서 tRNA(transfer RNA)가 지정된 아미노산을 가져오죠.

■ 코돈과 안티코돈이 가지는 의미?

위의 코돈 표를 보시면 서로 다른 코돈이 같은 아미노산을 지정한다는 사실을 눈치 채셨을 겁니다.
그 것이 가지는 의미는 DNA의 정보가 잘못 되거나 전사과정의 오류로 어떤 하나의 염기가 바뀐다해도 아미노산을 합성하는데는 문제가 없는 경우가 생긴다는 것입니다.
예를 들어 발린(val)은 경우 앞의 두 코드 'GU' 만 맞으면 뒤에 뭐가 오더라도 발린으로 지정된다는 것입니다. don't care 인 것이죠.
위의 오른쪽 tRNA 그림을 보시면 안티코돈에 'I'라고 되어있죠?
이노신(Inosine)이라는 놈인데 이 놈덕에 하나의 tRNA가 두 종류 이상의 코돈과 결합 할 수 있습니다.

우리가 학교에서 배웠던 아미노산이 21개이기 때문에 코돈이 4의 3승 만큼 필요하다는 의미 보다는, 자연이 생명이 태어나고 살아가는데 오류를 최소화 하기 위한 장치를 마련해 놓았다는 것이라 생각하면 생명의 기적에 대해 한번 더 깊은 감동을 받을 수 있지 않을까요? 

코돈(codon)과 tRNA의 설계(전 신을 안 믿지만 만약에 누군가 설계했다면...)는 정말 경이롭습니다 ㅋㅋ

정리해 보면 염기들의 배열은 코드, 배열 중 아미노산을 지정할 정보인 염기 3개의 조합은 트리플렛코드, 트리플렛코드와 상보적으로 결합하는 mRNA의 코돈, 코돈과 상보적인 안티코돈이 되겠습니다. 그리고 트리플레코드와 안티 코돈은 같을 수도 다를 수도 있겠지요.(don't care가 있기 대문에 ^^)

이전에 썼던 '유전 정보 전달의 중심설(Central dogma)' 에서 소개했던 과정에서 나오는 유전 정보를 가진 녀석들을 제가 아는 만큼 소개했습니다. 더 중요한 이야기가 있다면 공유 부탁드려요^^

임상화학(Clinical chemistry)은 진단 및 치료 그리고 그 예후의 판단에 아주 중요한 역할을 합니다.
대부분의 체외진단(IVD:In Vitro Diagnosis)에 화학과 광학이 접목되어 있습니다.
이런 검사들은 진단검사의학과 또는 병리과 등에서 진행되지요.

제가 아는 한은 몇몇 경우를 제외 하면 병원 검사실에는 어떤 샘플 또는 샘플과 반응하는 물질의 화학적 성질을 이용해서 광학적으로 검출 하는 방법에 대부분인것 같네요.

그럼 이런 체외 진단을 위해서 사람 몸에서 어떤 것들을 검체로 사용할까요??
간략히 하면 인체의 거의 모든 부분에서 다양한 형태의 검체(Specimen)를 채취한다고 할 수 있습니다.

대표적인 것 부터 나열해 보겠습니다.

■ 혈액(Blood)
  혈액은 가장 대표적인 Specimen 입니다. 혈액학, 임상 생화학, 면역학, 독성학 등등 거의 모든 검사에서 사용합니다.
  간단하게는 혈구검사, 혈당검사 등이 있습니다.
  혈액 속의 세포 구성이나, 단백질 구성, 전해질 구성 정보를 통해 진단에 도움을 줍니다.
  또 현미경 검사를 통해 혈액내 미생물 감염(예: 말리리아 ) 등을 진단하기도 합니다.
  혈액(Whole blood)은 채취 후 혈장(Plasma)과 혈청(Serum)으로 나누어 사용하는 경우도 있습니다.

 

■ 오줌(Urine)
  혈액이 신장에서 걸러진 후의 부산물로  이루어져 있기 때문에 혈액과 함께 가장 많이 쓰이는 검체 입니다.
  색과 냄새, 구성 성분 등의 정보로 몸의 상태를 진단 하는데 도움을 줍니다.

■ 척수액(Cerebrospinal fluid)
  대표적인 예로 뇌염, 척수염이 있겠네요. 척수액 속의 감염은 심각한 결과를 초래합니다. 척수액 속의 단백질, 항체 등의 구성 여부를 통해 감염을 진단할 수 있습니다.

■ 대변(Stool)
  음식물의 소화과정이 끝난 후의 산물인 대변을 통해 장내 미생물이나 기생충 등의 진단을 할 수 있고, 색이나 형상을 통해 감염이나 출혈 등을 진단하기도 합니다. 그림과 같은 collector를 사용합니다.

그 외에도
■ 감염된 조직(Infected tissue)
■ 위액(Gastric juice)
■ 관절낭액(Synovial fluid)

등이 있습니다.
다시 한 번 말하자면 사실상 몸의 모든 부분이 검체가 될 수 있습니다. 사실 제가 공부를 많이한 것이 아니라 구체적으로 기술하기는 어렵네요.

사실 회사에서 일하면서 느낀 것이
주변에 생명공학과 출신인 분들이 대다수라서 그런지 임상에서 일어나는 일에 대해서 자세히 알고 있는 경우가 드물더군요.
제가 일하는 곳에서 하는
분자진단(Molecular Diagnosis)에서는 주로 Blood과 Tissue를 검체로 사용합니다.
즉, Pathogene 검출을 위해서 피를 뽑거나 면봉(swab)같은 것을 이용해서 병원체가 감염되는 부위 조직의 세포들을 채취합니다.

이런 검체 채취는 아주 중요한 과정으로
검체 채취하는 방법이나 채취하는 사람의 숙련도, 처리과정 등이 검사 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

최종적으로 이런 진단에서 검채와 관련한 의공학도들의 역할이라고 한다면
이런 검체의 채취 과정부터 처리과정까지 숙련도의 차이와 상관 없이 누가해도 같은 결과를 얻을 수 있는 검체 채취 방법을 개발하여 human error를 줄이는 것이라고 생각합니다.

The Inner Life of the Cell

세포 안에서는 어떤 일들이 일어날까요??
점점 글 쓰기가 어려워 Youtube에서 또 자료를 퍼왔습니다.
핑계겠지만 직장인이 된 후 글을 정리해가면서 쓰기가 무척 어렵네요ㅠㅠ

아마도 이정도 영상이면 책 한권을 8분짜리 애니메이션으로 압축한 정도라고 생각합니다.
세포가 세포사이를 움직이는 모습
세포 내에서 유전자 발현의 산물인 단백질이 이동하는 모습
그냥 둥둥 떠다니는 것이 아니군요^^
그리고 세포간에 물질이 이동하는 모습 등등
세포 소기관들도 잘 묘사되어있습니다^^

감상하시죠~
3학년 임상의공학 시간에 이 영상을 봤던 기억이 나네요^^

세포 분열과 세포주기

세포의 분열과 세포주기에 대한 영상입니다.
세포는 다양한 모양과 기능을 하고 있습니다. 세포가 바로 나 자신이라고 볼 수 있을까요?
세포는 영원히 살지 못합니다.
하지만 참 다행이도 세포는 세포 분열을 통해 재생산됩니다.

갑자기 학교에서 선배님께서 던진 물음이 생각나네요.
개체가 죽으면 세포도 죽은 것인가?
세포가 죽으면 개체도 죽은 것인가?
사람이 죽어도 손톱은 자라고, 매일매일 몸속의 세포는 죽어나가지만 사람은 살아 있습니다.
참 신기하지요.

세포의 구조와 기능

세포의 구조와 기능에 대한 제 설명이 부족한 것 같아
Youtube에서 자료를 하나 퍼왔습다.
영어지만 천천히 보고 들어봅시다.^^
저의 딱딱한 설명 보다는 훨~씬 나은 것 같네요.

세포의 구조와 기능

모든 생물체는 세포로 이루어져 있습니다.
세포는 생물체의 구조적, 기능적 기본 단위 입니다.
분자생물학에 접근하기 위한 조금 큰 부분이라고 생각하시면 편할 것 같습니다.
A,G,T,C의 서열로 이루어진 유전자가 발현되는 과정은 이 세포 속에서 이루어 지며,
그렇게 발현된 유전자가 기능을 하게 되는 것은 각 소기관의 기능을 통해 단백질이 합성되고 운반되어 세포내에서 작용하거나 또는 세포외로 분비되어 작용하는 것이지요.

저는 세포가 어떤 스위치를 켜고 끌 수 있는 물질들을 만들어내서
원하는 시간, 원하는 위치에서 그 스위치를 작동 시키는 물질이 작용할 수 있도록 하는 일이 벌어지는 곳이라는 생각이 듭니다.
그래서 생물체의 기능적 기본 단위 이겠지요??

(그림 출처 : http://www.dvbiology.org/biologyweb/cells/bcells1.htm)

(그림 출처 : http://www.dvbiology.org/biologyweb/cells/bcells1.htm)

 

아래는 세포 소기관의 기능입니다.
각각의 기관의 역할을 통해 세포의 생활사가 진행되고 세포 상호간의 정보 전달과 그에 따른 반응이 일어납니다.

핵(Nucleus)
세포 활동의 중심으로 세포의 증식과 유전에 관여

핵막(Nuclear membrane) : 2중막으로 핵공이 있어 세포질과 핵 사이의 물질 출입

염색사(Chromonema) :  DNA와 단백질로 구성되어 있으며, 보통 때에는 실 모양으로 퍼져 있다가 세포가 분열할 때에는 일정한 크기와 모양을 가진 염색체를 형성

인(nucleolus) : 막성 구조물이 아니며 RNA와 단백질로 구성되어 있고 리보솜 합성에 관여하고 간기에만 관찰됨

 

 미토콘드리아(Mitochondria)

외막과 내막의 2중막으로 되어 있으며, 내막이 여러겹으로 겹쳐져 있는 주름진 구조로 된 크리스타를 이룸

호흡 효소가 존재하여 영양소에 들어 있는 화학 에너지를 세포가 이용할 수 있는 ATP 에너지로 전환하며, DNA가 있어 스스로 증식 가능

 

 세포막(Cell membrane)

구성 성분 : 단백질과 인지질로 구성

유동 모자이크 모델 : 인지질 2중층에 단백질이 곳곳에 모자이크 모양으로 파묻혀 있거나 관통하고 있는 구조이며 세포막을 통한 물질의 수송이나 세포 융합 과정을 설명하는데 적합

기능 : 선택적 투과성이 있어 물질의 출입을 조절

 소포체(Endoplasmic Recticulum)
전자 현미경으로만 관찰되며 소포체의 막의 일부는 핵막과 연결되어 있어 세포내의 물질을 수송하는 통로 역할을 한다.

조면 소포체(Rough ER) :  리보솜이 붙어 있으며 리보솜에서 합성한 단백질을 세포의 다른 부위로 운반하거나 골지체로 보낸다.

활면 소포체(Smooth ER) : 콜레스테롤과 같은 지질의 합성과 수송에 관여한다.

 

 리보솜(Ribosome)

단백질과 RNA로 구성되어 있으며 핵에서 전달되는 유전 정보에 따라 단백질을 합성

소포체에 부착되어 있거나 세포질에 흩어져 있음

 

 골지체(Golgi apparatus)

소포체에서 운반되어 온 물질을 막으로 싸서(vasicle) 과립의 형태로 세포 밖으로 분비

분비 작용이 활발한 세포에 특히 발달

 

 리소좀(Lysosome)

골지체로부터 만들어지며 백혈구에 많이 있음

가수 분해 효소가 있어 세포 내 소화 또는 늙거나 손상된 세포를 분해

 

 중심립(Centriole)

주로 동물 세포에서 관찰되며, 핵 근처에 한 쌍이 서로 직각으로 위치

세포 분열시 양극으로 이동하여 성상체를 형성하고 여기서 방추사가 발달하며,

섬모나 편모의 분화에 관여


아래는 식물세포에서만 관찰되는 세포소기관입니다.
 

 엽록체(Chloroplast)

식물세포에만 있으며 2중막으로 구성
틸라코이드가 겹쳐진 그라나와 기질인 스트로마로 구성
그라나에서는 광합성 색소에 의해 빛에너지가 화학 에너지로 저장되고, 스트로마에서는 광합성 효소에 의해 CO2를 고정하여 포도당을 합성하며 DNA가 있어 스스로 증식 가능.

 세포벽(Cell wall)

식물 세포 에서만 볼 수 있으며 세포의 형태 유지와 식물체를 지탱하는데 중요한 역할

용매과 용질을 모두 통과시키는 전투과성 막

 액포(vacuole)

주로 식물세포에서 관찰되며, 당, 무기 염류, 유기산, 안토시아닌 색소, 노폐물 등이 녹아 있는 세포액을 포함

과학자들은 DNA가 유전 물질이라는 것을 어떻게 알게 되었을까요?
1940년에 초까지도 과학자들은 유전물질이 무엇인지 잘 몰랐습니다. 단백질 같은 복잡한 물질이 유전 물질일거라고 추측했기 때문에 4종류의 염기 (A,G,T,C)로만 이루어진 DNA가 유전 물질일 것이라고는 생각하지 못했죠.

DNA가 유전 물질이라는 것을 알게 해주는 몇 가지 실험을 소개 해드립니다.
사실 고등학교 교과서에 다 나오는 것이지만 다시 한번 기억을 떠올려보죠^^

■ 그리피스의 실험 (Fred Griffith's experiment)
   1928년 그리피스는 비병원성균인 R(Rough)형 균과 병원성균인 S(Smooth)형 균을 이용한 실험을 했습니다.
   실험 중 쥐에 살아있는 R형 균과 가열 살균한 S형 균을 함께 주사했을 때, 쥐가 죽는 것을 보고 S형 균의 어떤 물질이 R형균의 형질을 S형 균으로 전환 시켰다고 생각했습니다.
   그리스피는 이 실험을 통해서 형질전환 현상(Transformation)을 보여 줍니다.
 

그리피스의 실험

 

(그림 출처 : ko.wikipedia.org)

■ 에이버리 실험 
  1944년 에이버리(O. T. Avery), 맥리오드(C. McLeod), 맥카티(M. McCarty)는는 열 처리한 S형 균의 세포 추출물을 여러 분해 효소로 처리한 후 R형 균과 함께 쥐에 주사했더니 DNA 분해 효소로 처리한 쥐만 살아남은 것을 보고 DNA가 유전 물질임을 증명했습니다.

 

 

(그림 출처 : http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=149)

■ 허시-체이스 실험 (Hershey-Chase experiment)
  1952년 허시(Alfred Day Hershey)와 그 제자 체이스(Martha Chase)는 DNA와 단백질 중 어느 것이 유전 물질인지를 가리기 위해 실험을 했습니다.
  이 실험은 단백질에는 황(S)은 있지만 인(P)은 없고, DNA는 인(P)은 있지만 황(S)이 없다는 사실에서 시작했습니다.
  방사선을 내는 '35S'와 '32P'를 사용하여 단백질과 DNA를 구분합니다.
  각 실험 군의 박테리오파지에 한 쪽에는 '35S'를 다른 한쪽에는 '32P'를 표지하여 대장균에 감여 시킵니다.
  이때 박테리오파지가 대장균에 자신의 유전 물질을 넣기에는 충분하지만 대장균을 깨고 나오는기에는 짧은 시간에 원심 분리하여 대장균과 대장균에 붙은 물질을 분리합니다. 결과 대장균 내에서는 '32P'가 검출 되었고 이 것을 통해 유전 물질이 DNA라는 것이 증명 됬습니다. 

 

(그림 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Hershey%E2%80%93Chase_experiment)

위와 같은 실험들로 DNA가 유전 물질임이 밝혀 졌습니다.
A,G,C,T 단 네 가지 분자로 이루어진 DNA가 복잡하게 움직이고 사고까지 하는 생명체의 정보를 담고 있는 것이 기적같지 않나요??
우리가 항상 접하는 컴퓨터도 매우 복잡한 화면을 표현하는데는 스위치의 켜짐과 꺼짐의 단 두가지 상태의 조합으로 이루어 집니다.
어떤 복잡한 것을 표현하기 위해서 반드시 복잡한 언어가 필요한 것은 아닐지도 모르겠네요.

  분자생물학(Molecular biology)은 이제 생명과 관련된 대부분의 분야에서 땔레야  땔 수 없는 분야가 된 것 같습니다.
분자생물학의 발달로 pathogene이나 oncogene에 대한 연구들이 이루어지고 있습니다.
그 결과 체외로부터 병원체의 침입에 의한 질병이나 생활습관이나 환경에 의한 체내에 내재된 질병의 발현에 대한 치료법과 예방법의 개선이 되어가고 있습니다.

  미국의 경우는 한 사람의 유전자를 분석해서 그 사람이 잠재적으로 발병할 수 있는 질병에 대한 정보를 제공하기도 합니다.
이것을 더 깊게 보면 그 사람의 생활 습관을 컨설트 해줄 수 있는 서비스라고 해야할까요?
물론 걸리지도 않을 병에 걸린 것 처럼 생각하는 부작용도 크겠지만요. 이런 문제들은 교육을 통해 해결 될 수 있을 것이라 생각합니다.

그리고 저는 real-time PCR을 통해 pathogene을 검출하는 시약을 만드는 회사에서 일을 하고 있습니다. 분자생물학 덕분에 생길 수 있었던 회사입니다.

  부전공으로 의생명공학을 하면서 참 많은 것을 배웠는데 저도 이제 조금씩 잊어가네요.
더이상 잊지 않기 위해서 중심설(Central dogma) 부터 시작합니다.!

  중심설을 말 그대로 '설'입니다. 누군가 더 획기적인 이론을 제안한다면 바뀔 수도 있겠지요.
하지만 아직까지는 이 중심설이 크게 흔들릴 기미는 보이지 않습니다.
아래 그림과 같은 경로로 유전 정보가 전달되는 것입니다.

  유전 정보는 DNA->RNA->단백질의 순서로 전달됩니다. 즉, DNA를 주형으로 mRNA를 합성하고 이 mRNA의 정보로 단백질이 만들어져서 눈에 보이거나 또는 눈에 띄지 않는 형질을 발현 하게 됩니다.

  또 세포분열 때 자기복제를 통해 유전 정보가 전달 됩니다.

이런 유전 정보를 이루고 있는 것은 단지 4개의 분자 (A, G, T, C)에 불과 합니다. 컴퓨터가 정보 정달을 위해 문자 두 개(0과 1)를 사용한다면 생명체는 문자 네 개를 사용한다 정도로 비유할 수 있겠습니다.

  역전사는 특이한 경우로 예를 들면 감기 바이러스가 체내에 침입했을 때 자신이 가진 RNA를 주형으로 DNA를 만들어내고 그 DNA를 단백질로 발현 시켜 우리를 괴롭힙니다.

  사실 이번 포스트만 봐서는 잘 감이 안 오실 겁니다. 왜냐하면 이것은 가장 높은 봉우리에서 '분자생물학'이라는 숲을 바라본 것이기 때문입니다. 저 위의 단순한 그림 속에 엄청난 것들이 숨어 있습니다. 틈틈히 포스트하도록 하겠습니다!

  항체의 기본 구조는 위 그림과 같습니다.
  혈액 속에 가장 많이 존재하고, 비교적 단순한 구조인 IgG급 항체의 구조 입니다.
  Y자 형에 항체와 결합하는 부위가 있고 나머지 잘 모르는 부분들이 있네요.

  IgG급 항체를 환원제로 처리하면 항체의 cystein 간 disulfide bond(이황화결합)이 끊어집니다. 이것을 전기영동(electrophoresis)하면 두 가지 크기의 단백질이 나타납니다. 이 중 하나가 그림에서 안 쪽에 Y 자 모양으로 보이는 heavy chain 이고 나머지 하나가 바깥쪽 연녹색의 light chain 입니다.

  IgG 항체 한 분자는 heavy chain과 light chain 각각 두개씩으로 구성되어 있습니다.

  그림을 천천히 보면서 읽어주세요^^
  IgG 항체는 단백질 분해 효소인 papain으로 절단해도 항원에 대해 반응 합니다. 그 이유는 두 개의 항원 결합 부위(antigen binding fragment) Fab와 항원과 결합하지 않는 Fc (crystalizable fragment)로 나뉘기 때문입니다.
  즉, Fab는 항원과 결합하고 Fc는 항원과 결합하지 않는 것입니다. Fc 는 모아 놓으면 결정을 형성하는데 이것으로 IgG 급 항체의 항원 특이성이 달라도(항원 결합 부위의 구조) Fc 지역을 구성하는 아미노산 서열이 서로 같음을 알 수 있습니다.
  
  IgG 항체를 pepsin으로 잘랐을 때는 두 개의 항원 결합 부위가 한 조각에 존재하는 F(ab')2가 얻어집니다. 이것 역시 항원과 결합하는 능력이 있습니다.
 
  위와 같은 것들은  IgG급 항체들의 항원 결합과 상관 없는 부분의  아미노산 배열이 서로 매우 유사함을 보여줍니다.

  또 그림과 같이 한 분자의 IgG 항체에는 항원이 결합 할 수 있는 두 개의 독립적인 부분이 있어서 하나의 항체가 두분자의 항원과 동시에 결합 할 수 있습니다.

  그림 처럼 heavy chain과 light chain이 쌍을 이루어 항원 결합 부위는 다른 부분과는 다른 독립적인 구조를 형성합니다. 한 분자의 항체에 있는 각각의 heavy chain과 light chain은 나머지 하나와 아미노산 배열이 완전히 같아서 결론적으로 하나의 항체에 두 개의 똑같은 항원 결합 부위가 존재하게 됩니다.

  다른 class의 항체들은 아마노산 배열이 IgG 항체와 다르긴 하지만 그 기본 구조는 유사합니다.
오늘은 여기 까지입니다. 점점 어렵네요^^ 고등학교때까지 항체는 그냥 Y 자로만 알았는데^^

 


  항체(antibody)는 항원(antigen)과 결합하는 단백질입니다.

  이 항체는 항원의 작용을 방해하거나 불능화 시키는 중화(neutralization)와 항원이 제거되도록하는 반응을 유도하는 작용기능(effector function) 등 여러가지 기능을 합니다.



  항체는 체액성 면역 반응에서 혈청과 체액에 녹아있는 immunoglobulin glycoprotein 입니다. 서로 다른 항체는 항원특이성은 다르지만 물리화적적으로 아주 유사합니다.
  또, 항체는 체액 뿐만 아니라 B cell의 표면에서 B cell의 항원수용체로(surface immunoglobulin) 존재합니다. 혈액의 항체는 이 B cell 표면의 immunoglobulin이 밖으로 분비된 것입니다.


 - primary antibody repertorie
  위에서도 말했 듯이 항체의 구조는 유사하지만 각각 항체의 항원특이성은 매우 다양합니다.

 - secondary antibody repertorie
  특정한 항원과 다시 반응하게 되면 항체의 항원특이성은 특정한 항원에 대해 반응성이 높아집니다.

  인간을 포함한 포유류에서는 5가지 그룹(class)의 항체가 존재합니다. 이 각각 그룹을 항체의 class 또는 isotype 이라고 합니다.
  서로 다른 급의 항체는 항체의 모양 및 기능에 따라 구분됩니다.  이 구분은항원특이성과는 무관합니다.

 

 

면역원성(immunogenicity)은 항원 자체의 성질과도 관련 있지만, 항원 외적인 요소에 의해서도 영향을 받습니다.

■ 항원 자체의 성질

 - 항원 이질성 (foreignness)
 - 분자량 (molecular size)
 - 화학조성과 복잡성 (chemical composition and complexity)
 - 항원제시세포와의 결합성(antigen presentation)

 등의 영향을 받습니다.
 

■ 항원 외적인 요소

 - 숙주의 유전적 구성
  : 예를 들어 B형 간염 예방 접종을 받고 어떤 사람은 항체가 생기는 반면 다른 어떤 사람은 항체가 생기지 않는 것을 볼 수 있습니다.  이는 항원을 받아 들인 숙주의 일부 유전자가 서로 다르거나 그 유전자의 발현이 다르기 때문입니다.
    이런 차이는 주로 주조직적복합체 (MHC: Major Histocompatibility Complex) 유전자가 다르기 때문에 (allotype) 나타나는 것으로 알려져 있있습니다.


 - 항원의 양과 투여경로
  : 너무 많은 양의 항원을 투여하거나 너무적은 양을 투여하면 면역 반응이 일어나지 않고 오히려 내성(tolerance)상태가 될 수 있습니다.
    일반적으로 경구투여(입을 통해 먹음(PO))보다는 비경구투여(근육주사(IM), 정맥주사(IV)등등) 가 면역 반응을 잘 유도합니다.
    항원의 반복적인 투여로 항체 생산을 돕기도 합니다.

 - 에져번트(adjuvant)의 사용여부
  : adjuvant는 숙주 내에서 항원을 더 오래 존재하도록 하거나 다른 면역 세포들을 자극하여 면역반응을 돕는 물질을 말합니다. 이런 물질들을 사용함으로써 면역원성을 높일 수 있습니다.

■ 좋은 면역원

 - 이질성이 크고 (숙주에 존재하지 않는 다른 생명체의 분자, 진화적으로 멀어서 구조나 아미노산 배열이 다른 물질)
 - 분자량이 충분히 크며
 - 화학적 조성이 복잡하여 그 구조가 복잡할 수록 (저분자<고분자<단백질<세포)

좋은 면역원이 됩니다.



참고로 B cell은 단백질, 탄수화물, 지방, 핵산 등 어떤 것이라고 항원으로 작용하지만 T cell은 오로지 단백질 항원에만 반응합니다.
대부분의 면역반응에서  T cell의 역할이 중요하므로 면역반응으르 잘 유도하는데는 단백질 항원이 유리합니다.

  항원(antigen)은 항체(antibody)와 반응하지만 생명체에서 항상 항체의 생산을 유도하지는 않습니다. 다시 말하면 어떤 항원은 그 자체로 항체 생산을 잘 유도 하지만, 어떤 항원은 어떤 조건이 맞아야만 항체를 생산합니다. 이런 반응은 항체 뿐만 아니라 T cell의 반응에도 마찬가지 입니다.

  항원과 구분하여  체내에 들어와서 체액성 면역반응과 세포 매개성 면역 반응을 유도하는 물질을 면역원(immunogen)이라고 합니다. 좀 더 자세히 말하면 면역원은 체내에 들어와서 B cell을 Plasma cell로 활성화 시켜 항체를 생산하게 하거나 T cell을 helper T cell이나 cytotoxic T cell (CTL)로 활성화 시키는 등의 면역 반응을 유도하는 물질입니다.

  면역원은 항원이라고 할 수 있지만 모든 항원이 면역원인 것은 아닙니다.

  즉, 항원-항체가 반응(결합)하는 여부와 항체를 잘 생산하느냐의 여부는 별개의 문제라는 것 입니다.

 
■ 합텐(hapten)과 캐리어(carrier protein)

 
 - 합텐(hapten)
  : 5000달톤 이하의 작은 분자는 항체와 결합을 할 수 있지만 그 자체로 항체의 생산을 유도하기는 어렵다. 즉 이런 작은 분자들은 항원이지만 면역원이 아닌 경우에 해당한다. (아래와 같은 작은 분자들.)

 - 캐리어(carrier protein)
  : hapten 같은 작은 분자가 다른 큰 분자의 단백질과 결합했을 때 hapten에 대한 항체 생산을 유도한다.

  다시 설명하면 hapten만으로는 면역반응을 일으킬 수 없지만 다른 단백질과 결합시켜 면역반응을 유도하는 면역원으로서 기능을 할 수 있다는 것입니다.



  항원의 면역원성은 이 hapten이라는 물질에 대한 항체반응을 연구하는 과정에서 알려졌습니다.
  1920년대 K. Landsteiner 라는 사람의 연구에서 DNP(dinitropehnol)을 hapten 항원으로 이용하여, DNP만 실험 동물에 주사한 경우 hapten에 대한 항체가 만들어 지지 않는 것을 확인 하였습니다. 반면 DNP hapten을 BSA(bovine serum albumin: 소혈청알부민)에 공유결합 시킨 후 주사 한 경우에는 hapten이 면역원 역할을 하는 것을 발견하게 됩니다. 이후 hapten과 결합하여 면역반응을 유도한 단백질을 carrier 라고 부르게 되었다고 합니다.

■ hapten에 대한 항체 생산에서 B cell과 T cell의 상호작용

  hapten이 붙어있는 단백질이 체내에 들어와서 B cell의 항체 단백질과 결합하면, B cell이 endocytosis(내포작용)를 하여 hapten과 carrier protein을 분해해서 T cell에 제시하게 됩니다. 이를 인지한 T cell은 B cell이 항체를 만들 수 있도록 유도합니다. 이런 과정을 거치는 이유는 B cell의 MHC(Major Histocompatibility Complex : 사람의 경우 HLA(Human Leucocyte Antigen))가 peptide와만 결합하기 때문에 hapten 같은 분자만으로는 항원제시 과정이 일어날 수 없는 것입니다.

이번에는 항원과 항체의 결합에 대해서 알아보겠습니다.

그동안의 내용들은 다른 사물과 비유하기 힘든 부분이 많아서(?) 좀 재미가 없었을 것 같네요.
이제 머리를 쥐어 짜내서라도  좀더 이해하기 쉬운 글을 쓰도록 하겠습니다.
서론이 길었죠.^-^
언제든지 틀린 내용에는 딴지 부탁드립니다.^^

다시 들어갑니다. 항원과 항체의 결합에 대해서 이야기 하겠습니다.

 - 항원과 항체의 결합은 항체의 아미노산 분자와 항원 분자간의 비공유 결합 입니다. 이런 비공유 결합은 둘 사이의 거리가 가까워져서 생깁니다.
 - 항원과 항체는 서로 화학적으로 상보성을 가진 특이적 결합입니다.
 - 또 항원이 항체와 결합하는 부분은 항원의 전체가 아닌 항원의 일부분이며, T cell 항원의 경우도 마찬가지로 항원의 일부분만이 T cell과 결합합니다.

이렇게 항체와 결합하는 항원의 일부 지역을 항원 결정(결합) 부위(antigenic determinant) 또는 epitope 이라고 합니다.
항원은 큰 분자인 경우가 많고 항원 전체에 한 가지 항체만 결합하는 것이 아닙니다.
즉 하나의 항원에는 다양한 항원 결정 부위(epitope)가 있다는 말입니다.

아래 그림에서 세균(항원)의 표면에 서로 다른 모양의 epitope을 보실 수 있습니다. 항체 A와 항체 B가 붙에 있네요. ㅎㅎ

아래 폭탄모양 그림 처럼 여러 종류의 epotope을 가질 수 있습니다. 또 오른쪽 그림에서는 epitope이 MHC와 결합한 작은 분자네요.

예를 들어 우리 집에 제 힘으로 제압할 수 있는 도둑이 들어왔다고 가정해봅시다. 도둑을 맨손으로 제압하기 위해서 도둑(항원)의 손을 묶을 수도 있고 발목을 잡고 늘어질 수도 있고 어쩌면 헤드락을 걸어버릴 수도 있다는 것이죠. 그러니깐 우리 집에 칩입한 항원을 근거리에서 제압할 수 있는 부위가 여러군데 라는 겁니다.

사실 제압이라기 보다 epitope은 항원을 인식하는 부위라고 하는 것이 정확합니다!!


■ B cell epitope

  항체는 B cell의 항원 수용체로 항원의 입체 구조를 그대로 인식하여 항원과 직접 결합합니다. 탄수화물, 단백질, 핵산 등 모든 물질을 인식하며 epitope이 여러 종류일 수도 있고, 그 것들이 서로 다르게 생기거나 혹은 비슷하게 생길 수도 있습니다. 


■ T cell epitope
  
  아래 그림의 초록색 분자 부분이 epitope입니다.

  T cell의 항원 수용체인 TCR(T Cell Receptor)은 단백질 항원만 인식합니다.
  다시 설명하자면 TCR이 항원인 큰 단백질과 직접 결합하지는 못합니다. 즉 입체구조를 인식하지 않는 다는 말입니다. 대신 항원 단백질의 펩타이드가 다른 세포의 MHC(Major Histocompatibility Complex)단백질과 결합된 상태를 인식합니다.
  간단히 말해서 단백질 항원의 일부 아미노산 서열을 인식하여 면역반응을 하는 것 입니다.
  즉, 항원 단백질의 일부 펩타이드 서열이 T cell epitope이 되는 것입니다.


■ 항원 인식에서  T cell과 B cell의 차이

  혹시 늑대와 7마리 아기염소 이야기를 기억하시나요?

  "블라블라 여차저차 하여 늑대가 엄마 염소의 흉내를 내서 아기 염소들을 잡아 먹으로 갑니다. 6마리의 아기 염소는 엄마 흉내(변성)를 내는 늑대에게 속아서 그만 잡아 먹히고 말지요. 하지만 마지막 한마리 아기 염소는 늑대의 목소리(아미노산 서열)를 듣고 엄마 염소가 아니라는 것을 알아차립니다."
 (이해를 위해 제가 나름 각색을 했습니다 ^^ 이해해주시길)

  위 이야기에서 늑대 밥이 된 6마리 아기 염소는 B cell, 살아 남은 한마리 아기 염소는 T cell에 비유할 수 있습니다.
  즉 B cell은 항원을 인식할 때 항원의 구조를 인식합니다. 그래서 항원의 구조가 변하면 더 이상 면역 기억 반응을 못 합니다. 약점을 가지고 있죠.
  하지만 T cell은 항원의 일부 아미노산 서열을 인식하기 때문에 구조가 변해도 그 서열만 안 변한다면 면역 반응을 할 수 있습니다. 염소 탈을 쓴 늑대를 잡아내는 것이죠.

  추가로 에피톱이 Linear(선형)한 경우 변성되거나 잘려도 epitope이 유효하지만 Conformational(입체)한경우 변성되거나 잘리면 epitope이 사라집니다.



■ 면역 우성 epitope (immunodominant epitope)

  한  항원은 여러 종류의 epitope을 가질 수 있습니다. 이렇게 여러 종류의 epitope 모두가 똑같이 면역 반응을 유도하는 것은 아닙니다.
  어떤 epitope은 다른 epitope보다 B cell 또는 T cell과 더 잘 반응합니다. 이런 epitope을 면역 우성 epitope이라고 부릅니다.
 

  면역 반응이 일어나면 이 면역 우성 epitope과 반응하는 항체가 많이 만들어지게 되는 것입니다.
  그리고 한 항원에서 B cell epitope과 T cell epitope은 서로 다를 수 있습니다.

짤막한 정리
한 항원에는 항체(B cell, T cell 포함)가 항원을 인식하는 부위인 epitope이 있고, 그 종류가 여러 가지일 수 있으며, B cell과 T cell의 epitope에는 차이가 있다. 그리고 epitope에 따라 반응하는 정도가 다른데 B cell 또는 T celll과 잘 반응 하는 것을 면역 우성 epitope이라고 한다!!

이번 포스트는 제가 분량 조절에 실패한 것 같습니다;; 너무 많은 것 같아요.
그리고 가면 갈 수록 내용이 어렵네요.^^ 끝까지 봐주셔서 감사합니다!!

TED에 계속에서 조직공학적인 이야기들이 나오고 있습니다.
생체물질에 대한 관심과 그 사용이
인체 삽입을 위한 의용재료의 페러다임 시프트를 이끌고 있는게 아닌가 하는 생각을 하게 됩니다.
그리고 이런 변화가 의공학도로서 생체적합성과 관련하여 역학적, 기계적 적합성 뿐만아니라,
면역의 중요성을 느껴야한다는 의미로도 느껴집니다.

앞으로 계속 인간이 더 건강하고 '정상적'으로 살기 위해서 행해지는 방법의 변화에 주목해야할 것 같습니다.

학생으로서 항상 주의과 관심을 잃지 말아야겠지요!

어쩌면 정형외과적인 이식 수술에 망치와 드릴의 역할이 줄어들 날이 올지도 모르겠군요.
물론 저의 짧은 생각이지만요.

 Kevin Stone의 The bio-future of joint replacement 입니다.

면역학에 대해서 조금씩 조금씩 쓰고 있습니다.
이번에는 항원에 대해서 간략히 소개하겠습니다.

미리 밝히지만 저는 면역학 전문가가 아닙니다.
저도 공부하면서 올리는 것이니 부족한 점은 보태주시길^^

■ 항원(antigen)이란?

 

  - 항원(antigen)이란 항체(antibody)와 결합하는 모든 물질
  - 항체와의 결합성과 상관없이 적응면역과 반응하는 모든 물질

 

  쉽게 말하자면 면역 반응을 일으키는 모든 물질이 항원이라는 것입니다.
  보통 항원이 항체 반응을 유도하기 때문에 항원이라고 불리지만 위에서도 말했듯이 항원은 항체 반응 뿐만 아니라 B림프구, T림프구와도 반응하여 면역 반응을 일으킵니다.
  이런 항원에는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산 등과 같은 생체 물질 뿐만 아니라 화학 물질을 포함한 세상의 모든 물질이 항원이 될 수 있습니다.


  하지만 모든 항원이 면역 반응(항체의 생산 등)을 유도 하지는 않습니다. 이런 의미에서 우리 몸 속에 들어와서 체액성 면역 반응이나 세포 매개성 면역 반응을 일으키는 물질은 항원과 구별하여 면역원(immunogen)이라고 부릅니다.


■ B cell antigen (B림프구 항원)

  - 항체와 결합하는 항원 (B cell은 항체를 생산하는 림프구 입니다.)
  - 세포, 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산 등의 생명체 분자
  - 화학분자



■ T cell antigen (T림프구 항원)

  - T 림프구와 반응하는 물질
  - 단백질 또는 단백질과 공유결합된 물질

림프구와 림프의 순환

■ 림프의 순환

  림프는 조직과 세포 사이에서 모여서 작은 림프관을 통해 이동합니다. 작은 림프관들은 흉관(thoracic duct)와 오른 림프관(right lymphatic trunk)이라는 큰 림프관으로 모이게되며 이것을 통해 림프들이 대정맥을 통해 혈관으로 들어와 심장으로 들어가게 됩니다. 심장에서 혈액과 혼합된 림프는 동맥을 거쳐서 심장 밖으로 나오게 되며 모세혈관을 통해 다시 조직으로 들어갑니다. 

■ 항원의 이동
  
  장이나 조직 사이로 침투한 항원은 입수관을 통해 림프절로 들어가서 면역 반응을 일으키며, 다시 출수관을 거쳐 순환합니다. 반면 혈액을 통해 직접 들어온 항원은 비장 동맥을 통해 비장으로 들어가서 면역 반응을 일으킨 후 비장 정맥을 통해 순환합니다. 아래는 피부 조직의 표피 사이로 침투하는 항원이군요. 수지상 세포(dendritic cell)가 항원을 감지해서 림프절의 T cell을 활성화 시킵니다. 그러면 림프의 순환을 통해 활성화된 림프구가 면역 반응을 일으킵니다.

■ 림프구의 순환

  림프구도 림프와 한께 순환 하는데, 이는 효과적으로 항원을 감지하고 적절한 면역 반응을 하기 위함입니다. 조직이나 림프기관의 림프구는 림프관을 따라 혈관으로 이동하며, 혈관의 림프구는 HEV(high endothelial venule)라는 특수한 형태의 세정맥(PCV : post capillary venule) 내피 세포 사이를 통과해서 조직으로 이동합니다. 그 후에 림프구는 조직에 머물거나 다시 순환하게 됩니다.

아래 그림에서 N은 naive T cell, E는 effector cell, E/M은 effector-memory cell입니다.

 

■ 림프구의 귀환

  순환 중인 림프구는 다시 그 것들이 들어가야할 림프 조직으로 들어가기도 합니다. 이 현상을 림프구의 귀환(lymphocytes homing)이라고 하는데, 림프구의 귀환은 림프구 표면에 있는 림프구 귀환 수용체(lymphocyte homing receptor)와 림프조직에 있는 HEV의 혈관 주소 단백질(vascular addressin)의 상호 작용에 의해 일어 납니다. 아래 그림에서 두 T cell의 receptor와  내피세포의 단백질에 차이가 있는 것을 볼 수 있습니다.  homing이라고 표현하는 것을 보면 임무를 마친 병사들이 다시 부대로 돌아간다는 느낌이랄까요? 부대로 복귀할 때 위병소에서 소속과 계급 이름 등등 여러가지를 확인 하겠죠 이런 확인 절차가 끝나면 조직으로 귀환하는 것이라고 생각하면 좋겠네요.

 

 

이번 포스팅에서 한 가지 제가 인상깊은 것은 기억 세포가 한번 본 항원을 기억하듯이 세포들이 상호간에 막 단백질과 receptor 로 원래 자기가 있었던 조직이 어딘지 원래 조직이 품고 있던 림프구가 뭔지를 기억? 인지? 한다는 것입니다.

점점 어려워져서 그림 찾기가 힘드네요. ㅠㅠ 제가 설명하려는 것보다 너무 어렵거나 너무 쉬운 그림들이 대부분이군요.
그래도 힘을 내서 !! 열심히 포스팅 하겠습니다. 틀린 부분이 있다면 과감히 댓글 부탁 드립니다!!

  앞서 포스팅한 림프절(lymph nodes)이나 비장(spleen) 외에도 인체서는 여러 2차 림프조직들이 있습니다.



■  점막면역계(muscosal immune system)

  호흡기나 소화기에는 T cell이 밀집해 있고 B cell, macrophage 등이 느슨한 cluster를 형성하는 점막면역계 라고 부르는 림프 조직이 발달돼 있어서 점막을 통해 칩입하는 미생물을 막아줍니다. 소장의 Peyer's patch, 충수(맹장, appendix)의 lymphiod follicle, 인후(pharynx)의 편도(toncil), 상부호흡기의 submuscosal lymphoid system 이 대표적인 점막면역계의 조직들(MALT : muscoa-associated lymphiod tissue)입니다.

점막 연관 림프 조직들은 부위에 따라 구분합니다.
  BALT : bronchus-associated lymphiod tissue (호흡기)
  GALT : gut-associated lymphiod tissue (소화기)
  NALT : nose-associated lymphoid tissue (코)
  SALT : skin-associated lymphiod tissue (피부)
  VALT : vascular-associated lymphoid tissue (혈관)


■ 표피면역계(cutaneous immune system)

  피부에도 표피면역계가 존재하여 피부 외부에서 침입하는 항원들을 막아줍니다.

 
■ 비정상적 림프조직(ectopic lymphoid system)

  관절염 환자의 관절에 형성된 lymphoid follicle 같은 원래는 존재하지 않는 비정상 림프 조직도 있습니다.

  비장(지라, spleen)은 좌측 상복부에 있는 붉은색 캡슐(capsule)로 둘러싸인 기관으로 하나의 동맥이 들어와서 다시 여러개의 세동맥(arteriole)으로 갈라져 있는 기관입니다.

  비장의 세동맥은 세동맥 주위 림프계(PALT : periarteriolar lymphiod tissue)라는 림프 조직에 의해 둘러싸여 있어서 혈관을 통해 들어온 항원에 대한 면역 반응이 일어납니다. 림프절은 림프를 통해 들어온 항원에 대한 반응을 하고 비장은 혈관을 통해 들어온 항원에 반응 하는군요.

  그림에서 붉게 보이는 부분인 red pulp에는 혈액이 풍부합니다. 이 red pulp에 대하여 림프조직들이 있는 곳을 white pulp라고 합니다.
  
  비장의 세동맥 끝에는 작은 혈관 동공(vascular sinus)이 있는데 이곳 에서 주로 적혈구의 파괴와 철분의 회수가 일어납니다. 이 것은 예전에도 말씀드린 데로 혈구생성에 대해 인체의 혈구 밸런스를 위함 이겠지요. 그리고 건강한 혈구를 유지하기 위함이라고 볼 수도 있겠군요.

  림프절(lymph nodes)은 조직의 림프관 중간에 위치하며, 한 쪽이 오목한 강낭콩 모양의 직경 1mm ~ 2cm 정도인 작은 결절입니다. 주로 세포나 조직 사이로 들어온 항원을 림프를 통해 받아들여서 면역 반응을 유도합니다. 흉선이 훈련소였다면 림프절은 전투현장이라 할 수 있겠네요. 처음 전투에 참가한 초보 병사들은 전투를 통해 적을 인식하고 전투 경험을 쌓은 이후엔 엄청난 공격력을 발휘하겠죠? 

  림프절에는 여러 개의 관이 연결되어 있습니다. 이 입수관(afferent lymphatic vessels)을 통해 림프와 함께 여러가지 물질들이 들어와 림프절 피질 아래의 작은 동공(subcapsular sinus)에 도달하게 됩니다.

  림프절의 피질(cortex)에는 세포들이 모여 있는 소포(follicle)들이 있는데, 일부 소포들은 germinal center라고 부르는 구조를 가지고 있는 것도 있습니다. 내부의 수질(medulla)에는 림프구(lymphocyte)와 대식세포(macrophage)가 비교적 드문드문 존재하며, 이 것들은 서로 접촉하지 않는 상태에서 서로 가까이 존재합니다.
 
  수질 쪽에는 하나의 출수관(efferent lymphatic vessels)이 있으며, 림프나 림프구가 이 관을 통해 림프절을 나갑니다.

  위와 같은 림프 절의 구조는 림프구와 림프가 수시로 림프관을 통해 림프절로 들어오고 나가는 것을 가능하게 합니다. 그리고 림프구나 보조세포들은 림프절의 특정 지역에 모여 있는데, follicle에는 아직 항원을 인식하지 못한 resting B cell이 많이 존재하며, germinal center에는 T cell의 도움을 받아 항체를 생산하는 성숙한 B cell들이 많이 있습니다. germinal center의 기능은 명확치 않지만 기억 세포의 생성과 관련이 있다고 여겨집니다. T cell은 주로 follicle 사이나, parafollicular area라는 피질 지역에 있습니다.

  혹시 아래 이미지를 보고 위의 고지 점령전의 사진이 떠오르시나요?? 저는 왠지 비슷한 것 같네요. 감염원의 입장에서는 이 림프절을 넘어야 다음 목표로 퍼져 갈 수 있다는 의미에서요^^;; 저만의 생각입니다.

  림프구들의 위치를 간단히 구분하면 
  : follicel, germinal center - B cell, macrophage
    interfollicular area - T cell

  로 구분됩니다.
  
  충분히 분화한  plasma cell(항체를 생산하는 B cell)들은 림프절을 떠나 다른 조직으로 이동합니다.

  이 림프절에서 감염 등에 의해 면역반응이 강하게 일어나면 림프절이 붓고 통증이 생깁니다. 몇몇 분들은 아마 사타구니 쪽(서혜부)에 부어 올라서 묵직한 통증을 느낀 분이 있을겁니다. 림프절염(임파절염)이라고 하는군요. (때로는 이 감염이 심각한 경우도 있더군요.)

  흉선(thymus, 가슴샘)은 목뼈 앞(심장의 대혈관 앞 쪽)에 있는 두개의 잎(lobe) 모양(삼각형 모양)의 기관으로 각각의 잎은 작은 잎인 소옆(lobule)으로 구성돼 있습니다. 각각의 소엽은 피질(cortex)과 수질(medulla)로 구성되어 있습니다. 

  이 흉선은 면역 세포 중 T cell을 생산하는 기관입니다.

  피질에는 많은 수의 림프구들이 있고 수질에는 적은 수의 림프구가 있습니다. 이 림프구들은 T 림프구로 분화 중인 전구세포인 흉선세포(thymocytes, T cell precursor)들입니다.

  흉선의 나머지는 상피세포(epithelial cell)와 대식세포(macrophage), 수지상세포(dendritic cell)로 구성되어 있습니다. 이 세포들은 thymocyte에 MHC(Major Histocompatibility Complex, HLA)를 보여줘서 숙주의 T 림프구 repertorie를 결정하는데 관여하고 T림프구 전구 세포의 성장에 필요한 인자를 제공합니다. 그러니깐 세포 표면에 있는 피아를 구분하는 어떤 표지를 인식하는 훈련을 받는 것입니다. (MHC에 대해서는 나중에 자세히 다룹니다.)

  골수에서 유래된 전구 세포는 흉선의 소엽 피질의 정맥을 통해 흉선 안으로 들어가고 이렇게 피질로 들어온 흉선세포(thymocyte)는 수질로 이동하는 동안 흉선을 구성하는 다른 세포들과 접촉을 통해 말초에서 상호작용할 세포들이 가지고 있는 MHC에 대하여 배우게 됩니다.  이 과정에서 자신의 MHC를 인식하여 면역 반응을 하거나 남의 MHC를 잘 인식 하지 못하는 thymocyte들은 모두 죽게되고 나머지(대략 50x10^6개 중 1x10^6개)만 살아남아서 성숙된 T 림프구가 됩니다. 이렇게 외부의 항원만 인식하는 성숙된 T 림프구는 말초 혈액으로 방출되게 됩니다. MHC를 보여주는 것을 MHC presentation 이라 하고, 이 전 과정을 thymus education 이라고 합니다.

  위에도 잠깐 언급했지만 이 과정은  아군과 적군을 구별하는 방법을 배운다고 생각하시면 되겠습니다. 아군을 적으로 인식하거나 적을 아군으로 인식하는 병사는 전장에서 제 기능을 할 수 없으니 사라져야하겠죠. 명확한 비유는 아니지만 말초에서 활동중인 T cell은 낙오하지 않고 고도의 훈련(교육)을 받은 정예 병사라고 생각하시면 쉽겠네요.

  

  위와 같은 과정 상에 이상이 생기면 자가면역질환(autoimmune disease) 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.

  나이가 들면 점점 흉선이 작아져 거의 확인이 어렵지만 여전히 T림프구의 성숙 장소의 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

■ 골수 (bone marrow)

  혈액의 혈구는 골수의 전구 세포(stem cell)로부터 분화 되는데, 태아일 때에는 간과 비장에서 만들어지다가, 태어난 후에는 점차 골수가 그 기능을 하게 됩니다.  전구 세포로부터 혈구가 생성되는 과정일 '혈구 생성 과정(hematopoiesis)'라고 하는데 이 과정은 골수의 스폰지 상태의 망상 구조의 '수질(red marrow)'에서 일어납니다. 수질에 전구 세포와 그 것들을 성숙시키는 여러가지 세포들이 모여 있어서 혈구들을 만들어 냅니다.


  수질에서는 위와 같은 과정이 일어나기 때문에 전구 세포와 분화 중인 혈구 들이 존재 합니다.

  혈구를 생성하는 전구 세포는 myeloid(골수성) 계통의 세포와 lymphoid(림프성) 계통의 세포로 분화되고 다시 적혈구와 림프구 또는 다른 보조 세포들로 분화됩니다.



  그리고 혈구 생성 과정 중 stromal cell이나 macrophage등이 만들어내는 colony stimulating factor(CSF)라는 종류의 cytokine은 전구 세포의 성숙과 분화에 관여합니다. 하지만 전구 세포가 어떻게 각각의 다른 혈구로 분화되는지에 대해서는 모르는 부분이 많다고 합니다.

 

  림프 조직 (또는 면역 조직)은 면역 세포들이 모여서 만들어진 조직을 말하며, 면역 반응에 필요한 세포들 사이의 상호 작용이 잘 일어나도록 구성 되어 있습니다. 항원 제시 세포와 림프구의 상호작용에 의한 면역 반응을 유도하고, 면역 세포의 분화와 성숙에 필요한 세포 상호 작용이 일어납니다.

 계속해서 없어지는 면역 세포를 보충하기 위해 새로운 면역 세포를 만드는  조직을 1차 림프 기관(primary lymphoid organ) 이라고 하며, 면역 반응이 일어나는데 필요한 조직을 2차 림 프기관(secondary lymphoid organ) 이라고 합니다.

 1차 림프 기관에는 골수(bone marrow)와 흉선(thymus) 가 대표적이며 면역 세포가 만들어지는 곳 입니다. 즉 림프구 성숙과 분화가 일어나는 곳으로 다른 말로 생산적 림프 기관(generative lymphoid organ) 이라고 부르기도 합니다. 그러니깐 이 기관들은 논산 훈련소나 기타 훈련 교장 등과 비교할 수 있겠죠?

  2차 림프 기관에는 림프절(lymph node), 비장(spleen), 충수(appendix), 편도(tonsil), Peyer's patch 같은 작은 림프절(lymph nodules)로 존재합니다. 면역세포가 항원과 반응하여 면역반응이 일어나는 곳으로 말초 림프 기관(peripheral lymphoid organ)이라고도 합니다. 특정 구조가 정해져 있지 않고 다른 조직에 흩어져 있는 diffused lymphatic tissue들과 질병 발생 과정에 형성되는 일시적인 림프조직도 있습니다. 사실 감염이 일어난다면 어느 곳이든 전장이 되겠지만, 2차 림프 기관은 대해 비교하면 실제 전투 지역과 가깝다고 할 수 있겠네요.

■ 비만 세포(mast cell)

  비만세포(mast cell)은 조직에 존재하는 세포로, 피부, 결합조직, 점막조직 등 다양한 조직에서 발견됩니다. 이 비만 세포는 호염구(basophil)와 마찬가지로 세포질 내에 histamine 등과 같은 생리활성물질을 가지고 있는 과립을 많이 가지고 있으며, IgE 항체와 결합하는 성질이 있어서 allergy 반응에서 중요한 역할을 합니다. 여기서 눈치 채셨을지 모르겠지만 아직 설명 드리진 않은 IgE라는 면역 글로불린은 알러지 반응에 관여하는 항체라는 것을 알 수 있습니다. 면역 글로불린에 대해서는 나중에 따로 다루겠습니다.

■ 수지상 세포(dendritic cell)

  수지상 세포(dendritic cell)는 신경 세포 처럼 세포질이 세포 본체로부터 뻗어 나온 가지 모양을 하고 있습니다. 이 세포는 존재하는 조직에 따라 다른 형태와 기능을 가지며 피부와 점막 조직에 있는 경우 특별히 Langerhans cell 이라고 부르기도 합니다.
 

  이 세포들은 class II MHC 를 다량 발현하고 세포질에서 뻗어 나온 부분이 많아서 효과적으로 외부에서 침입한 항원을 helper T cell에 제시하는 기능을 합니다. 항원이 제시되면 Effector T cell 이 활성화 되어 면역 반응이 일어나는 것이죠.

 

  단핵 식균 세포(monobuclear phagocytes)들은 면역계를 구성하는 세포들 중에서 두 번째로 주요한 집단으로 다른 혈구들과 마찬가지로 골수의 전구세포로부터 분화및 성숙되어 만들어지며 식균작용(phagocytosis)을 통해 선천 면역에서 세포매개성 면역반응을 합니다. 그리고 적응 면역에서는 항원을 잡아서 T cell에 제시하는 항원 제시 세포의 역할도 하고 있습니다.

  이 단핵 식균 세포가 혈액에 있는 경우에 단구(monocyte)라고 하고 조직에 존재하는 경우에는 대식세포(macrophage)라고 부릅니다. 또 이 세포들은 림프절, 비장, 간 등의 림프 조직의 망상내피계(reticuloendothelial system)를 구성하기 때문에 격자세포(reticular cell)이라고 부르기도 합니다. 이런 망상의 구조를 하고 있는 것은 아마 항원을 효과적으로 걸러내기 위함일 것이라고 생각하고 있습니다.

  그리고 그들이 위치하는 조직에 따라 중추신경계의 경우 micoroglial cell, 간은 Kupffer's cell 등의 이름으로 불리기도 합니다. 이런 대식 세포 계통의 세포에는 dust cells, histiocytes, Kupffer's cell, microglia, epitheliod cells, osteoclasts, sinusoidal lining cells, mesangial cells 등이 있습니다.


    단구는 조직으로 이동하여 tissue macrophage가 되며, 감염 부위나 염증 부위로 유인되기고 합니다. 대식세포는 세포 내 이동(endocytosis)이 활발하여 세포 안에 많은 주머니(vesicel)를 가지고 있고 여기에는 여러 가지 효소, 효소 억제 물질, 혈장 단백질. 염증 반응 매개 물질, 독성이 있는 산소나 질소 중간체 등이 들어 있습니다.
  
  아래에는 설명을 하려다보니 소제목과 관계 없이 겹치는 내용이 좀 있습니다. 이것은 세포의 구조나 행동, 특성이 서로서로 맞물려 있기 때문인것 같습니다. 아무튼 한번 알아보도록 하겠습니다!!

■ 대식세포(macrophage)의 성숙


  위에서 설명한 바와 같이 혈구 줄기 세포가 골수에서 분화 성숙되어 형성되며 말초 혈액에는 단구(monocytes) 조직에는 대식세포(macrophages)로 존재합니다.
  대식 세포는 국소적인 자극에 반응여 표현형이 바뀌거나 새로운 기능을 얻을 수 있는데 이런 자극을 대식세포의 활성이라고 합니다. 특별한 자극이 없으면 대식세포는 조직 내에서 조용히 존재하는데 이 상태를 '휴지기 대식세포'(resident macrophage))라고 합니다.
  만약 대식 세포가 어떤 염증 반응에 의해 활성화 되면 '염증 반응 대식세포(inflammatory macrophage)'가 되며 이 것들은 여러가지 지질 매개 물질이나 보체 단백질, cytokine 등을 만들어서 염증 반응에 관여합니다. 이 때 그 결과로 조직이 손상되기도 합니다.
  그리고 T cell 에서 만들어 낸 IFN-γ 나 IL-4 등에 의해 활성화 되며 활성화 된 세포를 activated macrophage 라고 부릅니다. 이 것들은 미생물이나 암세포들을 효과적으로 파괴합니다.
  또 대식 세포는 섬유아세포와 혈관 내피 세포의 성장 인자를 생산하여 손상된 조직의 치유에 관여하기도 합니다.


■ 선천 면역 반응에서 대식세포(macrophage)의 기능

  미생물, 항원, 죽은 조직, 적혈구 등을 식균작용(phagocytosis)으로 파괴합니다.
  단백질 분해 효소나 지질 대사물질, cytokine 등을 생산하여 염증 반응의 진행과 유지에 중요한 역할을 합니다.
  그리고 염증반응을 통해 손상도니 조직을 재생하기 위한 물질도 분비하는데, 섬유아세포 성장 인자와 혈관 내피 세포의 성장 인자를 생산합니다.



■ 적응 면역 반응에서 대식세포(macrophage)의 기능

  식균작용을 통해 항원의 일부를 T cell 에 보여주는 항원 제시 세포(antigen presentation cell)의 역할을 합니다. 이 과정을 조금더 설명하자면 식균작용으로 분해된 항원에서 유래한 작은 peptide(antigen processing)를 대식세포 자신의 세포 표면의 주조직적합체(MHC)에 결합시켜 세포 표면에 발현하여 T cell에 제시하는 것입니다.


  선천 면역에서와 마찬가지로 cytokine 분비를 통해 T cell의 활성을 촉진하는 역할도 합니다.
  그리고 activated macrophage는 지연성과민반응(알러지, 접촉성 피부염 같은)에서 항원을 제거하는 기능을 합니다.
  또 항체나 보체 등의 단백질에 의해 식균작욕증진(opsonization) 이 일어납니다.



■ 식작용 과정

  항원 입자가 대식세포의 표면에 결합된 다음 대식세포의 세포막에 둘러싸이게 됩니다. 대식세포의 막이 항원을 완전히 둘러싸게 되면 항원은 pahgosome 이라는 주머니 상태로 대식세포 안으로 들어가게 되고, 이 주머니가 대식새포 내의 lysosome 과 융합되어 phagolysosome을 형성하게 되며, lysosome의 여러가지 산성가수분해효소나 활성화 산소계 물질(oxygen radical)의 작용에 의해 항원이 분해됩니다.
  이때 항원은 항체와 비특이적으로 결합하기도 하지만 특이적으로 대식세포에 있는 Fc receptor 라는 수용체는 IgG급 의 항체와 결합된 항원을 인식하고,  C3 receptor라는 수용체는 보체와 결합된 항원을 인식하게 해주어 식균작용이 더 활발하게 되기도합니다. 이렇게 식균 작용이 활발해지는 것을 opsonization이라고 하는 것입니다.