What is new?

분해된 적혈구, 특히 막 성분이 동맥 평활근 세포의 석화 및 혈관 석회화를 가중시킨다는 점.

적혈구 막 분해물을 동맥경화가 잘 유발되는 쥐의 혈관 병변에 주입하면 석회화를 촉진한다는 것과 인간 동맥경화 플라크, 협착성 대동맥 판막 (stenotic aortic valves) 그리고 복부 대동맥류에서 ‘적혈구와 osteoblast-like cell’이 함께 발견되었다는 점.

평활근 세포에서 eNOS를 넉아웃 시키거나, 약물로 차단하거나, NO receptor soluble guanylate cyclase를 억제하면, 적혈구 막 분해물에 의한 osteogenic effect가 감소되고 eNOS가 결핍된 쥐(eNOS knockout mouse)의 적혈구는 석회화가 적게 유발된다는 점.

What are the clinical implications?

플라크 내부(Intraplaque)의 출혈은 동맥경화와 판막의 병부의 석회화를 촉진한다.

혈관에서 흘러나온 적혈구의 분해물이 동맥경화와 판막 병소의 석회화를 촉진하는 과정에서 매우 중요한 역할을 한다. 또한 적혈구의 eNOS가 만든 NO가 이 과정에서 적어도 부분적으로라도 역할을 한다.

이 논문의 결과를 적용하여 석회성 판막질환 및 동맥경화 진행을 줄여주는 치료제를 개발하기 위해서는 다음을 고려해야 한다.

적혈구가 파괴되지 않도록 안정성을 높여주는 상태가 되도록 함.

삼투작용, 기계적 또는 다른 여러 가지 스트레스에 의해 적혈구가 파괴되지 않도록 함.

적혈구의 NO 유발에 영향을 주는 인자들을 줄이도록 함.

이 연구는 플라크 내부에서 발생한 출혈이 동맥경화를 촉진시키는 현상에 착안하여, 적혈구가 ‘평활근 세포 석화’ 및 ‘혈관 석회화’에 중요한 역할을 할 것으로 생각함으로써 시작되었다.

1. 석회화의 임상적 의미

칼슘 침적은 진행이 많이 된 동맥경화와 판막 병소에서 관찰되는 전형적인 특징이다. 비정상적인 혈관 석회화는 주로 대동맥, 대동맥 판막, 관상 동맥에서 발생한다. 특히 fibrous cap에 있는 microcalcification은 plaque의 불안정성을 촉진하며, local tissue stress의 증가에 의한 혈관파열을 일으켜 신생혈관형성, 염증유발 및 평활근 세포의 괴사를 발생시키므로 임상적 의미가 크다.
혈관의 석회화를 촉진하는 요인으로는 노화, 고혈압, 당뇨, 말기 신장질환, 흡연 등이 있다.

2. 적혈구와 혈관 석회화와의 관련성

여러 임상연구에서 플라크 내부의 출혈은 관상 동맥, 경동맥 죽상 경화증 병변, 퇴행성 석회화 대동맥판 협착증과 같은 다양한 심혈관질환과 관련이 있다. 적혈구의 막에 분포하는 cholesterol은 관상동맥질환과 관련이 있으며, acute coronary syndrome이 있는 환자들이 이런 cholesterol 레벨이 높다는 것이 보고되어 있다. Apolipoprotein E knockout mice에 빈혈을 유도했더니, 동맥경화 진행이 감소했다는 결과도 관찰하였다. 이러한 선행결과를 바탕으로 본 논문에서는 적혈구가 평활근 세포의 osteoblastic differentiation과 석회화에 어떤 영향을 주는 지 그리고 그 기전이 무엇인지를 규명하는 연구를 수행하였다.

3. 본 연구의 실험 결과

골 형성이 잘 되는 환경에서 적혈구의 막 분해물은 평활근 세포의 석회화를 증진시킨다. HASMCs를 적혈구의 막 분해물과 함께 배양하면 Alizarin red staining이 된 세포가 증가한다. 즉, calcium deposition이 많이 발생함을 확인함.

Osteogenic mediator는 주로 적혈구의 membrane fraction에 있다. 적혈구의 막분해물은 osteogenic medium이 있는 HASMC (human aortic smooth muscle cells)에서만 calcium deposition을 촉진했다. 막분해물에서 cholesterol과 lipid fraction은 osteogenic effect를 나타내지 않았다.

적혈구의 막분해물이 osteogenic effect를 나타내기 위해서는 헤모글로빈이 제거되어야 한다. 헤모글로빈은 적혈구 전체 단백질 비율의 90%가 넘는 주요 구성 요소다. 이를 제거하지 않으면 적혈구 막분해물에 의한 osteogenic effect가 없어졌다.

적혈구는 동맥경화 병소에서 혈관석회화가 있는 부위에 공존하고 있다. 환자의 혈관 석회화가 발병한 병소에서 적혈구 막 단백질(CD235a)이 검출되었다. 석회화가 일어난 곳에는 헤모글로빈이 검출되지 않았고, 병변에서 검출된 헤모글로빈은 iron heme이 Fe3+형태로 산화된 methemoglobin으로 밝혀졌다.

적혈구 막분해물에 의한 Osteogenic effects는 nitric oxide (NO)와 관련 있다. 적혈구의 막에는 eNOS가 발현되는 것이 알려져 있다. NO의 활성을 증가시키면 석회 침전이 많이 유발되고 NO를 없애면 그 반대의 효과를 관찰하였다.

적혈구 막분해물은 NO signaling을 통해서 평활근 세포의 osteogenic 분화를 유도한다. 적혈구 막분해물과 HASMC를 함께 배양하면 RUNX2, BMP2, Osteocacin 등의 발현이 증가하였다.

Ex vivo에서 적혈구 막분해물의 osteogenic effect는 eNOS가 필요함을 증명하였다. NOS-deficient mice의 적혈구 막분해물은 쥐의 대동맥 평활근 세포에서 osteogenic effect를 나타내지 못하였다.

In vivo에서 적혈구 막분해물은 NO signal을 통해 혈관 평활근 세포의 osteogenic 분화와 석회화를 유도함을 증명하였다. ApoE -/- mice의 혈관에 상처를 유발하고, 이 부위에 정상쥐의 적혈구 유래 막분해물을 처리하면 석회화가 발생하지만, eNOS knockout mice의 적혈구 막분해물을 처리하면 석회화가 발생하지 않았다.

4. 본 연구에 대한 고찰

혈관 석회화는 혈관에 칼슘이 쌓여 혈관이 딱딱하게 굳어지는 현상으로 동맥경화, 당뇨, 만성신부전 환자에게서 흔히 발견된다. 심장으로 혈류를 공급하는 관상동맥이 좁아지거나 막힌 협심증 환자들은 혈관 석회화로 인해 심장 스텐트 시술이나 관상동맥우회수술을 받는 데 큰 어려움이 있었는데, 이번 연구를 통해 그 원인과 치료 가능성이 밝혀졌다. 적혈구의 막 분해물에서 유도된 NO에 의해 혈관의 석회화가 유발된다는 것을 본 논문에서 주장하였다. 그러므로 병변에서 NO의 발생을 저해하는 약을 개발한다면 혈관 석회화를 막을 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 석회화가 발생하는 병변에서 적혈구가 왜 파괴되는지 즉, 적혈구의 안정성(stability)를 저해하는 조절인자에 대한 추가 연구가 필요하다. 이를 통해 혈관의 석회화를 미리 예방하는 방법을 찾을 수 있을 것이다. 또한 분해된 적혈구에서 발생한 NO와 그 외 다른 물질들이 평활근 세포의 어떤 신호전달 체계를 이용하여 osteoblastic 분화를 유도하는 지도 연구할 필요가 있다. 이 결과는 평활근 세포외에도 중간엽줄기세포의 골형성세포로 분화를 유도하는 데에도 활용할 수 있을 것으로 사료된다.