골관절염의 실험실 진단

대부분의 골관절염 환자는 혈액 및 소변 검사에서 변화가 없습니다. 다만, 상당한 삼출액을 동반한 활막염의 경우 적혈구침강속도 (ESR), 고감마글로불린혈증, 급성기 지표(CRP,피브리노겐 등) 의 증가가 나타날 수 있습니다. 활막액 검사 에서는 정상 지표와 유의한 차이가 나타나지 않습니다.

최근 몇 년 동안 관절 조직(주로 연골과 뼈)의 분해 및 재생을 나타내는 생물학적 지표(BM)에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. BM은 이러한 역동적인 변화를 반영하고, 골관절염 예후 예측 인자이자 병리학적 치료 효과 지표 역할을 해야 합니다. 기존 생물학적 지표에 대한 새롭고 심층적인 연구의 발견은 골관절염 발병 기전을 더욱 깊이 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 그러나 연골 대사 생물학적 지표를 사용하는 주된 목적은 약물의 연골 보호 효과를 평가하고 DMO AD(질병 조절) 계열 약물의 치료를 모니터링하는 것입니다.

골관절염에서 병리학적 변화는 주로 관절 연골뿐만 아니라 연골하골, 활막, 그리고 관절의 다른 연조직에서도 발생합니다. 이러한 구조물을 직접 검사하는 데에는 한계가 있으므로, 생물학적 지표를 수집하는 가장 중요한 방법은 혈액, 소변, 그리고 활액입니다.

소변 검사는 침습적 시술이 필요 없기 때문에 가장 선호됩니다. 저희의 견해로는 검사에 가장 적합한 검사 재료는 매일 소변입니다. 아침 소변을 분석하는 것이 더 적절할 수 있지만, 이러한 검사는 골다공증 환자의 골 대사 생물학적 지표를 측정하는 데 사용된다는 사실에만 근거합니다. 생물학적 지표는 일주기 리듬의 영향을 받으며, 골 대사 생물학적 지표의 최고 농도는 밤에 나타나는 것으로 알려져 있습니다. 현재 연조직 및 연골의 생물학적 지표의 일주기 리듬에 대한 문헌 정보는 없으므로, 적절한 소변 검사 선택에 대한 최종 결정은 적절한 연구를 수행한 후 내려질 것입니다.

혈액 검사는 일상적인 임상 검사입니다. 급성기 지표와 같은 일부 생물학적 지표는 이미 혈액에서 측정되고 있으며, 다른 지표는 가까운 시일 내에 표준 생화학 검사 목록에 포함될 수 있습니다. 각 생물학적 지표에 대해 혈액의 어느 성분(혈장 또는 혈청)에서 측정해야 하는지 명시해야 합니다. 연구 결과에 따르면 혈장의 생물학적 지표 농도는 혈청의 생물학적 지표 농도와 상당히 다릅니다. 생물학적 지표는 일반적으로 혈청에서 측정됩니다. V. Rayan 외(1998)에 따르면, 환부 관절 근처의 정맥에서 채취한 혈액과 더 먼 정맥에서 채취한 혈액의 생물학적 지표 농도는 다릅니다. 이러한 데이터는 생물학적 지표 연구를 위한 표준화된 혈액 샘플링의 필요성을 시사합니다.

LJ Attencia 등(1989)에 따르면, 성인의 활막 관절 연골은 추간판을 포함한 신체의 유리 연골 총량의 10%에 불과합니다. 따라서 혈액과 소변에서 생물학적 지표를 측정하는 것은 골관절염에 걸린 관절의 국소적 변화보다는 전신 대사를 반영합니다. 활막액은 골관절염의 병리학적 초점에 가장 가깝고 , 아마도 영향을 받는 관절에서 발생하는 과정을 가장 정확하게 반영할 것입니다. 활막액의 생물학적 지표 농도는 혈액보다 상당히 높을 수 있으므로 측정하기가 더 쉽습니다. 예를 들어 아그레칸의 에피토프 846은 활막액에서 혈청보다 40배, 연골 올리고머 기질 단백질(COMP)은 혈청보다 10배 더 많습니다. 활막액의 분해 산물은 관절 연골의 이화 과정을 더 정확하게 반영합니다. 국소 림프계를 통해 활액액으로부터 분자가 배출되면 분자의 크기가 줄어들거나 심지어 파괴될 수도 있습니다.

활액 채취 기법은 침습적이고 여러 합병증 발생 가능성이 있지만, 생물학적 지표를 확인하는 것의 가치는 분명합니다. 소위 건성 관절 문제를 방지하기 위해, 20ml의 등장성 NaCl 용액을 용액 채취 직전에 관절에 주입할 수 있습니다. 등장성 용액 주입 직후, 환자는 관절에서 팔다리를 10회 굴곡 및 신전시킨 후 희석된 활액을 빠르게 흡인해야 합니다. EM-JA Thonar(2000)에 따르면, 이러한 활액 희석은 관절 연골의 대사에 영향을 미칩니다. 그러나 FC Robion 등(2001)의 연구 결과는 말 슬관절의 반복 세척이 연골 대사에 유의미한 변화를 일으키지 않는다는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 확실히 확인이 필요합니다. 따라서 각 생물학적 지표에 대해 관절 세척이 농도 변화에 미치는 영향은 동물을 대상으로 한 전임상 연구 단계에서 확인해야 합니다.

다음으로 중요한 점은 각 생물학적 지표에 대한 활액액과 혈액 내 반감기를 측정하는 것입니다. 이러한 데이터가 없으면 검사 결과 해석이 어렵습니다. 일반적으로 혈액 내 생물학적 활성 물질의 반감기는 간과 신장에서 효과적으로 제거되기 때문에 다른 액체 매체보다 짧습니다. 따라서 각 생물학적 지표에 대한 제거 경로도 결정해야 합니다. 따라서 III형 콜라겐의 N-프로펩타이드는 수용체 매개 엔도사이토시스를 통해 간에서 배출되고, 비당화 콜라겐 조각은 오스테오칼신과 마찬가지로 주로 소변으로 배출됩니다. 간 소엽의 부비동 내피 세포에는 글리코사미노글리칸 수용체가 있으므로 히알루론산과 프로테오글리칸은 간에서 제거됩니다. 혈중 히알루론산의 반감기는 2~5분입니다. 활막염이 있으면 관절에서 생물학적 표지자의 제거가 촉진될 수 있지만, 토끼를 대상으로 한 연구에서는 활막염 유무에 관계없이 프로테오글리칸 제거에 유의미한 차이가 나타나지 않았습니다. 따라서 염증이 체액 내 생물학적 표지자 농도 변화에 미치는 영향을 조사할 필요가 있습니다.

신장은 생물학적 지표를 선택적으로 걸러냅니다. 따라서 큰 음전하를 띠는 글리코사미노글리칸은 신장 기저막을 통과하지 못하는 반면, 콘드로이틴-6-황산염과 콘드로이틴-4-황산염과 같은 글리코사미노글리칸은 소변에서 검출됩니다.

병리학적 요인(특히 골관절염) 외에도 여러 요인이 체액 내 생물학적 지표의 농도에 영향을 미칠 수 있습니다.

1. 일주기 리듬은 소수의 생물학적 지표에 대해서만 연구되어 왔습니다. 골 대사 지표에 대해서도 연구되었습니다. 따라서 오스테오칼신의 최고 농도는 밤에, 콜라겐 교차 결합의 최고 농도는 아침 8시에 나타납니다. 류마티스 관절염에서 IL-6의 최고 활성도 또한 밤(약 2시)에 나타나며, 오스테오칼신보다 더 일찍 나타납니다. 이러한 데이터는 IL-6가 골 조직의 염증 및 생리에 미치는 영향과 관련하여 어느 정도 관심을 끌고 있습니다. 반면, TNF-α는 일주기 리듬을 가지고 있지 않습니다. 그러나 이 사이토카인의 수용체는 일주기 리듬을 따를 수 있습니다.
2. 연동 운동. 히알루론산은 활막 세포(및 다른 여러 세포)에서 합성되며, 골관절염과 류마티스 관절염에서 활막염의 잠재적 지표입니다. 그러나 히알루론산의 가장 높은 농도는 장 림프계에서 발견됩니다. 당연히 순환 히알루론산 농도는 식후에 증가할 수 있습니다. 따라서 생물학적 지표를 측정하기 위한 채혈은 공복 또는 식후 3시간 후에 실시해야 합니다. 또한, 연동 운동이 혈중 생물학적 지표 수치에 미치는 영향에 대한 연구가 필요합니다.
3. 건강한 사람의 경우, 수면 후 아침에 신체 활동을 하면 혈중 히알루론산, MMP-3, 그리고 케라탄황산염 에피토프 농도가 증가합니다. 신체 활동은 활액막액과 혈청 내 일부 지표의 농도를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 증가는 류마티스 관절염 환자에서 더욱 두드러지며, 생물학적 지표의 농도는 환자의 임상 상태와 상관관계가 있습니다.
4. 간 및 신장 질환. 간경변은 혈청 히알루론산 수치를 유의미하게 증가시키고 프로테오글리칸 제거에 영향을 미치는 것으로 보입니다. 신장 질환은 오스테오칼신 농도에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 이 문제에 대해서도 더 심층적인 연구가 필요합니다.
5. 연령과 성별. 성장기에는 성장판 세포의 활동이 증가하며, 이는 혈청 내 골격 생물학적 지표의 농도 증가를 동반합니다. 성장기 동물의 말초혈액과 소변에서 아그레칸 단편과 II형 콜라겐의 농도가 증가하는 것이 그 예입니다. 따라서 근골격계 질환이 있는 소아 및 청소년의 생물학적 지표 분석 결과를 해석하는 것은 어렵습니다. 많은 생물학적 지표의 경우, 노화에 따라 농도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 남성의 경우 연골 및 뼈 조직에서 생물학적 지표의 농도가 여성의 농도보다 훨씬 높습니다. 또한, 폐경기 및 폐경 후 여성의 경우 뼈 조직에서 관찰되는 것과 유사하게 연골 대사의 생물학적 지표 농도 변화를 예상할 수 있습니다.
6. 수술 절차는 생물학적 지표의 수치에도 영향을 미칠 수 있으며, 이 효과는 몇 주 동안 지속될 수 있습니다.

골관절염의 생물학적 지표라는 개념은 이들이 관절 조직의 대사 과정의 특정 측면을 반영한다는 가정에 기반합니다. 그러나 체액 내 생물학적 지표 농도와 연골, 활막 및 기타 조직의 대사 사이의 관계는 매우 복잡한 것으로 밝혀졌습니다.

예를 들어, 활막액에서 관절 연골 ECM 분해 지표의 농도는 기질 자체의 분해 정도뿐만 아니라, 이미 위에서 언급한 바와 같이 활막에서 분자 조각이 제거된 정도와 관절에 남아 있는 연골 조직의 양과 같은 다른 요인에 따라 달라질 수 있습니다.

위의 사실에도 불구하고, 활액 내 생물학적 표지자 농도는 일반적으로 관절 연골의 세포외 기질(ECM) 분자 대사와 상관관계를 보입니다. 예를 들어, 관절 손상 후 및 골관절염 발생 과정에서 활액 내 아그레칸 단편, 에피토프 846, COMB, 그리고 콜라겐 II의 C-프로펩타이드 농도 변화는 동물 및 골관절염 실험 모델(생체 내)과 골관절염 환자의 관절 연골(생체 외)에서 아그레칸, COMB, 그리고 콜라겐 II 대사 강도 변화와 일치합니다.

분자 단편의 특정 출처를 식별하는 것은 복잡한 과정입니다. 분자 단편 방출 증가는 합성 과정으로 상쇄되지 않는 분해 과정의 전반적인 증가, 또는 동일한 ECM 분자의 합성 강도 증가와 함께 분해 증가로 인해 발생할 수 있습니다. 후자의 경우, ECM 분자의 농도는 변하지 않습니다. 따라서 분해 및 합성에 특이적인 마커를 찾는 것이 필요합니다. 전자의 예로는 아그레칸 단편이 있고, 후자는 콜라겐 11의 C-프로펩타이드입니다.

생물학적 표지자가 대사의 특정 측면과 관련이 있더라도, 이 과정의 구체적인 특징을 고려해야 합니다. 예를 들어, 확인된 단편은 기능적 ECM에 아직 통합되지 않은 신생 합성 분자, ECM에 막 통합된 분자, 그리고 성숙 기질의 중요한 기능적 부분인 영구 ECM 분자의 분해 결과로 형성될 수 있습니다. 또 다른 문제는 활액, 혈액 또는 소변에서 검출되는 생물학적 표지자의 원천으로 작용하는 특정 기질 영역(세포주위, 영역, 영역간 기질)을 정의하는 것입니다. 시험관 내 연구는 관절 연골 ECM의 각 영역에서 대사 강도가 다를 수 있음을 시사합니다. 콘드로이틴 황산염 황산화와 관련된 특정 에피토프 연구는 신생 합성된 어그레칸 분자의 집단을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연골 ECM에 정상적으로 존재하는 분자 조각들이 활액 내 나타나는 것은 연골 기질의 대사와 관련이 있다고 추정할 수 있습니다. 그러나 이는 항상 그런 것은 아닙니다. 이는 여러 요인, 특히 관절 연골 내 특정 분자의 농도가 다른 관절 조직보다 얼마나 높은지, 그리고 연골 내 대사 강도가 다른 관절 조직보다 얼마나 높은지에 따라 달라지기 때문입니다. 따라서 관절 연골 내 아그레칸의 총량은 예를 들어 무릎 관절의 반월판보다 훨씬 많은 반면, 반월판 내 COMB의 총량은 관절 연골과 거의 차이가 없습니다. 연골세포와 활막세포 모두 스트로멜리신-1을 생성하지만, 활막 내 세포의 총 수는 연골보다 많으므로 활액에서 발견되는 스트로멜리신-1의 상당 부분은 활막 유래일 가능성이 높습니다. 그러므로 생물학적 지표의 구체적인 출처를 식별하는 것은 매우 어렵고 종종 불가능합니다.

혈청과 소변에서 생물학적 지표를 연구할 때, 그 지표가 관절 외에서 유래할 가능성을 파악하는 문제가 발생합니다. 또한, 단일 관절 손상의 경우, 손상된 관절에서 분비되는 생물학적 지표가 반대쪽 관절을 포함한 정상 관절에서 분비되는 지표와 혼합될 수 있습니다. 관절 연골은 신체 유리 연골 전체 질량의 10% 미만을 차지합니다. 따라서 혈액과 소변에서 생물학적 지표를 측정하는 것은 다관절 질환(골관절증과 관련된 전신성 골관절증)에서 오히려 타당할 수 있습니다.

생물학적 마커의 요건은 진단, 예후, 또는 평가 검사 중 어떤 용도로 사용되는지에 따라 달라집니다. 예를 들어, 진단 검사는 건강한 사람과 골관절염 환자 간의 차이를 파악하는데, 이는 검사의 민감도와 특이도로 표현됩니다. 예후 검사는 코호트에서 질병이 빠르게 진행될 가능성이 가장 높은 개인을 식별합니다. 마지막으로, 평가 검사는 마커가 개별 환자의 시간 경과에 따른 변화를 모니터링하는 능력을 기반으로 합니다. 또한, 생물학적 마커는 특정 약물에 대한 환자의 민감도를 결정하는 데 사용될 수 있습니다.

처음에는 생물학적 지표가 골관절염이 있는 관절과 정상 관절을 구별하는 데 도움이 되는 진단 검사로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 관절 질환과의 감별 진단에도 도움이 될 것으로 여겨졌습니다. 따라서 혈청 내 케라탄황산염 농도 측정은 전신성 골관절염 진단 검사로 고려되었습니다. 그러나 이후 연구들은 이 생물학적 지표가 일부 상황에서 연골 프로테오글리칸의 분해만을 반영할 수 있음을 보여주었습니다. 혈청 내 생물학적 지표의 농도는 검사 대상자의 연령과 성별에 따라 달라진다는 것이 밝혀졌습니다.

골관절염 환자의 활액액과 혈청에서 관절 조직 대사의 추정 생물학적 지표

생물학적 마커	프로세스	활액액(링크)	혈청에서 (링크)
1. 연골
아그레칸
핵심 단백질 조각	아그레칸 분해	Lohmander LS. et al., 1989; 1993	Thonar EJMA 등, 1985; Campion GV 외, 1989; 메라반F. 등, 1991; Spector TD 등, 1992; Lohmander LS., Thonar EJ-MA, 1994; Poole AR 등, 1994) t (Poole AR 등, 1994)
핵심 단백질 에피토프(분열 영역 특이적 신에피토프)	아그레칸 분해	샌디 JD 등, 1992; LohmanderLS. 등, 1993; LarkM.W. 등, 1997
각질황산염의 에피토프	아그레칸 분해	Campion GV 등, 1989; Belcher C 등, 1997
콘드로이틴 황산염의 에피토프(846, ЗВЗ, 7D4 및 DR.)	아그레칸 합성/분해	Poole AR 등, 1994; HazelP.K. 등, 1995; Slater RR Jr. 외, 1995; Plaas AHK 등, 1997; 1998년; 롬맨더 LS. 등, 1998
콘드로이틴-6과 콘드로이틴-4 황산염의 비율	아그레칸 합성/분해	신메 iM. 외 1993
작은 프로테오글리칸	작은 프로테오글리칸의 분해	Witsch-PrehmP. et al., 1992
연골의 기질 단백질
홉프	HOMP의 분해	Saxne T., Heinegerd D., 1992"; LohmanderLS. 등, 1994; Petersson IF 등, 1997	Sharif M. et al., 1995
연골 콜라겐
II형 콜라겐의 C-프로펩타이드	콜라겐 II 합성	신메이M. 등, 1993; 요시하라Y. 등, 1995; LohmanderLS. 등, 1996
II형 콜라겐의 알파 사슬 조각	콜라겐 II 분해	Hollander AP 등, 1994; Billinghurst RC 등, 1997; AtleyLM. 등, 1998
MMP와 그 억제제	합성과 분비	활막이나 관절 연골에서?
II. 메니스커스
홉프	HOMP의 분해	관절 연골, 반월판 또는 활막?
작은 프로테오글리칸	작은 프로테오글리칸의 분해
III. 활막
히알루론산	히알루론산의 합성		Goldberg RL 등, 1991; HedinP.-J. 등, 1991; Sharif M. 등, 1995
MMP와 그 억제제
스트로멜리신(MMP-3)	MMP-3 합성 및 분비	LohmanerLS et al., 1993	주커S. 등, 1994; 요시하라Y. 등, 1995
간질성 콜라겐 분해효소(MMP-1)	MMP-1 합성 및 분비	Clark IM 등, 1993; LohmanderLS 등, 1993	Manicourt DH et al., 1994
팀프	TIMP의 합성 및 분비	롬맨더 LS. 등, 1993; Manicourt DH 등, 1994	요시하라 Y. 외, 1995
III형 콜라겐의 N-프로펩타이드	콜라겐 III 합성/분해	Sharif M. et al., 1996	Sharif M. et al., 1996

여러 연구에서 건강한 지원자, 류마티스 관절염, 반응성 관절염 또는 골관절염 환자의 무릎 관절액에서 아그레칸 단편, HOMP, MMP 및 그 억제제의 농도 차이가 나타났습니다. 저자들은 생물학적 지표의 평균 농도에서 유의미한 차이를 보였음에도 불구하고, 비교 분석이 프로파일 및 후향적이었기 때문에 데이터 해석이 어렵습니다. 이러한 검사의 예후적 특성은 전향적 연구를 통해 확인되어야 합니다.

생물학적 마커는 질병의 중증도 또는 병리학적 과정의 병기를 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 골관절염의 경우, 질병의 중증도와 병기는 X선 검사, 관절경 검사 결과뿐만 아니라 통증 증후군의 중증도, 환부 관절 기능 제한, 그리고 환자의 기능적 능력에 따라 판단됩니다. L. Dahlberg 등(1992)과 T. Saxne, D. Heinegard(1992)는 골관절염 병기의 추가적인 특성을 규명하기 위해 관절 연골 대사의 분자 마커를 사용할 것을 제안했습니다. 그러나 이러한 생물학적 마커를 의료 현장에 도입하기 위해서는 이러한 방향으로의 추가 연구가 필요합니다.

생물학적 마커를 예후 검사로 사용할 수 있다는 보고가 있습니다. 예를 들어, 연구 시작 시 무릎 골관절염 환자의 혈청에서 히알루론산(케라탄 황산염은 아님) 농도가 5년간의 관찰 기간 동안 골관절염의 진행을 나타내는 것으로 나타났습니다. 동일한 환자 집단에서 연구 시작 후 첫 1년 동안 골관절염 환자의 혈청에서 COMB 함량이 증가하면 5년간의 관찰 기간 동안 방사선학적 진행과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 류마티스 관절염 환자의 생물학적 마커 연구에서 혈청 내 COMB, 에피토프 846, 콘드로이틴 황산염 농도가 더 빠른 질병 진행과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 소규모 환자군에서 얻은 이러한 결과는 생물학적 마커 수준과 질병 진행 간의 관련성의 강도를 종종 보여주지 않습니다. 즉, 전향적이고 더 큰 환자 코호트에 대한 추가 연구가 필요합니다.

TD Spector 등(1997)은 초기 골관절염 환자에서 혈청 CRP가 약간 증가하는 것을 발견하여 CRP가 골관절염 진행의 예측 인자일 수 있다고 보고했습니다. 이 경우, CRP 증가는 관절 조직 손상 과정을 반영하며, 히알루론산 증가와 연관될 수 있으며, 이는 질병 진행을 시사합니다. 혈청에서 측정되는 히알루론산의 대부분은 활막에서 생성될 수 있으며, 이는 경증 활막염의 존재를 시사합니다. 골관절염 환자와 관절 손상 후 환자의 활막액과 혈청에서 스트로멜리신 MMP 농도가 증가하는 것 또한 경증 활막염과 관련이 있을 수 있습니다.

마지막으로, 생물학적 마커는 약물 임상시험 및 병리학적 치료 모니터링에서 효능 기준으로 사용될 수 있습니다. 그러나 두 가지 상호 연관된 문제가 있습니다. "구조 변형" 또는 "질병 변형" 특성이 입증된 약물이 부족한 것은 주로 신뢰할 수 있는 생물학적 마커가 부족하기 때문이며, 반대로 관절 조직 대사에 대한 특정 마커가 부족한 것은 주로 이러한 환자군에서 약물에 대한 통제 연구가 부족하기 때문입니다.

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