골관절염 발병에서 효소와 사이토카인의 역할

최근 몇 년 동안 연구자들은 골관절염에서 관절 연골 ECM 분해를 담당하는 단백질 분해효소를 규명하는 데 많은 관심을 기울여 왔습니다. 현대적 개념에 따르면, 기질 금속 단백질 분해효소(MMP)는 골관절염의 발병 기전에 중요한 역할을 합니다. 골관절염 환자에서는 콜라게나제, 스트로멜리신, 젤라티나제라는 세 가지 MMP의 수치가 증가합니다. 콜라게나제는 천연 콜라겐, 스트로멜리신(IV형 콜라겐, 프로테오글리칸, 라미닌), 젤라티나제는 젤라틴, IV형 콜라겐, Vh XI형 콜라겐, 엘라스틴을 분해합니다. 또한, MMP의 특성을 가지며 연골 프로테오글리칸 응집체의 단백질 분해를 담당하는 또 다른 효소인 아그레카나제(aggrecanase)가 존재할 것으로 추정됩니다.

인간 관절 연골에서 세 가지 유형의 콜라게나제가 확인되었으며, 골관절염 환자에서 그 수치가 유의하게 증가합니다. 콜라게나제-1(MMP-1), 콜라게나제-2(MMP-8), 콜라게나제-3(MMP-13)입니다. 관절 연골에서 세 가지 유형의 콜라게나제가 공존하는 것은 각 콜라게나제가 고유한 역할을 수행함을 시사합니다. 실제로 콜라게나제-1과 콜라게나제-2는 주로 관절 연골의 표층과 상부 중간층에 위치하는 반면, 콜라게나제-3은 하부 중간층과 심부에 위치합니다. 또한, 면역조직화학 연구 결과 골관절염이 진행됨에 따라 콜라게나제-3의 수치는 정체기에 도달하여 감소하는 반면, 콜라게나제-1의 수치는 점진적으로 증가하는 것으로 나타났습니다. 골관절염에서 콜라게나제-1은 주로 관절 연골의 염증 과정에 관여하는 반면, 콜라게나제-3은 조직 재형성에 관여한다는 증거가 있습니다. OA 환자의 연골에서 발현되는 콜라게나제-3는 콜라게나제-1보다 II형 콜라겐을 더욱 강력하게 분해합니다.

두 번째 그룹의 메탈로프로테아제 중 세 가지가 인간 스트로멜리신에서도 확인되었습니다. 스트로멜리신-1(MMP-3), 스트로멜리신-2(MMP-10), 그리고 스트로멜리신-3(MMP-11)입니다. 현재 골관절염의 병리 과정에는 스트로멜리신-1만이 관여하는 것으로 알려져 있습니다. 스트로멜리신-2는 골관절염 환자의 활막에서는 검출되지 않지만, 류마티스 관절염 환자의 활막 섬유아세포에서는 매우 소량으로 발견됩니다. 스트로멜리신-3 또한 류마티스 관절염 환자의 활막 섬유아세포 근처, 특히 섬유화 부위에서 발견됩니다.

인간 연골 조직의 젤라티나제 그룹에서는 92 kD 젤라티나제(젤라티나제 B 또는 MMP-9)와 72 kD 젤라티나제(젤라티나제 A 또는 MMP-2)의 두 가지만이 확인되었습니다. 골관절염 환자의 경우 92 kD 젤라티나제 수치가 증가하는 것으로 나타났습니다.

최근 세포막 표면에 국한되어 있는 또 다른 MMP 그룹이 발견되었으며, 이를 막형 MMP(MMP-MT)라고 합니다. 이 그룹에는 MMP-MT1과 MMP-MT-4의 네 가지 효소가 포함됩니다. MMP-MT는 인간 관절 연골에서 발현되는 것으로 알려져 있습니다. MMP-MT-1은 콜라게나제(collagenase) 기능을 가지고 있지만, MMP-MT-1과 MMP-MT-2 효소 모두 72kDa의 젤라티나제(gelatinase)와 3kDa의 콜라게나제(collagenase)를 활성화시킬 수 있습니다. 골관절염 발병 기전에서 이 MMP 그룹의 역할은 명확히 규명되어야 합니다.

단백질 분해효소는 지모겐 형태로 분비되며, 이는 다른 단백질 분해효소나 유기 수은 화합물에 의해 활성화됩니다. MMP의 촉매 활성은 효소 활성 영역에 아연이 존재하는지에 따라 달라집니다.

MMP의 생물학적 활성은 특정 TIMP에 의해 제어됩니다. 현재까지 인간 관절 조직에서 발견되는 TIMP의 세 가지 유형이 확인되었습니다: TIMP-1–TIMP-3. 네 번째 유형의 TIMP가 확인 및 복제되었지만 아직 인간 관절 조직에서 검출되지 않았습니다. 이 분자들은 MMP의 활성 부위에 특이적으로 결합하지만, 일부는 72 kD 프로젤라티나제(TIMP-2, -3, -4)와 92 kD 프로젤라티나제(TIMP-1 및 -3)의 활성 부위에 결합할 수 있습니다. OA에서 관절 연골의 MMP와 TIMP 사이에 불균형이 있어 억제제가 상대적으로 부족해지는 것으로 나타났으며, 이는 부분적으로 조직 내 활성 MMP 수치 증가 때문일 수 있습니다. TIMP-1과 -2는 관절 연골에서 발견되며 연골세포에서 합성됩니다. 골관절염에서는 활막과 활액에서 I형 TIMP만 검출됩니다. TIMP-3는 ECM에서만 발견됩니다. TIMP-4는 아미노산 서열의 약 50%를 TIMP-2와, 38%를 TIMP-1과 공유합니다. 다른 표적 세포에서 TIMP-4는 세포 표면의 72kD 프로젤라티나아제 활성을 조절하는데, 이는 ECM 리모델링의 조직 특이적 조절자로서 중요한 역할을 함을 시사합니다.

MMP의 생물학적 활성을 조절하는 또 다른 기전은 생리적 활성화입니다. AP/플라스민과 카텝신 B와 같은 세린 및 시스테인 프로테아제 계열 효소가 MMP의 생리적 활성제로 여겨집니다. 골관절염 환자의 관절 연골에서 유로키나아제(uAP)와 플라스민 수치가 증가되어 있는 것으로 나타났습니다.

여러 유형의 카텝신이 관절 조직에서 발견된다는 사실에도 불구하고, 카텝신-B는 연골에서 MMP의 가장 가능성 있는 활성제로 간주됩니다. 세린 및 시스테인 프로테아제의 생리학적 억제제가 인간 관절 조직에서 발견되었습니다. AP-1 억제제(IAI-1)와 시스테인 프로테아제의 활성은 골관절염 환자에서 감소합니다. MMP/TIMP와 유사하게, 세린 및 시스테인 프로테아제와 그 억제제 간의 불균형이 골관절염 환자의 관절 연골에서 MMP의 활성 증가를 설명할 수 있습니다. 또한, MMP는 서로를 활성화할 수 있습니다. 예를 들어, 스트로멜리신-1은 콜라게나제-1, 콜라게나제-3 및 92 kD 젤라티나제를 활성화합니다. 콜라게나제-3은 92 kD 젤라티나제를 활성화합니다. MMP-MT는 콜라게나제-3를 활성화하고, 72kDa 젤라티나제-1의 활성화를 강화합니다. MMP-MT는 또한 72kDa 젤라티나제-2를 활성화합니다. 사이토카인은 파괴적 사이토카인(염증성), 조절적 사이토카인(항염증성 포함), 동화작용적 사이토카인(성장인자)의 세 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다.

사이토카인의 유형(van den Berg WB et al에 따름)

파괴적인	인터루킨-1 TNF-α 백혈병 억제 인자 인터루킨-17
규제	인터루킨-4 인터루킨-10 인터루킨-13 효소 억제제
동화작용	인슐린 유사 성장 인자 TGF-b 골 형성 단백질 연골에서 유래한 형태발생 단백질

파괴적인 사이토카인, 특히 IL-1은 프로테아제 분비를 증가시키고 연골세포의 프로테오글리칸과 콜라겐 합성을 억제합니다. 조절 사이토카인, 특히 IL-4와 IL-10은 IL-1 생성을 억제하고, IL-1 수용체 길항제(IL-1RA) 생성을 증가시키며, 연골세포의 NO 합성효소 수치를 감소시킵니다. 따라서 IL-4는 세 가지 방식으로 IL-1에 대항합니다. 1) 생성 감소로 IL-1의 효과를 방지하고, 2) 주요 "소거제"인 IL-1RA 생성을 증가시키며, 3) 주요 이차 "전달자"인 NO 생성을 감소시킵니다. 또한, IL-4는 조직의 효소적 분해를 감소시킵니다. 생체 내에서는 IL-4와 IL-10의 병용 투여를 통해 최적의 치료 효과를 얻을 수 있습니다. TGF-β 및 IGF-1과 같은 동화 인자는 실제로 IL-1의 생성이나 작용을 방해하지 않지만 반대 활동을 보입니다. 예를 들어, 프로테오글리칸과 콜라겐의 합성을 자극하고, 프로테아제의 활동을 억제하며, TGF-β는 또한 효소의 방출을 억제하고 그 억제제를 자극합니다.

염증유발 사이토카인은 관절 조직에서 MMP의 합성 및 발현 증가를 담당합니다. 이들은 활막에서 합성된 후 활액을 통해 관절 연골로 확산됩니다. 염증유발 사이토카인은 연골세포를 활성화시키고, 연골세포는 염증유발 사이토카인을 생성할 수 있습니다. 골관절염이 있는 관절에서 염증을 유발하는 세포는 주로 활막 세포입니다. 단백질 분해효소와 염증 매개체를 분비하는 것은 대식세포 유형의 활막세포입니다. 그중에서도 IL-f, TNF-a, IL-6, 백혈병 억제 인자(LIF), IL-17이 골관절염의 발병 기전에 가장 "관여"합니다.

골관절염에서 관절 연골 분해를 자극하는 생물학적 활성 물질

• 인터루킨-1
• 인터루킨-3
• 인터루킨-4
• TNF-α
• 집락자극인자: 대식세포(단핵구) 및 과립구-대식세포
• 물질 P
• PGE ₂
• 플라스미노겐 활성제(조직 및 우로키나제 유형) 및 플라스민
• 메탈로프로테아제(콜라게나제, 엘라스타제, 스트로멜리신)
• 카텝신 A와 B
• 트릴신
• 박테리아 리포다당류
• 포스포리파아제 Ag

문헌 자료에 따르면 IL-1과 아마도 TNF-a가 골관절염에서 관절 조직 파괴의 주요 매개체입니다. 그러나 이들이 서로 독립적으로 작용하는지 또는 이들 사이에 기능적 위계가 있는지는 아직 알 수 없습니다. 골관절염 동물 모델에서 IL-1 차단은 관절 연골 파괴를 효과적으로 예방하는 반면 TNF-a 차단은 관절 조직의 염증만 감소시키는 것으로 나타났습니다. 두 사이토카인의 농도가 환자의 활막, 활액액 및 연골에서 증가한 것으로 나타났습니다. 연골세포에서 이들은 프로테아제(주로 MMP 및 AP)뿐만 아니라 유형 I 및 III과 같은 소량의 콜라겐의 합성을 증가시키고 유형 II 및 IX와 프로테오글리칸의 합성을 감소시킬 수 있습니다. 이러한 사이토카인은 또한 활성 산소종과 PGE2와 같은 염증 매개체를 자극 _합니다. 골관절염 환자의 관절 연골에서 이러한 거대 분자적 변화가 발생하면 회복 과정이 효과적이지 않아 연골이 더욱 악화됩니다.

위에서 언급한 염증성 사이토카인은 골관절염에서 MMP 억제/활성화 과정을 조절합니다. 예를 들어, 골관절염에서 연골 내 TIMP-1과 MMP 수치의 불균형은 IL-1에 의해 매개될 수 있습니다. 시험관 내 연구에서 IL-1 베타 농도 증가가 TIMP-1 농도 감소 및 연골세포의 MMP 합성 증가로 이어진다는 것이 입증되었기 때문입니다. AP 합성 또한 IL-1 베타에 의해 조절됩니다. 관절 연골 연골세포를 IL-1로 자극하면 AP 합성이 용량 의존적으로 증가하고 iAP-1 합성은 급격히 감소합니다. IL-1이 iAP-1 합성을 감소시키고 AP 합성을 자극하는 능력은 플라스민 생성 및 MMP 활성화에 중요한 기전입니다. 또한, 플라스민은 다른 효소를 활성화하는 효소일 뿐만 아니라, 직접적인 단백질 분해를 통해 연골 분해 과정에도 관여합니다.

IL-ip는 질량이 31 kD인 비활성 전구체(pre-IL-ip)로 합성된 후, 신호 펩타이드가 절단된 후 질량이 17.5 kD인 활성 사이토카인으로 전환됩니다. 활막, 활액, 관절 연골을 포함한 관절 조직에서 IL-ip는 활성 형태로 발견되며, 생체 내 연구에서 골관절염 환자의 활막이 이 사이토카인을 분비하는 능력이 입증되었습니다. 일부 세린 프로테아제는 pre-IL-ip를 생리활성 형태로 전환할 수 있습니다. 포유류에서 이러한 특성은 시스테인 아스파르트산 특이 효소 계열에 속하는 IL-1β 전환 효소(ICF 또는 카스파제-1)라는 단 하나의 프로테아제에서만 발견되었습니다. 이 효소는 pre-IL-ip를 질량이 17.5 kD인 생물학적으로 활성인 "성숙" IL-ip로 특이적으로 전환할 수 있습니다. ICF는 세포막에 존재하는 45 kD 프로엔자임(p45)입니다. p45 프로엔자임이 단백질 분해에 의해 절단되면, p10과 p20이라는 두 개의 소단위체가 형성되며, 이 소단위체들은 효소 활성을 특징으로 합니다.

TNF-α는 26 kDa의 질량을 가진 막 결합 전구체로 합성되며, 단백질 분해에 의해 17 kDa의 질량을 가진 활성 가용성 형태로 세포에서 방출됩니다. 단백질 분해는 아다말리진 계열에 속하는 TNF-α 전환 효소(TNF-AC)에 의해 수행됩니다. AR Amin 등(1997)은 골관절염 환자의 관절 연골에서 TNF-AC mRNA 발현이 증가함을 발견했습니다.

IL-1과 TNF-α에 의한 연골세포와 활막세포의 생물학적 활성화는 세포 표면의 특정 수용체인 IL-R과 TNF-R과의 결합을 통해 매개됩니다. 각 사이토카인에 대해 두 가지 유형의 수용체, 즉 IL-IP I형과 II형, 그리고 TNF-R I형(p55)과 II형(p75)이 확인되었습니다. IL-1PI와 p55는 관절 조직 세포의 신호 전달을 담당합니다. IL-1R I형은 IL-1α보다 IL-1β에 대한 친화도가 약간 더 높습니다. 반대로 IL-1R II형은 IL-1α보다 IL-1β에 대한 친화도가 더 높습니다. IL-IP II형이 IL-1 신호를 매개할 수 있는지, 아니면 IL-1과 IL-1R I형의 결합을 경쟁적으로 억제하는 역할만 하는지는 아직 불분명합니다. 골관절염 환자의 연골염과 활막 섬유아세포는 다량의 IL-1PI와 p55를 함유하고 있으며, 이는 이들 세포가 해당 사이토카인의 자극에 매우 민감하게 반응하는 이유를 설명합니다. 이러한 과정은 단백질 분해 효소의 분비 증가와 관절 연골의 파괴로 이어집니다.

골관절염의 병리학적 과정에 IL-6가 관여할 가능성을 배제할 수 없습니다. 이러한 가정은 다음과 같은 관찰 결과에 근거합니다.

• IL-6는 활막 내 염증세포의 수를 증가시킨다.
• IL-6는 연골세포 증식을 자극합니다.
• IL-6는 MMP 합성을 증가시키고 프로테오글리칸 합성을 억제하는 IL-1의 효과를 향상시킵니다.

그러나 IL-6는 TIMP의 생성을 유도할 수 있지만 MMP의 생성에는 영향을 미치지 않으므로 이 사이토카인은 피드백 메커니즘을 통해 수행되는 관절 연골의 단백질 분해를 억제하는 과정에 관여하는 것으로 여겨진다.

IL-6 계열의 또 다른 구성원인 LIF는 골관절염 환자의 연골세포에서 생성되는 사이토카인으로, 염증 유발 사이토카인인 IL-1p와 TNF-α의 자극에 반응하여 생성됩니다. LIF는 연골 프로테오글리칸 재흡수, MMP 합성, 그리고 NO 생성을 자극합니다. 골관절염에서 이 사이토카인의 역할은 아직 완전히 규명되지 않았습니다.

IL-17은 20~30 kD의 동종이량체로, IL-1과 유사한 효과를 나타내지만 그 효과는 훨씬 약합니다. IL-17은 인간 대식세포와 같은 표적 세포에서 IL-1p, TNF-α, IL-6, MMP를 포함한 여러 염증성 사이토카인의 합성 및 방출을 자극합니다. 또한, IL-17은 연골세포의 NO 생성을 자극합니다. LIF와 마찬가지로, 골관절염의 발병 기전에서 IL-17의 역할은 충분히 연구되지 않았습니다.

무기 자유 라디칼인 NO는 골관절염 환자의 관절 연골 분해에 중요한 역할을 합니다. 골관절염 환자에서 분리한 연골세포는 정상 세포에 비해 자발적으로 그리고 염증성 사이토카인 자극 후 더 많은 양의 NO를 생성합니다. 골관절염 환자의 활액액과 혈청에서 높은 NO 함량이 발견되었는데, 이는 NO 생성을 담당하는 효소인 유도성 NO 합성효소(hNOC)의 발현 및 합성 증가 때문입니다. 최근 연골세포 특이적 hNOC의 DNA가 클로닝되었고, 효소의 아미노산 서열이 결정되었습니다. 아미노산 서열은 내피 및 신경 조직 특이적 hNOC와 50%의 동일성, 70%의 유사성을 나타냅니다.

NO는 관절 연골 ECM의 거대분자 합성을 억제하고 MMP 합성을 자극합니다. 또한, NO 생성 증가는 연골세포의 IL-IP 길항제(IL-1RA) 합성 감소를 동반합니다. 따라서 IL-1 수치의 증가와 IL-1RA 감소는 연골세포에서 NO의 과자극을 유발하여 연골 기질의 분해를 증가시킵니다. 선택적 hNOC 억제제가 실험적 골관절염의 진행에 미치는 생체 내 치료 효과에 대한 보고가 있습니다.

천연 사이토카인 억제제는 사이토카인이 세포막 수용체에 결합하는 것을 직접 차단하여 염증 유발 활성을 감소시킵니다. 천연 사이토카인 억제제는 작용 기전에 따라 세 가지 종류로 나눌 수 있습니다.

첫 번째 계열의 억제제에는 수용체 길항제가 포함되는데, 이는 결합 부위를 두고 경쟁함으로써 리간드와 수용체의 결합을 방해합니다. 현재까지 이러한 억제제는 IL-1에 대해서만 발견되었으며, 이는 앞서 언급한 IL-1/ILIP 시스템인 IL-1 PA의 경쟁적 억제제입니다. IL-1 PA는 골관절염 환자의 관절 조직에서 관찰되는 여러 효과, 즉 활막 세포의 프로스타글란딘 합성, 연골세포의 콜라게나제 생성, 관절 연골의 골분해를 차단합니다.

IL-1RA는 여러 가지 형태로 존재합니다. 하나는 가용성 형태(rIL-1RA)이고 다른 하나는 세포간 형태(μIL-1PAI 및 μIL-1RAP)입니다. 가용성 형태의 IL-1RA는 세포간 형태보다 친화도가 5배 높습니다. 집중적인 과학적 연구에도 불구하고, 후자의 기능은 아직 밝혀지지 않았습니다. 시험관 내 실험 결과, IL-1β 활성을 억제하려면 정상보다 10~100배 높은 IL-1RA 농도가 필요한 반면, 생체 내 조건에서는 IL-1RA 농도가 1,000배 증가해야 하는 것으로 나타났습니다. 이러한 사실은 골관절염 환자의 활막에서 IL-1RA의 상대적 결핍과 IL-1의 과잉을 부분적으로 설명할 수 있습니다.

두 번째 종류의 천연 사이토카인 억제제는 가용성 사이토카인 수용체입니다. 골관절염의 발병 기전과 관련된 이러한 억제제의 예로는 rIL-1R과 pp55가 있습니다. 가용성 사이토카인 수용체는 정상 수용체의 단축된 형태로, 사이토카인에 결합하면 경쟁적 길항 작용 기전을 통해 표적 세포의 막 관련 수용체와의 결합을 방해합니다.

가용성 수용체의 주요 전구체는 막 결합 IL-1RP입니다. rIL-IP의 IL-1과 IL-1RA에 대한 친화도는 서로 다릅니다. 따라서 rIL-1RN은 IL-1RA보다 IL-1β에 대한 친화도가 더 높고, rIL-1PI는 IL-ip보다 IL-1RA에 대한 친화도가 더 높습니다.

TNF에 대한 가용성 수용체에는 pp55와 pp75 두 가지 유형이 있으며, 가용성 IL-1 수용체와 마찬가지로 "탈락"에 의해 형성됩니다. 생체 내에서 두 수용체 모두 영향을 받는 관절 조직에서 발견됩니다. 골관절염의 발병 기전에서 가용성 TNF 수용체의 역할은 논란의 여지가 있습니다. 저농도에서는 TNF의 3차원 구조를 안정화하고 생리활성 사이토카인의 반감기를 증가시키는 반면, 고농도에서는 경쟁적 길항 작용을 통해 TNF 활성을 감소시킬 수 있는 것으로 추정됩니다. 아마도 pp75는 TNF 운반체 역할을 하여 막 관련 수용체와의 결합을 촉진할 수 있을 것입니다.

세 번째 천연 사이토카인 억제제는 TGF-β, IL-4, IL-10, IL-13을 포함하는 항염증성 사이토카인 그룹으로 대표됩니다. 항염증성 사이토카인은 염증 유발 효소 및 일부 단백질 분해 효소의 생성을 감소시키고, IL-1RA와 TIMP의 생성을 촉진합니다.