항공우주의학회지 제26권 제3호
□ 종 설 □
The KJAsEM Vol.26(3), December, 201671
미세중력이 면역계에 미치는 영향: Year-in-Review
장태영1,2ㆍ김규성1,2ㆍ김영효1,2
인하대학교 우주항공의생명과학연구소
1, 인하대학교 의과대학 이비인후과학교실
2Effect of Micro-gravity on the Immune System: Year-in-Review
Tae Young Jang, M.D., Ph.D.1,2, Kyu-Sung Kim, M.D., Ph.D.1,2, Young Hyo Kim, M.D., Ph.D.1,2
1Institute of Aerospace Biomedical Science and Technology, Inha University,
2Department of Otorhinolaryngology, Inha University College of Medicine, Incheon, Korea
Microgravity could exert significant health effect for astronauts, by weakening his or her immune function. Opportunistic infection by viruses, bacteria or fungi and their resistance to antibiotics or other treatment could cause significant health problem to astronauts. Therefore, it is essential that we perform research about change of immune function in microgravity condition. However, performing biological research under microgravity condition is extremely difficult on Earth. Therefore, several researchers have developed machinery and methods such as bioreactors (for cell culture study) and anti-orthostatic hindlimb unloading model (for rodents). In this review, we evaluated the usefulness of these models for simulated microgravity research. We also aimed to review recent literatures, which studied the immuno- logical effects of long-term simulated microgravity.
Key words: Weightlessness simulation, Immunity, Hindlimb suspension, Aerospace medicine
접수: 2016년 11월 17일, 심사완료일: 2016년 12월 1일 교신저자: 김영효
우 22332 인천시 중구 인항로 27 인하대병원 이비인후과
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I. 서 론
미세중력이란 통상 1×10
−6g 혹은 그 이하의 중력상태를 의미한다. 미세중력 상태에서 장기간 임무를 수행하는 우 주인들은 흔히 근골격계 및 감각기관의 변화를 경험하게 되며, 이외에도 면역 기능 역시 현저한 영향을 받을 수 있 다. 우주공간에서의 면역기능 저하는 기회감염 및 이로 인 한 심각한 합병증을 초래할 수 있으므로, 최근 이에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그러나 지상에서 미세중력과 관련한 연구를 하는 것은 매우 어려운 일이다. 지구상에 존재하는 어떤 물체도 지구 중력으로부터 자유로울 수 없기 때문이다. 매우 높은 높이 에서 수직으로 물체를 낙하시켜 물체 내부에 있는 공간에
순간적으로 미세중력을 유발하는 낙하탑(drop tower) 또는 비행기를 높은 고도까지 상승시킨 후 공중에서 자유낙하를 시키는 비행(parabolic flight) 등의 방법이 있으나, 장기간의 미세중력을 유발할 수는 없다. 따라서 미세중력과 관련한 생명과학 연구를 하고자 한다면, 다른 방법론을 모색해야 할 것이다.
따라서 본 종설에서는, 먼저 지상에서의 미세중력 연구 를 위한 장치 및 기법에 대해 알아보고, 이를 이용한 최신 연구 결과들을 고찰하고자 한다. 본 연구를 위해, Pubmed 검색을 통해 ‘microgravity’ 및 ‘immune’ 검색어를 통해 검색 된 논문 중 2016년에 출판되었으며, 영문으로 출판된 논문 을 분석하였다.
II. 본 론
1. 미세중력 연구방법론
지구중력을 상쇄하기 위해 원심력을 사용할 수 있다. 지
속적으로 저속 회전하는 rotating wall vessel bioreactor를 사용
72 장태영ㆍ김규성ㆍ김영효
Fig. 1. (A) Infusion of cell culture, media and microcarrier bead into the bioreactor. (B) Electron micro- scopy figures of cell culture aggre- gates exposed to microgravity [1].
Fig. 2. Actual setting of anti-orthostatic hindlimb unloading model.
하여, 미세중력 상태에서의 세포 연구를 수행할 수 있다. 단 층(monolayer)으로 배양된 세포주 및 배양액(media), 그리고 세포들이 서로 응집할 수 있도록 하는 매개체인 microcarrier bead 등을 bioreactor에 넣고 저속으로 회전시킨다. 필요에 따 라 배양액을 수시로 교환할 수 있다(Fig. 1A)[1].
Bioreactor 내에서 회전하는 세포주는 일종의 ‘low fluid- shear’ 미세중력 상태에 있게 되며, 이 상태에서 세포간 접합 (cell-cell junction)이 이루어져 큰 덩어리(aggregate)를 형성한 다(Fig. 1B)[1].
그러나 실험동물의 경우에는 이러한 연구방법론을 적용 하는 데 한계가 있다. 실험동물 연구에 있어 가장 많이 활용 되는 설치류(rat, mouse)의 경우, 1980년대부터 하지현수 (anti-orthostatic, hindlimb unloading model) 모델을 사용하여 왔다. 하지현수모델의 기본적인 방법은, 실험동물의 꼬리를 매달아 앞다리만 땅에 닿게 하고, 뒷다리는 땅에 닿지 않게 하는 것이다. 따라서 실험동물은 앞으로 30° 정도 기울어져 있는 형태가 된다(Fig. 2)[2].
하지현수 모델을 실제 적용하는 데 있어 중요한 것은, 우 선 실험동물이 cage 벽면에 기대거나 잡고 휴식을 취할 수 있을 만한 구조물을 모두 제거하는 것이다. 기대거나 구조 물을 잡는 등의 행위로 인해 하지현수 상태가 중단되기 때 문이다. 또한 하지현수 상태에서 앞다리를 이용하여 이동 하는 데 무리가 없는지, 먹이와 물을 먹을 수 있는지, 이상 행동을 보이지는 않는지 등을 면밀히 확인하는 것이 중요 하다(Fig. 3)[2].
하지현수에 장기간 노출된 실험동물은 뒷다리 근육을 사 용하지 못하게 되므로, 근육위축(atrophy) 등의 근골격계 변 화가 유발된다. 따라서, 하지현수 모델을 이용한 초기의 생 명과학 연구는 주로 근골격계 변화에 국한되었다. 그러나, 최근 하지현수 모델에서 의미있는 면역학적 변화가 관찰되 고 있다. 따라서 본 종설에서는 최근의 연구결과를 중심으 로 설명하고자 한다.
2. 최근 연구 결과: Year-in-Review
Bioreactor를 이용해 미세중력 상태에 장기간 노출된 P3HR-1 및 Daudi 세포주는 정상 중력에서 배양된 세포주에 비해 Epstein-Barr 바이러스의 활성화가 억제된다는 연구 결과가 있다[3]. 반면 Margolis 등은 사람 편도 조직을 미세중력 상 태에서 배양하여, 편도 유래 림프구가 증식하는 것을 발견 하였고, 이 세포주를 인간면역결핍바이러스(human immuno- deficiency virus-1)에 감염시켰을 때 바이러스의 증식이 매우 활발하게 일어나는 것을 관찰하였다[4]. 이러한 바이러스들 은 일반적인 세포배양 환경에서는 증식시키기가 매우 어려 우며 또한 실험동물 모델 수립도 어렵다는 점을 감안할 때 [5], 이러한 미세중력 모델은 바이러스 연구에 있어 보다 중 요할 것으로 여겨진다.
또한 인간 기관지세포주(immortalized human bronchotra-
cheal epithelial, BEAS-2B) 및 기관지상피세포주(normal human
bronchial epithelial, NHBE) 역시 bioreactor를 이용한 미세중력
미세중력과 면역계
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Fig. 3. A lot of activities such as leaning on wall and hanging on structures could interfere micro- gravity model.
조건에서 배양하였을 때, Respiratory syncytial virus (RSV) 및 parainfluenza virus type 3 (PIV3) 등에 보다 쉽게 감염되는 사 실이 관찰되었다[1].
미세중력 조건에서 RSV 및 PIV3에 감염된 기관지 상피세 포에서 분비되는 cytokine 등의 면역매개물질을 분석한 결 과, interleukin (IL)-1β, IL-8, macrophage inflammatory protein 1 alpha (MIP-1α) 등의 염증성 cytokine 등이 현저히 증가하 였다는 보고도 있다[1].
또한 미세중력 조건에서 배양된 Klebsiella pneumoniae 균주 는, 정상 중력에서 배양된 균주에 비해 ‘바이오필름(biofilm)’
을 잘 형성한다는 연구결과가 발표되었다[6]. 바이오필름이 란, 세균 주위에 형성되는 막으로서 항생제 등이 침투하지 못하도록 하는 역할을 한다. 따라서, 보통의 균주에 비해 항 생제 내성이 현저히 강해진다. 이러한 연구 결과는, 우주 임 무 수행 중 세균 감염이 되었을 경우 항생제에 대한 치료 효과가 감소할 수 있음을 암시하는 중요한 결과라 할 것이 다.
또한 최근의 연구 결과에 따르면, 실험동물에게 인삼 내 의 주 성분인 사포닌을 투여하였을 때 미세중력 노출로 인 한 스트레스가 감소하는 결과를 보였다[7]. 정상 중력에 노 출된 실험동물에 비해 하지현수 방법에 의한 미세중력에 노출된 실험동물은 혈중 코티솔 수치가 현저히 높았고 (66.22±10.40 ng/ml versus 82.67±13.64 ng/ml, P＜0.05), 반면 사포닌을 투여하였을 때에는 현저히 낮아지는 소견을 보였
다(77.75±14.35 ng/ml)[7]. 이러한 연구 결과를 입증하기 위 해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
III. 결 론
본 종설을 통해, 현재 각 연구실에서 진행되고 있는 미세 중력 연구의 방법론 및 장비들을 살펴보았다. 또한, 최근의 연구결과를 통해 미세중력 조건에서 바이러스 증식이 보다 활발해진다거나, 또는 바이오필름을 형성함으로써 항생제 내성에 영향을 미친다는 등의 사실을 알 수 있었다. 우주임 무 수행 중 면역 기능의 약화 및 기회감염, 항생제 내성 등 은 우주비행사의 건강 및 생명을 위협할 수 있는 중요한 문제이므로, 국내에서도 우주 면역학에 대한 연구가 활발 히 이루어지기를 기대한다.
REFERENCES
1. Gardner JK, Herbst-Kralovetz MM. Three-Dimensional Rotating Wall Vessel-Derived Cell Culture Models for Studying Virus-Host Interactions. Viruses 2016;8.
2. Globus RK, Morey-Holton E. Hindlimb unloading: rodent analog for microgravity. J Appl Physiol Bethesda Md 1985 2016;120:1196- 1206.
74 장태영ㆍ김규성ㆍ김영효
3. Long JP, Pierson S, Hughes JH. Suppression of Epstein-Barr virus reactivation in lymphoblastoid cells cultured in simulated microgravity.
In Vitro Cell Dev Biol Anim 1999;35:49-54.
4. Margolis LB, Fitzgerald W, Glushakova S, Hatfill S, Amichay N, Baibakov B, et al. Lymphocyte trafficking and HIV infection of human lymphoid tissue in a rotating wall vessel bioreactor. AIDS Res Hum Retroviruses 1997;13:1411-1420.
5. Bem RA, Domachowske JB, Rosenberg HF. Animal models of human respiratory syncytial virus disease. Am J Physiol Lung Cell Mol
Physiol 2011;301:L148-156.
6. Wang H, Yan Y, Rong D, Wang J, Wang H, Liu Z, et al.
Increased biofilm formation ability in Klebsiella pneumoniae after short-term exposure to a simulated microgravity environment. Microbiology Open 2016;5:793-801.
7. Feng L, Liu X-M, Cao F-R, Wang L-S, Chen Y-X, Pan R, et al. Anti-stress effects of ginseng total saponins on hindlimb-unloaded rats assessed by a metabolomics study. J Ethnopharmacol 2016;188:
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