Low Molecular Weight Protein in Urine

임상병리검사과학회지 : 제 27 권 제 1 호 1995.

요 중 저분자 단백질

수원 성빈센트 성모병원 임상병리과 • 대전전문대학 임상병리과*

김기유 • 정헌근*

Low Molecular Weight Protein in Urine

Kim, Ki Yu., Jung, Heon Keun Dept. 01 Cliηical Pathology, 5t. Bincent Hosþi.tal Dept. 01 Clinical Pathology, Taejoη Junior College

Low molecular weight proteins(LMWP) is molcular weight(below 50，00이， which pass easily through the glomerular membrane. About 95 % of the LMWP filtered is reabsobed and catabolized in the proximal tubles. Therefore, in the renal failure, urine excretion of LMWP is increased be- cause of dysfunction of renal tubular reabsorption. LMWPs measured daily are ßz-microglobulin and a,-microglobulin. These patterns excreted differ according to renal tubular failure. Generally, it is known that a,-microglobulin is more useful than ßz-microglobulin for diagnosis of renal fail- ure.

Key words : LMWP, a, -microglobulin, ßz - microglobulin

1. 서 론 고인자나 면역글로불린， 리포단백질과 같이 혈액에서 본래의 기능을 발휘하는 것은 아니고， 특정 세포로부 각종 전기영동법이나 크로마토그래피 기술의 진보에 터 분비 또는 누출된 단백질 성분이 가끔 혈관내를 통 따라 혈장， 요 및 기타의 단백성분의 분리분석이 보급 과하여 본래의 표적조직에 운반되든지 또는 체외로 배 되었으며 일상진료에서 필수적인 검사가 되었다. 최근 출되는 경우이다. 이들의 대부분은 혈중에 매우 미량 에는 면역화학적 분석법의 진보에 의해 더 많은 특이 으로 존재하기 때문에 혈액으로부터 분리정제하기란 단백성분을 측정하게 되었다. 혈장중에 포함된 단백질 곤란하다. 그러나 분자량이 6 만 달톤 이하인 작은 저 성분 중에 소위 passenger protein (통과단백질)이라 하 분자 성분은 용이하게 요 중으로 나오기 때문에 다량 는 미량단백질 성분이 다수 동정되었으며， 이는 임상 의 요를 농축하면 분리정제를 비교적 용이하게 할 수 적으로도 측정되고 있다. Passenger protein은 혈액 응 있다. 이러한 방법으로 최근 몇가지의 새로운 저분자

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단백 질 (low molecular weight protein; 이 하 LMWP라 함)이 요에서 분리되었다. LMWP 에 대한 정의는 아직 명확하지는 않지만 일단 사구체 기저막을 용이하게 통 과하는 크기를 가진 단백질로서 약 6만 달톤 이하의 성분으로 생각하고 있다. 그러나 5 만 달톤 이하의 단 백질군으로 정의하고 있는 저자들도 있다 1) 정상상태 에서 LMWP는신사구체 기저막을 용이하게 통과하여 혈장으로부터 여과되지만， 이의 대부분은 근위세뇨관 에서 재홉수， 이화분해되어 극히 일부만이 요 중으로 배설된다. 그러나 세뇨관에 선택적인 장해가 있으면 재흡수， 이화분해의 부전에 의해 LMWP 의 배설량이 증가한다. 이때 알부민과 그 이상의 크기를 지닌 단백 질은 사구체에서 여과되지 않기 때문에 요 중 농도는 정상과 거의 변화가 없다. 따라서 혈중 및 요 중의 LMWP측정은 신기능 검사로서 유용게 이용되고 있다.

II. 요단백질의 유래와 종류

요는 혈장이 신사구체를 통하여 여과된 후 세뇨관에 서 분비 및 재흡수가 이루어진 다음， 요로를 통과하여 체외로 배설된다. 하부 뇨로에서는 뇨로의 상피세포，

정액， 질내분박물 등도 일부 혼입된다. 따라서 요 중의 단백질 성분은 혈액에서 유래하는 것과 요로에서 유래

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명꾀뭔[갚백질@: 고분자 단백질 든‘: 기저막 음성전하

그림 1. 사구체 기저막의 구조와 기능

하는 것으로 크게 두 가지로 나눈다. 혈장유래 성분에 대해서는 사구체와 세뇨관에서 각각 전혀 다른 형태로 처리되기 때문에 다음의 세 가지 기능이 관여하고 있 는 것으로 알려져 있다.

1. 사구체 기저막에서의 여과

신장에는 1 분간에 약 1L의 비율로 혈액이 유입되 며， 체내의 혈액 전량이 선장을 통과하는데 불과 수분 밖에 걸리지 않는다. 이 때 혈구와 혈장 단백질의 대 부분을 제외한 혈장 성분은 1 분간에 120ml의 비율로 사구체 여과액으로서 세뇨관으로 운반된다.

혈장 단백질 성분의 사구체 기저막 투과성에 대해서 는 주로 두 가지 요인이 관련되어 있는 것이 확설하다~ ) 즉， size selective barrier와 charge selective barrier 이 다(그림 1 ). 사구체의 각 구조가 단백절의 투과성에 미 치는 영향은 표 1 과 같다 11

표 1. 단백질 투과성에 영향을 미치는 사구체 구조

단백질 투과성에 미치는 영향 상피세포 11) endocytosis 에 의한 기저막 투과 단백의 흡수 족 돌 기 12) 모세관압의 조절에 의한 단백질 투과 억제 기 저 막

11)

2 ) charge selective barrier

내피세포| 기저막에 단백질의 접촉을 억제

간엽세포 1 1) 기저막을 투과하지 못한 고분자 단백질의 흡수

2) 수축에 의한 투과면적의 억제?

1) Size selective barrier

사구체는 상피세포， 내피세포， 모세혈관벽， 갑엽조직 으로 구성된다. 사구체 모세혈관벽으로부터 보우만낭 을 향하여 내피세포， 기저막， 상피세포 족돌기로 구성 되는데 특히 기저막은 내투명층， 치밀층， 외투명층으로 되어있다(그림 2)4). 혈장 중의 물， 용질은 내피소공，

기저막， 여과세극 (slit pore) 를 통하여 여과되는 것으로 생각되는데 현재는 기저막이 고분자 물질의 투과를 기 하학적으로 저지하는 장벽의 주역을 맡고 있는 것으로 생각하고 있다. 사구체 기저막에는 평균 직경 2.5nm 와 4nm를 가진 크고 작은 두 종류의 pore가 존재하는

씻

ω

그림 2. 사구체 기저막의 분자 구조

것으로 알려져 있다5) 따라서 기저막이 지니는 분자체 효과 (molecular sieving effect) 에 의해 LMWP 즉 6만 달톤 이하의 단백질은 비교적 용이하게 이 다공구조를 통과하기 쉽다. 물론 분자량이 6만 이하의 것이라도 작은 것이 통과가 용이하며 또한 같은 분자량일지라도 분자의 형태에 따라 좌우될 것이다.

2) Charge selective barrier

기저막의 분자체효과가 중요한 단백질통과 규정인자 이지만， 그것만으로는 설명되지 않는 병태， 예를 들면 미소변화 네프로제 증후군 (MCNS) 의 존재도 알려지게 되었는데， 이로 인하여 다른 중요한 요인으로서 단백 질 분자가 지닌 하전의 차이가 주목받게 되었다. 그림

표 2. 혈청 중의 저분자 단백질

단백질 성분 분자량 이동 당( %) 농도 (mg%)

0.68 r2 -globulin 5100 r2 0 trace

Basic protein B2 8800 r2 0 trace

Basic protein BI 11000 r2 ^{0 trace}

(f2 -microglobulin 11800 많‘ 0 0.15

2.08 r2 -globulin 14000 r2 0 0.1

Lysozyme 14600 r2 ^{0 1.}0

Retinol- binding protein 21000 a2 0 4.5

L-chain monomer 22000 a/r 0 trace

38 r1-g1obulin(Carbonic anhydrase B) 25000 r1 ^{0 trace}

ß-trace protein 31000

a

a1-microglobulin(Protein - HC) 33000 a1 21.7 1.5

{f2 -glycoprotein III 35000 _많‘ 10.0 10

{f2 -glycoprotein 1 40000 _(f2 18.8 20

Zn -a2 -glycoprotein 41000 a1/a2 18.2 5

a1-acid glycoprotein 44100 a1 37.9 90

a2H8 - glycoprotein 49000 a2 13.4 60

a1B-glycoprotein 50000 a1 13.3 22

Gc-globulins(Vit. O-binding protein) 50800 a1/a2 4.2 40

Transcobalamin II 53900 서 0 trace

a1-antitrypsin 54000 a1 11.6 290

Prealbumin 54980 p 0.4 25

Transcortin 55700 a1 --26 4

Hemopexin 57000 8 21.9 80

Histidine - rich 3.88a2 -glycoprotein 58500 a2 14.3 9

… 생

1 에 나타낸 것 처럼 6) 사구체 기저막은 음성으로 하전 하는데 n， 음성하전이 강한 단백질 성분， 예를 들면 알 부민이나 a-globulin 성분은 ß-globulin성분이나 "(-

globulin 성분보다 기저막의 통과가 어렵다. 또한 기저

막에 병변이 있으면 사구체 모세관벽의 하전상태가 이 상으로 되어 음성 하전이 강한 단백질 성분， 예를 들 면 알부민 등의 통과가 용이해지는 것으로 생각되고 있다.

떻게 세뇨관에서 재흡수되고 이화되는 가는 아직 명확 치 않은 점이 많다. 그러나 동물실험을 모델로하여 그 림 3과 같은 기작을 제안하게 되었다8) 첫째는 단백질 성분이 수용체를 매개로 하거나 하전 등에 의해 근위 세뇨관 상피의 쇄자연 (brush border) 의 표면에 결합하 면 endocytosis에 의해 세포내로 들어와 lysosome과 융 합하여 단백질 분자는 아미노산， 올리고웹티드로 분해 된 후， 일부는 신 모세혈관을 통하여 체내의 ammo 표 2에는 알부민보다 분자량이 작은 혈장중의 단백 acid pool로 되돌아 가는 경로이다. 둘째 경로란 쇄자 질을 열거하였다. 이들 혈장 단백질 성분외에， amylase 연 표면에서 여러가지 효소에 의해 웹티드， 아미노산 나 "(-GTP 등과 같은 저분자의 효소， 혈액 응고인자의

일부(제 vm^, IX, X) 도 존재한다.

2. 세뇨관에 의한 재홉수와 분비

사구체 여액 중의 대부분의 성분은 세뇨관 상피에서 재홉수 또는 이화된다. 한편 , 크레아티닌， 칼륨， 수소 이온， 색소， 약제 등의 일부는 세뇨관으로부터 반대로 요 중으로 분비되는 것도 있다. 이런 과정을 통하여 일반적으로 1 분간에 1 ml 정도의 요가 배설된다.

사구체 여액 중으로 이행한 혈장 단백질 성분이 어

cxx:=옆: 단액질

。: 아미노산

0::00 : 웹티드

。: 리소소음

그림 3. 근위세뇨관에서 단백질의 재흡수

으로 분해 되 어 일부는 endocytosis에 의 해 세 포내 로 들 어가 lysosome에 의해 더욱더 분해되는 경로를 말한 다. 이외에도 아미노산， 올리고펠티드가 직접 상피세포 내를 통과하여 재흡수되는 부분도 생각해 볼 수 있다.

아무튼 사구체 여액 중의 단백질의 약 95 % 정도는 근위세뇨관에서 재흡수 • 이화된다. 이때 알부민 이상 의 분자량이 비교적 큰 단백질 성분이나 저분자 단백 질 중에 서 도 sugar chain의 유무 등에 따라 요세 관에 서 거동에 차이가 있는지 없는지는 확실치 않다. 그러 나 후술하겠 지 만 sugar chain 이 없는 ßz -microglobulin, retinol-binding protein(RBP) 과 sugar chain 이 있는 al -microgl obilin사이 에 세 뇨관에 서 의 처 리 능에 차이 가

있는 것으로 알려지고 있다.

요 중 단백질의 대부분은 혈장에서 유래하지만 일부 는 네프론으로부터 분비되는 단백질도 있는데 분비성 IgA, Tamm Htorsfall _{당단백 질 등 이 대 표 적 인 것 들 이}

다. 이외에도 쇄자연에서 유래하는 alanine aminope- ptidase, alkaline phosphatase, "(-glutamyl transpepti- dase("(-GTP) 등 외 에 , lysosome에 서 유래 하는 N

acetyl-써-glucosamidase(NAG) ， ß-glucosamidase 등 의 효소도 미량이긴 하지만 요 중으로 방출된다.

3. 요로의 통과

사구체 여액이 세뇨관에서 선택적으로 처리되어 생 성된 요는 집합관， 신우로 이행하여 하부요로를 통하 여 체외로 배설된다. 이 요로의 어느 부분에 병변이 일어나더라도， 그 병적 성분이 요 중에 혼입한다. 예를

F h 니 %

ω

들면 출혈에 의한 헤모글로빈， 림프액 누출에 의한 혈 장 단백질 성분， 선용항진에 의한 FDP, 면역병변에 의 한 immunoglobulin fragment 동 여 러 가지 의 병 적 성 분이 확인되고 있다. 물론 생리적 상태에 따라서는 미 량의 외성기 분비물이 혼입된다는 것도 잊어서는 안된 다.

III. 요 중 LMWP의 검사법

정성법과 정량법으로 분류되며， 주된 검사법은 표 3 에 나타내었다. 정성법에는 요단백질 전체를 검사하는 것과， 라텍스 응집법과 같이 각각의 성분을 반정량하 는 것이 있다. 정량법으로는 항원-항체 반웅을 이용 한 면역측정법이 주이고， 다른 단백질 성분과 마찬가 지로 감도와 처리효율을 고려하여 선택하도록 한다.

ßz -microglobulin은 산성 (pH 6.0 이하)에서 항원성을

잃 기 쉬 운 반면 에 ι -microglobulin, retinil- binding protein(RBP), urine protein 1 (UPl) 은 매우 안정성 이 높다. al -microglobulin은 채뇨 후 1 일을 방치하여도 변화가 없으며， 4 t 에서는 적어도 1 주간， -20t 에서 는 1 년간 안정하다는 것이 확인되었다. 정확성을 기하 기 위하여 요를 충분히 각반한 후 측정하여야 하고，

24 시간 요로 측정해야 하는 것은 필수적이다.

N. 요 중 LMWP 측정의 의의

요 중 LMWP 측정의 임상적 의의에 대해서는 두

가지로 나누어 생각해 볼 수 있다. 한 가지는 신요로 계의 국소병변에서 유래하는 성분으로， 이 경우는 신

· 요로병변의 진단에 유용하지만 여기서는 생략하기로 한다. 다른 한가지는 혈장에서만 유래하는 성분인데 다음에서 이들 LMWP 의 측정의의에 대하여 알아보기 로 하자.

표 3. 요 중 저분자 단백질의 주된 측정법

정성법(반정량법)

1. 요 단백질 전체를 검사하는 방법 a. 시험지법

저분자 단백질에는 감도가 좋지 않다.

b. cellulose acetate membrane 전 기 영 동 법

저분자 단백질은 주로 a-써영역에 광범위하게 분포한다.

c. Sephadex 박층 겔 여 과법

저분자 단백질은 Post-A 분획에 전개된다.

d. SDS polyacrylamide gel electrophoresis(SDS-PAGE) 개개의 성분이 상세히 분류된다.

e. 음이온교환 크로마토그래피 (Mono Q) 자동분석 시 스템 으로서 HPLC 시 스템 이 있다.

2. 개개의 요단백 성분을 반정량하는 방법 a. latex 응집법(특이 항혈청을 이용한다) 정량법

a. 일원 방사상 면역 확산법 (single radial immunodiffusion ; SRlD) b. rocket electrophoresis

c. 변 역 비 탁법 (turbidoimmunoassay ; TIA) d. latex immunoassay

e. radioimmunoassay(RIA) f. enzyme immunoassay(EIA)

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Normal Tubular damage

Plasma concentr atlOn mg/ I

Filtered load. mg!day if GFR= 180 I/day

% Reabsorbed

Daily excrelion. mg

18 18

Glomerular damage

18000 18 180 180

~ Albumln • Low molecular weight protein5

그림 4. 신장 장해부위에 따른 단백뇨의 생성원인

1. 단백뇨의 생성기작

전술한 바와같이 혈장 단백질 성분이 요 중으로 배 설되는 과정에서， 신사구체에서의 투과성과 세뇨관에 서의 재흡수가 관여하고 있다. 이들의 어느 곳인가에 장해가 있으면 신성 탄백뇨가 출현한다. 이 기작은 그 림 4와 같이 생각할 수 있다9) 즉， 사구체가 장해를 받 으면 LMWP와 함께 압도적으로 많은 양의 알부민 등 과 같은 고분자 단백질이 여과된다. 이 중 약 95 %는 세뇨관에서 재흡수되고， 나머지가 요 중으로 배설되기 때문에 요 중에서의 고분자 단백질 성분이 차지하는 비율이 압도적으로 높게 된다. 만일 사구체의 여과에 이상 (GFR 의 저하)이 있으면 혈청 LMWP가 증가한다 10)

만일 세뇨관이 장해를 받으면 사구체 여액 중의 단 백질의 재흡수가 저하하여 결과적으로는 요 중으로의 단백질 배설량이 증가한다. 특히 LMWP 의 점유율이 현저히 높아지는 것으로 알려져 있다. 그러나 LMWP

라도 각각의 성분에 따라 세뇨관 세포에서의 대사에 차이가 있는 것으로 알려지고 있기는 하지만(예를 들

면 ßz. -microglobulin과 al -microglobulin에서 다름) 아

직 이의 상세한 것은 명확치 않다.

2. 세뇨관 장해시의 요 중 LMWP으| 동태

혈장에서 유래하는 LMWP 에 대해서는 두 가지의 관점에서 생각해볼 필요가 있다. 첫째， 그들의 공통된 성질로서 사구체 기저막을 비교적 용이하게 통과하고，

근위세뇨관에서 재흡수 · 이화된다는 점이다. 따라서 만일 세뇨관 상피에 주로 병변이 국재하는 선천성 대 사이상증， 다발성 골수종， 급성 세뇨관 괴사(열상 등) , 칼륨 대사이상， 신이식， 중금속 중독(카드륨， 수은 등) , 약제투여(아미노배당체 등)시 발현하는 세뇨관성 단백 뇨에서는 이들 LMWP의 재흡수가 방해되어 요 중으 로의 배설량이 현저히 증가한다 1 1. 12) 이경우 배설량 그 자체보다도 알부민과같은 고분자 단백질등과 clearance

를 비교함으로써 사구체성 단백뇨와의 감별진단을 매 우 유효하게 할 수 있다 13)

둘째， 각각의 LMWP 성분의 분자량과 하전이 다른 점을 들 수 있다(표 2). 신사구체 장해에서는 이들 단 백질의 혈중 농도가 혈청 creatinine농도보다 조기에 상승하는 경향이 있으며， ßz -microglobulin보다는 αl microglobulin 이 조기에 신부전을 포착할 수 있다.

이외에도 여러 가지 LMWP 에 따라서 세뇨관 상피 세포에서의 재흡수에 차이가 있는 것같다. 즉 ， ß2

껴 l

z

microglobulin 이나 RBP 등(이들은 당질을 함유하지 않 음)과 α1 -microglobulin 이나 ι acid glycoprotein (당절 함유)는 확실히 다른 양태를 나타내는 것으로 알려지 고 있다 14) 즉， non -selective tubular proteinuria( 비 선 택적 세뇨관성 단백뇨)에서는 상기한 모든 저분자 단 백질의 재흡수가 방해되어 요 중으로 배설량이 증가하 며， 근위세뇨관에 존재하는 NAG 의 배설량도 동반하여 증가한다. 예를 들면 중금속 중독(특히 카드융) , 감염 후 만성 간질성 신염， 아미노글리코시드투여에 의한 신장해， 상부요로 감염증， 열상후의 신장해， 급성쇼크 후의 신장해， 당뇨병성 선증， 고혈압성 신경화 등에서 는 혈청 creatinine의 확실한 상승이 나타나지 않는 초 기 에 이 미 non - selective proteinuria를 확 인 할 수 있 다.그러나 상기한 병태로부터 회복이 일어나는 시기나 골수종 (Bence Jones 단백뇨를 동반함)에서 나타나는 조기의 신장해에서는 ß2 -microglobulin 이나 RBP의 배 셜은 거의 없고， NAG 외에 al -microglobulin 이나 al-

acid glycoprotein의 증 가를 수 반하는 selective tubular

proteinuria를 확인할 수 있다(그림 5).

열상후의 경과일

5000

I 000 _a 월

잉 500 니

그림 5. 열상환자에서 요 중 단백성분 배설량의 추이

이상과 같이 요 중 저분자 단백질의 측정은 세뇨관 장해의 조기발견과 경과관찰에 매우 유용한 정보를 제 공한다.

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