비특이적 방어 작용(염증 반응, 식균 작용)

염증의 주요 증상은 고대부터 관찰되어 온 특징적인 징후들로, 라틴어로 'calor'(열감), 'rubor'(발적), 'tumor'(부종), 'dolor'(통증)이라는 네 가지로 요약된다. 이 증상들은 모두 염증 부위에서 일어나는 복잡한 혈관 반응과 세포 반응의 결과로 나타난다.

발적과 열감은 주로 혈관 확장에 기인한다. 손상이나 감염이 발생하면 히스타민과 같은 매개물질이 방출되어 국소 혈관을 확장시킨다. 이로 인해 혈류량이 증가하고, 혈액 내 산소를 많이 함유한 적혈구가 밀집하게 되어 피부 표면이 붉게 보이는 발적 현상이 일어난다. 증가된 혈류는 또한 체온보다 높은 혈액이 집중적으로 흐르게 하여 해당 부위에 열감을 유발한다.

부종은 혈관 확장과 함께 혈관 투과성이 증가하기 때문에 발생한다. 혈관 벽 사이의 틈이 넓어지면서 혈장 성분이 조직 사이로 빠져나가게 된다. 이렇게 유출된 혈장은 조직액을 형성하여 부피를 증가시키고, 조직을 팽창시켜 부종을 일으킨다. 통증은 여러 요인에 의해 유발된다. 부종으로 인한 조직의 팽창이 신경 말단을 직접적으로 압박하고, 프로스타글란딘과 같은 염증 매개물질이 통각 수용체의 민감도를 높여 고통을 증폭시킨다.

이 네 가지 증상은 염증이 정상적으로 진행되고 있음을 나타내는 지표이다. 이들은 손상된 부위로 방어 세포와 물질을 집중시키고, 병원체의 확산을 억제하며, 치유 과정을 촉진하기 위한 신체의 적응 반응이다.

급성 염증은 손상이나 감염에 대한 신체의 즉각적이고 초기 반응이다. 일반적으로 수시간에서 수일 내에 빠르게 발생하며, 짧은 기간 동안 지속된다. 주요 목표는 병원체를 제거하고 조직 손상을 최소화하며, 치유 과정을 시작하는 것이다. 이 과정에는 혈관 확장, 혈관 투과성 증가, 그리고 호중구와 같은 식세포가 손상 부위로 빠르게 이동하는 것이 포함된다. 성공적인 급성 염증 반응은 원인 제거와 함께 해소되며, 조직은 정상 상태로 회복된다.

반면, 만성 염증은 수주, 수개월, 혹은 수년에 걸쳐 지속되는 지속적이고 점진적인 염증 반응이다. 급성 염증이 해결되지 못하거나, 지속적인 자극(예: 지속되는 감염, 자가면역 반응, 장기간의 이물질 노출)에 의해 유발된다. 만성 염증의 특징은 림프구와 대식세포와 같은 단핵구 계열 세포들이 우세하게 침윤한다는 점이다. 이러한 세포들은 다양한 염증 매개물질을 분비하여 조직 손상과 복구 과정이 동시에 장기간 진행되게 한다.

두 유형의 염증은 임상적 증상과 조직학적 특징에서도 차이를 보인다. 아래 표는 주요 차이점을 요약한 것이다.

만성 염증은 류마티스 관절염, 동맥경화증과 같은 다양한 만성 질환의 근본적인 병리 기전으로 작용한다[1]. 따라서 만성 염증의 조절은 이러한 질환들의 치료에서 중요한 목표가 된다.

염증 반응의 초기 단계에서 일어나는 혈관 반응은 국소 혈관 확장과 혈관 투과성 증가를 특징으로 한다. 손상된 조직에서 방출되는 히스타민, 브라디키닌, 프로스타글란딘과 같은 염증 매개물질이 주변의 세동맥과 모세혈관에 작용하여 혈관 평활근을 이완시킨다. 이로 인해 혈관 직경이 넓어지는 혈관 확장이 일어나며, 해당 부위로 흐르는 혈류량이 급격히 증가한다.

혈류량 증가는 국소적인 발적과 열감의 직접적인 원인이 된다. 혈관 확장과 거의 동시에, 같은 염증 매개물질들이 혈관 내피 세포 사이의 접합을 느슨하게 만든다. 이로 인해 혈관 투과성이 비정상적으로 증가하며, 혈장 성분이 혈관 밖으로 쉽게 스며나갈 수 있게 된다. 혈장의 삼투압 성분이 조직 간질로 유출되면서 조직 내 삼투압이 상승하고, 이는 혈관에서 조직으로의 수분 이동을 촉진하여 부종을 유발한다.

이 과정을 요약하면 다음과 같은 순차적 변화가 일어난다.

이러한 혈관 반응은 방어 체계의 다음 단계를 위한 필수적인 준비 과정이다. 혈관 밖으로 유출된 혈장에는 보체 단백질과 같은 항균 물질이 포함되어 있으며, 확장된 혈관과 느린 혈류는 백혈구가 혈관 벽에 부착하고 이후 조직으로 이동하는 데 유리한 조건을 만든다. 따라서 혈관 반응은 염증 반응의 초기이자 핵심적인 단계로, 병원체의 확산을 지연시키고 효과적인 면역 세포의 국소 집중을 가능하게 한다.

백혈구의 혈관 외 유출은 염증 부위로 백혈구를 집중시키는 핵심 과정이다. 이 과정은 주화성이라 불리는 화학적 유인 현상에 의해 주도된다. 손상된 조직이나 침입한 병원체에서 방출된 화학적 신호 물질(예: 세포활성인자, 박테리아 부산물, 보체 단편)이 혈관 내피 세포를 자극하여 접착 분자를 발현시키고, 동시에 혈류 속을 순환하는 백혈구를 유인한다.

유출 과정은 일련의 단계적 상호작용으로 이루어진다. 먼저, 혈류 속의 백혈구가 혈관 벽에 느슨하게 부착하는 '구르기' 현상이 일어난다. 이어서, 백혈구 표면의 수용체와 혈관 내피 세포의 접착 분자(예: 셀렉틴, 인테그린) 사이의 강한 결합이 형성되어 백혈구가 혈관 벽에 확고히 부착한다. 최종적으로, 백혈구는 혈관 내피 세포 사이를 짜내듯이 빠져나가(혈관 외 유출) 조직 사이로 이동하여 병원체나 세포 잔해가 있는 염증 부위로 향한다.

이러한 정교한 과정을 통해 호중구와 단핵구(이후 조직에서 대식세포로 분화)와 같은 식세포가 신속하게 병소에 도달하여 식균 작용을 수행할 수 있다.

염증 매개물질은 염증 반응의 시작, 유지, 조절에 관여하는 다양한 화학 물질을 총칭한다. 이 물질들은 손상된 조직이나 침입한 병원체에 반응하여 방출되며, 혈관 변화와 백혈구의 모집을 유도하여 방어 반응을 조정한다.

주요 염증 매개물질로는 히스타민, 프로스타글란딘, 류코트리엔, 사이토카인 등이 있다. 히스타민은 비만 세포에서 빠르게 방출되어 혈관 확장과 혈관 투과성 증가를 일으키는 대표적인 물질이다. 프로스타글란딘과 류코트리엔은 아라키돈산 대사 경로를 통해 생성되며, 통증 유발, 발열, 혈관 변화 등에 관여한다. 사이토카인, 특히 인터루킨-1과 종양 괴사 인자는 주로 대식세포에서 분비되어 다른 면역 세포들을 염증 부위로 끌어들이는 역할을 한다.

이들 매개물질의 작용은 상호 연계되어 있다. 초기 단계에서 방출된 히스타민에 의한 혈관 변화는 백혈구의 혈관 내벽 접착을 촉진한다. 이후 사이토카인과 케모카인이 백혈구를 혈관 밖으로 유출시키고 병원체가 있는 곳으로 이동하도록 유도한다(주화성). 프로스타글란딘은 통증과 발열을 유발하여 휴식을 취하도록 신호를 보내는 동시에, 체온 상승으로 면역 반응을 촉진한다.

염증 매개물질의 분비는 정교하게 조절되어야 한다. 과도하거나 지속적인 분비는 조직을 추가로 손상시키고 패혈증이나 만성 염증성 질환을 초래할 수 있다. 따라서 염증 반응에는 프로스타글란딘 생성을 억제하는 항염증제와 같은 억제 기전도 함께 작동한다.

호중구는 식균 작용을 수행하는 주요 백혈구 중 하나로, 가장 풍부하고 빠르게 반응하는 식세포이다. 이들은 골수에서 생성되어 혈액을 순환하며, 감염이나 조직 손상 시 가장 먼저 염증 부위로 대량 이동한다.

호중구의 핵은 특징적으로 여러 개의 엽으로 나뉘어 있어 다형핵 백혈구라고도 불린다. 이들의 주요 기능은 세균과 같은 작은 병원체를 신속하게 탐지, 포식 및 파괴하는 것이다. 호중구는 주화성을 통해 염증 매개물질(예: 케모카인)의 농도 기울기를 따라 이동하여 병원체가 침입한 정확한 위치로 찾아간다.

포식 과정에서 호중구는 병원체를 포식소 내부로 감싼 후, 활성산소종과 다양한 항균 효소(예: 라이소자임, 미엘로퍼옥시데이스)를 포함하는 과립을 분비하여 이를 분해한다. 이 강력한 살균 작용은 병원체를 효과적으로 제거하지만, 동시에 주변 조직에도 일부 손상을 줄 수 있다.

호중구의 수명은 매우 짧아 수시간에서 며칠에 불과하다. 염증 부위에서 대량의 호중구가 사멸하면, 그 잔해와 포식된 병원체 잔여물이 고름을 형성한다. 이들은 급성 염증 반응의 핵심 효과 세포로서, 초기 방어선에서 결정적인 역할을 수행한다.

대식세포는 식균 작용을 수행하는 주요 면역 세포 중 하나로, 조직에 상주하며 병원체 제거와 조직 항상성 유지에 핵심적인 역할을 한다. 이 세포는 단핵구가 혈관을 떠나 조직으로 이동하여 분화·성숙한 형태이다. 대식세포는 고형 기관에 고정되어 있는 고착 대식세포와 자유롭게 이동하는 유리 대식세포로 나뉜다.

대식세포의 주요 기능은 강력한 식균 능력을 통해 세균, 바이러스에 감염된 세포, 세포 사멸로 인한 죽은 세포 및 세포 파편 등을 제거하는 것이다. 또한, 항원을 처리하여 T 림프구와 같은 획득 면역 세포에 제시하는 항원 제시 세포로서의 역할도 수행한다. 이 과정은 비특이적 방어와 특이적 방어를 연결하는 중요한 고리이다.

다양한 조직에는 특수화된 대식세포가 존재하며, 그 명칭과 기능은 위치에 따라 다르다. 주요 예시는 다음과 같다.

이러한 세포들은 염증 반응 과정에서도 활발히 활동한다. 병원체를 인식하면 사이토카인과 같은 염증 매개물질을 분비하여 다른 면역 세포를 모으고, 염증 반응을 조절한다. 또한, 염증이 수습된 후에는 손상된 조직의 정리와 복구에도 기여한다.

단핵구는 골수에서 생성되는 백혈구의 한 종류로, 혈액을 순환하며 조직으로 이동하여 대식세포로 분화하는 것이 주요 기능이다. 혈액 내 백혈구 중 약 3~8%를 차지하며, 비교적 큰 핵과 풍부한 세포질을 가진다. 단핵구 자체도 약한 식균 작용 능력을 지니지만, 그 주요 역할은 혈관을 떠나 다양한 조직에 정착하여 조직 특이적 대식세포로 성숙하는 것이다.

조직으로 이동한 단핵세포는 해당 환경에 따라 쿠퍼세포(간), 미세아교세포(뇌), 파골세포(뼈) 등 다양한 종류의 전문적인 대식세포로 분화한다. 이 과정에서 세포의 크기가 증가하고, 식균 작용 능력과 병원체를 처리하는 효율이 현저히 향상된다. 따라서 단핵구는 혈액 내의 순환형 전구세포로서, 조직 내 방어 체계의 지속적인 유지와 보충을 담당한다.

염증 반응이 발생하면, 사이토카인과 같은 화학 신호에 이끌려 단핵구는 혈관 내피를 따라 굴러다니다가(주화성) 혈관 벽을 뚫고 염증 부위로 빠르게 유출된다. 염증 부위에 도달한 단핵세포는 활성화되어 대식세포로 분화하며, 이들은 병원체를 포식하고, 사멸된 세포 잔해를 제거하며, 다른 면역 세포들에게 신호를 전달하는 등 염증 반응의 해소와 조직 복구에 중심적인 역할을 수행한다.

식세포가 병원체를 인식하고 부착하는 과정은 식균 작용의 첫 번째이자 가장 중요한 단계이다. 이 과정은 주로 식세포 표면에 존재하는 수용체를 통해 이루어진다. 이러한 수용체는 병원체 표면에 공통적으로 존재하는 분자 패턴을 인식하는 패턴 인식 수용체와, 병원체가 항체나 보체 단백질 같은 옵소닌으로 코팅되었을 때 이를 인식하는 수용체로 크게 나눌 수 있다.

패턴 인식 수용체는 톨 유사 수용체와 같은 것을 포함하며, 박테리아의 펩티도글리칸이나 지질다당류, 진균의 만난, 바이러스의 이중가닥 RNA 등 병원체 연관 분자 패턴을 결합한다. 이는 병원체에 대한 직접적인 인식 경로를 제공한다. 반면, 옵소닌화된 병원체는 훨씬 효율적으로 인식된다. 예를 들어, 항체의 Fc 부분에 결합하는 Fc 수용체나, 보체 성분 C3b에 결합하는 수용체를 통해 식세포는 표적을 쉽게 찾아낼 수 있다.

인식 후, 식세포는 세포 골격의 재배열을 통해 병원체를 완전히 에워싸며, 이는 액틴 중합에 의해 추진된다. 부착이 성공적으로 이루어지면, 세포막이 함입되어 병원체를 포획한 포식소가 형성되며, 다음 단계인 포식과 소화로 이어진다. 이 인식 체계는 비특이적 방어의 핵심으로, 다양한 병원체에 대해 신속한 초기 대응을 가능하게 한다.

식균 세포가 병원체에 부착하면, 세포막이 병원체를 둘러싸기 시작한다. 이 과정을 포식소 형성이라고 한다. 세포막은 점차 함입되어 병원체를 완전히 감싸 안은 공모양의 소포를 형성하는데, 이를 포식소라고 부른다. 포식소는 세포 내부로 떨어져 나와 세포질 내부를 자유롭게 이동한다.

이어지는 포식 단계에서는 포식소가 라이소좀과 결합한다. 라이소좀은 다양한 가수분해 효소를 포함한 소포로, 포식소와 융합하여 포식라이소좀을 형성한다. 포식라이소좀 내부에서 라이소좀 효소들이 활성화되면, 포획된 병원체는 강력한 효소와 활성 산소 종 등에 의해 분해되고 소화된다. 소화 후 남은 잔여물은 일반적으로 세포 밖으로 배출되거나, 세포 내에 잔류하기도 한다.

이 메커니즘은 호중구와 대식세포 같은 주요 식균 세포들의 핵심 기능이다. 일부 병원체는 포식라이소좀 내에서의 소화를 피해 생존하는 전략을 진화시켰다는 점에서[4], 이 과정은 완벽하지 않을 수 있다.

식세포에 포획된 병원체는 포식소 내에서 다양한 효소와 독성 물질에 의해 분해되고 무력화된다. 이 소화 과정은 주로 라이소좀이 관여한다. 포식소는 세포 내에서 이동하며 라이소좀과 융합하여 포식라이소좀을 형성한다. 라이소좀 내에는 가수분해 효소, 미엘로퍼옥시다제, 리소자임과 같은 강력한 항균 물질이 포함되어 있다[5]. 이 효소들은 낮은 pH 환경에서 활성화되어 병원체의 세포벽, 막, 내부 구성 물질을 분해한다.

소화 후 남은 잔여물은 세포 외부로 배출되거나, 세포 내에 잔류하기도 한다. 처리 방식은 식세포의 종류와 병원체의 성질에 따라 다르다. 예를 들어, 대식세포는 소화 산물의 일부를 항원 제시를 위해 보존하여 특이적 면역 반응을 활성화하는 데 기여한다. 반면, 호중구는 주로 병원체를 완전히 파괴하는 데 중점을 두며, 자신도 소진되어 고름의 주요 구성 성분이 된다. 효율적인 소화와 처리는 감염 부위를 정화하고, 병원체의 확산을 방지하며, 면역 시스템에 중요한 정보를 전달하는 데 결정적인 역할을 한다.

염증 반응은 병원체 제거와 조직 복구를 위한 필수적인 과정이지만, 이 반응이 지나치거나 조절을 벗어날 경우 오히려 신체에 해를 끼칠 수 있다. 자가면역 질환은 이러한 조절 실패의 대표적인 예로, 면역 체계가 실수로 자가 항원, 즉 자기 자신의 정상 조직을 공격함으로써 만성적인 염증을 유발하는 질환군을 가리킨다.

이 과정에서 식균 작용을 수행하는 대식세포와 같은 선천면역 세포들이 중요한 역할을 한다. 이들은 자가 항원을 포식하여 파편으로 만들고, 이를 T 세포와 B 세포 같은 후천면역 세포에 제시한다. 정상적인 상황에서는 자가 반응성 림프구가 제거되거나 억제되지만, 자가면역 질환에서는 이 허용 기전이 실패하여 자가 항원에 대한 면역 반응이 시작된다. 활성화된 면역 세포들과 그들이 분비하는 다양한 염증 매개물질은 지속적인 조직 손상과 염증을 일으킨다.

대표적인 자가면역 질환들은 특정 장기나 전신에 나타나는 만성 염증을 특징으로 한다. 주요 질환과 관련된 자가 항원 및 염증 부위는 다음과 같이 정리할 수 있다.

이러한 질환들의 치료 전략은 비정상적으로 활성화된 면역 반응과 이에 수반되는 염증을 억제하는 데 초점을 맞춘다. 스테로이드제나 면역억제제는 염증 매개물질의 생산을 차단하거나 면역 세포의 기능을 억제하여 질병 진행을 늦추는 것을 목표로 한다.

패혈증은 감염에 대한 면역 체계의 과도한 반응으로 인해 발생하는 생명을 위협하는 상태이다. 감염원이 혈류로 침입하면, 이를 제거하기 위해 대규모의 염증 반응이 전신적으로 일어난다. 이 과정에서 방출되는 다량의 염증 매개물질이 혈관을 광범위하게 확장시키고 혈관 투과성을 비정상적으로 증가시킨다. 그 결과 혈압이 급격히 떨어지고, 혈액 순환이 원활하지 않아 주요 장기에 충분한 산소와 영양분이 공급되지 못하는 패혈성 쇼크로 진행될 수 있다.

패혈증의 주요 증상은 다음과 같다.

이러한 과도한 염증은 응고 시스템을 활성화시켜 혈관 내에 미세한 혈전을 광범위하게 형성하기도 한다. 이는 다시 장기로 가는 혈류를 차단하고, 동시에 응고 인자를 소모하여 출혈 경향을 증가시키는 파종성 혈관 내 응고를 유발할 수 있다. 최종적으로 다발성 장기 부전으로 이어져 사망에 이를 수 있다.

패혈증의 치료는 감염원을 조기에 확인하고 적절한 항생제를 투여하는 동시에, 혈압을 유지하고 장기 기능을 지지하는 집중 치료가 필수적이다. 연구는 과도한 염증 반응을 조절하기 위한 새로운 치료법[7]을 모색하고 있다. 패혈증은 비특이적 방어 체계가 통제를 잃었을 때 발생할 수 있는 심각한 결과를 보여주는 대표적인 사례이다.