사구체여과원리

사구체의 모세혈관투는 신장의 네프론 내부에 위치한 사구체를 구성하는 핵심 구조물이다. 이는 입동맥에서 분지되어 형성된 얽힌 모세혈관 덩어리로, 혈액을 여과하는 1차적 장소 역할을 한다.

모세혈관투의 벽은 일반적인 모세혈관과 달리 매우 특수화되어 있다. 내피 세포층이 유리창 구조를 이루어 작은 구멍이 많으며, 이는 혈액 내 물과 작은 용질의 통과를 용이하게 한다. 이 구조는 높은 투과성을 가지면서도 혈구 성분의 통과는 막아, 효율적인 여과를 가능하게 한다.

이러한 높은 혈압은 사구체여과를 일으키는 주요 동력인 정수압을 제공한다. 모세혈관투에서 여과된 액체는 보먼주머니로 모이며, 이 과정에서 혈장 단백질과 혈구는 모세혈관 내에 남게 된다.

기저막은 사구체 여과 장벽의 중간층을 구성하는 핵심 구조물이다. 이는 모세혈관내피세포의 기저층과 족세포의 기저층이 융합되어 형성된, 특수화된 세포외 기질의 두꺼운 층이다.

기저막은 주로 콜라겐 IV, 라미닌, 니도젠과 같은 단백질과 헤파란 황산 같은 글리코사미노글리칸(GAG)으로 구성된다. 이들 분자는 그물망 같은 구조를 형성하여 기계적 지지 기능을 제공하며, 전하와 크기에 기반한 선택적 투과성을 결정하는 중요한 여과 장벽 역할을 한다. 특히 헤파란 황산은 강한 음전하를 띠어, 혈장 내 알부민과 같은 음전하를 가진 단백질의 통과를 정전기적으로 차단한다.

기저막의 구조적 이상은 심각한 신장 질환으로 이어진다. 예를 들어, 알포트 증후군은 기저막을 구성하는 콜라겐 IV의 유전적 결함으로 인해 기저막이 비정상적으로 얇아지거나 분열되어, 혈뇨와 진행성 신부전을 초래한다[2]. 또한, 당뇨병성 신병증이나 사구체신염에서도 기저막의 비후, 구성 성분의 변화, 전하 장벽의 손상 등이 관찰되어 단백뇨의 주요 원인이 된다.

족세포는 사구체의 사구체여과장벽을 구성하는 세 가지 주요 구조 중 하나이다. 이 세포는 사구체모세혈관의 내피세포와 기저막 바깥쪽에 위치하며, 세포체에서 뻗어 나온 일차 돌기와 이차 돌기라는 독특한 구조를 가지고 있다. 이차 돌기들은 서로 얽혀 지네발 모양을 이루며, 기저막에 직접 부착되어 있다.

족세포의 가장 중요한 기능은 사구체여과장벽의 최종 선택적 장벽 역할을 하는 것이다. 인접한 이차 돌기 사이의 좁은 틈을 여과틈막이라고 부른다. 이 막은 단백질로 이루어진 미세한 구조물로, 특정 크기와 전하를 가진 물질의 통과를 조절한다. 여과틈막은 일반적으로 분자량이 약 70,000 달톤 이상인 큰 분자, 특히 음전하를 띤 혈장 단백질인 알부민의 통과를 효과적으로 차단한다.

족세포는 또한 세포외기질을 합성하고 분비하여 기저막의 구성과 수리를 돕는다. 또한, 이 세포는 사구체모세혈관에 구조적 지지를 제공하며, 사구체여과율을 조절하는 데 관여하는 여러 생리활성 물질을 생성한다. 족세포의 손상이나 구조적 이상은 여과틈막의 무결성을 해쳐 단백뇨를 유발하는 주요 원인이 된다.

사구체 여과는 Starling 힘의 균형에 의해 결정됩니다. 이 힘은 모세혈관 내부의 정수압과 혈장 삼투압, 그리고 보먼 주머니 내부의 정수압과 삼투압 사이의 차이로 작용합니다. 일반적으로 사구체 모세혈관 내 정수압은 혈액을 여과시키는 방향으로 작용하는 주요 추진력입니다. 반면, 혈장 내 단백질에 의해 생성되는 혈장 삼투압과 보먼 주머니 내 정수압은 여과를 억제하는 방향으로 작용합니다.

여과를 일으키는 순 힘은 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있습니다.

순 여과압 = (사구체 모세혈관 정수압 - 보먼 주머니 정수압) - (사구체 모세혈관 삼투압 - 보먼 주머니 삼투압)

이 값을 대입하면, 사구체 모세혈관 입구 근처의 순 여과압은 약 10-15 mmHg 정도로 계산됩니다. 이 압력이 혈액의 액체 성분을 여과 장벽을 통해 밀어내는 원동력이 됩니다. 주목할 점은 여과가 진행됨에 따라 혈장 내 단백질 농도가 상대적으로 증가하여 삼투압(π_GC)도 함께 상승한다는 것입니다. 이로 인해 모세혈관의 말단 부근에서는 순 여과압이 0에 가까워지고 여과는 평형 상태에 도달합니다. 이 메커니즘은 과도한 체액 손실을 방지하는 데 기여합니다.

사구체 여과 장벽의 선택적 투과성은 크기 선택성과 전하 선택성이라는 두 가지 주요 원리에 의해 결정됩니다. 이 장벽은 혈액에서 여과액으로의 물질 이동을 엄격히 통제하여, 필수적인 작은 분자들은 통과시키지만 혈액 세포나 대부분의 큰 단백질들은 보유합니다.

크기 선택성은 여과 장벽을 구성하는 세 층, 특히 기저막의 미세구조에 기인합니다. 기저막은 콜라겐과 당단백질로 이루어진 그물망 구조로, 분자량이 약 70,000 달톤(약 3.6 nm 직경) 이하인 작은 분자들(예: 물, 전해질, 요소, 글루코스)은 자유롭게 통과할 수 있습니다. 반면, 그보다 큰 분자, 특히 분자량이 69,000 달톤인 알부민 이상의 크기를 가진 단백질들은 크기에 의해 효과적으로 차단됩니다[5].

전하 선택성은 여과 장벽을 이루는 구조물 표면에 존재하는 음전하에 의해 발생합니다. 기저막과 족세포의 족돌기 사이를 덮는 슬릿다이어프램은 헤파란 황산 프로테오글리칸과 같은 강한 음전하를 띤 분자로 풍부하게 코팅되어 있습니다. 혈장 내 대부분의 단백질(예: 알부민)은 정상적인 생리적 pH에서 음전하를 띱니다. 따라서 동일한 크기를 가진 분자라도, 음전하를 띤 분자는 장벽의 음전하와의 정전기적 반발력으로 인해 통과가 억제되는 반면, 중성이나 양전하를 띤 분자는 상대적으로 쉽게 통과할 수 있습니다. 이 이중 선택성 메커니즘은 신체에 필요한 물질의 손실을 최소화하면서 노폐물을 효율적으로 제거하는 데 핵심적 역할을 합니다.

자동조절은 신장 혈류량과 사구체여과율이 평균 동맥압의 변화에도 불구하고 비교적 일정하게 유지되는 현상이다. 이 기전은 신장이 광범위한 혈압 변동(약 80~180 mmHg) 속에서도 안정적인 여과 기능을 수행할 수 있도록 한다. 주로 입동맥과 출동맥의 평활근 수축을 통해 이루어지며, 근위 세뇨관의 세뇨관-사구체 피드백도 중요한 역할을 한다.

자동조절의 주요 기전은 근육원성 반응과 세뇨관-사구체 피드백으로 구분된다. 근육원성 반응은 혈압 상승 시 입동맥의 평활근이 수축하여 혈관 저항을 증가시키고, 혈압 하강 시 이완하여 저항을 감소시킨다. 이로 인해 사구체로 유입되는 혈류량이 안정화된다. 세뇨관-사구체 피드백은 근위 세뇨관 내 염화나트륨 농도 변화를 감지하여 사구체의 여과율을 조절한다. 세뇨관 내 NaCl 농도가 높아지면 밀착반의 대세포에서 안지오텐신II 등의 신호 물질이 분비되어 입동맥을 수축시켜 사구체여과율을 낮춘다.

이러한 자동조절 기능은 급격한 혈압 변화로부터 신장 조직을 보호하고, 체액과 전해질 항상성을 유지하는 데 필수적이다. 자동조절 기전이 손상되면 혈압 변동에 따라 사구체여과율이 크게 요동쳐 고혈압성 신손상이나 허혈성 신손상의 위험이 증가한다.

사구체여과율은 여러 호르몬과 자율신경계의 활동에 의해 정교하게 조절됩니다. 주요 조절 호르몬으로는 레닌-안지오텐신-알도스테론 계통(RAAS)과 심방나트륨이뇨펩타이드(ANP)가 있으며, 교감신경계도 중요한 역할을 합니다.

안지오텐신 II는 RAAS의 주요 효과물질로, 사구체의 수입소동맥을 선택적으로 수축시켜 사구체 내 정수압을 높이고 여과율을 유지합니다. 이는 혈압이 떨어졌을 때 신장으로의 혈류와 여과 기능을 보호하는 기전입니다. 또한 안지오텐신 II는 메산지움 세포를 수축시켜 여과 면적을 감소시키는 작용도 있어, 과도한 여과를 방지하는 미세 조절을 합니다. 반면, 심방나트륨이뇨펩타이드는 혈액량이 과다해지거나 심방 압력이 증가할 때 분비되어, 수입소동맥을 확장하고 수출소동맥을 수축시켜 사구체 내 정수압을 일시적으로 높입니다. 이는 사구체여과율을 증가시켜 과다한 나트륨과 수분을 빠르게 배설하게 합니다.

교감신경계는 주로 혈압 강하 시 활성화됩니다. 강한 교감신경 흥분은 수입소동맥과 수출소동맥을 모두 수축시킵니다. 초기에는 국소 자동조절 기전이 수입소동맥의 수축을 상쇄하려 하지만, 교감신경 자극이 매우 강하면 수입소동맥 수축이 우세해져 사구체로 유입되는 혈류량과 사구체 내 정수압이 감소합니다. 이로 인해 사구체여과율이 떨어집니다. 이 반응은 급성 출혈이나 쇼크 시 혈액을 중요한 장기로 재분배하기 위한 생존 기전의 일부입니다.

*안지오텐신 II의 순 효과는 주로 수입소동맥 수축을 통한 정수압 유지이지만, 메산지움 세포 수축에 의한 여과 면적 감소는 GFR을 약간 낮출 수 있습니다.

크레아티닌 청소율은 사구체여과율(GFR)을 추정하는 데 가장 널리 사용되는 임상적 방법이다. 이 방법은 혈액 내 크레아티닌 농도와 일정 시간 동안 소변으로 배설된 크레아티닌 총량을 측정하여 계산한다. 크레아티닌은 근육에서 크레아틴의 대사 산물로 일정한 속도로 생성되어 신장을 통해 주로 여과되며, 세뇨관에서 재흡수나 분비가 거의 일어나지 않는다는 특성을 이용한다. 따라서 소변으로 배설되는 크레아티닌의 양은 사구체를 통한 여과율을 간접적으로 반영한다.

계산은 일반적으로 24시간 동안의 소변을 모두 채집하여 수행한다. 공식은 다음과 같다: 크레아티닌 청소율 (mL/min) = (소변 크레아티닌 농도 × 24시간 소변량) / (혈장 크레아티닌 농도 × 1440)[6]. 이렇게 얻은 값은 분당 여과된 혈장의 양(mL/min)으로 표현되며, 정상 성인의 경우 대략 90-120 mL/min 범위에 해당한다.

이 방법은 간편하고 비용 효율적이지만 몇 가지 제한점을 가진다. 크레아티닌이 세뇨관에서 약간의 분비가 일어날 수 있어 실제 GFR을 약간 과대평가할 수 있다. 또한, 근육량, 나이, 성별, 식이(특히 육류 섭취)에 따라 크레아티닌 생성량이 변할 수 있어 정확도에 영향을 미친다. 특히 신부전이 진행된 환자에서는 세뇨관 분비 비율이 상대적으로 증가하여 오차가 커질 수 있다.

이러한 한계를 보완하기 위해 혈장 크레아티닌 농도만을 이용한 추정 공식들이 개발되었다. 대표적으로 Cockcroft-Gault 공식과 MDRD 공식, CKD-EPI 공식 등이 있으며, 이 공식들은 혈장 크레아티닌 값에 나이, 성별, 인종 등을 변수로 포함하여 보다 편리하게 추정 GFR(eGFR)을 제공한다.

이눌린 청소율은 사구체여과율(GFR)을 측정하는 가장 정확한 방법으로, 금표준(Gold Standard)으로 간주된다. 이눌린은 글루코스의 중합체인 다당류로, 신장에서 여과되는 과정에서 신체에 전혀 대사되거나 재흡수, 분비되지 않는 독특한 특성을 지닌다. 이 특성 덕분에 이눌린의 혈중 농도와 소변으로 배설되는 양을 측정하면 신장의 여과 기능을 직접적이고 정확하게 평가할 수 있다.

측정 방법은 우선 일정량의 이눌린을 정맥 주사하여 혈중 농도를 일정하게 유지한다. 그 후, 정확히 측정된 시간(보통 24시간) 동안 소변을 모두 채취하여 총량과 그 안의 이눌린 농도를 분석한다. 동시에 채혈을 통해 혈장 내 이눌린 농도를 확인한다. 사구체여과율은 다음 공식을 사용하여 계산한다.

계산식은 GFR = (U_in × V) / P_in 이다. 이 공식은 단위 시간당 이눌린이 포함된 혈장이 얼마나 사구체를 통해 걸러졌는지를 나타낸다.

이 방법은 매우 정확하지만, 지속적인 정맥 주입과 정밀한 시간별 소변 채집이 필요하여 과정이 번거롭고 비용이 많이 든다. 따라서 일상적인 임상 현장에서는 크레아티닌 청소율이나 크레아티닌 혈중 농도를 기반으로 한 추정 공식(eGFR)이 더 널리 사용된다. 그러나 연구나 정밀한 신기능 평가가 필요한 경우, 또는 다른 측정법의 정확도를 검증할 때는 여전히 이눌린 청소율이 기준이 된다.

사구체여과율 감소는 신부전의 핵심 지표이며, 사구체의 여과 기능이 저하된 상태를 의미한다. 이는 급성 또는 만성적인 원인에 의해 발생하며, 사구체여과율이 정상 범위(약 90-120 mL/min/1.73m²) 미만으로 떨어지는 것을 특징으로 한다.

감소의 주요 원인은 사구체 자체의 손상, 사구체로 유입되는 혈류량 감소, 또는 여과된 액의 유출 경로인 세뇨관의 폐쇄로 구분된다. 구체적인 원인은 다음과 같다.

사구체여과율 감소는 혈액 내 질소 노폐물(예: 크레아티닌, 요소질소)의 축적을 초래한다. 이는 질소혈증 또는 요독증으로 이어지며, 전해질 불균형(고칼륨혈증, 대사성 산증), 체액 과부하, 그리고 최종적으로는 다기관 기능 장애를 유발할 수 있다[8]. 임상적으로는 피로, 식욕부진, 구역, 부종, 소변량 변화 등의 증상이 나타난다.

진단은 혈청 크레아티닌 측정과 이를 바탕으로 계산한 사구체여과율 (eGFR)로 이루어진다. 치료는 근본 원인을 교정(예: 혈액량 보충, 혈압 조절, 면역억제제 투여, 폐쇄 제거)하고, 신부전의 합병증을 관리하며, 말기 신부전으로 진행될 경우 투석이나 신장이식을 준비하는 것을 목표로 한다.

사구체여과율 증가는 사구체여과율이 정상 범위를 초과하는 상태를 의미한다. 이는 일반적으로 신장의 혈류량 증가나 사구체 내 정수압 상승에 의해 발생한다. 주요 원인으로는 당뇨병 초기, 임신, 단백질 과다 섭취, 그리고 특정 고혈압 상태 등이 포함된다.

생리적 상태에서 임신 중기에는 신장 혈류량과 사구체여과율이 40-50%까지 증가하는 것이 정상적으로 관찰된다[9]. 당뇨병의 초기 단계에서는 고혈당으로 인한 삼투성 이뇨 작용과 혈관 확장 효과가 신장 혈류를 증가시켜 사구체여과율 상승을 유발한다. 이는 미세단백뇨의 선행 요인이 될 수 있다.

장기간 지속되는 사구체여과율 증가는 사구체고혈압을 유발하여 사구체의 여과 장벽에 기계적 스트레스를 가할 수 있다. 이는 결국 사구체의 손상과 경화증을 초래하여 신부전으로 이어질 수 있는 위험 요소로 작용한다. 따라서 당뇨병성 신병증의 초기 병태생리에서 고여과 상태는 중요한 의미를 가진다.

단백뇨는 정상적으로는 거의 배출되지 않는 단백질이 소변에 나타나는 현상이다. 이는 사구체의 여과 장벽 기능에 이상이 생겼음을 의미하는 주요 지표이다. 단백뇨 발생의 핵심 기전은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

첫째, 사구체여과장벽의 투과성 증가이다. 기저막의 전하 장벽과 크기 선택성 장벽이 손상되면, 혈중 알부민과 같은 작은 분자량 단백질이 쉽게 여과된다. 특히, 기저막과 족세포에 존재하는 음전하를 띤 헤파란 황산 프로테오글리칸의 손실은 음전하를 띤 알부민의 통과를 허용하는 주요 원인이다. 둘째, 여과된 단백질의 세뇨관 재흡수 능력 저하이다. 정상적으로 소량 여과된 단백질은 근위세뇨관에서 거의 완전히 재흡수되는데, 세뇨관 세포의 기능 장애가 있으면 이 재흡수가 감소하여 단백뇨로 이어진다. 셋째, 과도한 단백질의 생산으로 인한 여과량 증가이다. 다발성 골수종에서 나타나는 벤스존스 단백뇨가 대표적인 예로, 과생산된 가벼운 사슬이 사구체를 통과하여 소변으로 배출된다.

*선택적 단백뇨는 주로 알부민과 같이 분자량이 작은 단백질이 배출되는 것을 말한다. 비선택적 단백뇨는 분자량이 큰 단백질까지 배출되는 것으로, 일반적으로 더 심한 사구체 손상을 시사한다. 단백뇨의 정량적 평가와 함께 어떤 종류의 단백질이 나오는지 분석하는 것은 기저 질환을 진단하고 예후를 판단하는 데 중요한 단서를 제공한다.

사구체여과율은 신장의 여과 기능을 정량적으로 평가하는 가장 핵심적인 지표이다. 이 수치는 신장이 단위 시간당 얼마나 많은 혈장을 여과할 수 있는지를 나타내며, 신기능의 전반적인 상태를 반영한다. 임상에서는 주로 혈청 크레아티닌 수치를 기반으로 추정 사구체여과율을 계산하여 활용한다.

사구체여과율은 만성 신장병의 진단, 병기 분류, 치료 방침 결정 및 경과 관찰에 필수적이다. 국제적으로는 CKD-EPI 또는 MDRD 공식과 같은 방정식을 사용하여 나이, 성별, 인종을 보정한 추정 사구체여과율을 보고한다. 이는 단순한 혈청 크레아티닌 수치보다 근육량이나 연령에 따른 영향을 덜 받아 더 정확한 신기능 평가를 가능하게 한다.

신기능 평가는 사구체여과율 단독으로 이루어지지 않는다. 일반적으로 요검사 (특히 단백뇨 또는 혈뇨 유무), 혈청 요소질소, 전해질 농도, 산-염기 균형 평가 등과 함께 종합적으로 해석한다. 특히 사구체여과율의 감소 추이를 관찰하는 것은 신기능 저하의 진행 속도를 파악하고 적절한 시기에 치료를 개입시키는 데 결정적인 정보를 제공한다.

사구체여과율은 신장이 혈액에서 노폐물을 제거하는 능력을 반영하는 핵심 지표이다. 이 수치는 신장의 전반적인 기능 상태를 평가하고, 신장을 통해 배설되는 약물의 적절한 용량을 결정하는 데 필수적인 정보를 제공한다.

많은 약물과 그 대사산물은 주로 신장을 통해 배설된다. 특히 신장 기능이 저하되면, 신장으로 배설되는 약물의 혈중 농도가 비정상적으로 상승하여 부작용이나 독성의 위험이 크게 증가한다. 따라서 신부전 환자에게 약물을 처방할 때는 사구체여과율을 근거로 용량을 조절하거나 투여 간격을 늘리는 것이 일반적이다. 예를 들어, 일부 항생제, 항바이러스제, 심장약, 당뇨병 치료제 등은 신기능에 따라 용량을 반드시 조정해야 한다[10].

임상에서는 크레아티닌 수치를 바탕으로 추정 사구체여과율을 계산하여 신기능을 단계별로 분류한다. 이 분류는 약물 용량 조절을 위한 표준 지침의 기초가 된다. 약물 처방 전 환자의 신기능을 평가하고, 해당 약물의 신장 배설 비율과 독성 프로파일을 고려한 맞춤형 용량을 결정하는 것이 안전한 약물 치료의 핵심이다.