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TSH는 뇌하수체 전엽에서 분비되는 당단백질 호르몬으로, 표적 기관인 갑상선의 갑상선 여포 세포 표면에 존재하는 특정 수용체에 결합하여 그 기능을 발휘한다. 이 수용체는 갑상선 자극 호르몬 수용체(TSHR)라고 불리며, G 단백질 연결 수용체(GPCR) 계열에 속한다.

TSH가 TSHR의 세포 외 도메인에 결합하면 수용체의 구조적 변화가 일어나고, 이는 세포 내 신호 전달 체계를 활성화시킨다. 주로 아데닐산 고리화효소 경로가 작동하여 세포 내 고리형 아데노신 일인산(cAMP)의 농도가 증가한다. cAMP의 증가는 단백질 키나제 A(PKA)를 활성화시키며, 이는 갑상선 호르몬의 합성과 분비에 필요한 여러 효소들의 발현과 활성을 촉진하는 일련의 반응을 유도한다[1].

이 결합 과정은 매우 특이적이며, TSH의 농도에 따라 반응 강도가 조절된다. 결합의 강도와 효율은 TSH 분자의 구조적 무결성과 수용체의 상태에 의존한다. 일부 자가면역 질환에서는 TSHR에 대한 자가항체가 생성되어 수용체를 비정상적으로 자극하거나 차단함으로써 갑상선 기능 이상을 초래하기도 한다[2].

TSH는 갑상선의 여포 세포 표면에 위치한 TSH 수용체에 결합하여 작용한다. 이 결합은 G 단백질을 활성화시키고, 아데닐산 고리화효소를 통해 세포 내 cAMP 농도를 증가시키는 신호 전달 경로를 촉발한다.

증가한 cAMP는 갑상선 호르몬의 합성과 분비를 위한 일련의 과정을 자극한다. 주요 효과는 다음과 같다.

* 갑상선 글로불린의 요오드화 및 티로신 잔기의 결합을 촉진하여 티록신(T4)과 삼요오드티로닌(T3)의 생성을 증가시킨다.

* 갑상선 여포 세포에서 갑상선 호르몬이 저장된 콜로이드의 흡수를 촉진한다.

* 갑상선 세포의 성장과 증식을 자극하여 갑상선의 크기(갑상선종)가 증가할 수 있다.

TSH의 분비는 혈중 유리 T4와 유리 T3의 농도에 의해 정밀하게 조절된다. 이는 시상하부-뇌하수체-갑상선 축의 음성 되먹임 기전을 통해 이루어진다. 혈중 갑상선 호르몬 수치가 낮으면 뇌하수체전엽에서 TSH 분비가 증가하고, 반대로 수치가 높으면 TSH 분비가 억제된다. 이 조절 기전은 체내 갑상선 호르몬 농도를 일정하게 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다.

시상하부에서 분비되는 티로트로핀 방출 호르몬(TRH)은 뇌하수체 전엽을 자극하여 TSH의 분비를 촉진한다. TSH는 혈류를 통해 갑상선에 도달하여 갑상선 호르몬(티록신(T4)과 트리요오드티로닌(T3))의 합성과 분비를 증가시킨다.

이 축의 주요 조절 기전은 음성 되먹임이다. 혈중 갑상선 호르몬, 특히 T3의 농도가 상승하면, 이는 뇌하수체와 시상하부에 직접 작용하여 TSH와 TRH의 분비를 억제한다. 반대로 혈중 갑상선 호르몬 농도가 낮아지면 이 억제가 풀려 TRH와 TSH 분비가 증가하여 갑상선 호르몬 생성을 다시 촉진한다.

이 조절 축의 기능은 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

이러한 정교한 축 조절을 통해 체내 갑상선 호르몬 농도는 매우 좁은 범위 내에서 유지된다. 축의 어느 단계에서든 이상이 발생하면 갑상선 기능 항진증이나 갑상선 기능 저하증이 초래된다.

시상하부에서 분비되는 티로트로핀 방출 호르몬은 뇌하수체 전엽을 자극하여 갑상선 자극 호르몬의 분비를 촉진한다. TSH는 다시 갑상선에 작용하여 티록신과 트리요오드티로닌의 합성과 분비를 증가시킨다.

혈중 T3와 T4 농도가 증가하면, 이는 시상하부와 뇌하수체에 직접적인 억제 신호로 작용한다. 높은 갑상선 호르몬 수치는 시상하부의 TRH 분비를 감소시키고, 동시에 뇌하수체가 TRH에 대한 반응성을 낮추며 TSH 분비 자체를 직접 억제한다[4]. 결과적으로 TSH 분비가 줄어들고, 이는 갑상선 호르몬 생성을 정상 수준으로 되돌린다.

반대로 혈중 T3, T4 농도가 낮아지면, 이 억제 신호가 사라져 시상하부의 TRH 분비와 뇌하수체의 TSH 분비가 증가한다. 증가된 TSH는 갑상선을 더욱 자극하여 갑상선 호르몬 생산을 촉진한다.

이러한 음성 되먹임 고리는 혈중 갑상선 호르몬 농도를 매우 좁은 범위 내로 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 기전의 이상은 갑상선 기능 항진증이나 갑상선 기능 저하증을 초래한다.

TSH는 갑상선의 기능 상태를 평가하는 가장 중요한 지표 중 하나이다. TSH 수치의 이상은 주로 갑상선 기능 항진증 또는 갑상선 기능 저하증을 시사한다.

갑상선 기능 저하증은 혈중 갑상선 호르몬(T3, T4) 농도가 낮은 상태이다. 이 경우, 뇌하수체전엽은 이를 보상하기 위해 TSH의 분비를 증가시킨다. 따라서 혈중 TSH 수치가 정상 범위보다 높게 나타나는 것이 일반적이다. 이는 일차성 갑상선 기능 저하증의 특징적인 소견이다. 원인으로는 하시모토 갑상선염과 같은 자가면역 질환이 가장 흔하며, 갑상선 수술 후, 방사성 요오드 치료 후, 일부 약물에 의해서도 발생할 수 있다.

반대로, 갑상선 기능 항진증은 혈중 갑상선 호르몬 농도가 과도하게 높은 상태이다. 이는 뇌하수체에 강력한 음성 되먹임 신호로 작용하여 TSH의 분비를 억제한다. 결과적으로 혈중 TSH 수치는 매우 낮게 측정되거나 검출 한계 미만으로 떨어진다. 대표적인 원인은 그레이브스병이며, 갑상선의 독성 결절이나 갑상선염의 초기 단계에서도 일시적으로 나타날 수 있다.

이러한 패턴은 진단의 기본이 되지만, TSH 수치가 정상 범위에 있으면서 갑상선 호르몬 수치가 비정상적인 경우(예: 이차성 갑상선 기능 이상)나 TSH 수치가 낮은데 갑상선 호르몬도 정상인 아급성 갑상선염의 회복기 같은 상황에서는 추가적인 임상 평가가 필요하다.

TSH 측정은 혈액 검사를 통해 혈중 TSH 농도를 정량적으로 분석하는 검사이다. 이는 갑상선 기능을 평가하는 가장 기본적이고 민감한 선별 검사로 널리 사용된다. 검사는 일반적으로 공복 상태에서 정맥혈을 채취하여 시행하며, 결과는 일반적으로 mIU/L(밀리국제단위/리터) 단위로 보고된다.

정상 TSH 수치는 검사실마다 약간의 차이가 있을 수 있으나, 대체로 0.4~4.0 mIU/L 범위를 기준으로 한다. 그러나 최근에는 상한 기준을 2.5 mIU/L 정도로 낮추어야 한다는 의견도 있다[5]. TSH 수치는 하루 중 시간대에 따라 변동이 있어, 일반적으로 새벽에 가장 높고 오후 늦게 가장 낮은 패턴을 보인다.

TSH 검사는 단독으로 시행되기보다는 유리 T4(Free T4)나 유리 T3(Free T3) 검사와 함께 시행되어 진단의 정확성을 높인다. 예를 들어, TSH가 상승하고 유리 T4가 낮으면 명백한 원발성 갑상선 기능 저하증으로 진단할 수 있다. 반면, TSH가 낮은 경우, 유리 T4 수치를 확인하여 갑상선 기능 항진증인지, 아니면 뇌하수체 기능 이상에 의한 이차성 갑상선 기능 저하증인지를 구분한다. 이 검사는 갑상선 질환의 초기 진단, 치료 효과 모니터링, 그리고 치료 용량 조절에 필수적인 정보를 제공한다.

TSH 수치가 상승하는 것은 주로 갑상선이 충분한 양의 갑상선 호르몬을 생성하지 못하는 상태, 즉 갑상선 기능 저하증을 시사합니다. 이는 뇌하수체가 갑상선을 더 자극하기 위해 TSH 분비를 증가시키는 음성 되먹임 기전의 결과입니다. 가장 흔한 원인은 자가면역 갑상선염(하시모토 갑상선염)으로, 신체의 면역체계가 갑상선 조직을 공격하여 호르몬 생산 능력을 저하시킵니다.

TSH 상승을 유발하는 다른 주요 원인들은 다음과 같습니다.

임상적으로, TSH 수치가 상승되어도 혈중 유리 T4 수치가 정상 범위에 머물러 있는 상태를 잠복성 갑상선 기능 저하증(아급성 갑상선 기능 저하증)이라고 합니다. 이는 명백한 증상이 없을 수 있지만, 향후 현성 갑상선 기능 저하증으로 진행될 위험이 있습니다. TSH 상승은 또한 갑상선암 환자에서 갑상선 절제술 후 재발 감시를 위해 사용되는 갑상글로불린 측정 검사의 정확도를 높이기 위해 유도하기도 합니다[7].

TSH 수치가 정상 범위보다 낮은 상태는 일반적으로 갑상선 기능 항진증을 시사한다. 이는 갑상선이 필요 이상으로 많은 양의 갑상선 호르몬(T3, T4)을 생산하여, 이를 감지한 뇌하수체가 TSH 분비를 억제하기 때문이다. 가장 대표적인 원인은 그레이브스병으로, 이는 자가면역 질환으로 갑상선을 과도하게 자극하는 항체가 생성되어 발생한다[8]. 그 외에 독성 결절성 갑상선종이나 갑상선염의 초기 단계에서도 일시적으로 TSH가 감소할 수 있다.

TSH 감소는 뇌하수체나 시상하부의 문제로 인해 이차적으로 발생하기도 한다. 이를 이차성 갑상선 기능 저하증이라고 부르며, 뇌하수체 기능 저하증이나 시상하부 기능 저하증이 원인이 된다. 이 경우 갑상선 자체는 정상이지만, 이를 자극할 TSH의 분비가 부족하여 결과적으로 갑상선 호르몬 수치도 낮아지는 패턴을 보인다. 드물게는 뇌하수체 선종과 같은 종양이 정상적인 호르몬 분비를 방해할 수 있다.

약물의 영향도 고려해야 한다. 갑상선 호르몬 제제(예: 레보티록신)를 과다 복용하거나, 아미오다론, 도파민 제제, 고용량의 스테로이드 등을 복용하는 경우에도 TSH 수치가 억제되어 낮게 측정될 수 있다. 따라서 TSH 감소를 평가할 때는 반드시 유리 T4(Free T4) 등의 갑상선 호르몬 수치와 함께 해석하고, 임상 증상 및 환자의 약물 복용력을 종합적으로 고려해야 한다.

갑상선 기능 저하증의 주요 치료 목표는 혈중 갑상선 호르몬 농도를 정상 범위로 회복시키고, 이로 인한 증상을 완화하며 장기적인 합병증을 예방하는 것이다. 치료의 주축은 갑상선 호르몬 대체 요법으로, 대부분의 경우 하루 한 번 경구로 복용하는 합성 레보티록신(T4) 제제를 사용한다. 이 약물은 신체에서 자연적으로 분비되는 티록신과 동일한 구조를 가지며, 말초 조직에서 활성 형태인 트리요오드티로닌(T3)으로 전환되어 작용한다.

치료는 일반적으로 낮은 용량으로 시작하여 환자의 연령, 체중, 심혈관계 상태, 그리고 TSH 수치를 기준으로 서서히 증량한다. 특히 노년층이나 심장 질환 병력이 있는 환자에서는 심장에 부담을 줄 수 있어 매우 낮은 용량으로 시작하여 점진적으로 조절한다. 치료 효과는 주기적인 혈액 검사를 통해 TSH 수치를 모니터링하여 평가하며, 대부분의 환자에서 TSH 수치가 정상 범위(보통 0.5-4.5 mIU/L)로 유지되도록 약물 용량을 조절한다. 적절한 용량이 결정되면 대부분 평생 지속적인 치료가 필요하다.

치료 과정에서 주의할 점은 약물의 흡수를 방해할 수 있는 다른 약물이나 음식과의 상호작용이다. 예를 들어, 철분제, 칼슘제, 제산제, 콜레스티라민, 대두 제품 등은 레보티록신의 흡수를 저해할 수 있으므로, 최소 4시간 간격을 두고 복용하는 것이 권장된다. 또한, 임신 중에는 태아의 뇌 발달을 위해 갑상선 호르몬 수요가 증가하므로, TSH 수치를 더 면밀히 모니터링하고 필요시 약물 용량을 조정해야 한다.

드물게 레보티록신 단독 치료로 증상 호전이 불충분한 경우, 합성 T3 제제(리오티로닌)를 추가하는 치료법을 고려할 수 있으나, 이는 일반적인 치료법은 아니며 심장 부정맥 등의 위험을 증가시킬 수 있어 신중히 접근해야 한다.

갑상선 기능 항진증의 치료 목표는 과도한 갑상선 호르몬 생성을 억제하고 혈중 농도를 정상화하여 증상을 조절하며 장기적인 합병증을 예방하는 것이다. 주요 치료법에는 항갑상선제 복용, 방사성 요오드 치료, 그리고 갑상선 절제술이 있으며, 환자의 나이, 증상의 심각도, 기저 원인 질환에 따라 선택한다.

항갑상선제는 갑상선에서 호르몬 합성을 억제하는 약물로, 메티마졸과 프로필티오우라실이 대표적이다. 이는 초기 치료나 장기적인 관리를 위해 사용되며, 특히 그레이브스병 환자에서 면역 조절 효과도 기대할 수 있다. 치료 기간은 일반적으로 12~18개월이나, 재발률이 높은 편이다. 방사성 요오드 치료는 방사성 동위원소인 요오드-131을 경구로 투여하여 갑상선 세포를 선택적으로 파괴하는 방법이다. 이는 비침습적이며 효과가 영구적이어서 성인에게 널리 사용되지만, 대부분의 경우 치료 후 갑상선 기능 저하증이 발생하여 평생 갑상선 호르몬 보충제를 복용해야 한다. 갑상선 절제술은 갑상선의 일부 또는 전부를 외과적으로 제거하는 방법으로, 큰 결절이 있거나 항갑상선제에 부작용이 있거나, 임신 중 약물 치료가 어려운 경우 등에 고려된다.

치료 과정에서 TSH 수치는 중요한 모니터링 지표가 된다. 치료 초기에는 갑상선 호르몬 수치가 먼저 정상화되며, TSH 수치는 수주에서 수개월 후에 정상 범위로 회복된다. 따라서 치료 효과 판정과 약물 용량 조절에 T3, T4 수치와 함께 TSH를 정기적으로 측정한다. 또한, 치료 중에는 베타 차단제를 함께 사용하여 심계항진, 떨림, 불안감 등의 증상을 빠르게 완화하기도 한다.