만성 염증, 내피 단일층 투과성 증가해 조직 부종 발생
높은 수준의 활성산소 eNOS 기능 억제하고 혈관 기능에 문제

1. 내피세포(endothelium)

내피세포(endothelium)는 혈관이나 림프관 표면을 따라 배열되어 있으며, 혈액과 직접 접촉하는 내피세포는 심장에서부터 모세혈관까지 전체 순환계를 이룬다.

내피세포는 혈관과 주벽 조직 사이의 반투막 장벽 역할(barrier function)을 한다.

혈관 내외로의 물질 이동 및 백혈구 통과를 제어한다. 만성 염증의 경우 내피 단일층의 투과성이 증가하여 조직 부종(edema) 및 종창(swelling)이 발생한다.

1) 내피세포의 글리코칼릭스(endothelial glycocalyx)
글리코칼릭스(glycocalyx)는 세균, 상피세포 및 다른 세포의 세포막을 둘러싸고 있는 당단백질(glycoprotein) 및 당지질(glycolipid)이다.

내피세포의 글리코칼릭스(동맥과 정맥 및 모세혈관에 걸쳐 존재)는 프로테오글리칸(proteoglycan) 및 당단백질이 세포막에 결합하여 네트워크를 형성한다.

가용성 성분인 글리코칼릭스는 흐르는 혈액과 동적인 평형상태를 유지하면서 존재한다.

프로테오글리칸의 발현은 다양한 자극에 의존하기 때문에 그 수는 다양하다. 그 중에서 heparan sulfate는 약 50~90% 정도로 가장 많이 존재한다.

hyaluronan(hyaluronic acid)는 다른 프로테오글리칸과 달리 core protein에 결합하지 않고 존재하고, 점성이 있는 용액을 형성 할 수 있다.

프로테오글리칸은 황산염(sulfate)에 기인한 음전하(negative charge)를 가지고 있다. 

2) 글리코칼릭스의 기능(function of glycocalyx)

(1) 내피세포 기능
내피는 혈류에 의해 생성된 물리적 힘에 노출되어있다.

물리적 힘인 전단응력(shear stress)에 노출된 내피세포는 혈관긴장도(vascular tone)에 중요한 산화질소(NO)를 생성한다.

전단응력이 산화질소를 생성하는 생화학적 신호가 무엇인지 밝혀지지는 않았지만 클리코칼릭스가 관여하는 것으로 보고 있다.

또, 글리코칼릭스의 혈관보호 기능은 EC-SOD( extracellular superoxide dismutase)가 활성산소를 제거하고, 산화스트레스를 줄여서 산화질소(NO)의 생체 이용률을 유지하는 것이다.

(2) 투과성
클리코칼릭스는 혈관 투과성에 중요한 인자이다. 클리코칼릭스의 투과성은 분자의 입체 모양이나 크기에 따라 다르게 나타나며, 황산염에 기인한 음전하도 투과성에 영향을 미친다.

(3) 응고(coagulation)
혈장 유래 분자의 결합은 여러 가지 방법으로 국소환경에 영향을 미칠 수 있다.

수용체 또는 리간드 및 효소가 내피의 글리코칼릭스에 결합하면 이들 물질의 농도가 국소적으로 상승하고, 신호전달 또는 효소의 변형을 가능하게 한다.

섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor, FGF)의 신호전달은 이런 방식으로 매개된다. 글리코칼릭스는 지질분해시스템(lipolytic system)에도 관여하고, lipoprotein lipase와 저밀도 지단백질(LDL)을 결합시킨다.

글리코칼릭스에 존재하는 모든 항응고 분자들은 건강한 내피세포의 혈전 저항성에 기여한다.

글리코칼릭스에 작용제(agonist) 또는 억제제(inhibitor)가 결합하면 혈관 보호 작용이 나타난다. 중요한 항응고인자 매개체는 antithrombinIII, heparin cofactorII, thrombomodulin와 tissue factor pathway inhibitor(TFPI)이다. antithrombin Ⅲ는 트롬빈(thrombin)과 같은 응고 촉진제 효소의 강력한 억제제이다. heparin cofactorⅡ는 글리코칼렉스에서 dermatan sulfate에 의해 활성화되는 thrombin specific protease의 억제제이다.

thrombomodulin은 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate) 함유 단백질로 단백질 C 경로(protein C pathway)를 활성화시켜 항응고작용을 나타낸다. TFPI 또한 항응고작용을 한다.

(4) 염증
heparan sulfate는 백혈구의 세포부착을 막는 역할을 한다.

반대로 세포의 glycosylation에 문제가 발생하게 되어 글리코칼릭스가 얇아지면 백혈구의 부착이 증가한다.

내피세포의 글리코칼릭스는 사이토카인(cytokines)의 결합에 의한 염증반응을 조절 및 세포 묘면에 있는 수용체에 대한 사이토카인의 결합을 약화시킨다.

글리코칼릭스에서 heparan sulfate를 제거하면 사이토카인에 대한 내피세포 민감성이 증가한다.

3) 내분비기관(endocrine organ)  
내피세포는 다양한 혈관 활성 제제를 분비하는 내분비기능을 가지고 있다.

혈관확장을 하는 산화질소(NO, nitric oxide), 프로스타사이클린(prostacyclin), endothelium-derived hyperpolarizing factor(EDHF)와 혈관수축에는 엔도텔린Ⅰ(endothelin I), 안지오텐신Ⅱ(angiotensin II) 및 트롬복산 A2(thromboxane A2)와 같은 물질을 분비한다.

내피세포에서 분비하는 산화질소(NO)는 혈관확장, 혈전 형성 억제, 평활근의 증식을 억제하며, 내피세포에 백혈구가 부착되는 것을 억제한다.

2. 내피세포 기능장애(endothelial dysfunction)

과산화물(superoxide)이나 과산화수소(hydrogen peroxide)와 같은 활성산소의 과도한 반응 및 조절되지 않은 활성산소의 생성에 의한 산화스트레스(oxidative stress)는 질병의 주요 원인이다.

혈관 내피세포에서 활성산소의 과잉은 산화질소와 반응하여 peroxynitrite(ONOO-)를 생성한다.

peroxynitrite(ONOO-)는 다양한 단백질의 티로신(tyrosine) 잔기에 니트로화(nitration)를 일으켜 많은 단백질의 생리학적 기능에 악영향을 미치고, 단백질의 변화는 내피세포의 염증 및 세포 사멸이 쉽게 일어나게 한다.

또, 높은 수준의 활성산소는 산화질소 생성 효소인 endothelial nitric oxide synthase(eNOS)의 기능을 억제하고, 산화질소가 부족하게 되면서 혈관 기능에 문제가 발생한다. 

1) 산화스트레스(oxidative stress)와 산화질소(NO)
산화질소(NO)는 내피세포에서 백혈구의 부착을 억제함으로써 중요한 항염증제 역할을 한다 약물로 내피세포 유래 산화질소의 생성을 억제하면 단핵구의 내피 부착성이 현저하게 증가하였고, 반대로 eNOS의 기질인 아르기닌(L-arginine) 식이를 증가시키면 단핵구의 부착이 약회되었다.

또, 내피세포에서 유래한 산화질소의 항혈전효과(antithrombotic effect)는 plasminogen activator inhibitor-1 발현 저해와 관련이 있고, 산화질소는 혈소판 활성화, 부착 및 응집을 제한한다.

활성산소의 수준 및 산화질소의 생체 활성은 활성산소 생산 속도 뿐만 아니라 활성산소를 분해하는 속도에 의해서도 결정된다.

주요 superoxide 분해 효소인 superoxide dismutase와 EC-SOD(extracellular superoxide dismutase)는 혈관벽에서 중요한 역할(그림4 참고)을 한다. 산화질소의 감소는 EC-SOD의 감소와도 많은 관련을 가지고 있다.

내피 산화질소의 감소는 또한 활성산소(reactive oxygen species, ROS)의 증가와 관련이 있다. 특히, superoxide는 산화질소와 빠르게 반응하여 peroxynitrite(ONOO-)를 형성하고, 산화질소의 생체활성을 감소시킨다.

활성산소의 증가는 BH4(tetrahydrobiopterin, BH4 cycle 및 folate cycle과 관련)의 산화분해를 촉진하여 eNOS의 활성이 감소하고, 산화질소 생산이 감소하게 된다.

NADPH oxidase는 superoxide의 중요한 공급원으로 밝혀졌으며, angiotensin Ⅱ, 염증성 cytokines 및 기계적 손상도 활성산소의 중요한 공급원이다.

2) 산화스트레스와 내피세포
활성산소, 난류(Turbulent flow), cytokines(TNF-α, IL-1β), 혈관수축제(angiotensinⅡ), 산화된 LDL 모두 활성산소 의존성 NF-κB 활성에 의해 유도되어 염증 및 혈전 형성을 촉진하는 유전자의 발현을 유도한다.

이러한 내피세포의 이상은 염증 유전자의 발현(VCAM/ICAM)과 더불어, 활성산소는 내피 장벽기능을 감소시키며, 혈관벽에 LDL입자의 침착과 산화를 일으킨다.

산화질소에서 생성된 peroxynitrite(ONOO-)는 단백질의 tyrosine 잔기의 nitration일으키고, 세포 항상성에 영향을 주는 단백질 구조와 기능의 변화를 일으킨다.

또, peroxynitrite는 지방과 반응하여 peroxyl radical을 형성할 수 있고, glycosaminoglycanes(GAGs)에 존재하는 당과도 반응할 수 있다.

이러한 peroxynitrite의 반응은 세포막에 존재하는 glycocalyx와 세포막 지질에도 영향을 미치고, 효소의 작용을 변화시킴으로써 세포의 기능에 많은 악 영향을 미칠 수 있다.