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미생물이야기 면역성의 다양한 종류에 대해 알아보자.
2013-08-08 12:31:33
이엠생명과학연구원

면역성의 종류

 

I. 비특이적 면역

    면역성에는 크게 출생시에 존재하거나 출생후 자연적으로 발생하는 자연면역과 외부물질의 이전의 노출에 의한 결과로 발생하는 획득성 면역(Acquired immunity)으로 구분된다. 자연면역(Natural immunity)은 비특이적 면역(Nonspecific immunity) 또는 선천적 면역(Innate immunity) 등으로 표현된다. 그러므로, 비특이적 면역성은 사람을 포함한 모든 동물 이 면역 항체를 생성하지 않고 이물질이나 미생물의 침입에 대한 방어 과정이다. 이 과정은 외부 침입에 대한 감수성과 비 감수성, 표피나 점막세포의 방어물질, 항균성 인자, 염증반응, 보체활성, 탐식작용, 위의 산도, 정상 장내 세균총 등의 개념 을 포함한다.
   비특이적 면역은 유전적 요인, 내분비 체계 및 영양인자, 나이뿐만 아니라 환경에도 영향을 받으며 운동, 방사선 조사, 국 소 손상 치료 유무, 약물, 마취 등의 다양한 요인에 의해서도 영향을 받는다. 유전적 요인에 의한 비특이적 면역의 예로 종 과 개체 및 인종에 따라 감수성과 비감수성으로 달라지게 되고 유전적 요인에 의해 면역 결핍 질환이 발생한다. 또한 각종 호르몬의 기능에 따라 감수성과 비감수성으로 나눠지게 되는 점으로 보아 내분비계에 의해서도 영향을 받는다. 또한 일부 질환은 탐식작용기능의 증가나 감소 또는 세포내 살균력의 감소나 증가에 의해 비특이적 면역에 영향을 준다. 이러한 대 표적인 질환으로 당뇨, 암, 요독증 등이 있다. 또한 조산아와 화상, 쇽, 감염과 알코올 중독 등도 이러한 방법으로 비특이적 면역에 영향을 줄 수 있다. 비특이적 면역은 소량의 내독소 tuberculin, zymosan, restim과 같은 약물에 의해서도 자극될 수 있다. 또한 체온의 증가는 신진대사 기능의 증가를 유도하여 비특이적 면역력을 증가시킨다.

 

(1) 감수성과 비감수성

    동물은 종류에 따라 특정 질병이 잘 발생하는 부류(감수성)와 그렇지 않은 것(비감수성)이 있다. 이러한 현상은 정확히 규명되지는 않았으나 선천적 또는 유전적인 영향이 어느 정도 관여할 것임에 틀림없다. 예를 들면, 적혈구 막의 Duffy 혈액형 인자인 Fya와 Fyb 수용체는 말라리아 감염에 대한 감수성과 관련이 있다고 믿어진다. Miller 등은 Fya와 Fyb 혈액형 항원이 없는 사람의 적혈구는 생체 외에서 Plasmodium knowlesi의 침입에 저항성이 있음을 보고하였고, Plasmodium vivax에 감염된 모기에 물린 사람들 중에서 Fya와 Fyb 혈액형 항원이 없는 사람만이 적혈구 감염이 되지 않았다. 감수성과 비감수성의 차이는 종속이 다를 때만 아니라, 인종과 나이에 의해 영향을 받을 수 있고 호르몬에도 영향 받는다.

(2) 상피성 장벽

   피부와 점막은 외부 침입에 대한 물리적 장벽의 역할과 함께 세균과 다른 유기체를 죽이는 활성화된 면역 기전을 가진다. 상피 표면은 오직 한 층으로 구성된 경우가 많고 많은 수의 다양한 세균에 노출되므로 상피의 보호 방식은 매우 다양하다. 피부는 건조, 상피 박리, pH와 가장 중요한 항균성이 있는 지방산의 분비에 의해 방어된다. 대조적으로 점액 표면은 IgA 항체와 항미생물성 및 항바이러스성 물질을 가지는 slime layer에 의해 보호된다. 세균성 효소인 용해소체(lysosome)는 다형 과립과 대식세포뿐만 아니라 침, 눈물 등의 분비물에 있고 각종 체액에도 존재한다. 이 효소는 Micrococcus lysodeikticus 등의 세균을 용해하는데 효과적이다. 세포내 바이러스의 증식을 저해하는 비특이적인 항바이러스성 인자인 인터페론은 바이러스 감염에 반응하여 세포내에서 스스로 합성된다. 인터페론은 바이러스 감염의 회복에 주요한 인자인 것은 분명하다.

(3) 염증 반응

    염증(Inflammation)은 손상에 대한 반응으로서 전형적인 징후로 동통, 발열, 발적, 종창과 조직의 기능 소실이 있는 상태를 나타내는 용어이다. 염증과정은 신체의 세포성 방어와 혈관반응을 포함하며 세포성 방어는 기생충 침입에 대한 가장 효과적인 대처 방어이다. 동시에 염증의 혈관 반응은 세균들이 신체의 말초 부위이상을 침범하는 것을 막는데 도움울 준다.

1) 혈관 반응

    급성 염증의 첫 번째 반응은 동맥의 확장이므로 더 많은 혈액이 손상 부위를 지나가게 된다. 이렇게 증가된 혈액량은 충혈(Hyperemia)로 정의되며 염증 부위가 붉게 나타난다. 충혈의 결과로 혈장은 혈관으로부터 누출되어 혈액을 더 점성으로 만든다. 이에 따라 혈장 의 윤활유와 같은 역할이 약화되고, 혈류속도가 늦어지게 되며(Stasis), 동시에 상피세포는 부풀고 인접한 세포사이의 공간이 넓어진다. 이로 인해 혈장과 세포내 성분들이 세포사이를 통과하게 된다. 급성염증의 가장 특징적인 성상은 액체와 세포성 성분을 모두 가지는 삼출액(Exudate)의 형성이다. 액성 삼출액은 혈관 투과성의 증가로서 형성된다. 혈관 투과성의 증가로 혈관벽을 통해 혈장단백질이 빠져나가게 되고, 혈장내의 단백질의 감소는 혈장내의 삼투압 감소를 초래한다. 더 진행되면 기저물질(Ground substance)이 액상으로 변성되어 삼출액이 인근 조직으로 쉽게 확산되어 조직이 급속도로 팽창되는 것을 막는다. 조직이 액체를 소정맥으로 보내지만 전체적으로 조직 팽창이 증가하므로 삼출액 양은 한계가 있게 되며 이에 따라 통증을 유발한다. 삼출액은 대부분 혈장과 같은 성분이고, 특이 항체와 보체와 같은 항균성 물질을 포함한다. 혈장에 약물과 항생제가 있으면 삼출액에서도 나타난다. 또한 삼출액은 자극성의 화학물질이나 세균성 독소를 희석하는 작용을 한다. 삼출액에 있는 피브리노겐(Fibrinogen)은 조직 트롬보플라스틴(Tissue thromboplastin)의 작용으로 피브린(Fibrin)으로 전환되어 응괴(Fibrin clot)를 형성하게 된다. 삼출액내의 피브린은 손상된 조직 사이를 결합하게 해주는 섬유질의 그물망을 형성하여 세균 침입에 대한 장벽으로써 작용하고 탐식작용을 돕는다.

2) 세포 반응

    세포 반응은 손상 부위에서 백혈구가 혈장성 영역으로 이동하여 손상된 혈관 벽에 달라붙으면서 시작된다. 처음에는 백혈구가 혈관벽의 상피선에 천천히 접촉하거나 다시 혈액내로 돌아오는 과정으로서 매우 짧은 과정을 거치지만 진행되면 백혈구가 혈관벽에 더 단단하게 부착되고 심지어 혈관벽을 막는 덩어리를 형성할 수 있게 된다(Pavementation of endothelium). 이렇게 혈관벽에 부착된 백혈구는 인접한 내피 세포 사이로 위족을 돌출하여 기저막(Basement membrane)을 침투하고 혈관의 외부 표면에 나타난다(Emigration of the white cells; 백혈구 유주). 백혈구 유주로 인한 혈관 틈새로 적은 수의 적혈구가 빠져나갈 수도 있으나 혈관틈새는 백혈구 덩어리에 의해 즉시 막힌다. 세포 삼출액의 특징적인 성상은 초기에는 다분엽호중구(PMNL)가 우세하며 시간이 지남에 따라 단구에 의해 대체된다. 이러한 삼출액내의 백혈구 분포의 변화는 다분엽호중구의 이동속도가 빠르고 수명이 짧기 때문에 다분엽호중구가 소실되면 수명이 긴 단핵구로 대치되는 것으로 생각된다. 림프구는 염증의 회복단계에서 주로 관찰되지만, 바이러스 감염이나 급성 피부염과 같은 경우에는 염증의 초기 단계에 우세하게 존재한다. 세포 삼출액의 기능은 탐식작용과정이라고 볼 수 있다.

(4) 탐식작용(Phagocytosis)

    탐식세포의 작용은 모든 신체 방어 기전 중 가장 중요하고 흥미로운 것 중의 하나이다. 탐식작용은 러시아 생물학자인 Elie metchnikoff에 의해 처음 기술되었다. Metchnikoff는 특정한 탐식 세포가 이물질을 세포내로 삼킨 후 효소반응으로 이물질을 파괴하는 방어기전을 가지고 있으며, 이 과정은 매우 일반적인 방어기전으로서 진화한 모든 동물에서 관찰할 수 있는 것으로 보고했다. 탐식작용에 관여하는 기전은 화학주성(Chemotaxis), 옵소닌작용(Opsonization), 섭취(Ingestion)와 탈과립(Degranulation)이 있다.

1) 화학주성

    화학주성(Chemotaxis)은 세포가 화학물질의 자극하에 어떤 방향으로 움직이는 과정이다. 화학물질의 자극은 세포가 자극하는 물질을 향하여 움직이는 양성 화학주성과 세포가 자극하는 물질로부터 멀어지는 음성 화학주성의 2가지 효과를 유발할 수 있다. 이러한 화학주성을 유발하는 물질이 없다면 세포의 움직임은 불규칙하게 일어난다. 백혈구는 음성 화학주성을 나타내지 않으며 항상 물질을 향하여 움직이므로 손상부위로 이동한다. 이것은 탐식작용의 가장 중요한 초기 단계이다. 화학주성 연구의 대부분은 사람의 급성 염증에서의 화학주성을 유발하는 물질을 규명하는데 주력해 왔다. 전분과 세균과 같은 인자는 생체외에서 다핵구와 단구를 모두 유인하는 것으로 확인되었고, 이외의 화학주성 자극 인자로는 항원-항체 복합체와 죽은 조직 등이다. 그러나 항원-항체 복합체와 죽은 조직은 보체가 활성화되어야만 화학주성의 자극인자로 작용한다. 보체 중 과 anaphylatoxins인 C3a와 C5a가 화학주성인자이다.

2) 옵소닌 작용

    탐식 과정에 보다 중요한 것은 혈청 옵소닌으로 작용하는 항체와 보체이다. 이러한 옵소닌 항체는 세균외벽이나 외막과 작용하여 세균이 탐식세포에 인식되도록 하는 작용을 한다. 즉, 혈청 옵소닌 항체들은 스스로 옵소닌화하거나 보체계를 활성화하여 세균을 감쌀 수 있는 C3 를 생성하는 작용을 한다. 탐식세포는 항체와 활성화된 C3와 결합할 수 있는 면역글로불린의 Fc와 C3 수용체를 갖고 있다. 이들 옵소닌 항체가 생성되는 데는 시간이 필요하기 때문에 염증의 초기 단계보다는 염증의 후기에서 더 의의를 갖는다.

3) 섭취

    탐식세포가 어떤 물질이 외부 물질인 것을 인식하게 되면 활성 아메바양 운동에 의해 세포질 막을 넓혀 외부물질을 둘러쌓는 함몰(Engulfment)이 일어난다. 탐식세포에 의해 외부 물질이 완전히 둘러싸인 입자를 탐식성 공포(Vacuole) 또는 식포(Phagosome)라 한다(그림).

4) 탈과립

    섭취과정이 끝나게 되면 탐식세포내의 가수분해 효소와 peroxidase를 포함하고 있는lysosome이 식포(Phagosome)에 도달하여 융합한 후 식포내 내용물을 파괴한다. 그 후 세포는 탈과립된 세포로 남게 되어 소화된다. 세균은 항상 가수분해에 의해서 파괴되지는 않으며, 일부는 살아남아 세포에 다시 손상을 가하기도 한다.

 

(5) 체액의 비특이적 면역

    체액과 분비액은 항균성 특성을 갖는 것으로 알려졌다. 많은 예에서 특이 항체와 보체가 이러한 특성을 나타내지만 비특이적 방어에 중요한 역할을 하는 물질도 있다. 다음은 체액의 비특이적 면역에 관여하는 대표적인 물질들이다.

1) 자연 항체

    숙주에 존재하는 항체 중 숙주가 이전에 노출된 적이 없는 외부물질(항원)과 반응하는 항체를 자연항체라 한다.

가) 자연항체의 생성 기전

A. 유전적 요인
    자연항체 생산은 유전적 조절로 형성되므로 자연항체 생성을 위한 항원성의 자극이 필요없다.

B. 교차 반응
    자연항체는 특정한 항원에 대하여 교차반응할 수 있는 유사 항원결정구조를 갖고 있는 특이항체에 의해 생성될 수 있다.

C. 항원 자극
    자연항체는 자연적인 방법에 의해 숙주에 들어오는 항원들의 직접적인 특이항원의 자극에 의해 생성될 수 있다. 이 기전이 가장 널리 인정받고 있는 자연항체 획득방법이다.

2) Lysozyme (용해소체)

    용해소체는 많은 형태의 세포에서 발견되는 효소로 항균성 활성을 갖는다. 이 효소는 그람 양성균과 그람 음성균 모두의 기본 구조물인 acetylamino-sugars를 끊어주는 점액 용해성(Mucolytic) 기능을 갖는다. Lysin이 많은 polypeptide 중에는 탄저균를 죽일 수도 있으며 용해소체와 보체의 상승 작용은 생체외 실험에서 관찰된다.

3) Properdin

    Properdin은 보체의 3번째 구성요소인 C3와 마그네슘 이온의 존재하에 세균과 바이러스를 사멸할 수 있는 혈청 단백이다. 최초에는 세균에 대한 넓은 항균성 활성도를 갖고 있는 euglobulin의 일종으로 설명되었던 물질로서 현재는 자연 항체의 기능 중 극히 일부에서 properdin이 관여한다고 알려져 있다. 그러나 properdin은 C3를 활성화하는 단일분자 항원과 결합하는 기능이 있기 때문에 자연항체와 구분할 수 없다.

4) Betalysin

    많은 종의 동물 혈청내에는 항균성의 열 안정성 물질인 betalysin을 갖고 있다. Betalysin은 항응고 동안 방출되므로 혈장에는 존재하지 않으며 감수성 세균의 세포 표면에 효소 작용을 하여 항균성을 갖는다.

5) 인터페론 (Interferon)

    인터페론은 바이러스 증식의 비특이적인 억제물질로 세포내에서 작용한다. 인터페론의 분자량은 약 25.000으로서 바이러스 감염시 감염된 세포, 또는 특정 항원이나 Phytohemagglutinins (PHA)과 같은 비특이적인 자극물질로 감작된 림프구로부터 방출된다. 인터페론은 세포 매개성 반응에 관여하여 바이러스 감염의 회복 기전에 중요한 역할을 한다.

6) 보체

   보체는 항원-항체 반응시에 활성화되며 고정된 배열로 결합되어 항체의 효과를 높이는 비특이적인 혈청내 물질들이다.

가) 면역방어체계에서 보체의 생물학적 기능

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    • 세포용해(Cytolysis)
         주로 E. coli와 같은 그람음성세균 등이 보체에 의해 분해 된다. 분해기전은 보체계가 완전히 활성화되면 lysozyme이 세포막(Plasma membrane)에 도달하게 되어 세균의 mucopeptide 층을 파괴하여 세포용해를 시키게 된다.
    • 면역부착(Immune adherence, C3b)
          보체는 세균이 옵소닌 항체와 보체로 둘러싸이거나 또는 보체계의 대체경로(Alternative pathway)를 통하여 보체가 활성화된 후에 미생물의 탐식작용을 유도한다. 즉, 많은 량의 C3분자가 각각의 보체 활성 부위의 막표면에 결합되어 있기 때문에 세균의 대식세포 또는 다핵구와의 부착은 IgG와의 결합보다는 C3와의 결합에 의한 것이 더 빈번하게 일어난다.
    • Immunoconglutinin
          결합된 C3를 포함하는 상대적으로 작은 결합체를 응집함으로서 탐식작용을 도와주는 역할을 한다.
    • 염증
          소모성 질환 동안 보체 성분의 분해 산물(Split fragments)은 다음과 같은 급성 염증의 2가지 유용한 특성을 자극한다.
      1. 화학주성인자 : 화학주성에 의해 탐식성의 다핵호중구는 보체활성부위로 모이게 된다.
      2. 과민독소(Anaphylatoxin) : 히스타민 분비로 인한 과민독소는 혈관 투과성을 증가시키므로 혈청 항체와 보체가 감염부위로 이동한다.
    • 기타 보체는 세포 독성과 면역복합체 매개성 과민반응을 포함하는 질병 과정에 관여한다. 세포독성반응은 신장염과 자가면역 용혈성 빈혈에서 잘 발견되며, 면역복합체성 반응은 주로 항체과다로 인한 Arthus 형태의 면역성 혈관염을 초래하며, 항체과다시 용해성의 복합체는 'serum-sickness' 형태의 반응을 일으킨다. 발작성 야간 혈색소뇨증(Paroxysmal nocturnal hemoglobinuria, PNH)에서의 적혈구는 혈장의 pH가 감소되는 야간에 활성화된 보체결합체인 C567을 고정시키는 특성 때문에 보체 용해에 민감하다. 이것은 적혈구막 결함때문이며 보체계는 정상이다.
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7) 다른 비특이적 인자

    식물 추출물, 무척추동물의 혈청과 동물의 체액등은 항균성 활성을 보인다. 이들 항균성 물질에 대한 연구는 아직 제한적이지만, 이러한 항균성은 특정 미생물이나 항원에 노출된 결과라기보다는 진화 과정에 따른 선택의 결과로서 생겼다는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 항균성 물질에는 항체이외의 혈청 단백들도 일부 포함된다. 이외에도 염증 부위의 중간대사물질의 축적은 pH를 낮춰 항균효과를 나타내며, 염증부위의 죽거나 혹은 죽어가는 세포들의 펩티드와 히스톤 물질등도 항균 효과를 나타내게 된다.

 

 

II. 획득 또는 특이 면역(Acquired or Specific immunity)

획득 면역은 비특이적 면역과 달리, 외부 항원의 자극에 반응하여 면역학적으로 항원을 기억하고 항원에 대한 특이 항체를 형성하는 과정을 갖게 된다. 감염성 질병에 대한 면역성은 기본적으로 감염에 의해 획득되거나 항원에 특이적인 방어 항체를 생성하는 능동 면역(Active immunity)과정 또는 침입한 항원을 일시적으로 방어하기 위하여 항체를 인위적으로 주입하는 수동면역(Passive immunity)에 의해 얻어진다. 일부 경우에서 원인균의 항원성이 유사하거나 관련성이 있을 때에는 교차 면역(Cross immunity)이 생성되어, 한 종류의 감염원에 대한 면역성은 다른 감염원에 대하여 어느 정도 면역성이 생길 수 있다. 감염이나 능동 면역시 항체를 형성하는 정도는 감염 감염원의 량, 접종방법 및 감염원의 종류에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 능동 면역의 면역성은 개개인이 외부 미생물이나 그 생성물과의 효과적인 접촉 수준에 따라 생성되게 된다. 이러한 외부 항원과의 접촉은 ① 임상적 증상을 나타내는 감염 또는 증상이 경미한 감염 ② 살아있거나 죽은 미생물 혹은 항원의 주입 ③ 세균 생산물 (독소)의 흡수와 같은 방식으로 유발된다. 이러한 외부 항원과의 접촉후 항체는 며칠에서 몇주 사이에 생성되며 대개 몇 년간 지속되어 재감염에 대한 방어를 한다. 능동 면역에 사용된 면역원의 종류는 생균, 사균 또는 독성약화 백신이다. 외부 항원이 체내로 침입할 때, 체액성과 세포 매개성 면역의 두가지 형태의 면역 반응이 일어나며 근본적인 면역기전은 유사하다.

(1) 특이면역의 종류

1) 체액성 면역 (Humoral immunity)

    체액성 면역은 항원의 자극에 의해 생성된 항체가 혈액과 체액으로 분비되는 과정을 의미한다. 체액내의 항체는 탐식작용을 강화하기 위해 세균을 둘러쌈으로써 세균 독소와 결합하고 중화하는 기능을 한다.

2) 세포 매개성 면역 (Cell-mediated immunity)

    세포 매개성 면역은 항원의 자극에 의해 감작된 임파구가 생성되는 과정으로서 감작된 임파구는 조직이식거부반응, 지연형 과민증, 암세포 또는 기생충 파괴에 관여한다.




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