기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 혈관 연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수)과 김영찬 연구원(현 서울대병원 내과 전임의), 안지훈 선임연구원 연구팀은 영유아가 뇌수막염에 취약한 원인이 미성숙한 뇌수막 면역장벽임을 새롭게 규명하고, 바이러스의 뇌 침입 감염을 방어하는 뇌수막 면역장벽의 핵심으로 뇌수막 대식세포의 역할을 강조했다.

중추신경계를 보호하는 대식세포의 역할과 뇌수막염 발생 기전에 대해 새로운 방향을 제시한 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 이뮤놀로지(Science Immunology)’의 표지 논문으로 선정되었으며, 10월 7일(한국시간) 온라인 게재됐다.

우리 인체는 가장 중요한 장기인 뇌를 보호하기 위해 뇌 안쪽으로 촘촘한 혈액-뇌 장벽(Blood-brain barrier)¹⁾, 뇌 바깥쪽으로는 뇌수막이 둘러싸 외부에서의 유해물질 침입을 차단하고 있다. 뿐만 아니라, 이상 면역반응이 일어나지 않도록 면역세포 이동이 특정 관문을 통해서만 이루어지도록 보호한다. 이러한 관문 역할을 하는 곳을 중추신경계 경계)²⁾(Central nervous system border)라 일컬으며, 대표적으로 뇌수막이 있다.

뇌 전반을 감싸고 있는 뇌수막은 가장 바깥쪽에 위치한 경막, 거미막, 그리고 뇌에 인접한 연질막으로 구성되며, 이 뇌수막에 염증이 생기는 병을 뇌수막염이라고 한다. 뇌수막염은 뇌에 직접적인 염증을 일으키는 뇌염으로 진행하기도 하며, 특히 영유아의 세균성 뇌수막염은 사망률이 15%에 이른다. 생존하더라도 약 15%는 다양한 신경학적 후유증이 남아 정상적인 삶이 어렵다.

뇌수막염의 가장 흔한 원인은 바이러스, 세균, 진균에 의한 감염으로 알려져 있으나, 혈액을 통해 인체 내부로 침투한 감염원(코로나바이러스-2 포함)이 어떻게 뇌수막이나 뇌까지 도달하는지에 대해서는 명확하게 알려져 있지 않았다. 또한, 영유아에서 치명적인 뇌수막염을 일으키는 원인균은 보통 성인에서는 뇌수막염을 일으키지 않는데, 그 이유는 수수께끼로 남아있었다.

연구팀은 중추신경계 경계 부위 세부 조직인 경막, 연질막, 맥락막총의 각각의 특성을 비교하여, 뇌수막의 가장 바깥 부분인 경막이 뇌척수액과 혈류 양측이 교류할 수 있어 감염에 취약한 조직임을 확인했다. 특히, 경막에 있는 정맥동혈관³⁾이 뇌수막염 바이러스의 이동 경로임을 밝혔다.

이어 영유아와 성인에서 나타나는 뇌수막염의 감염 차이를 비교하기 위해 뇌수막염 바이러스 감염 생쥐 모델을 비교․분석했다. 그 결과, 어른 생쥐(생후 28일)에서는 바이러스 감염이 뇌수막으로 진행되지 않았으나, 새끼 생쥐(생후 7일)에서는 뇌수막염 바이러스가 경막의 정맥동혈관으로부터 뇌에 퍼지면서 염증이 악화되고 생존율이 10%로 크게 감소했다. 연구팀은 이러한 감염 차이의 원인을 경막 내 면역세포에서 찾았다. 면역세포에 대한 단일세포 유전자 분석법으로 분석한 결과, 새끼 생쥐에는 어른 생쥐에서 보이는 성숙한 면역세포가 다양하게 관찰되지 않았다.

나아가 각 면역세포에 대한 제거 항체를 투여하거나, 선택적으로 면역세포가 제거된 유전자 변형 생쥐 모델을 통해 경막 대식세포가 바이러스 감염으로부터 뇌를 보호하는 데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 특히, 경막 대식세포 중 정맥동혈관 주변에만 밀집되어 있는 특징적인 현상을 보이는 MHCII^hi4)(Major histocompatibility complex class II) 대식세포가 감염 차단에 가장 중요하게 작용했는데, 새끼 생쥐에서는 이 대식세포가 결핍되어 있었다.

연구팀은 MHCII^hi 대식세포들이 혈류를 타고 경막 정맥동혈관을 통해 경막 조직으로 이동한다는 사실도 밝혔다. 중추신경계 경계 부위 간 혈관내피세포들을 단일 세포 유전자 분석을 통해 비교한 결과, 경막 정맥동혈관 내피세포는 다른 부위와 달리 면역세포 이동을 촉진하는 세포접합단백질을 높게 발현했다. 이것이 경막 정맥동혈관 주변으로 대식세포가 모여드는 원인이었다.

또한, 연구팀이 정상 어른 생쥐의 경막 정맥동혈관 주변 대식세포를 제거하자 뇌수막염 바이러스가 경막 정맥동혈관 주변과 연질막까지 퍼져 감염이 확산됐다. 이로써 경막 정맥동혈관 주변에 밀집되어 있는 MHCII^hihi 대식세포가 바이러스의 뇌 침입 감염을 방어하는 면역장벽 형성에 핵심임을 증명했다.

제1저자인 김영찬 연구원는 “이번 연구는 혈액-뇌 장벽의 미성숙으로 인해 영유아가 뇌척수막염에 취약하다는 기존의 학설에 대한 의문에서 시작했다”라며, “연구를 통해 영유아에서 뇌수막염이 치명적인 새로운 원인을 밝히고, 뇌수막 정맥동혈관주변 면역세포가 바이러스 감염 보호에 중요하게 작용함을 발견했다.”라고 전했다.

공동교신저자인 안지훈 선임연구원은 “이번 연구는 뇌수막 면역 개선을 통한 바이러스성 뇌수막염의 예방 및 치료에 대한 새로운 방향을 제시하고, 영유아가 바이러스성 뇌수막염에 취약한 이유를 밝혔다”라며, “뇌수막의 역동적인 역할에 대한 이정표를 세운 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다.

공동교신저자인 고규영 단장은 “뇌수막에 다량 존재하는 면역세포, 혈관 및 림프관 등의 긴밀한 소통 체계가 어떻게 우리 몸의 가장 중요한 장기인 뇌를 외부 유해 병원균으로부터 보호하는지 알게 되었다”라며, “이는 뇌의 인지기능, 신경계질환, 감염질환 등에 대한 전혀 새로운 이해를 가능하게 할 것으로 전망한다”라고 밝혔다.

그림 설명

[그림 1] 생쥐 연령별 뇌수막염 바이러스 감염 모델 면역반응의 차이
어른 생쥐(생후 28일)에서는 복강 내 주사한 뇌수막염 바이러스가 감염 이후 중추신경계 경계부위(경막, 연질막 및 맥락막총)에서 관찰되지 않음. 반면 새끼 생쥐(생후 7일)는 감염 이후 경막에서부터 증식하여 연질막, 이후 맥락막총에서도 뇌수막염 바이러스 덩어리가 관찰됨 (그림 a). 이러한 차이는 새끼 생쥐에서 생존율 감소로 이어짐 (그림 b). 뇌수막염 바이러스는 초기에 경막 내 정맥동혈관 주변으로 감염됨을 증명함(그림 c).

[그림 2] 생쥐 연령에 따른 경막 내 면역세포 분포의 차이
어른 생쥐와 새끼 생쥐의 경막 내 면역세포를 단일 세포 유전자 분석을 통해 비교함. 새끼 생쥐는 어른 생쥐와 달리 대부분이 대식세포로 구성되어 있었음 (그림 a, b). 추가 실험을 통해 경막 대식세포가 제거된 쥐(CX3CR1-DTR/DT)에서만 뇌수막염 바이러스가 감염을 일으킴을 발견함(그림 c). 예상과는 달리 새끼 생쥐 경막에 대식세포가 존재함에도 바이러스 감염이 발생하는 것에 대해 대식세포 추가 분석을 시행함.

[그림 3] 어른 생쥐 경막 정맥동혈관 주변에 존재하는 MHCII^hi 대식세포
새끼 생쥐와 어른 생쥐의 대식세포를 비교하였을 때 MHCII^hi 대식세포가 어른 생쥐에서만 특이적으로 존재함을 확인함 (그림 a, b). 면역형광염색법을 통해 MHCII^hi 대식세포는 경막 정맥동혈관 주변에 존재함을 확인함 (그림 c).

[그림 4] 경막 정맥동혈관 내피세포 고유의 특성
단일 세포 유전자 분석을 통해 중추신경계 경계부위(뇌 및 연질막, 맥락막총, 경막) 혈관 내피세포가 각각 다른 특징을 가지는 것을 확인함 (그림 a, b). 특히 경막 내 정맥동혈관 내피세포는 면역세포 이동 뿐 아니라 사이토카인, 신호전달물질 등의 전사체를 높게 발현함을 확인함 (그림 c, d). 이러한 내피세포의 특징이 생후 MHCII^hi 대식세포를 불러일으킴을 증명함.

[그림 5] 정상 어른 생쥐에서 대식세포 제거 모델에서 뇌수막염 감염 발생
정상 어른 생쥐에 존재하는 MHCII^hi 대식세포 장벽을 없애기 위해 뇌척수강으로 clodronate liposome 주사 및 새로 혈관을 통해 들어오는 면역세포를 억제하기 위해 인테그린 억제 항체 혹은 대식세포 제거 항체를 투여함. 해당 조건에서 뇌수막염 바이러스를 복강 내 주사하면 경막 정맥동혈관 주변 및 연질막까지 바이러스가 퍼져나감을 확인함 (그림 a). 이를 통해 정상 어른 생쥐 내 MHCII^hi 대식세포가 경막 면역장벽 형성에 중요함을 증명함.

[그림 6] 경막의 특징 및 생후 정맥동혈관 주변으로 늘어나는 MHCII^hi 대식세포의 역할
경막 정맥동혈관 주변은 다른 중추신경계 경계부위와 달리 구조적 장벽이 발달하지 않아 혈류 및 뇌척수액이 모두 도달할 수 있는 공간을 형성함. 이러한 특징에서 감염으로부터 보호하기 위해서는 경막 면역세포들이 만들어내는 면역장벽의 보호가 필요함 어른 생쥐는 정맥동혈관 주변으로 MHCII^hi 대식세포를 통해 성숙한 면역장벽을 형성함. 반면 새끼 생쥐는 면역장벽이 미성숙하여 혈류감염으로부터 취약하게 됨 (그림 a).

1) 혈액-뇌 장벽(Blood-brain barrier) : 뇌와 혈액을 격리시키는 혈관 장벽으로, 뇌에 외부 물질이 들어오는 것을 막음.

2) 중추신경계 경계(Central nervous system border): 중추신경계 내부에서 직접 면역반응이 일어나지 않도록 인접한 부위에서 대신 면역감시가 일어나도록 하는 조직 부위. 대표적으로 뇌수막, 두개골 골수, 맥락막총(뇌실에 위치하여 뇌척수액 생산을 담당), 뇌실 등이 알려져 있음.

3) 정맥동혈관: 뇌의 정맥혈이 흐르는 내경이 큰 정맥혈관. 경막에 존재하는 정맥동혈관은 뇌 정맥혈이 모여서 심장으로 배액됨.

4) MHCII^hi(Major histocompatibility complex class II) 대식세포: 제2형 주조직 적합성 복합체 단백질 (Major histocompatibility complex class II)를 높게 발현하는 대식세포 아형
* 주조직 적합성 복합체: 세포 표면에 존재하는 단백질로 면역반응의 대상 물질을 인식시키는 매개자 역할을 함. 제 1형과 제 2형 복합체로 구성됨. 제 2형 복합체는 주로 수지상 세포 (dendritic cell), 대식세포 (macrophage), B세포 등에서 발현함.