눈에는 보이지 않지만, 세상은 미생물들로 덮여있다. 이 중 많은 수의 박테리아, 바이러스, 균류(곰팡이), 기생충은 우리 몸에 병을 일으킨다. 그러나 우리는 대부분의 날들을 건강하게 보낸다. 모두 우리 몸의 면역 기능 덕분이다. 면역이란 외부 물질로부터 자신의 몸을 방어하는 현상을 말한다.

인간 면역의 최전선은 피부와 점막이다. 몇 겹으로 이루어진 피부는 병원균 입장에서는 철옹성이나 마찬가지다. 입이나 코, 눈, 항문, 생식기 등 우리 몸에 나 있는 구멍으로 침입을 시도하는 병원균들에게는 점막 면역이라는 것이 기다리고 있다. 우리 몸에 외부로 난 구멍들과 이들을 연결하는 통로(소화관 등)은 대부분 점막으로 둘러싸여 있다. 그리고 이곳에는 침, 각종 효소, 위산 등이 있어 외부로부터 침입한 병원균들을 막아낸다. (그래도 밥 먹기 전에 손은 꼭 씻자.)

▲ 병원균의 침입 경로
(출처. Murry, Medical Microbiology 7판)

전쟁의 서막

하지만 이러한 1차 면역 방어선을 뚫는 독한 놈들도 있다. 때로는 피부나 점막에 상처가 나기도 한다. 이 때 출동하는 것이 면역세포다. 면역세포는 다른 말로 하면 백혈구다. 누군가 “림프구도 면역 세포 아닌가?” “T세포도 있고 B세포도 있지 않느냐”, “NK세포도 들어보았다”고 할지 모르겠다. 하지만 그것들이 모두 백혈구다. 백혈구는 어느 한 세포의 이름이 아니다. 혈액과 림프액 속에 있는, 면역을 담당하고 있는 몇 가지 세포 집단을 지칭하는 말이다. (하지만 일반적으로 ‘백혈구’라고 할 땐 이들 세포 중에서 가장 수가 많은 ‘호중구’를 가리킬 때가 많다.)

다양한 백혈구들은 조혈모세포(혈액 줄기세포)라는 한 부모에서 나왔다. 그러니 한 가족이라 볼 수도 있다. 조혈모세포는 골수에 매우 소량(1% 정도)으로 존재하는 세포로, 복제와 분화를 통해 백혈구는 물론 적혈구, 혈소판 등 모든 혈액 세포를 만들어낸다.

조혈모세포는 먼저 골수계와 림프구계, 두 가지의 전구세포(간세포)¹⁾로 분화한다. 골수계 전구세포는 여러 분화 단계를 거처, 과립구(호산구, 호중구, 호염기구), 비만세포, 대식세포, 수지상세포로 분화한다. 림프구계 전구세포는 림프구인 T세포와 B세포, NK세포 등으로 분화한다. 가계도로 확인해보자.

▲ 조혈모세포가 분화해서 생기는 혈액 세포들.
이 중 혈소판과 적혈구를 빼고 나머지는 모두 백혈구다. (출처. 위키미디어커먼즈)

백혈구 가족은 서로 도와 가며 두 가지 종류의 면역 시스템을 훌륭히 운영하고 있다. 먼저 선천면역은 자연면역(내재면역)이라고도 불리며 모든 동물이 가지고 있는 면역 시스템이다. 외부로부터 병원균이 침입하지 않아도 항시 가동되며 수상한 존재가 나타나면 즉각 반응한다. 후천면역 혹은 적응면역(획득면역)은 선천면역으로 해결하지 못한 적을 물리치기 위한 정예 군대다. 인간을 비롯한 척추동물만 가진 시스템이다. 모이는 데 시간은 좀 걸리지만 강력한 ‘항체’라는 무기를 가지고 있어 막강하다. 한 번 침입한 적은 기억하여 다음번 침입에 더욱 민첩하게 대응하도록 훈련받았다. 이런 면역 시스템은 유전자 변이로 발생하는 암세포들을 공격하여 암 발생을 억제한다.

병원균의 침입-국지전 발발

우리 몸에 병원균이 침입하면 대식세포(macrophage)²⁾와 수(지)상세포(Dendritic cell)³⁾가 가장 먼저 알아차린다. 대식세포는 혈액 속에서는 단핵구라는 세포로 있다가 조직이나 장기로 나가면서 대식세포로 변모한 백혈구다. 대식세포는 TLR이라는 감지기⁴⁾를 이용해 우리 몸 곳곳을 정찰하다가 병원균을 발견하면 부지런히 쫓아가서 잡아먹는 동시에 케모카인(chemokine)이라는 전달물질로 알람을 울려 지원군을 불러들인다. 다른 한편으로는 잡아먹은 병원균 조각을 MHC⁵⁾라는 받침대에 얹어 표면에 내놓는다. 나중에 도착하는 면역세포들이 어떤 병원균이 침투했는지 알아차리도록 하기 위함이다. 이를 항원⁶⁾ 제시라고 한다. 말초 조직에 있던 수지상세포도 감염원을 발견하면 잡아먹고 남은 조각을 MHC 받침대에 얹어 놓는다. 그리고는 림프절로 들어가 잠들어 있는 T세포를 흔들어 깨워 적군의 침입을 알린다.

비만세포(mast cell)⁷⁾는 히스타민이라는 물질을 분비해 혈관을 확장시키고 혈관 내피 세포의 틈을 벌려 혈관 속에서 다른 백혈구들이 빠져나오기 쉽게 만들어준다. 비만세포의 도움으로 혈관을 빠져나와 병원균 감염 부위에 가장 먼저 달려오는 것은 호중구다. 전체 백혈구 수의 50~70%를 차지할 정도로 많고 적과 백병전을 벌이는 군대의 보병과 같은 존재다. 호중구는 알람이 울린 지 6~12시간 안에 감염부위에 몰려들어 ‘단백질 분해 효소’, ‘지질 분해 효소’, ‘산화 효소’ 등 다양한 효소 주머니(과립)를 이용해 병원균을 분해하고 먹어치운다. 호중구란 이름은 중성 색소에 염색이 잘되는 효소 주머니를 가졌기 때문에 붙었다. 호중구는 활성산소라는 살균효과가 높은 분자를 만들어서 병원균을 죽이기도 한다. 치열하게 싸우다 장렬히 전사한 호중구 시체 더미가 바로 고름의 일부가 된다.

눈치 챘겠지만 호중구의 형제인 호산구는 산성 색소에, 호염기구는 염기성 색소에 염색이 되는 알갱이를 가진 백혈구다.⁸⁾ 호산구는 기생충과 같은 병원체를 잡아먹고 병원체의 독소를 산화시켜 버린다. 호산구, 호염기구, 비만세포는 알레르기를 일으키는 것과도 관련이 있는 것으로 알려졌다.

▲ 인간의 NK세포. (출처. flicker(by NIAID)

감염이 발생한 지 12시간 쯤 지나면 더욱 강력한 면역 세포가 등장한다. NK(자연살해) 세포다. NK 세포는 타고난 킬러(Natural Killer Cell)라는 이름답게 강력한 살상력으로 바이러스에 감염된 세포를 죽여 없앤다. 림프구의 한 종류인 NK세포는 바이러스 감염 세포는 물론 암세포 제거에도 탁월한 능력을 가져 큰 주목을 받고 있다.

맞춤형 방어 발동-전면전 선포

여기까지가 선천면역 과정이다. 웬만한 병원균들은 이 과정에서 패하여 사라지고 우리 몸은 정상을 되찾는다. 그러나 병원균이 아주 많거나 강력할 경우에는 선천면역 전선이 무너지기도 한다. 이때 후천면역이 시작된다. 감염된 세포를 잡아 죽이는 T세포 군단이나 항체라는 대포알을 발사하는 B세포 군단 같은 정예부대가 출동하여 전면전이 벌어지는 것이다. 이러한 일이 벌어지기까지는 감염이 시작된 날로부터 3~7일 정도의 시간이 걸린다(그 때까지 시간을 벌어주는 것이 선천면역이다).

▲ 감염이 발생한 지 12시간 쯤 지나면 더욱 강력한 면역 세포가 등장한다. NK(자연살해) 세포다. NK 세포는 타고난 킬러(Natural Killer Cell)라는 이름답게 강력한 살상력으로 바이러스에 감염된 세포를 죽여 없앤다. 림프구의 한 종류인 NK세포는 바이러스 감염 세포는 물론 암세포 제거에도 탁월한 능력을 가져 큰 주목을 받고 있다. 맞춤형 방어 발동-전면전 선포 여기까지가 선천면역 과정이다. 웬만한 병원균들은 이 과정에서 패하여 사라지고 우리 몸은 정상을 되찾는다. 그러나 병원균이 아주 많거나 강력할 경우에는 선천면역 전선이 무너지기도 한다. 이때 후천면역이 시작된다. 감염된 세포를 잡아 죽이는 T세포 군단이나 항체라는 대포알을 발사하는 B세포 군단 같은 정예부대가 출동하여 전면전이 벌어지는 것이다. 이러한 일이 벌어지기까지는 감염이 시작된 날로부터 3~7일 정도의 시간이 걸린다(그 때까지 시간을 벌어주는 것이 선천면역이다).

후천 면역을 담당하는 T세포와 B세포는 림프구다. 림프구는 전체 백혈구의 30%를 차지한다. T세포와 B세포의 공통점은 항원을 알아보는 수용체라는 단백질 입자를 가지고 있다는 것이다. T세포나 B세포 한 개에 붙어 있는 항원 인지 수용체는 단 한 가지 항원만을 알아볼 수 있다. 즉 우리 몸에는 세상 엄청난 종류의 항원을 인식할 수 있는 다양한 수용체를 각각 한 가지씩 가진 후천 면역 세포가 존재한다.⁹⁾ T세포와 B세포는 항원을 만나면 자신의 수용체를 맞춰본다. 마치 자물쇠가 자기와 꼭 맞는 열쇠 하나에만 열리듯이, 자신과 꼭 맞는 항원을 만난 수용체는 철컥! 반응을 하고 T세포와 B세포를 다음 단계로 이행시킨다.

후천면역에 관여하는 가장 대표적인 세포는 T세포(T cell)다. 림프구의 일종인 T세포는 골수에서 태어나지만 흉선(가슴샘 Thymus)으로 가서 성숙되기 때문에 T세포라는 이름이 붙었다. 미성숙 T세포는 흉선에서 혹독한 항원 인식 시험을 치른다. 흉선 스트로마 세포¹⁰⁾가 자신의 몸을 구성하는 단백질인 자기 항원을 제시했는데 이를 이물질로 인식하는 세포들은 세포 사멸의 길로 빠지는 과정이 벌어진다. 자기 자신을 강하게 인식하는 자기 항원 특이적 T세포는 즉각 죽음을 당하고 결국 처음 들어온 T 세포의 5% 미만만 시험에 통과해 성숙 T세포가 된다.

시험에 통과한 T세포는 크게 도움T세포, 세포독성 T세포, 조절T세포, 기억T세포 등으로 나뉜다. 도움 T세포(Helper T cell) 보조 T세포라고도 불리지만 후천 면역 시스템에서는 사령관이나 다름없는 중추적인 역할을 맡고 있다. HIV가 이 세포를 타겟으로 하여 면역 결핍 증상을 유도한다. 도움 T세포는 먼저 대식세포나 수지상세포 같은 항원 제시 세포들을 만나 적의 정보를 얻는다. 앞에서 말했듯이 항원 제시 세포들은 잡아먹은 병원균 단백질 조각을 MHC라는 받침대에 얹어놓는다. 도움 T세포는 흉선에서 훈련한 대로 수용체를 이용해 받침대와 거기에 올려진 병원균 조각(항원)을 한꺼번에 인식하여 어떤 병원균이 침투했는지를 파악하는 것이다. 적의 정체를 알아챈 도움 T세포는 세포전달물질을 방출하여 세포독성 T세포(Killer T cell)를 활성화하여 병원균 제거를 명령한다.

세포독성 T세포는 감염된 세포를 만나면 수용체로 MHC 받침대에 올려진 항원을 감지해 적이라고 확인하면 퍼포린(Perforin)을 분비해 세포에 구멍을 뚫는다. 그 사이로 그랜자임(Granzymes)이라는 가수분해 효소를 들이부어 감염된 세포를 죽이고는 유유히 현장을 떠난다.

적과의 전쟁을 벌인 도움 T세포나 세포독성 T세포 중 일부는 적에 대한 정보를 기억한 채 동면에 들어간다. 이를 기억 T세포(Memory T cell)라 하는데 다음에 같은 적군이 쳐들어오면 재빨리 깨어나 갖고 있는 정보를 퍼뜨려 T세포들이 더욱 빠른 속도와 강력한 힘으로 공격을 할 수 있게 돕는다. 조절 T세포(Regulatory T cell)는 흉선에서의 성숙 과정에서 없애지 못한 자기 인식 T세포가 조직에서 활성화 되지 못하도록 자가면역질환을 억제한다. 또한 T세포가 적을 공격하다가 흥분하여 이물질이 아닌 자신과 같은 세포들까지 공격하지 못하도록 조절한다. T세포들이 작용하는 면역은 감염된 세포를 독성으로 파괴해 이루어지므로 ‘세포 매개 면역’이라고 부른다.

▲ B세포가 도움 T세포에게 항원을 제시하고
다시 자극 받아 활성화되는 모습을 그린 모식도. (출처. 위키미디어커먼즈)

한편 B세포(B cell)들이 관여하는 면역은 ‘체액성 면역’이라고 부른다. 주로 항체라는 무기를 체액에 퍼뜨리는 방식으로 적을 물리치기 때문이다. 골수(Born Marrow)에서 태어나고 성숙해 B 세포라 이름 지어진 이 림프구들은 T세포처럼 한 개 당 단 한 가지 항원을 알아볼 수 있는 수용체를 가지고 있다. B세포가 가진 수용체와 들어맞는 항원을 가진 병원균을 만나면(가지고 있는 수배자 몽타주와 일치하는 놈을 만나면) B세포는 그 병원균을 세포 안으로 끌어들여 잡아먹는다. 그리고 다른 항원제시 세포들처럼 MHC 받침대에 항원을 올려 T세포에게 알린다. 항원 제시를 받은 도움 T세포는 B세포에게 세포전달물질(사이토카인)을 뿌려 슈퍼세포인 형질 세포(Plasma cell)로 변신하라는 명령을 내린다. 명령을 받은 B세포는 둘이 넷이 되고, 넷이 여덟이 되는 식으로 급격히 증식하고 활성화되어 형질 세포가 된다. 그리고 가지고 있는 항원 수용체를 엄청나게 많이 복제하여 항체라는 폭탄을 만들어 마구 투하한다. 뿌려진 항체는 바이러스에 달라붙어 세포에 침입하지 못하게 막아 죽게 하거나¹¹⁾(중화작용 Neutralization), 박테리아에 달라붙어 대식세포가 더 잘 잡아먹을 수 있게 하거나(옵소닌 작용 Opsonization), 보체(complement)라는 드릴 같은 분자를 활성화 시켜 감염세포에 구멍을 내 터져 죽게 한다. T세포와 마찬가지로 B세포도 적군에게 노출되어 활성화된 세포를 일부 저장(기억 B세포 Memory B cell)¹²⁾한다. 목적은 마찬가지로 같은 적이 쳐들어왔을 때 정체 파악과 전략 수립 등에 드는 시간을 절약하여 더욱 효과적으로 대응하기 위해서이다.

면역 세포는 경쟁 하며 생존한다

이처럼 많은 면역 세포는 사이토카인(Cytokine)이라는 세포 전달물질을 주고받으며 서로를 활성화시키고 도와 우리 몸을 지킨다. 그런데 최근 IBS 연구에 따르면 면역 세포들이 서로 도울 뿐 아니라 경쟁을 벌여 면역의 균형을 잡는다는 것을 알아냈다.

기초과학연구원 면역 미생물 공생 연구단(단장: 故 찰스 서 Charles D. Surh) 연구팀은 미국 라호야 알레르기·면역 연구소(La Jolla Institute for Allergy and Immunology, LJIAI), 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute, TSRI)와 함께 선천성 림프세포라는 희소 면역세포들이 ‘인터루킨-7(이하 IL-7)’이라는 면역 조절 단백질을 두고 체내 다수를 차지하는 T세포와 경쟁을 벌일 때 유리한 위치를 차지한다는 것을 밝혔다.

선천성 림프세포(Innate Lymphoid Cells, ILCs)란 림프구 중 T세포와 B세포를 제외한 희소 면역 세포로 NK 세포를 포함한다. 기생충, 장점막 내 감염 등에 대한 초기 방어, 알레르기, 항암 면역 반응 등에서 광범위한 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 한편 인터루킨은 다양한 면역 세포의 발달과 분화를 돕고 면역 기능을 활성화하는 대표적인 사이토카인이다. 약 30여 종류 이상의 인터루킨 중 IL-7은 선천성 면역세포는 물론 T세포와 결합해 이들 세포의 발달과 분화를 촉진한다. 달리 말하자면 이 둘은 IL-7과 결합해야만 생존하고 증식할 수 있다.

T세포는 IL-7과 결합 뒤 IL-7 수용체 발현이 억제되지만 선천성 림프세포는 수용체 발현능력이 높게 유지된다. 예컨대 T세포 하나가 IL-7 1~2개와 결합할 때, 선천성 림프세포는 2~3개 이상 붙잡을 수 있다는 이야기다. 수용체 발현 능력은 체내 IL-7을 얼마나 효과적으로 소모할 수 있는지를 결정한다. 연구팀은 특정 선천성 림프세포의 경우, T세포에 비해 IL-7 수용체 발현의 정도가 최대 80% 정도 뛰어남을 실험으로 관찰했다. 선천성 림프세포의 효율적 자원 활용은 생존의 비결이 되는 한편, 체내 IL-7 양을 조절해 T세포 증식·유지에 영향을 미친다는 사실을 확인했다. 이같은 연구 결과는 향후 IL-7을 활용한 면역 치료법 증진에 기여할 것으로 기대된다.

▲ 체내 선천성 림프 세포(회색)와 T세포(미색)를 나타낸 것이며, 각각의 면역 세포가 가진 잠자리채는 IL-7 수용체를 의미한다. IL-7과 수용체의 결합은 T세포에서 IL-7 수용체 발현 감소(잠자리채를 하나씩 가진 것으로 묘사)를 초래할 수 있지만, 선천성 림프 세포에서는 IL-7과의 결합에도 불구하고, IL-7 수용체의 발현(잠자리채가 많은 상태로 묘사)이 높게 유지돼 선천성 림프 세포가 IL-7에 대해 경쟁 우위를 갖게 한다(freepicks.com 이미지 수정).

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