간은 전통적으로 화학적 반응을 통한 물질대사를 수행하는 ‘대사적 장기(Metabolic organ)’로 지난 수십 년간 연구가 되어왔다. 위(Stomach)에서 소화된 단백질, 탄수화물, 지질, 비타민 등이 장(Intestine)에서 흡수되어 간으로 이동하면 기능적 최소단위인 간소엽(Hepatic lobule) 내에서 대사과정을 거치게 된다. 특히 간문맥(Hepatic portal vein)으로부터 중심 정맥(Central vein)까지 다양한 위치(구역 1~3)에 존재하는 간세포들이 제각기 다른 역할을 수행하면서 포도당, 단백질, 콜레스테롤, 중성지방, 아미노산 및 요소 등을 생성하게 된다 [1]. 또한 이때 다양한 병원체들(Pathogens), 장내 공생하는 미생물군집(Microbiome) 및 그 대사체들(Metabolites)도 함께 간으로 이동한다. 흥미롭게도 간에는 대부분의 면역세포들(선천성 및 후천성 면역 세포들)이 다양하게 존재하여 병원체들이 간을 통해 전신으로 퍼지는 것을 방어하기 위한 체계로 설계되어 있어 지난 30년동안 면역세포들의 종류와 기능에 대한 연구가 이루어져 왔고, 이를 통해 간은 단순한 대사기능을 넘어 ‘면역학적 장기(Immunologic organ)’로서 알려졌다 [2].
본 연구팀에서는 비병원성 간질환시 대사 변화와 면역세포들의 활성 기전을 연구하고, 이들의 조절을 통해 간질환 치료기전을 발굴하고자 하였다. 그러나 간을 포함한 우리 몸의 내장 장기들(Internal organs)은 중추신경계(교감 및 부교감 신경)에 의해 조절된다고 알려져 있었으나 간 이식(Liver transplantation)시 신경 연결 없이도 모든 간기능이 유지되어 [3], 이는 간내 알려지지 않은 신경전달체계를 통한 기능유지 가능성을 암시한다. 따라서 본 연구실에서는 간 내 존재하는 독특한 신경전달 체계를 발굴하여 ‘신경학적 간(Neurologic liver)’이라는 새로운 패러다임(Paradigm)을 제시하고자 한다. 따라서 본 논고에서는 간질환 발생시 ‘대사, 면역 그리고 신경 축(Metabo-Immuno-Neurologic axis)’이 어떤 상호작용을 하는지 살펴보고자 한다. 특히 간 내 글루타메이트(Glutamate)와 카테콜아민(Catecholamine)의 독특한 신경학적 신호 작용이 대사와 면역에 미치는 내용을 다루고자 한다.

1. 글루타메이트 생성 및 분비에 의한 알코올 매개 지방간 형성

1) 글루타메이트 대사:

   간에서는 식이로부터 섭취한 글루타민(Glutamine)이 글루타메이트(Glutamate)로 대부분 전환되어 에너지(ATP), 요소(Urea), 글루타치온(Glutathione, GSH) 등의 생산에 사용된다. 이러한 전환 과정은 주로 문맥 주변 구역 1(Zone 1)의 간세포들에서 일어나며, 반대로 중심 정맥 주변의 구역 3(Zone 3)내 간세포들은 글루타메이트를 다시 글루타민으로 전환시켜 혈액을 통해 전신으로 공급하는 기능을 수행한다 [1]. 그러나 이러한 글루타메이트의 역할은 주로 대사적 측면으로 알려져 있으며, 다양한 경로를 통해 간세포에서부터 분비되었을 때 신경계 시냅스에서의 신경전달물질(Neurotransmitter)로서의 역할에 대해서는 거의 알려진 바가 없다.

2) 알코올 섭취 시 변화된 글루타메이트 생산

  알코올 섭취 시, 간내 글루타메이트 생산에 관여하는 글루타민분해효소(Glutaminase)의 발현은 감소하고, 반대로 오르니틴으로부터 글루타메이트 생산에 관여하는 ALDH4A1 효소는 중심정맥 주변 간세포에서 급격히 증가하는 것이 관찰되었다 [4]. 간내 존재하는 글루타치온은 알코올 섭취 시, 소엽중심 주변 간세포에서의 알코올 대사로 인해 발생한 활성산소에 의한 간세포 손상을 억제시켜 준다. 그러나 만성 알코올 섭취 시, 간세포내 다양한 원인에 의해 글루타치온 생성에 중요한 요소인 시스테인(Cysteine) 공급이 부족함에도 불구하고 알코올 매개 간 손상은 크지 않아 또 다른 시스테인 공급원이 있음을 암시한다.

3) 알코올 섭취 시 xCT 수용체를 통한 시스틴 흡수 및 글루타메이트 분비

  활성산소 생성시 NRF2와 같은 전사인자를 통해 xCT 수용체(Transporter)의 발현이 증가하고, 이를 통한 시스틴(Cystine)의 흡수로 시스테인(Cysteine)의 부족을 보상한다 [4]. 흥미롭게도 알코올 섭취 시 xCT와 ALDH4A1의 발현이 소엽 중심정맥 주변 간 세포에서 특이적으로 증가하고, 알코올성 활성산소 발생에 의한 간손상을 억제하기 위해 ALDH4A1을 통한 글루타메이트가 합성되고 xCT를 통해 시스틴과 글루타메이트가 교환됨을 확인하였다. 이때 간세포는 흡수 및 변환된 시스테인을 통해 항산화제인 글루타치온을 합성하여 간세포의 생존을 유지한다. 그러나 간세포 밖으로 배출된 글루타메이트의 역할은 알려져 있지 않아 아래와 같이 연구를 수행하였다.

4) 대사성 글루타메이트 수용체 5(Metabotropic glutamate receptor 5, mGluR5) 발현

  현재까지 다양한 글루타메이트 수용체들이 중추신경계가 아닌 말초 장기에서 발견되었고, 본 연구팀에서는 대사성 글루타메이트 수용체 5(mGluR5)가 다양한 간내 비실질세포들(Hepatic non-parenchymal cells)에서 발현됨을 알게 되었다 [4, 5]. 특히 만성적인 알코올 섭취 시, 간세포가 아니라 간성상세포들(Hepatic stellate cells, HSCs)에서 특이적으로 mGluR5의 발현이 현저하게 증가하였다. 또한, 중추신경계의 시냅스에서는 mGluR5 활성시 다이아실글리세롤 리파제-α(DAGL-α)의 활성으로 다이아실글리세롤(DAG)이 생성되며, 이때 또 다른 신경전달 물질인 엔도카나비노이드(Endocannabinoid) 2-AG가 생성되어 분비된다. 그러나 간성상세포에서는 mGluR5 활성시 DAGL-β의 발현이 특이적으로 증가하여, 이를 통해 2-AG의 생산 증가 및 분비를 유도한다 [4].

5) 간세포의 엔도카나비노이드 수용체 CB1R 발현 및 지방간 형성

  이전 연구에서 간세포들이 알코올성 및 비알코올성 지방간 형성시 CB1R가 발현하고, 이를 통해 신생 지방산의 합성(de novo lipogenesis)은 증가되며 반대로 지방산의 베타 산화는 억제된다고 알려졌다. 그러나 이때 CB1R를 활성화시키는 엔도카나비노이드의 생산 기전은 알려진 바가 없었다. 그러나 본 연구팀에서는 알코올 섭취 시 간세포에서 분비된 신경전달물질인 글루타메이트가 xCT를 통해 분비되며, 이때 간성상세포가 mGluR5 매개로 2-AG가 만들어지면 다시 간세포의 CB1R를 활성화시키는 간세포와 간성상세포간의 양방향 신호전달 기전이 만들어지게 된다. 흥미롭게도 양방향 신호전달은 신경계 시냅스에서 발생하는 기작과 유사함이 관찰되어 간내 존재하는 대사 시냅스(Metabolic synapse)로 명명하게 되었다 [그림 1].

2. 비알코올성 지방간 형성

1) 비만시 지방세포내 글루타메이트 합성과 xCT 발현

   고지방 식이로 인한 혈중 지방산 증가는 지방세포의 수와 크기를 비례적으로 증가시키는 반면, 혈관 신생이 제한적임이 알려져왔다. 이 때, 저산소증에 의해 발현되는 HIF-1α와 NRF2에 의해 지방세포에서 xCT의 발현이 증가함이 관찰되었다 [6]. 간세포와는 달리, 지방세포에서는 글루타메이트 생산이 ALDH4A1에 의한 것이 아니라 글루타민 흡수수송체의 증가로 인해 글루타메이트 생성효소(glutaminase)의 발현이 증가하고, xCT를 통해 글루타메이트의 분출 및 시스틴의 흡수가 이루어지고 있었다 [7].

2) 저산소증 지방세포와의 상호작용을 통한 NK세포의 인터페론 분비

   고지방식이 급여 후, 지방 조직 내 Natural killer(NK) 세포와 대식구가 함께 증가한다. 이때 증가한 NK세포들은 인터페론 감마를 분비하여 침윤 대식구의 활성, 인슐린 저항성 및 혈중 유리 지방산의 증가를 유도한다. 그러나 지방 조직 내 NK세포에서 인터페론 감마의 발현증가 메커니즘은 알려진 바가 없다 [8].
본 연구에서는 지방세포가 HIF-1α와 NRF2를 통해 특히 CXCL12와 같은 주화성 화학인자(chemokine)를 발현하고, CXCR4를 발현하는 NK세포가 이동하여 두 세포 간에는 밀접한 상호작용 거리가 형성된다. 이때, 지방세포는 xCT를 통해 글루타메이트를 분비하며 NK세포의 mGluR5의 활성을 통해 인터페론 감마가 분비되는 것을 확인하였다 [7, 9]. 더욱 흥미로운 점은, 화학인자인 CXCL12가 NK세포의 CXCR4 활성을 통해 인터페론을 분비를 촉진시킬 수도 있다는 것이다. 또한, 인터페론 분비에 대한 수용체는 지방세포에서도 발현되며, 이를 통해 xCT와 CXCL12의 발현도 더 증가하여 두 세포간의 상호작용이 악순환(Vicious cycle)을 형성함을 확인하였다.

3) 두 세포 간의 대사-신경-면역 축 발견

   결과적으로, 지방세포의 대사과정에서 저산소증과 산화적 스트레스가 동반되며, 이에 반응하여 xCT를 통해 글루타메이트를 분비한다. 이는 지방세포의 생존을 돕는 동시에 주변으로 NK세포를 유인하고, 두 세포 간의 밀접한 접촉을 통해 NK 세포의 mGluR5 활성과 인터페론 분비를 유발하여 대식세포의 활성을 증가시킨다. 이러한 대사-신경-면역 축의 형성은 결과적으로 혈중 유리 지방산의 농도의 증가와 비알코올성 지방간 형성을 촉진하고, 인슐린 저항성을 유도하여 대사질환을 유도함이 발견되었다 [그림 2].

3. 카테콜아민 매개 알코올성 간 손상 보호

   간에서 독립적인 신경전달 작용을 위해서는 간세포 자체가 신경전달물질을 생산 및 분비 하는 방법과 외부에서 들어오는 신경전달물질을 이용하는 2가지 방법들이 존재할 수 있다. 이전 연구에서는 간세포 내에서 다양한 신경전달물질들이 분해되고 있으며 특히 모노아민(monoamine)계열의 신경전달 물질들이 monoamine oxidase와 catechol-O-methyltransferase에 의해 분해 된다고 알려져 있다 [10]. 본 연구팀에서는 그 중 카테콜아민이 대사-면역-신경 축을 중심으로 작용한다는 연구를 수행하고 있다.

1) 만성 알코올 섭취 시 카테콜아민의 혈중 증가

   카테콜아민(Catecholamine)은 주로 노르에피네프린과 에피네프린 두 종류로 이루어져 있고, 이들은 도파민으로부터 일련의 효소들에 의해 생산된다. 흥미롭게도 이런 카테콜아민은 장내 생존하는 미생물들에 의해서도 생성되어 혈액으로 흡수된다고 알려져 있다 [11]. 본 연구팀에서는 만성 알코올 섭취 시, 소장내 미생물의 카테콜아민 생성 증가로 인한 간문맥혈과 간내 카테콜아민의 농도 증가가 특히 간 내 카테콜아민 수용체인 β2-adrenergic receptor(ADRB2)의 발현을 증가시킴을 발견하였다 [12].

2) 중심정맥 주변 간세포에서의 ADRB2 및 GDF15의 발현 증가

   본 연구팀은 단일세포 RNA서열분석(scRNA-seq)을 통해 중심 정맥 주변 간세포에서 ADRB2의 발현이 알코올 섭취에 의해 증가하는 반면 카테콜아민을 분해하는 효소의 발현은 감소함을 발견하였다. 이후 증가된 간내 카테콜아민은 간세포의 ADRB2를 활성화시켜 간세포내 CYP2E1 효소가 미토콘드리아내로 많이 이동되었고, 이로 인한 활성산소 매개로 간세포에서 Growth and differentiation factor 15(GDF15)의 발현 증가로 간내 염증을 억제시켜 간 기능을 보호한다. 결과적으로 GDF15은 신경전달물질과 그 수용체를 통해 알코올 대사 매개로 발현이 조절된다는 것을 발견했다 [12].

3) 쿠퍼세포에서 GDF15매개 ADRB2의 발현 증가

   알코올성 간염에서 중추적인 역할을 하는 것으로 알려진 세포들은 간내 상주하는 대식구, 즉 쿠퍼세포들이며 이들은 주로 혈중의 LPS에 의해 TLR4가 활성 되면서 염증성 사이토카인의 생성을 촉진하는 것으로 알려져 있다 [2]. 그러나 만성 알코올 섭취에도 불구하고 간내 염증이 증가하지 않는 것은 간에서 생성되는 GDF15의 역할이 클 것으로 판단되며, 본 연구팀에서 발견한 소엽중심 간세포의 GDF15 생산은 주변의 쿠퍼세포들의 활성을 억제하는 인자로 보였다. 흥미롭게도 본 연구에서는 GDF15에 의해 쿠퍼세포에서 ADRB2가 유도됨을 확인하여, 간세포의 알코올 대사로 만들어진 GDF15이 면역세포인 쿠퍼세포의 신경전달물질 수용체 ADRB2를 활성화시킴을 발견하였다 [12].

4) ADRB2매개 중심정맥 주변 쿠퍼세포의 사멸

   지금까지 대식구에서의 카테콜아민 수용체들은 α-adrenergic receptor(ADRA)와 ADRB로 나누어지며 그 역할이 서로 다르다는 것이 알려져 있다. 주로 ADRA의 형태는 염증을 유도하는 역할, 반대로 ADRB의 역할은 염증을 억제하는 역할이 보고되어 왔고, 본 연구팀에서는 ADRB2의 발현 증가로 TLR4가 활성화된 염증성 쿠퍼세포의 카테콜아민/ADRB2-매개 세포사멸(apoptosis)가 유도됨을 확인하였다 [12]. 특히, 쿠퍼세포의 사멸은 알코올 대사가 주로 일어나서 간세포의 손상이 심한 소염중심 지역에 국한되어 나타나는 것을 확인하였고, 이는 간세포 손상부위에서의 염증 반응을 약화시키기 위한 간세포 매개 보호기전으로 생각된다.

5) 대사-면역-신경 축을 통한 알코올성 염증 억제 기전 규명

   상기에서 언급한 것처럼 만성 알코올 섭취에도 불구하고 간염이 발생하지 않는 기전은 다양하게 존재하고 있으며 그 중 활성화된 쿠퍼세포를 억제하는 기전은 보고가 되어 있지 않았다. 본 연구에서는 알코올 급여시 간세포에서의 알코올 대사를 통한 GDF15의 발현 증가가 쿠퍼세포의ADRB2 발현 증가를 유도하고, 혈중에 증가한 카테콜아민에 의해 쿠퍼세포의 ADRB2 활성 및 염증성 쿠퍼세포의 사멸 기전을 규명하여 ‘대사-면역-신경 축(Metabo-Immuno-Neurologic Axis)’을 통한 보호 기전을 발견하였다 [그림 3].

4. 신경학적 간으로서의 기능

   흥미롭게도 간은 대사기능 뿐 아니라 많은 면역세포들이 존재하여 위와 장으로부터 들어오는 다양한 영양분, 병원균 등에 잘 대처해오고 있고, 간세포 자체에서의 합성과 분비가 가능한 신경전달물질이 있어 지방을 간세포 내에 저장하는 대신 간세포를 보호하기도 한다. 또한 간세포가 신경전달물질을 생성하지 못할 경우 외부로부터 신경전달물질인 카테콜아민을 활용하여 염증성 쿠퍼세포들을 제거함으로써 간을 보호하는 특별한 신경학적 보호 기능을 가지고 있다. 따라서 대사와 면역뿐만 아니라 신경학적 신호까지 파악 한다면 조금 더 간의 생태 병리를 잘 이해하고 이에 대한 치료제 개발이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌

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  Kim, H.H., S.E. Choi, and W.I. Jeong, Oxidative stress and glutamate excretion in alcoholic steatosis: Metabolic synapse between hepatocyte and stellate cell. Clin Mol Hepatol, 2020. 26(4): p. 697-704.

• 2.

  Shim, Y.R. and W.I. Jeong, Recent advances of sterile inflammation and inter-organ cross-talk in alcoholic liver disease. Exp Mol Med, 2020. 52(5): p. 772-780.

• 3.

  Kjaer, M., et al., No reinnervation of hepatic sympathetic nerves after liver transplantation in human subjects. J Hepatol, 1994. 20(1): p. 97-100.

• 4.

  Choi, W.M., et al., Glutamate Signaling in Hepatic Stellate Cells Drives Alcoholic Steatosis. Cell Metab, 2019. 30(5): p. 877-889.e7.

• 5.

  Julio-Pieper, M., et al., Exciting times beyond the brain: metabotropic glutamate receptors in peripheral and non-neural tissues. Pharmacol Rev, 2011. 63(1): p. 35-58.

• 6.

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• 7.

  Kim, H.H., et al., xCT-mediated glutamate excretion in white adipocytes stimulates interferon-gamma production by natural killer cells in obesity. Cell Rep, 2023. 42(6): p. 112636.

• 8.

  Wensveen, F.M., et al., NK cells link obesity-induced adipose stress to inflammation and insulin resistance. Nat Immunol, 2015. 16(4): p. 376-85.

• 9.

  Choi, W.M., et al., Metabotropic Glutamate Receptor 5 in Natural Killer Cells Attenuates Liver Fibrosis by Exerting Cytotoxicity to Activated Stellate Cells. Hepatology, 2021. 74(4): p. 2170-2185.

• 10.

  Ong, H. and N. Yamaguchi, The monoamine oxidase and catechol-O-methyltransferase activities in the dog liver. Can J Physiol Pharmacol, 1982. 60(5): p. 735-7.

• 11.

  Asano, Y., et al., Critical role of gut microbiota in the production of biologically active, free catecholamines in the gut lumen of mice. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2012. 303(11): p. G1288-95.

• 12.

  Kim, H.H., et al., Catecholamine induces Kupffer cell apoptosis via growth differentiation factor 15 in alcohol-associated liver disease. Exp Mol Med, 2023. 55(1): p. 158-170.

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