골관절염에서 관절강 내 히알우론산 투여 효과의 새로운 기전

 
 



 

 
유명철
경희대학교 동서신의학병원 정형외과
                                      

 


 
- 효과와 분자량의 관계 연구 –
 
논 평
 
골관절염은 관절을 구성하고 있는 연골의 손상 또는 퇴행성 변화로 인해 관절연골의 마모와 파괴가 발생하고 이어서 관절과 인접한 뼈와 인대 등에도 손상이 일어나 결국 관절 내 염증과 통증이 생기는 질환이다. 2004년에 국내 보고된 바에 의하면 우리나라의 관절염의 추정 유병율은 8.0%이며 특히 65세 이상의 노인에서는 46.6%가 관절염으로 활동의 제한을 받고 있는 것으로 조사되었다. 우리나라는 2002년에 65세 이상의 인구가 7.9%로 이미 ‘고령화 사회’가 되었고 2005년에는 65세 이상의 인구 비율이 9.3%에 달했으며 2019년에는 ‘고령 사회’, 2026년에는 ‘초 고령 사회’로 진입할 것으로 예측되고 있다. 노인 인구가 증가하면서 관절염 중에서 가장 많은 비율을 차지하고 있는 골관절염의 유병율도 지속적으로 증가할 것으로 생각된다.
 
골관절염의 치료에는 비약물적인 치료로 체중감량과 물리치료가 있으며 약물 치료로는 스테로이드 주사, 경구 복용 소염진통제, NSAIDs 패치 또는 크림, 히알우론산의 관절강 내 주사, 글루코사민 및 콘드로이친의 복용 등의 방법이 있다. 이 중에서 히알우론산은 경구약제를 복용할 수 없는 경우나 경구약제의 보조요법으로 투여하게 되며 반감기가 8~24시간인 데에 반해 효과는 6개월~1년의 장기간의 효과를 보인다.
 
히알우론산은 무릎의 골관절염 치료에 30년 이상 사용되었으나 그 기전에 대해서는 아직도 이견이 분분하다. 또한 현재 시중에는 다양한 분자량의 히알우론산 주사가 나와있으나 분자량과 효과에 대한 충분한 고찰이 부족한 현실이다.
 
저분자량 히알우론산은 관절의 pericellular matrix를 통과할 만큼 작으면서 동시에 cellular receptor를 자극할 만큼 크기 때문에 활액의 염증수치 감소와 유동학적인 회복에 있어서 고분자량 히알우론산보다 더 효과적이다. 또한 저분자량 히알우론산은 인체 관절액 내 정상으로 존재하는 히알우론산과 동일한 크기의 분자량으로 생물학적으로 안전하다는 장점이 있다. 반면 고분자량 히알우론산은 점탄성이 높아 viscosupplementation이 우수하며 투여 횟수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
 
과거에는 히알우론산의 주요 기능이 단순한 윤활 및 완충 작용에 머물렀다면 근래에는 히알우론산의  세포 수준의 작용을 통한 질환 개선 가능성에 관하여 관심이 모아지고 있다. 이러한 점을 감안할 때  고분자량 히알우론산 사용을 통한 투여 횟수의 감소보다는 세포 수준의 작용을 통한 추가적인 효과가 가능한 저분자량 히알우론산의 사용을 고려해 보아야 한다.
 
개 요
 
히알우론산은 관절 활액의 주요한 비단백 구성요소로 히알우론산의 고유한 점탄성은 활액이 충격을 흡수하고 부드러운 성질을 갖게 해준다. 또한 거대한 분자량과 물을 잘 흡수하는 성질은 관절강 내에 물을 보유할 수 있도록 해준다. 히알우론산은 활액 안으로 큰 혈장단백질과 세포가 유입되는 것을 막으며 synovial capillaries 및 연골세포와 다른 관절조직 간의 용질 교환을 쉽게 해준다. 또한 히알우론산은 세포주위의 막(pericellular coat)을 형성하며 전염증성 매개인자와 상호작용한다. 그리고 CD44(cluster determinant 44), RHAMM (receptor for hyaluronate-mediated motility)과 같은 세포 수용체와 결합하여 세포증식, 이동, 유전자발현을 조절한다. 이러한 히알우론산의 물리화학적, 생물학적인 성질 모두가 분자량과 관련이 있음이 보고되어 왔으나 아직까지 히알우론산 분자량과 임상 효과와의 관계에 대한 의의는 검토되지 않았다. 이러한 관점에서 히알우론산의 약물학적인 효과를 증명하는 in vitro와 in vivo 논문을 검토하였다.
 
관절염에서의 히알우론산 사용 원리
 
관절염 환자는 히알우론산 분자량이 감소하고 활막의 투과성이 증가함에 따라서 혈장액과 혈장단백질이 침투하여 히알우론산이 희석된다. 따라서 골관절염 관절에 있어서 활액의 유동학적인 성질을 감소시키는데 이는 결과적으로 연골 마모와 연골하 뼈의 변형을 일으키고 골관절염과 증상을 악화시킨다.
골관절염 관절액에서 히알우론산의 유동학적 성질이 감소하는 것을 토대로 Balazs, Denlinger 등은 viscosupplementation의 개념을 소개하였으며, 이러한 개념을 토대로 관절 병변에서 비정상적인 활액은 뽑아내고 정제된 고분자량의 히알우론산으로 교체하게 되었다. 이러한 치료과정의 근거는 활액의 점성도를 회복 또는 보충하여 결과적으로 관절 기능을 개선하여 증상을 완화한다는 것이다.
Balazs의 가설을 시험하기 위해 시행된 임상연구 결과는 증상완화의 측면에서 지지할 만 하지만 관절염 환자에게서 뽑아낸 활액의 히알우론산 분자량보다 저분자량의 히알우론산에서도 같은 임상결과가 나타났다. 또한 임상 효과가 몇 주 또는 몇 개월 이상 지속되었는데, 이 기간은 이미 알려진 히알우론산 제거율(clearance rate)과 일치하지 않았다. 골관절염에 걸린 양을 모델로 한 실험에서는 방사성 표식 히알우론산의 반감기가 관절염 유발 전의 21시간에서 11.5시간으로 줄어들었고, 자료분석 결과 염증이 있는 관절에 투여된 히알우론산은 염증이 없는 관절에 투여된 히알우론산 교체율의 거의 2배였으며(3.5%/h vs 6.3%/h), 교체율의 증가와 더불어 림프와 혈액 내에 대사물과 tritiated water가 축적되었다.
 
이처럼 히알우론산의 장기간 효과는 단순히 viscosupplement의 개념으로만 설명되지 않는다. 만약 관절강 내로 투여된 히알우론산이 단순히 활액의 점탄성을 보충하는 것이 아니라 증상과 관련된 중요한 병리에 대한 약물학적인 효과를 보여주는 것이라고 가정한다면 장기간의 임상효과가 타당성을 갖게 된다.
많은 논문을 검토한 결과 히알우론산은 약물학적인 효과, 즉 통증감소, 염증감소, 질환개선을 나타내며, 히알우론산의 생물학적인 효과는 농도뿐만 아니라 분자량과 관련되어 있는 것으로 나타났다.
 
골관절염에서 히알우론산 사용의 약물학적인 원리
 
히알우론산은 골관절염의 병리와 관련된 많은 세포(예, 염증유발세포, synovial cell, 연골세포)에 있는 특정 수용체(CD 44, ICAM-1, RHAMM)와 결합한다는 것이 널리 알려져 있다. 그리고 아직 증명되지 않았지만 특정한 크기의 히알우론산 제제가 CD44의 Clustering과 가교결합을 자극하여 세포내 신호를 유인할 가능성이 있다. 반면 고분자량 히알우론산은 이러한 다수의 CD44 결합부위를 점령하여 수용체의 가교결합과 세포반응을 막을 수 있다. Smith와 Ghosh는 1987년 인간에 있어 synovial fibroblast의 생합성에 대한 다양한 분자량의 히알우론산 효과를 in vitro에서 연구하였고, 그 결과 위 해석을 지지하는 근거를 보고하였다.
 
히알우론산의 분자량이 히알우론산의 생물학적인 효과에 있어서 중요한 결정 요소라는 명백한 논문들이 있음에도 불구하고 임상에서는 이러한 사실에 대한 인식이 제한적이다. 고분자량 제제는 저분자량 제제보다 viscosupplement의 기능을 효과적으로 수행하기 때문에 더 우수할 것이라고 받아들여져 왔다. 그러나 현재 골관절염에 사용되고 있는 히알우론산 제제는 대다수가 대략 1,000 kDa 또는 그 이하이며, 이들은 효과가 있다고 보고되고 있다.
 
염증유발세포에 있어서의 히알우론산 효과
 
감염 과정 중에 다형핵 백혈구는 자유 유리기의 반응을 매개하며 이는 조직의 손상을 가져온다. 히알우론산은 분자량에 따라 활성산소종을 제거하는 효과가 있어 관절 조직이 산화로 인해 손상받는 것을 막아준다. Presti & Scott은 1,200 kDa의 히알우론산 제제가 176 kDa과 668 kDa의 히알우론산 제제보다 산화적 손상으로부터 tendon fibroblast를 보호하는데 더 효과적이라고 보고하였다. 이들은 히알우론산이 수용체가 부착된 세포 주변에서 meshwork를 형성하여 유리기를 생성하는 인자와 세포막 사이의 상호작용을 줄인다고 제안하고 있다. 920 kDa의 평균 분자량을 갖은 히알우론산이 저분자량 히알우론산(170kDa)보다 mitogen으로부터 유도된 백혈구 분열에 더 효과적인 것으로 보고되었다.
 
In vitro 에서 fibroblast에 대한 히알우론산 효과
 
사람의 골관절염 관절에서 추출한 synovial fibroblast의 작용은 히알우론산과 함께 배양할 때 배지의 농도와 첨가된 외인성 히알우론산의 분자량과 관련이 있었다. 히알우론산 합성은 10 ~ 400 ㎍/mL의 농도에서 500 kDa 이상의 분자량을 가진 히알우론산에 의해 촉진되었다. 이 연구에서 흥미로운 사실은 히알우론산 분자량이 3,000 ~ 4,000 kDa일 경우 세포 반응이 감소하는 것처럼 보인다는 것이다.
 
동물모델에서 히알우론산의 in vivo 효과
 
Asari et al은 ACL (anterior cruciate ligament)이 결핍된 개에서 분자량이 다른 히알우론산 제제들의 활액 변화에 대한 효과를 연구하였다. 수술 후 1달째에 840 kDa 또는 2,300 kDa의 히알우론산을 5주 동안 관절강 내 주사하였으며, 마지막 한 주는 동일한 크기의 형광물질이 부착된 히알우론산 제제를 투여하여 다른 분자량을 가진 히알우론산의 활막 침투력을 알아본 결과, 2개의 히알우론산 제제의 효과는 명확한 차이를 나타냈다.
 
저분자량 840 kDa의 히알우론산은 활막에서 염증 변화를 감소시켰으며, 특히 세포 생존력의 단백질 표지자인 Hsp 72의 효력과 양을 유지하는데 더 강력한 효과를 나타냈다. 고분자량 히알우론산 제제에 비해 상대적으로 저분자량 히알우론산이 유의하게 더 강한 항관절 활성을 나타냈으며, 이것은 활막을 침투하는 정도와도 관련이 있었다. 저분자량 히알우론산이 활막 조직을 더 강력하게 침투한다는 것은 Asari et al에 의해서도 관찰되었으며, 이는 토끼의 관절에서 활액 내 히알우론산에 의해 일어나는 trans-synovial flow 및 flow 완충작용이 히알우론산 체인의 길이에 의존한다는 Levick 그룹의 연구와 일치하였다(Fig. 1).

 
한쪽의 ACLT로 유도된 토끼의 골관절염 모델을 사용한 Amiel 그룹의 연구에서는 평균 840 kDa의 분자량을 가진 히알우론산의 관절강 내 투여가 관절 연골에 대한 장기간의 보호 효과를 나타내며, 이러한 효과가 연골이 아닌 활막에서 MMP-3와 IL-1 활성을 하향 조절함으로써 가능하다는 것을 제시하였다.
 
뒤따른 연구에서 ovine 모델은 골관절염 관절의 활액 속에 남아 있는 히알우론산의 분자 크기에 대하여 분자량이 다른 히알우론산 제제의 영향을 평가하기 위해 사용되었다. 하나의 그룹은 골관절염 유발 후 16주째에 5주간 일주일에 한번, 한 쪽의 관절에는 saline을, 반대측 관절에는 840 kDa 히알우론산을 투여하였다. 다른 그룹은 동일한 실험 프로토콜로 2,300 kDa의 고분자량 히알우론산을 투여하였다. 두 그룹 모두에서 각각의 주사 전과 부검 직전인 마지막 주사 후 5주째에 모든 동물로부터 활액을 추출했다. 연구 결과, 두 가지의 히알우론산 제제는 골관절염 관절로부터 추출한 활액 내의 내인성 히알우론산의 분자량을 증가시켰으나, saline을 투여한 관절에서는 증가되지 않았다. 각각의 그룹에서 치료 후 히알우론산 분자량의 평균 변화량은 각 그룹의 baseline 값으로부터의 변화율(%)로 표현하였으며, 840 kDa 히알우론산 제제는 활액 속의 내인성 히알우론산의 분자량을 76%까지 증가시키는 것으로 관찰되었다. 이 결과는 고분자량 히알우론산 제제를 투여받은 동물의 활액에서 얻은 히알우론산 분자량이 16% 증가된 것과는 대조적이었다(Fig. 2).

 
더욱 최근에 양측성, 외측성 반월상 연골 절제술 ovine 모델을 대상으로 500 ~ 730 kDa 또는 3,000 ~ 6,900 kDa의 히알우론산을 5주간 투여한 관절로부터 추출한 활액의 유동학적 요소의 변화를 알아보는 연구가 실시되었다. 저분자량 히알우론산의 투여는 saline 혹은 고분자량 히알우론산 제제보다 활액의 저장탄성률(storage modulus) 및 점도를 유의하게 개선시켰다.
 
이러한 발견은 Asari et al의 연구 결과와 동일하였는데 분자량이 500 ~ 1,000 kDa인 히알우론산 제제의 관절강 내 투여는 synovial fibroblast 항상성 유지와 히알우론산의 생합성에 있어서 2,300 kDa 이상의 고분자량 히알우론산보다 더욱 효과적이라고 제시했다.
 
히알우론산을 관절강 내 주사한 골관절염 환자의 관절조직 샘플 in vitro 연구
 
증후성인 사람의 측두하악관절(temporal mendibular joint)에 800 ~ 1,200 kDa의 히알우론산 투여는 활액내 존재하는 사이토카인과 arachidonic acid 대사체의 총 양을 유의하게 감소시켰다.
이러한 발견은 Punzi et al의 조기 관찰을 증명해주었는데 Punzi et al은 500 ~ 730 kDa의 히알우론산 제제로 치료받은 골관절염 환자의 무릎 활액에서 PGE2 수치, fluid volume, 백혈구 수가 감소되고 cyclic adenosine monophosphate 수치가 증가되었다고 보고하였다.
 
토 론
 
골관절염에서 히알우론산 관절강 내 주사의 임상적 이익 효과가 활액의 물리적/유동학적인 특성의 회복과 관련된다는 Balazs, Denlinger 또는 다른 연구자들에 의한 최초의 설명은 이후 관절강 내 투여된 히알우론산의 빠른 제거율(rapid clearance)과 치료의 장기간 효과와는 일치하지 않는 것으로 밝혀졌다.
동물실험 결과, 500 ~ 1,000 kDa의 히알우론산이 관절강 내 주사를 위한 최선의 약물이 될 수 있음에도 불구하고 이러한 설명은 연구에서 사용된 종의 다양성과 많은 protocol variation 때문에 흐려졌다.
그럼에도 불구하고 사람을 대상으로 실시된 제한된 수의 실험실적 연구와 동물모델 연구는 히알우론산의 약물학적인 작용과 이러한 작용이 어떻게 분자량에 의해 영향을 받는가에 대한 논리적인 근거를 제시해 왔다.
히알우론산과 같은 거대분자의 약물학적 활성에 대한 중요한 결정인자는 세포외 matrix를 통과하고 표적 세포에 존재하는 수용체와 상호작용하는 능력 또는 세포에서 세포로 생활성 분자의 이동을 조절할 수 있는 세포 주위(pericellular) 환경을 만드는 능력이다.
 
이전에도 언급했던 것처럼 저분자량 히알우론산은 interstitial matrix를 통하여 자유롭게 확산하는 것으로 생각되고 있으며, 고분자량 히알우론산은 반대되는 세포 반응을 나타낼 수 있다.
이러한 관점에서 가장 약물학적으로 활성적인 히알우론산 제제는 pericellular matrix에 접근할 만큼 충분히 작아야 하고 수용체에서 요구되는 세포반응을 이끌어 내거나 세포에서 세포로 중요한 매개체의 이동을 조절할 만큼 커야만 한다.
동물모델과 사람을 대상으로 한 임상연구는 500 ~ 1,000 kDa의 히알우론산이 치료학적으로 유용한 절충물이라는 견해를 지지해 준다.
 
요약 및 결론
 
골관절염에서 히알우론산의 작용에 대해 제시된 초기 개념은 기능이 불완전한 관절의 viscosupplementation이다. 그러나 실제 임상에서 보여진 장기간의 효능과 관절강 내 주사 후 히알우론산의 빠른 제거율은 그러한 제안과는 일치하지 않았다.
이후 실험실적 연구는 히알우론산이 항진통, 항염증, 면역조절 활성을 가지고 있으며, 이러한 활성이 CD 44와 같은 특이한 세포 수용체를 통해 매개됨을 보여주었다.
세포와 분자 수준에서의 히알우론산 상호작용에 대한 지식이 현재 부족함에도 불구하고 골관절염 동물모델, 사람의 골관절염 관절에서 히알우론산의 구조적 개선 효과는 항염증, cytoprotective, 면역조절 특성에 의해 매개된다는 좋은 근거가 있다.
 
연구자료에 의하면 히알우론산의 연골 보호작용이 연골 세포에 대한 직접적인 효과가 아니라 연골 세포에 작용하고 matrix 이화작용를 증진시키는 사이토카인, 자유 유리기, protelytic 활성을 활액 및 활막에서 하향 조절함으로써 나타나는 이차적인 효과임을 제시한다.
 
히알우론산의 관절강 내 주사에 의한 골관절염 환자에서의 증상 완화는 관절의 기계적인 개선으로 단기간에 이룰 수 있다. 그러나 히알우론산의 장기간 임상 효과는 이러한 제제가 골관절염에서 어떠한 병인 경로를 약물학적으로 개선하는 능력이 있다는 것을 의미한다.
이러한 관점에서 500 ~ 1,000 kDa의 히알우론산을 사용한 동물모델과 사람 대상의 연구에서 보여져 온 synovial cell 대사의 부분적인 회복과 히알우론산 생합성의 정상화는 매우 중요할 것이다.
 
<출처 : Seminars in Arthritis and Rheumatism, Vol 32, No 1(August), 2002:pp 10-37>