H.pylori는 전세계 인구의 50% 이상, 우리나라 인구의 80 %에서 감염률이 보고되며 감염된 대부분에서 만성위염을 유발한다. 이들 감염자중 15~20%는 평생을 살면서 위궤양이나 십이지장 궤양으로 악화되고, 1 % 미만에서 위선암 (gastric adenocarcinoma)이나 저급증의 MALT lymphoma의 발생이 보고된다. 더욱 흥미로운 사실은 10년간의 장기 코호트 연구결과 H.pylori균에 감염된 군에서 이 균주에 감염되지 않은 환자군에 비하여 유의한 위암발생이 높다는 사실과 실제 동물실험으로 이를 쉽게 규명할 수 있다는 것이다. 반면에 또 다른 코호트 연구결과에서는 이 균주를 박멸시켜도 위암발생이 감소되지 않는다는 것이다. 위 연구결과에서 알 수 있듯이 이 균주와 위장질환간의 보다 더 정확한 인과관계, 발병기전, 병태생리는 물론 이 균주의 치료에 관한 더 자세하고도 포괄적인 연구가 이루어져야 하겠다.

 
아주대의대 소화기내과·간 및 소화기질환 유전체연구센터 여말희, 함기백 교수

대한상부위장관 및 Helicobacter연구학회-메디칼트리뷴 공동특별기획시리즈6

H.pylori감염으로 야기되는 임상적 표현형은 무증상의 경미한 위염에서부터 위암에 이르기까지 매우 다양하다 [그림1].

[그림1] H.pylori 감염후의 위질환 발생 : 종류 및 빈도
 
역설적으로 상당히 다양한 인자들과 그들간의 상호작용에 의해 질환의 표현형이 결정됨을 암시한다.
이에 관여하는 요소는 크게 1) H.pylori가 가지고 있는 virulence factor가 어떤 것인가? 2) 감염자가 H.pylori에 의해 야기되는 병리기전에 얼마나 감수성이 있는 유전적 소인을 갖는가? 3) 박테리아와 숙주 사이의 작용을 조절할 수 있는 환경적 요인에 얼마나 노출되어 있는가? 로 나눌 수 있다.

서양에서는 H.pylori에 대한 연구의 거품이 사라지고 있다는 주장이 대두되고 있으며 실제로 연구논문 편수 및 관련학회의 빈도 및 일반인들의 관심도 같이 낮아지고 있으며 대부분의 연구도 백신개발 혹은 치료에 집중되고 있다.

이에 반해 우리와 질병환경이 유사한 일본의 경우에는 여전히 연구논문 편수 및 관련학회에 많은 연구자들이 모이고 impact높은 연구결과들이 발표되고 있다.

이에 이 글에서는 이 중 가장 중요한 인자로 대두되는 H.pylori가 가지고 있는 virulence factor와 감염 위점막에서의 세포신호 전달체계의 변화, 이에 의한 질환발생의 기여에 대한 최근 연구 동향에 대해 알아보고 아울러 bioregulation이라고 명명하고 있는 새로운 치료에 대하여 소개한다.

H.pylori의 병인자

H.pylori는 1.56 X 106 bp길이의 지놈을 가지며 약 1500개의 유전자를 함유한다. 이 중 47개 유전자는 박테리아의 생존에 필수적인 단백질을 코딩하는 것으로 동정되었다. 이러한 bacterial factor의 대부분은 숙주 상피세포내로의 이동, 부착 및 생존에 관련되어 있고 더나가 질환의 유무 및 진행 예후에 중요한 인자로 작용한다.

Cag pathogenicity island (Cag PAI)는 헬리코박터의 병원성을 결정하는 가장 중요한 인자로 알려져 있다.

총 40 kb의 길이로 31개의 유전자를 포함하고 있으며, 박테리아의 DNA나 단백질을 타깃 세포내로 분비하는 type IV secretion system을 코딩한다. Cag PAI의 말단에 위치하는 CagA 단백질 (120~145 kDa)을 type IV secretion system을 통하여 숙주의 상피 세포질 내로 들여보낸다. 세포질내로 주입된 CagA는 숙주 상피세포의 단백질인 c-Src, Fyn, Lyn, Yes와 같은 Src family kinase에 의해 인산화된다.
 
인산화된 CagA단백은 src homohogy 2 domain-containing tyrosine phosphatase (SHP-2)와 복합체를 형성하고 이는 숙주세포의 하위 신호전달 체계를 활성화 또는 교란시킴으로써 세포 성장과 사멸, 세포의 형태 변화 (hummingbird phenotype), 이동, 염증 사이토카인의 생산 등에 관련된 신호전달 체계 활성을 유도한다 [그림2].

[그림2] H.pylori 감염후의 주입된 CagA에 의한 위상피 세포내신호전달
 
최근 Hatakeyama M 등은 서양 균주에서는 주로 EPIYA-A와 EPIYA-B에 이어 EPIYA-C가 반복되어 오는 A-B-C, A-B-C-C 또는 A-B-C-C-C가 대부분인 반면 동아시아 균주는 EPIYA-C 대신 EPIYA-D가 오는 A-B-D 형태가 주류임을 보고하였다.

Western type의 EPIYA-C에 비해 East Asia type의 EPIYA motif인 EPIYA-D가 SHP-2에 결합력이 훨씬 강력하며 위상피세포의 ‘hummingbird phenotype’ 유도력이 뛰어남을 보고하였다.

이러한 CagA의 지형적 차이는 궁극적으로 동아시아지역의 높은 위암발생의 빈도와 상관관계를 보인다. 따라서 CagA의 타입은 위암 또는 질환의 표현형을 결정하는 중요한 인자임을 보고하였다.

Vac A 면역억제반응 유도해

Vacuolating cytotoxin (Vac A)은 87 kDa의 단백질로 5개 이상이 꽃 모양의 복합체 (oligomer)를 형성하며 감염 숙주세포내에서 공포(vacuole)를 형성한다.

최근 들어 VacA는 공포의 형성 외에도 숙주세포내에서 많은 신호전달 체계를 활성화하는 다양한 분자 생물학적 기능을 가짐이 주목된다. 주로 vacA의 복합체는 헬리코박터가 상피세포에 부착하는 adhesin으로 작용하고, 세포내부로 함몰되는 과정으로 세포내 공포화가 일어나며, vacA에 의해 활성화된 세포사멸로 숙주 상피의 조직손상을 초래한다. 또한 13 면역세포의 사멸 및 염증 사이토카인 분비의 증가를 야기하여 숙주 면역계를 교란하는 것으로 보고된다 [그림3].

[그림3] H.pylori VacA도성인자에 의한 위점막 세포내 변화
 
VacA는 숙주의 세포막에 존재하는 protein tyrosine phosphatase receptor type Z (PTPRz) 와 결합해 G-protein-coupled receptor kinase interactor 1 (Git1)의 인산화를 활성화하여 공포화를 통해 위점막 손상을 초래한다. VacA는 감염된 숙주의 phagocyte의 발달과 항원전달 (antigen presentation)을 저해하고, T림프구의 세포사멸을 유도하고, interleukin 2 receptor을 비롯한 표면인자의 발현 저해를 통해 면역억제 반응을 유도한다.

Urease헬리코박터에서 분비되는 urease는 urea를 CO2와 NH3로 가수분해하여 강산을 중화시키므로 균이 강한 산성의 위강내에서 생존하는데 결정적 기여를 한다.

Urease 효소활성은 pH-gated urea channel인 UreI의 sensing에 의해 조절된다.
Motility factor and Adhesion factor H.pylori는 두텁고 점액성이 강한 점막층을 이동하여 위상피층에 군집을 형성한다. 헬리코박터가 두꺼운 점막층을 이동하기에 용이한 두 종류의 편모 운동성 단백질인 FlaA와 FlaB가 잘 발달되어 있다. 

그리고 점액성이 높은 점막을 용해하는 collagenase (HP0169)를 분비하여 이동을 돕고, 이는 헬리코박터 감염환자에서 궤양의 치유와 회복이 늦어지는 원인이기도 하다. 헬리코박터가 상피세포에 부착하는데 총 32여종의 단백질이 관여하는 것으로 알려져 있다.

이 중 BabA는 상피세포 막의 fucosylated Lewis B blood group antigen에 결합하여 상피세포에 단단히 부착하고 BabA의 발현은 좀더 공격적인 진행형 위암 발생과도 상관관계를 갖는다.

Virulence factor와 숙주의 신호전달체계의 교란

세포 증식 및 사멸 신호 전달 체계의 교란 H.pylori의 감염은 위상피 세포의 성장과 사멸의 불균형을 초래하고 이는 질환의 발생과 깊은 관련성을 갖는다.

헬리코박터에 의해 세포사멸을 유발하는 기전으로 Fas-FasL에 의한 신호전달 체계가 잘 알려져 있다. 헬리코박터는 감염된 상피세포에서 Fas의 발현을 증가시키고 침윤된 T 림프구의 Fas L발현을 증가시킴으로써 Fas-FasL 매개 세포사멸 신호전달체계를 활성화한다.

뿐만 아니라 헬리코박터에 의해 발현이 증가되는 TNF-α에 의해서도 사멸이 유도되며 가중된 산화적 스트레스는 DNA 손상을 비롯하여 세포사멸을 매개한다.

최근 들어 헬리코박터의 vacA는 마이토콘드리아의 막전하를 감소하고 막에 유동성을 증가시켜 마이토콘드리아로부터 cytochrome c를 방출하여 의존적으로 세포사멸을 매개한다.

한편으로는 헬리코박터는 과도한 산화적 스트레스로 비롯된 DNA 손상에 대한 보수나 적절한 제거기전을 갖지 않은 상태에서 상피세포의 성장을 촉진함으로써 궁극적으로는 위암 발생에 기여할 것으로 생각된다. 헬리코박터 감염에 의한 세포증식은 여러 경로를 통해 매개된다.

대표적으로 헬리코박터의 cagA 단백질은 type IV secretion system을 이용해 세포질로 들어와 src family kinase에 의해 인산화돼 oncogenic한 세포증식 신호로 알려진 ras pathway를 활성화한다. Moss 등은 헬리코박터에 의해 증가되는 상피세포의 사멸은 헬리코박터의 제균 후 정상적인 수준으로 회복되지만, 증가된 상피세포의 세포증식은 제균후에도 지속되는 것으로 보고했다.

이는 헬리코박터에 의해 유도되는 상피세포의 사멸은 early, acute response 임에 반하여 세포증식 반응은 지속적인 자극에 의한 세포사멸에 저항성을 나타내는 clonal expansion에 따른 late response로 생각되며 이는 만성 감염에 의해 초래되는 암화에 기여하리라 생각된다.

이러한 상반되는 결과를 결정 또는 조절하는 분자 및 기전에 대해 더 깊이 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.

고농도 활성산소 조직손상 초래

산화적 스트레스 헬리코박터의 감염은 감염된 조직에서 과도한 산화적 스트레스를 야기하고 이는 DNA mutation 를 비롯한 각 biomaterial 에 산화적 손상을 초래한다.

저농도의 활성산소는 세포의 증식을 촉진하고 고농도에서는 상피세포의 사멸을 유도하여 조직 손상을 초래한다.

헬리코박터는 urease를 이용한 암모니아 대사분해를 통해 강력한 reactive oxygen species인 NH2Cl을 생성한다. 헬리코박터 감염은 위상피층으로 많은 macrophage 및 eutrophil과 같은 염증세포 침윤을 초래하고 이러한 염증세포는 과량의 활성 산소를 분비하는 강력한 출처가 된다.

헬리코박터는 직접 감염 상피세포로부터 iNOS의 발현 증가를 통해 NO의 생산을 촉진한다 [그림4, e와 f]. 또한 H.pylori 감염에 의한 DNA의 산화적 손상은 8-OHdG의 증가 및 핵내로의 이동을 유도한다 [그림4, c와 d].

[그림4] H.pylori 감염후 발생하는 위점막 oxidative stress
 

상피세포형태변화가 적극적 표현에 기여

세포 형태 및 이동 헬리코박터는 감염된 세포의 Rac1와 Cdc42와 같은 Rho-family GTPase를 활성화하여 세포막 부분으로 이끌어들인다. 이는 p21-activated kinase (PAK)을 활성화 시켜 cytoskeleton 의 재배열을 유도하여 전형적인 ‘hummingbird phenotype’을 변형을 야기한다.

또한 epithelial tight-junction scaffolding protein ZO-1과 junction adhesion molecule (JAM)을 변화를 초래하여 상피층 장막 (epithelial barrier)을 파괴하고 상피세포의 dysplastic alteration을 유도한다.

CagA에 의한 MAPK 신호전달 체계의 활성은 metallomatrixprotenase-7의 활성을 유도함으로써 상피세포의 이동을 용이하게 한다. 이러한 헬리코박터에 의해 유도되는 상피세포의 형태 변화 및 이동은 헬리코박터에 의한 암화에서 좀더 aggressive phenotype을 형성하는데 기여할 것으로 생각된다.

헬리코박터에 의해 활성화된 신호전달 체계의 조절

헬리코박터의 감염은 만성위염, 궤양성 위장 질환 더 나가서는 위선암 및 MALT lymphoma의 발생과 직접적인 상관관계 나타내고 이를 설명하는 분자생물학적 병리기전이 알려지고 있다.

주로 이를 억제하기 위해 antimicrobials, amoxicillin, 및 clarithromycin와 같은 항생제와 산억제제를 이용한 triple therapy를 통한 제균이 일반적으로 권유된다.

하지만 이러한 항생제에 내성을 보이는 균주가 종종 있고, 제균 후에도 염증의 지속, 제균에 대한 부정적 견해가 대두되고 있어 헬리코박터 감염에 의한 염증을 완화시키거나 암화를 억제하고자 하는 노력이 다각도로 제시되고 있다.

본 저자는 H.pylori감염과 심리적 스트레스에 의해 유도되는 궤양성 위병변에 발생에 있어 산화적 스트레스가 주요한 원인임을 프로테오믹스 방법을 통해 발견했다.

따라서 항산화제인 α-tocopherol의 전처리는 현저한 궤양성 병변의 호전을 성취했다. 이는 항산화제에 의해 세포보호 단백질인 heat shock protein의 발현을 증가로 인한 iNOS의 감소에 기인했다.

이밖에도 항산화 효능을 가진 녹차의 EGCG 및 고려홍삼 추출물은 헬리코박터의 제균 및 신호전달 체계를 차단함으로써 항염증 효과가 보고됐으며 이러한 식물 추출물은 오랫동안 인류가 섭취해온 세포에 무독성이 검정된 물질로서 좀더 많은 물질의 발굴과 과학적 효능 입증이 절실하다.

Rebamipide이나 GGA와 같은 위보호제도 항산화 기전을 통해 헬리코박터에 의해 유도되는 산화적 손상을 감소하는 효과를 보인다. 헬리코박터는 위에서 만성염증을 유발하고 염증의 정도는 질환의 진전 혹은 암화를 반영한다.

따라서 헬리코박터에 의한 염증을 억제하는 것은 궁극적으로 항암 전략으로 제시될 수 있겠다. 본 저자는 암유발물질인 MNU 또는 헬리코박터를 단독 투여한 군에서는 위암이 발생되지 않았지만, MNU 투여 후 헬리코박터를 감염시킨 백서모델에서 현저히 종양 발생이 증가함을 보고한바 있는데 이는 헬리코박터가 carcinogen에 의해 시작된 암화를 진전시키는 역할이 있음을 증명한다.

흥미롭게도 이러한 모델에 NSAID인 nimesulide를 투여하면 현저히 암 발생이 감소하는데 이는 항염증제제가 헬리코박터에 의해 유도되는 암화를 억제 할 수 있음을 제시한다.

헬리코박터의 감염은 만성위염, 위십이지장 궤양, 더 나가서는 위선암 및 MALT lymphoma의 원인이므로 대한 헬리코박터 연구학회에서도 반복적이고 합병증이 있는 소화성 궤양, 위선종이나 위종양의 절제전이나 후 그리고 재발되는 소화성 궤양의 치료에는 반드시 이 균주를 박멸시킬 것을 권고하고 있다.

헬리코박터 파이로리 치료시 bioregulation의 필요 및 효능

그러나 문제는 만성 위축성 위염이나 장상피 화생의 경우에는 Maastrich criteria나 이웃의 일본의 경우에는 제균치료 적응증으로 인정하고 있으나 한국에서는 논란이 되고 있다.

또한 이미 성인이 된 이후에 제균을 하여도 위암의 발생을 막지 못하고, 제균치료 등에 따른 항생제 내성이 증가하고 있다는 사실 및 제균 후에도 위점막에 상당한 수준의 위염이 지속한다는 사실 등은 이 균주의 제균과 별개로 장기간 안정적으로 투여할 수 있는 식품이나 건강식에 관심이 높아지고 있다.

예로 probiotics의 경우, 임상적 효능은 물론 최근에는 상당한 수준의 molecular evidences를 보여주고 있다.

저자 등도 최근에 H.pylori에 의한 만성위염으로 진단된 84명의 환자를 대상으로 42명에게는 placebo를, 42명에게는 정관장 (고려홍삼분 하루 2.7 g)을 7일간의 H.pylori 제균 치료 후에 추가로 10주간 투여하여 전후에 시행한 위내시경 검사시 얻은 조직을 이용한 위염의 정도, Comet assay, 8-OHdG 측정, 증상의 visual analogue scale 측정 등의 전향적, 이중 맹검, 비교연구를 했다.

그 결과 제균률의 유의한 상승, 통계적으로 유의한 위염증 감소 및 DNA 변이 감소 등의 유의한 결과를 정관장 투여군에서 관찰하여 한국과 같이 H.pylori 감염이 어린 나이에 시작하고 만연한 상황에서는 식품이나 phytonutrients를 이용한 장기간의 투여가 매우 유용할 것으로 사료된다 [그림5 및 6].   

[그림5] H.pylori 제균 및 고려홍삼 투여후의 8-OHdG 변화
 
[그림6] H.pylori 감염에 대한 고려홍삼(정관장)에 의한 bioregulation 치료
 
최근 들어 헬리코박터의 중요한 병인자인 cagA나 vacA에 의해 유도되는 세포신호전달 체계의 발견과 헬리코박터의 균주에 따른 병원성의 차이, 숙주의 유전적 소인과 이의 질환발생의 기여 기전은 괄목할 만하다.

이를 토대로 한 질환의 예방, 치료법 및 약물을 개발코자 하는 시도가 필요로 하는 시점이다.

또한 이러한 연구 결과는 헬리코박터에 의한 병인 기전뿐 아니라 다른 감염성 질환 및 암화를 이해하는 초석이 되리라 생각된다.

서양과 달리 우리나라를 비롯한 동남아시아 국가는 헬리코박터의 높은 감염률이 보고되고, 위암 발생 빈도 및 위암으로 인한 사망이 높은 수위를 차지해 기초 기전 연구는 물론 더 많은 대규모의 임상연구 및 예방, 제균을 위한 활발한 연구가 필요하겠다.