Ⅰ. 서 론

세포는 유전정보를 담고 있는 핵과 세포질로 구성되어 있 으며, 단백질 생산에 필요한 대사활동을 한다[1]. 이러한 대 사과정에서 에너지가 필수적으로 요구되며 모든 조직 세포 에는 미토콘드리아가 그 역할을 한다. 미토콘드리아는 시 트르산 회로를 거쳐 adenosine triphosphate(ATP)를 생산 한다. 미토콘드리아 수는 세포의 기능과 에너지 필요도에 따라 세포 당 수십 개에서 수천 개까지 다양하게 분포되어 있다. 그 형태는 세포막, 핵막과 같이 외막과 기질 막의 이 중 막을 형성하고 있다. 외막은 자체를 둘러싼 매끈한 모양 으로 되어있으며, 내막은 겔과 같은 액체로 채워진 크리스 테 주름으로 채워져 있다. 크리스테는 에너지 대사에 활용 되는 전자전달계 단백질을 가지고 기질 표면적을 증가시키 기 위해 미로처럼 되어있다[2,4]. 따라서 외막과 기질 막의 손상은 ATP 생산 기능을 잃게 하고 세포사로 이어지게 된 다[4]. 지금까지 알려진 세포막 손상에 영향을 미치는 것은 약물이나 병적 요인 및 물리적 충격에 의해 발생되는 것으 로 알려졌다. 또한 방사선 피폭에 의해서도 손상을 받는 것 으로 보고되고 있다. 이 중 방사선 에너지에 의한 세포막의 손상은 지질 과산화에 의해 발생되며, 이때 인지질의 결합 이 흐트러지고 이중구조가 파괴되는 것으로 알려졌다[3,5]. 이러한 손상에는 막으로 형성된 다른 소기관들도 포함되며 미토콘드리아는 대표적인 소기관이다. 세포질 내에서 이중 막을 구성하고 있는 미토콘드리아는 ATP 합성에 중요한 기 능을 하는 소기관이다[4,6]. 따라서 세포의 에너지 공급에 핵심 기관으로 손상 기전을 밝히는 것은 매우 중요하다. 하 지만 방사선에 의한 미토콘드리아의 형태적 손상 보고는 부 족하다. 지금까지 알려진 대부분의 연구는 방어 물질을 찾 는데 집중되었다. 그중 인삼 성분의 사포닌에 의한 방어효 과[7-9]와 프로폴리스 투여 후 신장조직과 정소조직에서 세 포의 손상 기전연구[10,11,16,17], 마늘 성분으로 알려진 알 리인에 의한 간세포와 난소조직 및 혈소판의 형태학적 방어 기전 연구[12,14,19] 등 천연물질의 연구는 많이 보고되고 있다.

본 고찰은 이러한 방사선 방어기전의 연구 문헌에서 세포 막과 핵막의 손상시 미토콘드리아도 함께 손상되는 것을 확 인하였다. 또한, 조직의 종류와 기능에 따라 미토콘드리아 형태와 수의 변화도 확인하였다. 따라서 선행 연구된 간 조 직[12,15], 정소조직[16], 신장조직[17], 소장조직[18], 난소 조직[19] 및 백혈구와 혈소판[13,14] 등의 세포 손상 문헌을 고찰하여 방사선에 의한 미토콘드리아의 형태학적 손상 기 전을 종설 하고자 한다.

Ⅱ. 연구증례 및 방법

1. 연구증례의 방사선 조사

연구 증례 문헌 7례에서 방사선 에너지는 X선을 사용하 였으며, 5 Gy에서 7 Gy 범위에서 전신 조사하였다. 그중 간 조직과 난소조직, 혈소판의 실험은 흡수 선량을 7 Gy로 전 신 조사하였다. 실험된 시료는 rat 조직으로 방사선 조사 후 20일에서 30일 된 조직으로 관찰하였다[12,13,14,19]. 소장 흡수 상피조직과 신장조직, 정소조직은 마우스를 실험동물 로 사용하였으며, 대향이문 조사로 5 Gy 를 전신 조사하였 다[16-18].

2. 연구증례의 전자현미경 시료 준비 및 제작

본 연구 증례에서 간 조직, 콩팥조직, 소장 흡수 상피조 직, 정소조직, 난소조직의 전자현미경 관찰을 위한 시료 제 작은 동일하게 했다. 전자현미경 관찰을 위한 그리드 제작 방법은 생체에서 적출한 후 동일한 상태에서 glutaraldehyde (2.5%, Polyscience)에서 3시간 동안 전고정 한 후, osmmium tetraoxide (1%, Polyscience)로 1시간 30분 후고정하였다. 이후 ethyl alcohol (Merck)을 사용하여 계대 탈수과정을 시행하고, propylene oxide (Merck)로 치환하였다. epon resin (polyscience)에 포매하여 60℃ 배양기에서 48시간 중합하여 block을 제작하였다. ultra microtome (Leica, Ultra-S, 2003)을 이용하여 80 nm로 박절 후 uranyl acetate (Polyscience)와 lead nitrate (Polyscience)로 이중 염색 하여 투과전자현미경 (H-7000, Hitachi, Japan)으로 관찰 하였다[12,16-19].

Ⅲ. 결 과

1. 신장조직과 정소조직의 미토콘드리아 손상 증례

신장조직의 미토콘드리아는 대사와 세포 분열이 적어 내 부 형태가 완전하게 성숙된 미토콘드리아들이 관찰되었다. 신장의 X선 피폭에 의한 미토콘드리아의 손상은 기저막 주 변을 향해 있는 부분에서 막이 터져 내용물이 유실되는 것 으로 확인되었으며, 핵막과 닿아 있는 부분은 형태가 유지 된 것으로 관찰되었다. 특히, 내부 기질의 크리스테 형태가 다른 조직에 비해 선명하게 관찰되었다. 방사선 에너지에 의한 손상에서는 미토콘드리아가 위축되지 않고 내부 비후 로 인한 부피가 커져 막이 터지는 모습으로 관찰되었다. 둘 레를 싸고 있는 막의 전체적인 손상은 없었으며 일부 약한 부분에서 손상이 확인되었다. 손상 정도는 핵막의 손상과 비교시 미토콘드리아 막이 먼저 파괴되었으며, 세포막에 분 포된 지질과산화에 의한 세포막 손상보다도 먼저 장해가 발 생되는 것으로 나타났다. 미토콘드리아의 분포는 핵 주변에 서 많이 형성된 것으로 확인되었다(Fig. 1 A,B).

정소조직에서 미토콘드리아는 크리스테 발달이 선명하지 않고 손상은 내부에서 공포화가 먼저 진행되었다. 외막에서 손상은 주변 소기관이 없는 약한 부분에서 부풀어져 얇은 형태 진행되어 손상되었다. 또한, 위축에 의한 손상이 아니 라 내부 막이 터져서 손상되는 것으로 확인되어 세포질 내 에서 외부로 나가는 물질대사 불균형에 의한 손상으로 보였 다. 정소조직에서 세포질 내 미토콘드리아의 분포는 고르게 분포된 것이 확인되었으며, 외부 막에 의한 손상보다 중심 내부에 공간이 생겨 손상을 받는 것으로 확인되었다. 정소 조직에서 방사선에 의한 손상은 미토콘드리아 내부 기질 대 부분이 손상되어 다른 조직보다 방사선에 감수성이 높은 것 을 알 수 있었다. 정소조직의 특성상 세포 분화가 활발하고 미분화된 세포 수가 많아서 소기관인 미토콘드리아도 더 많 이 손상되는 것으로 관찰되었다(Fig. 1 C,D).

2. 간조직과 소장조직의 미토콘드리아 손상 증례

간 조직 세포에서 미토콘드리아는 다른 조직 세포의 미 토콘드리아에 비교해 외막의 형태가 둥근 모양을 그대로 유지하고 있는 것으로 확인되었다. 손상된 곳에서는 내부의 기질이 흐트러져 크리스테의 형태를 확인할 수 없었으나 손 상되지 않은 곳에서는 선명한 외부 내부 상태를 보였다. 특 징적인 것은 다른 세포 조직보다 미토콘드리아가 핵을 중심 으로 매우 많이 분포되어 있었으며, 세포질 내 1/2 이상으로 채워져 에너지 대사과정에 많은 역할을 하는 것으로 확인되 었다(Fig. 2 A,B).

소장의 상피 조직에서는 영양분 흡수를 하는 융모세포 주 변에서 미토콘드리아가 집단으로 분포되어 있는 것으로 보 아 움직임에 의한 에너지 이용이 많은 것으로 확인되었다. 방사선에 의한 미토콘드리아 손상은 간세포보다 심한 것으 로 관찰되었다. 일부에서는 집단으로 모여 있는 모습이 관 찰되었다. 내부 크리스테와 외부막의 윤곽은 선명하게 관찰 되었다. 손상 부위와 형태는 미토콘드리아 외막보다 내부 기질에서 장해가 있었으며, 외부막은 서로 엉킨 상태로 손 상되었다(Fig. 2 C,D).

3. 난소조직의 미토콘드리아 손상 증례

난모 세포의 소기관에서 미토콘드리아 손상은 길게 양쪽 끝쪽에서 막의 손상이 확인되었으며, 옅게 비후된 염증성 모양으로 흐트러진 것을 확인하였다. 또한, 내부에 타원형 의 커다란 공포화가 형성되어 있었다. 전반적으로 방사선에 저항성을 보였으며, 핵 주변에서 분포된 미토콘드리아는 대 부분 정상적으로 확인되었다. 일부 손상된 곳에서는 가장자 리의 형태가 옅게 비후되고 흐릿한 형태로 확인되었다. 내 부 크리스테는 선명한 주름은 관찰되지 않고, 내부에 일정 한 구조로 채워진 것을 확인하였다(Fig. 3).

Ⅳ. 고 찰

생체막의 손상은 세포의 기능 상실과 물질대사에 장해를 가져오고 생존에 치명적인 영향을 가져온다. 그중 에너지 생산에 관여하는 미토콘드리아의 손상은 노화와 관련된 암 등을 유발하는 것으로 알려졌다[20]. 세포의 물질합성에 필 수적인 소기관이다. 특히 미토콘드리아는 대사과정이 활발 하며 내부와 외부가 얇은 막으로 구성되어 있어 외부 에너 지에 의한 손상을 받기 쉽다. 본 고찰에서도 이러한 손상들 이 방사선 에너지에 의해 우선적으로 발생 된다는 것을 확 인하였다. 방사선에 의한 미토콘드리아의 장해는 염증성 용 적 증가로 인한 내막과 외막의 손상과 더불어 기질내 단백 질 합성 장해로 이어진다. 손상 형태는 양쪽 끝 가장자리 부 근에서 1차 적으로 막이 비후되어 손상되는 것으로 관찰되 었다. 이후 시간이 경과 할수록 내부 크리스테의 손상으로 이어졌다. 또한, 조직의 기능과 특성에 따라 미토콘드리아 의 형태도 변하였으며, 미분화된 세포조직에서는 미완성된 모습을 보였고 손상 형태도 약한 내부 기질에서 먼저 장해 를 가져오는 것으로 확인되었다. 세포가 안정화된 신장조직 에서는 미토콘드리아의 외부 및 내부 기질의 형태도 선명한 이중막의 형태로 관찰되었으며, 손상도 내부보다 외부 가장 자리에서 옅은 염색으로 비후되면서 막의 파괴가 진행된 것 으로 관찰되었다. 정소조직에는 세포 분열이 활발하고 미분 화된 세포가 많아 미토콘드리아도 미성숙된 형태로 많이 관 찰되었으며, 장해도 내부에 있는 기질에서 공포화가 일어나 는 것을 확인할 수 있었다. 간 조직에서는 대사과정이 활발 하여 미토콘드리아 수가 다른 세포보다 훨씬 많은 분포로 관찰되었다. 이는 탄수화물 및 영양분 대사에 따른 에너지 요구도와 관련된 것으로 판단되며, park 등이 연구한 미토 콘드리아가 간세포의 DNA 손상에 미치는 영향에서도 확인 할 수 있었다[21]. 소장조직의 세포에서 미토콘드리아는 장 의 운동이 활발한 가장자리 부근에서 에너지 대상에 관여하 는 것을 확인할 수 있었으며, 일부는 운동조직에서 뭉쳐서 엉켜있는 것으로 확인되었다. 소장에서는 방사선에 대한 감 수성이 신장, 난소, 간 조직보다 손상이 심한 것으로 관찰되 었다. 미토콘드리아는 세포에서 필수적인 에너지 생산을 위 해 없어서는 안 될 소기관이다. 따라서 미토콘드리아 손상 은 결국 세포사로 이어지게 된다. 지금까지 알려진 DNA 이 중나선구조의 방사선 감수성은 인산이나 염기보다 오탄당 이 가장 저항성이 있는 것으로 보고되어 당을 활용하는 미 토콘드리아도 같은 저항성이 있을 것으로 판단되었다. 하지 만 미토콘드리아는 당을 ATP 형태로 변환하는 소기관으로 막을 통한 물질이동이 많아서 방사선 에너지에 민감하게 작 용한다는 것은 이번 연구 논문 증례를 통해 확인하였다. 특 히, 미토콘드리아는 해당 과정에서 만들어진 피루브산을 아 세틸 CoA로 전환하여 크랩스 회로를 거쳐 NADH와 ATP 생 성하여 대사에 에너지로 활용한다[1,2]. 따라서 얇은 생체막 을 통해 산소, 물 등의 물질이동과 활발한 대사과정이 방사 선에 민감하게 작용하는 것으로 판단된다. 본 증례를 통한 연구에서도 내부의 기질이 먼저 장해를 가져와 공포와 함께 비후된 것을 확인하였다. 미토콘드리아는 다른 소기관과 달 리 세포가 생존해 있는 동안 계속적인 에너지 대사과정을 유지해야 하므로 수분과 산소가 막을 통해 이동하여야 한 다. 이로 인해 라디칼에 대한 막의 손상은 다른 소기관보다 손상받기 쉽다[3]. 본 고찰에서도 외부 막 중 양쪽 가장자리 에서 먼저 파괴되고, 그 후 막의 변형이 오는 것으로 확인되 었다. 세포 분열이 많이 일어나는 조직에서는 미토콘드리아 도 미분화된 형태로 관찰되었으며, 세포 기능과 역할에 따 라 분화도와 형태가 다른 것으로 확인되었다. 본 고찰을 통 해 지금까지 보고되지 않는 장기별 조직 세포의 미토콘드리 아 형태와 방사선에 대한 손상을 종설하다.

Ⅴ. 요약 및 결론

미토콘드리아는 에너지 대사과정이 활발한 간 조직과 핵 막 주변에서 많이 관찰되었다. 간 조직에 미토콘드리아가 많은 것은 탄수화물 대사가 간에서 일어나고 포도당을 비롯 한 당류로부터 글리코겐을 합성하여 혈액을 통해 조직에 에 너지를 공급하는 것으로 판단된다. 정소조직에서는 미분화 세포가 많았다. 형태적인 손상은 내부 얇은 막의 크리스테 가 먼저 손상되고 외막의 손상이 일어났다. 분화가 적은 신 장조직에서는 크리스테의 형태가 선명하게 관찰되었다. 방 사선에 의한 손상은 양끝의 가장자리 부분에서 외막의 비후 로 막이 터지는 모습을 보였다. 소장조직 세포에서는 장의 운동이 활발한 융모 주변 조직에서 미토콘드리아가 많이 분 포되었다. 형태적 손상은 서로 엉킨 상태로 외막과 내막이 손상되었다. 방사선에 대한 미토콘드리아의 감수성은 정소 조직과 소장조직에서 민감하게 작용하였고, 신장, 난소, 간 조직은 저항성이 있는 것으로 확인되었다.