Transplantation immunology

Transplant Immunology

2004 년 3 월 3 일(수) 2,3 교시 연세대학교 원주의과대학 외과학교실

김 명수 ysms91@wonju.yonsei.ac.kr

학습목표 1. 인간 HLA 항원계의 classⅠ, classⅡ, classⅢ를 간단히 설명한다.(B) 2. MHC 가 면역반응에서 어떤 작용을 하는가를 설명한다.(B) 3. T-cell, B-cell, 대식세포(macrophage)가 면역반응에 어떻게 관여하는가를 설명한다.(A) 4. T 임파구의 세포표면 표식자(cell surface marker)를 나열하고 각각의 기능을 설명한다.(B) 5. 급성 거부반응의 면역학적 발생기전과 관여하는 세포를 열거한다.(A) 6. 조직적합성(histocompatibility)과 거부반응(rejection)과의 관계를 설명한다.(B) 7. 이식 수술전 평가를 위해 사용되는 면역학적 검사 방법을 나열한다.(A) 참조) A: 모든 교육과정에서 반드시 필요한 분야, B:학교나 교실에 따라서 선택할 수 있는 분야 C: 강의자가 필요하다고 판단되는 분야 이식면역학은 면역학적인 과정을 이해하고 임상적인 이식의 발전에 기여한다는 점에서 매우 중요하다. 이

미 알려 진대로 mouse 의 피부이식과정을 통하여 MHC molecule 의 존재를 확인하였으며 T-cell 의 역할도 거부반응의 과정을 통하여 그 역할이 규명되었다. 임상적으로도 거부반응의 방지를 위한 노력은 새로운 면역억제제의 개발이나 면역 내성의 유도(induction of immune tolerance)에 기여한 바가 크다.

1. 이식이란? 이식이라 함은 조직이나 장기의 상실된 기능을 대체할 목적으로 조직이나 장기의 일부 또는 전체를 원래 존

재하는 장소에서 다른 장소로 옮기는 것을 말하며, 이를 유전자의 차이(genetic disparity)에 따라서 구분하여 보면 자신의 조직이나 장기의 위치를 옮기는 것을 자가이식(autograft), 같은 종의 두 개체(타인) 사이의 이식을 동종이식 (allograft), 다른 종간의 이식을 이종이식(xenograft) 이라고 한다.

Genetic disparity Ex. Autograft None Skin graft Isograft Minimal Bewteen monozygotic twin Allograft Between same species, genetically different persons Xenograft Maximal Between different species

2. 장기이식의 역사 Brief History 1. 1954 년: lst successful kidney TLX by Dr.Murray between identical twin 2. 1967 년: lst successful liver TLX by Dr.Starzl in child with hepatoblastoma 3. 1914-1964 년 사이: 이식면역학 급속발전( Medawar,Murphy,Dausset,Terasaki 등) 4. Late 1970 : Development of cyclosporine, OKT-3(monoclonal anti-lymphocyte antibody) 5. Late 1980 : Development of FK-506, MMF, polyclonal anti-lymphocyte antibody(ATG) 6. 1992 년: First hepatic xenograft by Dr. Starzl: Baboon liver to Human trial

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문헌상의 기록을 보면 장기이식의 역사는 기원전 3세기로 거슬러 올라간다. 즉 기원전 3세기경에 중국의 유명한 의사인 편작이 살아있는 두사람간에 심장을 교환 즉 심장이식을 성공하였다는 기록이 있는바 이것이 기록상으로는 처음인것 같으며, 서양의 기록으로는 서기 3세기경 코스마스(cosmas)와 다미안(Damian)에 의한 인체에서의 하지이식(leg transplantation)이 처음인것 같다. 그 이후 19세기에 들어 피부결손부위의 창상치유를 위한 피부이식이 임상적으로 시행되었으며, 1920년부터는 혈액이식인 수혈이 임상적으로 시행되게 되었다. 1954년 미국의 머레이교수팀(Murray)에 의하여 일란성 쌍생아간에 신장이식이 성공적으로 시행되면서 현대 이식외과는 급속한 발전을 하여 1963년 스타즐(Starzl)에 의한 간장이식, 1966년 켈리(Kelley)에 의한 췌장이식, 1967년 버나드(Barnard)에 의한 심장이식, 1968년 쿨리(Cooley)에 의한 심폐 동시이식등이 차례로 시행되어 장기이식은 이제는 보편화된 치료 방침으로 확고한 위치를 차지하게 되었다. 전세계적으로 1997년 한해동안 신장이식 25,649 예, 간장이식 7,189예, 췌장 단독이식 308 예, 췌장/신장복합이식 915 예, 심장이식 38,65 예, 폐장이식 1,207 예가 시행되었다고 한다. 면역학적인 거부반응의 예방 및 치료제의 발전도 괄목할 만하여, 핵산대사 길항제인 아자티오프런 (Azathioprine, Imuran)이 1961년부터, 항임파글로블린(Anti-lymphocyte globulin)이 1966년부터 사용되기 시작하였으며, 1970년대 말부터는 강력한 면역억제제인 사이크로스포린(Cyclosporine)이 개발되었고 1980년대 초부터는 단세포항체를 이용한 오케이티3(OKT3)라는 거부반응치료제가 개발되어 으며 최근에는 FK-506, MMF, Rafamycin등의 새로운 면역억제제가 임상에 적용되어 현재는 신장이식의 경우 1년 이식장기의 생존률이 85-

90%, 간장이식은 75-80% 정도로 훌륭한 장기이식 성공율을 나타내고 있다. 우리나라에서는 1969년 처음으로 가톨릭의과대학 이용각 교수팀에 의하여 신장이식이 시행된 이래 1977년까지 연간 10예 내외 정도가 시행되는 등 답보상태가 계속 되었으나 1977년 부분적인 의료보험이 시행되면서 시술 예수가 증가하기

시작하여 1984년에는 연간 80예가 시행되었다. 그러나 성공율이 60-70%에 불과하고 대중홍보의 미비등으로 인한 사회인식의 부족으로 어느 정도 한계상황에 도달하였으나 1984년에 강력한 면역억제제인 cyclosporine A가 국내에 도입되어 널리 사용되면서 성공율이 80% 내외로 향상 되고 외국에서 수련받은 전문인력이 늘어나면서 이식기관과 이식예가 동시에 급증하여 1990년대 이후부터 이식건수가 꾸준히 증가하였다.

상대적으로 적은 빈도를 보였던 뇌사자에 의한 장기이식건수도 1990년대이후 꾸준히 증가하여 1998년에는 전국적으로 162건의 뇌사자가 발생하여 점차 증가추세에 있으면서 2000년 2월부터 뇌사 및 장기에 관한 법률이 정식으로 발효되면 법적인 보장을 받게 되었다. 법률의 초반 정착단계에서 많은 시행착오와 엄격한 적용에 의하여 2000년 이후 뇌사자의 발생은 감소하였으나, 뇌사자당 장기이식건수는 증가하는 추세에 있으며, 점차 뇌사자의 발생도 증가추세에 있다.

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3. 조직적합성 항원(MHC)

동종이식에서의 거부반응이란 공여자(donor)에게 존재하는 조직적합 항원에 대한 수여자(recipient)의 면역반응을 말하며 모든 종류의 이식에서 관찰된다. 이러한 조직적합 항원은 현재 30 개 이상이 있는 것으로 알려져 있으며 항원의 종류에 따라서 면역반응(거부반응)의 강도와 발현시기에 차이를 보이는데, 주조직적합 항원계(major histocompatibility antigens)은 강력한 거부반응을 초래하는 반면 부조직적합항원계(minor histocompatibility antigen)은 상대적으로 약한 거부반응을 초래한다. 그러나 여러가지의 부조직적합항원계가 불일치하는 경우에는 강력한 거부반응이 초래되기도 한다. 장기이식에서는 2 개의 항원계가 조직적합성에 중요한 구실을 하게 되는데 그 중의 하나가 ABO 혈액형이다. 장기 공여자와 수여자(donor) 사이에는 일상의 수혈법칙에 따라 혈액형

이 일치되어야 한다. 즉 동일한 혈액형간의 이식이 가능하나 혈액형이 O 형인 경우에는 universal donor 인 경우로 어떠한 다른 혈액형 소지자에게도 이식이 가능하며 혈액형이 AB 형인 경우에는 universal recipient 인 경우로 어떠한 다른 혈액형 소지자로부터도 장기를 공여 받아 이식을 할 수 있다. 혈액형이 불일치한 경우 장기이식을 하게 되면 major mismatch 인 경우에는(예를 들어 A 형에서 B 형으로) hyperacute rejection 이 초래되고 minor mismatch (예를 들어 O 형에서 A 형으로)인 경우에는 hemolytic reaction 이 나타날 수도 있다(항상 나타나는 것은 아니다).

나머지 항원계는 주조직적합 항원계(Major Histocompatibility Complex, MHC)로써 사람에서는 HLA 계 (Human Leukocyte Antigen System)가 거기에 해당된다. HLA 는 조직 혹은 장기를 임의로 타인간에 이식할 때 조직에 있는 항원 분자가 숙주의 면역계에 non-self 로 인식되어 이식편이 거부되는 성질에 의하여 정의 되었으며, 인체의 제 6 번째 상염색체의 단지(short arm of 6th autosomal chromosome)에 존재하는 주조직적합 유전자 복합체(genetic loci)에 의하여 지배되는 유전자 산물이며 모든 유핵 세포표면에 존재한다(즉 gene level 의 조절에 의하여 생산되어 세포표면에 위치하는 물질이다). HLA 계는 1958년 다우세트(Dausset)의 업적으로 발견되었으며, 현재까지 HLA 내에 A,B,C,D,DR,DQ,DP 의 좌위(locus)가 규명되었으며 사람은 모두 각 좌위를 한쌍씩 소유하고 있으며 이는 멘델(Mendel)의 유전법칙에 따라 반은 부친, 나머지 반은 모친으로부터 물려받게 된다. 따라서 부모와 자식간에는 반드시 HLA 가 50% 같으며 형제간에는 똑같을 확률이 25%, 완전히 틀릴 확률이 25%, 반만 같을 확률이 50% 정도 된다고 할 수 있다.

조직적합항원의 임상적 의미 : 조직적합항원의 일치정도는 장기이식의 이식신 생존률과 급성거부반응의 발생빈도에 밀접한 영향을 미친다. 즉 조직적합항원이 일치할수록 이식신 생존률이 증가하며, 급성거부반응의 빈도도 감소한다. Tip ))

장기이식을 위한 HLA검사중 중요도 : DR > B

> A

장기이식별 HLA검사의 중요도

Kidney > Pancreas > Heart > Liver

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4. 거부반응

A. 이식후 발생하는 거부반응의 2 가지 양상 Host-versus-graft response = recipient’s response to foreign molecule Ex) graft rejection Graft-versus-host response = donor lymphocyte attacks the recipient’s organ Ex) Bone marrow transplantation B. 거부반응의 기전: 개괄

장기이식에서의 거부반응의 기전을 간단히 살펴보면 장기이식에 의하여 antigen 이 수여자에서 유입되면 수여자의 탐식세포(APC)가 제일 먼저 유입된 항원을 탐식하여 자체세포벽에 탐식된 항원을 발현시키며(Antigen processing & presentation) 동시에 이 탐식세포가 IL(Interleukin)-1 이라는 세포매개물질을 생성 분비함으로 보조 T 임파구(Helper T-lymphocyte)가 활성화되어 유입된 항원을 인지하게 된다. 인지한 보조 T 임파구 역시 세포자극물질인 IL-2 을 생산하게 되며 이에 의하여 세포독성 T 임파구(Cytotoxic T-lymphocyte)가 분화 증식되어 이식세포를 공격하여 파괴시키게 된다(cellular immune reaction). 한편 보조 T 임파구의 도움으로 B 임파구(B lymphocyte)도 자극이 되어 분화증식하면서 항체(면역글로블린)을 생산하게 되며 이에 의하여 항체-항원반응이 유도되어 체내의 보체(complement), 혈액응고(coagulation) 및 키닌(Kinin) 계통이 활성화되어 혈전 및 혈관폐쇄등을 야기시킨다(humoral immune reaction). 상기의 세포성 면역반응과 체액성 면역기전으로 말미암아 결국 이식장기내에 임파구 침윤, 혈관폐색 등이 나타나 임상적으로 이식장기는 부종이 심해지며 결국은 기능을 잃게 된다.

C. 거부반응의 과정 거부반응의 과정은 (1) Antigen processing and presentation by antigen presenting cell(APC), (2) Antigen recognition by T-cell via TCR complex, (3) Antigen recognition via costimulatory signals, (4) T-cell activation, (5) 활성화된 면역반응에 의한 이식장기의 손상(Effector mechanism)으로 나눌 수 있다.

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(1) Antigen processing and presentation Antigen 이 APC 표면에 발현되기 위하여서는 그 자체만으로는 가능하지 못하며 항상 MHC molecule 이 함께 발현되어야 한다. 이러한 발현과정은 antigen의 종류에 따라서 이에 관여하는 MHC molecule 에 차이를 보이고 있다. 일반적으로 virus 혹은 일부 bacteria infection 은 class I molecule 이, extracellular pathogen 이나 parasite 등은 class II molecule 이 관여하여 각각 cytotoxic(CD8+) T-cell 과 helper(CD4+) T-cell 에게 antigen을 제공해 주고 있다. 세포내 antigen 은 proteasome 에서 필요한 크기의 peptide 로 분해된 후에 endoplasmic reticulum(ER)으로 이동한다. 이러한 과정에서 TAP(transport associated with antigen

processing)이라고 불리는 운반체가 필요하며 이동된 peptide 는 ER 에서 만들어진 class I molecule 과 결합하여 세포표면으로 발현된다. 반면 class II molecule 은 세포밖에 위치한 antigen 을 섭취한 후 endosome 에서 필요한 크기로 대사된 antigen 과 결합하여 세포표면으로 발현된다. 즉 antigen 에 의한 면역반응(혹은 거부반응)은 그 종류에 따라서 각각 독립적인 과정을 거쳐서 APC 내에서 처리되어 APC 표면으로 발현되며 이러한 과정을 거친 항원만이 T-cell 과 반응할 수 있다. 이는 항원에 무조건적으로 일어나는 면역반응이 발생하지 않도록 하는 생체내의 보호기능이라 할 수 있다.

(2) Antigen recognition via TCR complex APC 에 의하여 표현된 Alloantigen 의 인지는 T-cell receptor(TCR)를 통하여 donor-derived peptide를 인지함으로써 시작된다. 이러한 peptide antigen 은 반드시 MHC molecule 과 동반되어야 T-cell 에 인지된다(MHC restriction). 즉 APC 표면에 발현된 peptide antigen 과 같이 발현되어 있는 MHC 가 수여자의 MHC 와 동일하거나 유사하여야만 peptide alloantigen 을 인지하기 시작한다. 따라서 동종이식후 발생하는 alloantigen 의 인지과정은 APC 가 공여자의 세포인가 아니면 수여자의 세포인가에 따라서 간접자극(indirect recognition) 혹은 직접자극(direct recognition)으로 나눈다. 공여자의 APC 표면에 발현된 공여자의 MHC+peptide alloantigen 이 직접적으로 수여자의 T-cell 에 의하여 인지되는 경우는

직접자극(direct recognition)으로 이 경우는 수여자의 MHC 가 공여자의 MHC 와 상당부분 일치하여 수여자의 MHC 를 변형된 자신(altered self)으로 인식하여야만 한다. 반대로 간접자극(direct recognition)은 이식장기로부터 유리된 alloantigen 이 수여자의 APC(passenger leukocytes = interstitial dendritic cells) 에 의하여 발현되어 수여자 MHC+peptide alloantigen 의 형태로 T-cell 에 인지되어 T-cell 이 자극되는 경우이다. 일반적으로 동종이식에서 초기 급성거부반응은 직접자극에 의해 진행되며 간접자극보다 강력한 거부반응을 초래하는 반면, 후기 급성거부반응은 간접자극에 더 큰 의미는 부여하고 있다.

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일단의 자극을 받은 T-cell 내에서는 여러가지 효소와 전사인자(trnscription factor)가 활성화되어 T-cell 이 활성화되며 활성화된 T-cell 은 여러가지 cytokine 을 분비함으로써 거부반응을 진행시킨다. 임상적으로 가장 널리 사용되는 면역억제제인 cyclosporine 은 이러한 과정중에서 활성화되는 clacineurin 의 작용을 억제함으로서 그 효과가 나타난다.

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(3) Antigen recognition via costimulatory signals T-cell 의 활성화에는 이미 설명한 TCR-MHC+peptide alloantigen 의 결합뿐만 아니라(일반적으로 이러한 신호체계를 제 1 신호체계, first signal이라한다) 보조분자(accessory molecule, cell-adhesion molecule)들의 접착(adhesion)도 중요한 역할을 한다. 이러한 보조분자에 의한 신호체계를 제 2 신호체계(secondary signal)이라 하는데 T-cell 의 완전한 활성화를 위하여서는 이상의 2 가지 신호체계가 모든 T-cell 에 전달되어야 한다(Dual signal theory). 즉 제 1 신호만으로 T-cell 이 “anergy”상태에 이르며, 제 2 신호만으로는 T-cell 을 활성화시킬 수가 없다.

이러한 co-stimulator signal 을 담당하는 T-cell 의 accessory molecule 로서는 CD28/CTLA-4 ( B7-1/B7-2 in

APC), CD2 ( LFA-3 in APC), LFA-1 ( ICAM-1 in APC)등이 있는데 이중 CD28/CTLA-4 가 가장 강력한 co-stimulator signal 이다. 현재 이러한 accessory molecule 에 대한 monoclonal antibody 로서 이식후 발생하는 거부반응을 막으려는 노력이 시도중에 있다. Abbreviation) LFA : lymphocyte functioned antigen, ICAM-1 : Intracellular adhesion molecule-1

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(4) Immune effector mechanism T-cell 이 활성화 되면 여러가지 면역반응은 이식된 장기를 공격하게 된다. 크게는 cell-mediated immunity(세포성 면역반응)과 antibody(humoral)-mediated immunity(체액성 면역반응)으로 나눌 수 있다.

면역반응의 중심역활을 하는 것은 helper-T-cell 로서 충분한 antigen 에 의하여 활성화된 helper T-cell 은 TH1과 TH2 로 세분되어 서로 면역반응을 견제하면서 진행시키는 역할을 한다. TH1 cell 은 IFNγ와 TNFβ를 분비하여 macrophage 를 활성화시켜 궁극적으로는 delayed type hypersensitivity(DTH)로 대표되는 지속적인 면역반응과 염증반응을 초래한다. 이는 cytotoxic T-cell 를 활성화시킴으로써 진행되는 cytotoxicity(혹은 cytolysis)와 더불어 이식된 장기의 거부반응 진행에 중심역활을 담당한다. 반면 TH2 cell 은 IL-4,5,6,10 를 분비하며 B-cell 를 활성화하여 강력한 항체반응을 진행시키며 이러한 항체반응은 coagulation system, complement system, Kallikrein system 을 활성화시켜 혈관내피세포(endothelium)의 손상을 초래하고, 출혈 및 혈관내 응고를 초래한다. 즉 활성화된 T-cell 은 cytokine 을 분비함으로서 다양한 형태의 면역반응을 초래한다. 이러한 거부반응은 이식된 장기의 모든 조직에서 일정하게 일어 난다기 보다는 이식된 장기의 특정조직을 목표(target cell)로 하여 발생되는데 miscrovasculature 의 혈관내피세포(vascular endothelium)과 renal tubule, pancreatic islets of Langerhans, cardiac myocyte 등이 대표적인 target cell 이다.

Induction and expression of immunity 1. Induction mechanism of rejection(Afferent Ar ) : Double Signal Theory : Most T-helper cell receptor(TCR) recognizes foreign antigen + self-class ll(MHC-restriction), that is first signal, and activated by IL-I which is produced by the APC, that is so called second signal. : T cell to B cell interaction 2. Expression of immunity(Efferent Arc ) : Cell-mediated tissue injury: cellular infiltration/CTL : Antigen/antibody mediated injury : Activation of coagulation system/ complement system/ Kallikrein system : Result from interactions of the above molecular cascade system : Vascular permeability 의 증가/ Membrane damage / Cellular chemotaxis : Vascular occlusion / Vascular spasm

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Function of cytokines

Cytokine Source Targets Effects

IL-1 macrophage T-cell B-cell Macrophage

Lymphocyte activation Macrophage stimulation Leukocyte/endothelial adhesion↑ Pyrexia, acute phase proteins

Il-2 T-cell T-cell T-cell proliferation/differentiation Tc cell activation Macrophage activation

IL-3 T-cell Stem cells Multilineage colony stimulating factor

IL-4 T-cell B-cell B-cell growth factors, isotype selection

IL-5 T-cell B-cell B-cell growth factors, IgA selection

IL-6 T-cell, B-cell macrophage

B-cell, Hepatocyte

B-cell growth factors, Induce acute phase protein

TNFα Macrophage Lymphocyte Mast cells

TNFβ T-cell

Macrophage Granulocyte Tissue cells

Activation of macrophage, granulocyte and cytotoxic cells Leukocyte/endothelial adhesion↑ Pyrexia, acute phase proteins Enhanced MHC class I production

IFNα leukocytes Tissue cells MHC class I induction Antiviral effect Stimulation of NK cells

IFNβ

IFNγ T-cell NK cell

Leukocytes Tissue cells Th2 cell

MHC class I and II induction Macrophage activation Leukocyte/endothelial adhesion↑

M-CSF Monocytes Proliferation of macrophage precursors G-CSF Macrophage Stimulation division and differentiation

GM-CSF T-cell macrophage

Stem cell Proliferation of granulocyte and macrophage precursors

5. 장기이식을 위하여 시행되는 면역학 검사들 (1) ABO blood typing 혈액형이 일치하지 않더라도 수혈가능한 혈액형 비일치군간(minor mismatch= compatable)의 이식은 가능하다. 수혈이 가능한 혈액형 비일치군의 이식성적은 혈액형 일치군과 비교하여 차이를 보이지 않고 있으며, 따라서 임상적으로 공여자 선정에 있어서 큰 차이를 두지 않고 있다. 수혈이 불가능한 공-수여자간의 이식은 술전 plasmapheresis 를 시행하면서 시도하고 있으나 아직은 실험적인 단계이다. (2) HLA typing

HLA typing 은 크게 혈청학적인 방법과 DNA-PCR 방법으로 나눌수 있는데 이는 표준화된 antiserum 에 대한 lymphocyte 에 반응정도로서 조직적합항원을 확인하는 방법이다. 혈청학적인 HLA typing 검사벙법으로 가장 기본적이고 보편적인 방법은 NIH standard 법이며, 현재 우리 병원은 Amos 법을 사용하고 있다. Amos 법은 modified NIH 방법으로 anti-complementary factors 를 제거하기 위하여 wash step 을 추가한 것으로 NIH 와는 약간의 차이가 있다. (3) Lymphocyte Cross matching (LCM) 목적 : 수여자의 serum 내의 공여자의 HLA-Ag 에 대한 Ab 존재 여부 확인 의미 : Hyperacute Rejection 여부를 미리 확인함. 방법 : 환자(수여자)의 serum + 공여자의 cell → cell destruction 여부 확인 if cell death>29%, positive cell death< 5% , negative Complement dependent cytotoxicity method 와 flow cytometry 법등으로 검사한다.

Lymphocytotoxicity 에 의한 crossmatching 의 type

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Modified NIH method T cell Johnson’s method : T cell 의 sensitivity 를 높이기 위해 extended

incubation time 한 것이다. Warm (37oC) B cell Cold (4oC) 임상적으로는 큰 의미가 없다.

일부 보고에서는 Cold B-cell antibody 는 blocking-antibody 로서 이식성적이 양호함을 보고하기도 한다.

(3) PRA (Panel Reactive Antibody)

수여자가 가지고 있는 HLA specific preexisting antibodies 의 양을 검사하는 방법 즉 일정기간내에 동일지역내에서 시행된 헌혈자의 lymphocyte panel 에 대하여 cross matching 을 시행하는 것으로 High PRA 일수록 cross match 에서 양성으로 나올 가능성이 많다는 것을 의미한다. 현재 우리나라에서는 시행되지 않고 있으나 cadaveric donor 가 대부분인 나라에서는 PRA 수치에 따라 수여자의 우선순위를 결정한다.

6. 거부반응

임상적으로 거부반응은 초급성거부반응, 급성거부반응 그리고 만성거부반응 등으로 나누어 진다. 이러한 명칭은 거부반응의 발생시기에 따른 분류라기 보다는 거부반응에 관여하는 면역반응의 종류에 따라서 이해하는 것이 좋을 것이다. 즉 이식후 1 년이상이 경과된 후에 발생하는 거부반응이더라도 거부반응의 관여하는 면역반응의 세포성 면역반응(cell-mediated immune reaction)이라면 이는 급성거부반응에 준하는 임상적 양상과 치료를 하여야 한다.

Rejection after renal transplantation Classification Hyperacute Acute Chronic Kinetics Very rapid onset,

Minutes to hours after Tx Rapid onset, usually early after Tx

Slow onset, usually late after Tx

Immunologic target

Vessel; large, small Parenchyme, small vessel

Vessel;large, intermediate Parenchyme

Immunologic response

Humoral Cellular >> Humoral Humoral > Cellular

Pathology Granulocytic infiltates, Vasculitis, hemorrhage

Interstital edema, Mononuclear mixed cell Inflammation

Sclerotic vascular change 2nd ischemic change Interstitial fibrosis

Treatment Graft nephrectomy Steroid pulse therapy Anti-lymphocyte antibody (OKT3, ALG, ATG)

no specific management Finally convert to dialysis or retransplantation

Tx: Transplantation

초급성 거부반응은 장기 이식 수술직후에 발생하는 것으로 장기이식의 혈관문합이 끝난 수분내지 수시간이내에 이식장기가 물렁물렁해지며, 국소빈혈과 부종이 나타나는 경우이다. 이는 주로 장기수여자의 혈청내에 이식세포에 대한 항체가 미리 형성되어 있어(presence of preformed antibody against donor cell) 거기에 따른 항체-항원 반응으로 나타나는 현상이며 이식장기 혈관내에 혈소판(platelet)과 다핵백혈구(polymorphonuclear leukocyte)침윤이 특징적이다. 초급성 거부반응의 치료는 불가능하므로 곧 이식장기를 적출하여야 한다. 이러한 초급성거부반응은 장기이식전에 임파구 교차반응검사(lymphocyte cross matching)과 ABO 혈액형검사를 실시하여 미리 대상자를 선별할 수 있어 현재는 예방이 가능하다. 급성거부반응은 장기이식 수여자에게 면역억제제를 투여하지 않는 한 가장 흔하게 일어나는 거부반응으로 대개 이식후 2 주 내지 3 개월 이내에 호발하게 된다. 여기에는 T 임파구를 중심으로 하는 세포성 면역반응이 주된 역활을 하고 체액성 면역반응이 보조역할을 하게 된다. 병리학적으로 활성화된 small lymphocyte 와 inflammatory cell 의 침윤이 광범위하게 발생하면서 조직내 부종을 초래한다. 이러한 급성거부반응은 속히 진단하면 치료가 가능한데 이는 현재의 모든 면역억제제가 세포성 면역반응을 조절하는 기능을 가지고 있기 때문으로 일반적으로 고단위 부신피질 호르몬(스테로이드 강타요법, steroid pulse therapy, methyprednisolone 500 mg/day for 4-5 days), OKT3(monclonal) 및 항임파글로블린 (ALG ro ATG)(polyclonal) 혹은 FK-506 rescue

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therapy 등을 사용하고 있으며 신장이식의 경우 80% 이상에서 급성거부반응의 치료가 가능하다.

만성거부반응은 동종 장기이식을 받고 면역억제 치료를 받고 있는 환자에서 대개 이식후 6 개월 후부터 수 년후까지 올 수 있는 거부반응으로 체액성 면역반응이 주된 역할을 하는 것으로 알려져 있으나 최근에는 이러한 면역반응이외도 비면역학적인 인자도 만성거부반응의 발생에 기여하는 것으로 알려져 있다. 즉 체액성 면역반응이외도 허혈/재순환 손상(ischemic and reperfusion injury), 거대세포 바이러스감염(CMV infection), 고혈압, 고지질증, 사구체의 과부하(hyperfiltration, mismaching of donor/recipient size in kidney transplantation)등의 비면역학적인 인자도 거부반응을 초래하는 것으로 보고되고 있다. 따라서 최근에는 만성거부반응이라는 용어보다는 만성이식장기 기능부전(chronic graft dysfunction)이라는 용어를 많이 사용하고 있다. 병리학적으로 보면 이식 장기내 혈관내막세포의 심한 증식과 비후로 혈관이 폐쇄(arteriosclerosis)되고 간질조직에도 섬유결체조직의 심한 증식과 섬유화가 나타나 허혈성 괴사(ischemic necrosis)를 일으켜 장기의 기능이 없어지게 된다. 현재까지 만성거부반응을 효과적으로 억제할 수 있는 약제는 개발된 바가 없다.

7.. 거부반응의 예방/치료

이식항원에 대한 면역반응 즉 거부반응의 해결이 장기이식의 가장 큰 난제로 이의 예방을 위하여 immunologic tolerance 를 유도할 수 있다면 제일 좋은 방법이 되겠으나 현실적으로 실용화된 바는 없다. 거부반응의 예방을 위하여 현실적으로 적용할 수 있는 방법으로는 (1) 이식전 공여자와 수여자간의 조직적합 항원을 일치거나, (2) 이식후 수여자에게 적절한 면역억제제를 투여하는 방법이 있다.

A. HLA matching effect 공수여자간의 조직적합항원의 일치가 이식장기의 생존률에 영향을 미침은 모든 조사에서 공통되게 보고되고 있는데 특히 HLA-identical 군의 성적은 다른 군과 비교하여 현격하게 우수한 생존률을 보이고 있는 것으로 보고되고 있다. 뇌사자를 이용한 신장이식에서도 조직적합항원의 일치정도와 이식신 생존률간에는 유의한 차이가 있음을 인정하고 있다.

B. Immunosuppressive agents 이식후 면역억제제는 다음의 3 가지의 용도로 사용한다. (1) 유도요법(Induction therapy): 이는 이식후 이식장기의 초기 acceptance 를 위하여 사용하는 것으로 많은 용량을 사용한다. (2) 유지요법(maintenance therapy) : 거부반응은 방지하면서 개체의 방어능력(defense mechanism) 은 유지하는 정도의 면역억제제를 투여한다. (3) 급성거부반응의 치료(reverse a rejection): 이미 시작된 거부반응을 치료하는 면역요법으로 짧은 기간중 집중치료를 시행한다.

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면역억제제의 사용은 여러가지의 면역억제제를 병합투여하는 것을 원칙으로 하고 있는데 이는 (1) 각각의 약제가 작용하는 기전이 다르며, (2) 약제의 병합이 상승효과를 가져오며, (3) 이에 따라서 각각의 약제의 용량을

줄일 수가 있기 때문이다. 일반적으로 (1) cyclosporine이나 FK-506 등의 IL-2 synthesis blocker, (2) steroid, (3) azathipurine 이나 MMF 와 같은 anti-metabolite 등을 유지요법(maintenance immunosuppressive agent)으로 많이 사용하며 (1) high dose steroid, (2) OKT3, ALG, ATG등의 항림프구항체(anti-lymphocyte antibody), (3) FK-506 이나 MMF 구제요법(rescue therapy)등으로 급성거부반응의 치료에 이용되고 있다.

Immunosuppressive Agents Mechanism Agents

Inhibition of Antigen processing, Presentation and reception

Corticosteroid, 15-DS (Deoxyspergualin), Anti-lymphocyte antibodies - monoclonal : OKT3 polyclonal : ATG, ALG

Lymphokine synthesis inhibitors Cyclosporine, FK-506(Tacrolimus), Antisense Oligonucleotides

Cytokine signal transduction Inhibitors

Sirolimus (Rapamycin), Leflunomide(HWA 486), IL-2 receptor antagonist

Nucleoside synthesis inhibitors Azathioprine, Mycophenolic acid(MMF, RS-61443)

Cf) Undelying medication : currently clinical use 현재 다음과 같은 면역억제제가 임상적으로 많이 사용되고 있다. (1) AZA and Mycophenolate mofetil(MMF, Cellcept) : 아자티오프린은 세포분열에 중요한 핵산(DNA 와 RNA)의 합성을 억제함으로 거부반응에 관여하는 세포들의 증식을 억제하여 면역억제기능을 나타내게 된다. 이 약제는 비특이성의 면역억제제로 골수기능 저하(Bone marrow suppression) 및 감염증의 위험이 다른 약제에 비해 심하여 현재는 대부분 사이크로스포린과 겸용하는 요법(triple therapy, cyclosporine+steroid+azathiopurine)으로 사용되고 있다. (2) Steroid : 스테로이드는 항염증반응(anti-inflammatory reaction)은 물론 macrophage 등의 APC 의 활성화 및 조직적항항

원의 발현(expression)을 억제함으로서 전반적인 면역기능을 억제하는 것으로 알려져 있다. 스테로이드는 적은 용량(prednisolone 10~15 mg/day)으로 유지면역억제제(maintain immunosuppression)로 사용하기도 하지만, 다량으로 사용할 경우 (methyprednisolone 500 mg x 3~4 days) 급성거부반응의 치료에 큰 효과가 있다. 스테로이드의 잘 알려진 부작용은 창상치유의 지연, 감염의 유발, 소화성 궤양, 월상안(moon face), 대퇴골두 괴사 및 고혈압등을 들 수 있다. 1980 년대 중반이후 이러한 스테로이드를 제외한 면역억제요법이 시도되기도 하였으나 높은 실패률(30~55%)로 현재는 모든 기관에서 시도되지는 않고 있다. 그러나 과거에 비해 유지용량은 많이 감소하는 추세에 있으며 1980 년대 중반이후에는 새로운 부신피질 호르몬제제로 상대적으로 적은 부작용을 보이는 Deflazacort 가 일부환자에게서 대체되어 사용중에 있다. (3) CsA(cyclosporin, cyclosporine, Sandimmun Neoral ) and FK-506(Tacrolimus, Prograf ) : 1970 년대 후반에 개발되어 사용되기 시작한 사이크로스포린(Cyclosporine)은 기존의 면역억제제와는 달리 선택적으로 보조 임파구를 억제하여 세포증식에 필수적인 Interleukin-2 의 생성을 억제 감소시키므로 비특이적인

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신체 방어기전에 손상없이 강력한 면역억제기능을 나타낸다. 1980 년대의 각종이식성적이 괄목할 만하게 상승된 이유는 바로 사이크로스포린의 임상적용에 기인했다고 할 수 있다. FK-506 는 사이크로스포린과 같은 작용기전을 가지며 1980 년대부터 사용되기 시작하고 있다. 사이크로스포린과 FK-506 의 면역억제능력은 비슷한 것으로 알려져 있으나 현재로서는 간이식에서는 상대적으로 FK-506 의 사용빈도가 증가하고 있다. 사이크로스포린과 FK-506 은 생체흡수률(bioavailability)이 개인간 혹은 개인내에서의 변화가 심하며 따라서 혈중 농도를 측정하면서 약을 투여 하여야 한다. 사이크로스포린과 FK-506 의 부작용은 비슷하여 신독성, 손발의 떨림(tremor)등의 신경독성, 당뇨유발능력, 치은증식(gum hyperplasia), 고지질혈증(Hypercholesterolemia), 다모증, 고뇨산혈증, 등의 부작용도 나타날 수 있다. (4) ALG/OKT3/ATG(Atgam) : 1966 년 미국의 스타즐(Starzl)교수에 의하여 처음으로 사용되기 시작한 항림파구항체(anti-lymphocyte globulin, ALG)은 숙주의 임파구에 면역된 동물의 혈청을 분리 수확한 것으로써 장기이식환자에게 주사하면 세포면역억제효과가 뚜렷하게 나타나 현재까지도 널리 사용되고 있으나, 단점으로는 치료중 급성과민증(anaphylaxis), 빈혈, 혈소판감소증 등의 부작용이 나타난다고 알려져 있으며, 한번 사용한 경우에는 체내에 항림프구항체에 대한 항체가 발생하여 더 이상의 주사가 불가능하다. 항임파글로블(ALG)의 단점을 보완한 monoclonal antibody제제인 OKT3 라는 생물학적인 제제가 1980 년대초 새로이 개발되어 거부반응 치료에 상당한 진전을 이루었다. 특히 OKT3 는 스테로이드 치료에 반응을 하지 않는 거부반응의 치료에 큰 효과를 발휘하였으며 1990 년대 들어서는 보다 정제된 polyclonal antibody 제제인 ATG(anti-thymocyte globulin, ATGAM)가 개발되어 ALG 나 OKT3 와 더불어 활발히 사용되고 있다. 이러한 항림프구 항체들은 초기 급성거부반응 치료성공률을 향상시킴으로서 초기 이식장기 생존률 향상에 기여한 바가 크다. (5) New immunosuppressive agents : 사이크로스포린이 개발된 이후 많은 새로운 면역억제제가 개발되었으며 이 중 현재 임상적으로 이용되고 있는 것은 사이크로스포린과 같은 면역억제제 기능을 가지는 FK-506(1980 년 중반)과 azathiopurine 과 같이 purine analogs 인 MMF(1990 년대 초반), blocking of signal transduction 의 역할을 하는 rapamycin(1990 년대 중반), Interleukin-2 수용체 항체(Interleukin 2 receptor antibody)(1990 년대 후반)등이 있다. 현재 선택적인 면역억제제의 개발을 위하여 면역반응의 각 과정에 작용하는 monoclonal antibody 를 개발중에 있는데 TCR/CD3 complex, accessory molecule(anti-CD2, anti-CD4, anti-LFA-1, anti-ICAM-1), IL-2 receptor 등이 주요 target 이 되고 있다. ** 면역억제제의 부작용

면역억제제가 나타낼 수 있는 약효는 (1) immunosuppressive effect(ISE), (2) non-immunodeficient

W

toxicity(NIT), (3) immunodeficient toxicity(IDT)로 구분할 수가 있다. 대부분의 면역억제제의 약효나 부작용은 dose-dependent 하여 유효농도(potency)와 독성을 나타내는 농도간의 관계를 충분히 살펴보아야 한다. 이러한 특성으로 면역억제제의 치료범주(therapeutic window)가 매우 적으며 따라서 면역억제제를 투여중인 환자에 대하여서는 합병증내지는 독성발생여부를 지속적으로 관찰하여야 한다.

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면역억제요법으로 발생할 수 있는 공통적인 합병증은 감염증(infection)과 악성종양(malignancy)이다. 이러한 감염과 악성종양은 특정한 면역억제제에 의한 합병증이라기 보다는 장기 수여자에게 가해진 전체 면역억제정도(recipient’s net state of immunosuppression)에 의하여 결정된다. 전체 면역억제정도는 여러가지 인자를 고려하여 측정할 수 있는데 (1) 이미 투여된 면역억제제의 양, 투여기간 및 순서, (2) leukocytopenia 여부, (3) 이물질, 손상된 조직등 수술적인 합병증의 병발여부, (4) metabolic abnormality 즉 hyperurecemia, hyperglycemia 혹은 malnutrition 의 동반여부, (5) 면역기능에 장애를 초래할 수 있는 감염(CMV, EBV, HBV, HCV, HIV)의 동반여부등을 열거할 수 있다. 분명한 것은 이런 모든 인자중 면역억제제의 투여정도가 가장 중요하다고 할 수 있다.

Common Side Effects of Immunosuppression 1. Infection 2. Malignancy

atypical infection virus : CMV, HSV, HCV, VZV, EBV, HIV fungus : cryptococcus, candidiasis mycobacteria : atypical M. etc. : pneumocystis carinii community-acquired infection respiratory : influenza, RSV, adenovirus enteric bacterial : nontyphoidal salmonella

Virus origin cancer Hematologic : PTLD(post-transplant lymphoproliferative disorder) lymphoma skin cancer Urogenital : Cervix cancer Bladder cancer Etc. : Karposi’s sarcoma

Drug specific side effects Cyclosporine

(Sandimmun) Prednisone Azathioprine OKT3 ALG/ATG(Atgam)

Fever, chill

fever, chill pancytopenia serum sickness anaphylaxis

Nephrotoxicity Hypertension Hyperkalemia Tremor Hirsutism Seizure Hypercholesterolemia Hyperuricemia Hepatotoxicity

Weight gain Cushingoid stigmata Cataracts Easy bruising Avascular necrosis of bone mood swings osteoporosis

Neutropenia Anemia Thrombocytopenia? hepatotoxicity

PTLD (post-transplant lymphoproliferative disease, lymphoma)

FK-506 (Prograft)

Deflazacort (Calcort)

Mycophenolic acid (MMF, Cellcept))

Rapamycin (Sirolimus)

Similar complication with CsA

Milder complication than p-l

G-I trouble (abdominal pain, vomiting, diarrhea)Infection risk ↑ Relative contraindicated for pediatric/pregnant women

Cytopenia(thrombocytopenia, granulocytopenia, anemia) Hyperlipidemia Rare nephrotoxicity