병리학적 세포 손상의 정의와 원인 그리고 가역적 및 비가역적 세포 손상

세포에 가해진 자극이 세포의 적응 능력을 벗어나거나 세포가 유해 자극에 노출될 때에는 세포 손상을 일으키게 됩니다. 우리 인체를 구성하는 가장 기본 단위인 세포의 손상 정의와 원인에 대해 알아보고 가역적인 세포 손상과 비가역적인 세포 손상의 병리학적 소견에 대해 알아보겠습니다.

세포 손상

세포 손상의 정의

세포 손상이란 세포의 구조나 기능이 손상되는 것을 의미합니다. 이는 다양한 이유로 발생할 수 있으며 외부의 물리적, 화학적 또는 생물학적 요인으로 인해 세포 내부 구성 요소가 손상되는 것을 의미합니다. 세포손상은 세포 생존과 기능을 손상시킬 수 있으며, 더 심각한 경우에는 세포 사멸로 이어질 수도 있습니다. 세포 손상은 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. 먼저, 물리적 손상이란 외부 충격, 압력, 열 등에 의해 세포 구조가 파괴되거나 변형되는 것을 말합니다. 화학적 손상이란 독성 물질이나 화학 물질에 의해 세포 내 화학반응이 파괴되거나 손상되는 것을 말한다. 또한, 생물학적 손상이란 세균, 기생충, 바이러스등의 병원체에 의한 감염으로 인해 세포가 손상되는 것을 말합니다. 이러한 생물학적 요인은 세포의 대사 활동을 방해하거나 세포 자체를 손상시키는 특성을 가지고 있습니다. 세포 손상은 세포 자체뿐만 아니라 전체 조직과 기관에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 다양한 질병을 일으키는 세포 손상은 염증반응, 면역반응, 조직손상으로 이어질 수 있습니다. 따라서 세포손상이란 세포의 적응력 한계를 초과한 자극으로 인해 세포의 구조나 기능이 손상되는 상태를 말하며, 이는 세포의 기능에만 영향을 미치는 것이 아니라 외부의 물리적, 화학적, 생물학적 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 그 자체뿐만 아니라 세포의 기능에도 영향을 미칩니다. 세포자체뿐만 아니라 조직과 기관에도 영향을 미칠 수 있는 내용도 포함됩니다.

세포 손상의 원인

세포 손상을 일으키는 첫 번째 원인은 산소결핍입니다. 저산소증은 세포 손상의 가장 흔하고 중요한 원인입니다. 세포에 산소 공급이 감소하거나 중단되면 산화적 인산화가 억제되어 세포 손상이 일어나게 됩니다. 허혈이 산소 결핍의 가장 흔한 원인이 되지만 단순한 저산소증과 달리 산소의 공급뿐 아니라 포도당 등 대사성 기질도 공급되지 않기 때문에 저산소증에 빠진 조직보다 더 빠르고 심한 손상을 일으킵니다. 저산소증은 산소 결핍의 정도, 세포의 적응 정도에 따라 세포에 가역적 손상을 일으키거나 세포사를 일으킵니다. 예를 들어 대퇴동맥이 좁아지면 다리의 근육세포가 위축됩니다. 즉 세포의 대사 요구량과 산소 공급 사이에 평형이 이루어진 것입니다. 그러나 저산소증이 더 심해지면 세포는 손상을 일으키고 결국 죽게 됩니다. 그 밖에 심폐 기능 상실이나 혈액 내 산소 분압의 감소, 빈혈 또는 일산화탄소 중독 때문에 산소 운반 능력이 감소되어도 산소 결핍 현상이 일어나게 됩니다. 산소 결핍은 아니지만 세포 호흡에 필요한 포도당이 부족한 저혈당 상태라든가 산화적 인산화에 연관되는 효소의 활성이 억제되는 시안화물 중독에서도 산소 결핍 때와 비슷한 손상을 볼 수 있습니다. 두 번째 원인은 화학물질과 약물입니다. 소금과 같은 단순한 화합물도 생리적 농도를 벗어나면 수분과 전해질의 평형의 깨뜨려 손상을 일으킬 수 있고 산소도 고농도에서는 강한 독성을 나타내기 때문입니다. 환경이나 대기 오염 물질, 살충제, 제초제, 일산화탄소나 석면 등 산업 재해 산물, 기호품 그리고 각종 치료약제 등도 세포 손상을 일으킬 수 있습니다. 세 번째 원인은 영양 불균형이 있습니다. 영양 결핍은 과거에는 세포 손상의 주요 원인이었으며 아직도 생활 수준이 낮은 나라에서는 단백질-칼로리 부족으로 죽는 사람이 많습니다. 생활 수준이 높은 나라에서도 특정 비타민의 결핍을 볼 수 있습니다. 영양결핍뿐만 아니라 영양과잉도 세포 손상을 일으키며 칼로리, 탄수화물 및 지방의 과다 섭취는 죽상동맥경화증이나 비만을 일으키고 이들은 고혈압 및 심장병과 밀접한 관계가 있습니다. 네 번째 원인은 감염성 요인과 면역 반응이 있습니다. 바이러스나 세균, 진균 등이 속하며 이런 여러 가지 생물학적 인자로 인해 세포가 면역 또는 염증 반응을 일으켜 화학적 매개물질 등과 접촉하면 여러 형태의 손상을 받게 됩니다. 마지막으로 유전 장애가 있습니다. 유전 장애는 다운 증후군에서처럼 눈으로 볼 수 있는 결함부터 혈색소를 구성하는 아미노산 1개의 변이로 발생하는 낫적혈구빈혈과 같은 미세 결함까지, 다양한 손상을 일으킬 수 있습니다. 선천성 대사 장애는 DNA의 미세결함으로 생기는 세포 손상의 예입니다.

가역적 세포 손상

가역적 세포 손상이란 세포에 주어진 자극이 적응 상태를 넘으면 세포 손상이 일어나는데 상해를 일으키는 자극이 가볍고 지속시간이 짧을 때 자극이 소멸되면 세포가 가역적으로 상해 이전의 상태로 돌아가서 안정상태가 될 수 있습니다. 이 경우를 가역적 세포 손상이라고 합니다. 가역적 세포 손상의 결과로 인해 세포의 형태는 변화하게 되는데, 세포종창과 지방변화가 대표적인 예에 속합니다.

 

세포 종창은 과도한 물이나 체액이 세포 내에 축적되어 세포 크기가 커지는 상태입니다. 이는 세포 내 화학적 불균형이나 오작동으로 인해 발생할 수 있습니다. 세포 부종은 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 가장 흔한 원인 중 하나는 세포 수분 조절 메커니즘의 이상입니다. 일반적으로 세포막은 물을 조절하여 세포 내부와 외부의 수분 농도 차이를 유지합니다. 그러나 세포막 기능 장애나 세포 내액 이동장애로 인해 세포 내에 과도한 수분이 축적되면 세포 부종이 발생할 수 있습니다. 또 다른 원인은 세포 내 이온 농도의 불균형이나 세포 내 체액 이동 장애입니다. 세포 부종은 세포 내 이온 농도가 불균형하거나 세포막의 전기적 균형이 깨졌을 때 발생할 수 있습니다. 또한, 세포 내 체액의 이동 장애는 체액이 세포 밖으로 원활하게 배출되지 못하여 체액이 세포 내부에 축적된다는 것을 의미합니다. 세포가 손상되면 손상된 세포막을 통해 세포 외 물이 세포 안으로 유입되어 장기의 크기와 무게가 증가하게 됩니다. 현미경으로 보면 세포가 커지고, 염색하면 세포질의 수분이 증가하여 투명도가 높아집니다. 이러한 변화를 수분 변태라고 합니다. 세포 내에 물이 계속 축적되면 부종이 악화되고 세포질 내에 작은 액포가 형성됩니다. 이는 공포화라고도 알려져 있습니다. 바이러스성 간염, 저칼륨혈증 및 기타 원인으로 인해 세포 부종은 주로 근위세뇨관 상피세포 및 간세포에서 발생합니다.

 

지방의 변화는 세포 내 지방이나 중성지방의 축적으로 인해 발생하며, 저산소증이나 다양한 독소에 의한 자극으로 인해 발생합니다. 지방증은 간, 신장, 골격근, 심근세포에서 발생하며 알코올, 화학 물질, 영양 결핍, 빈혈 및 심부전으로 인해 발생합니다. 세포 내 지방 변화는 세포 내에 지방이 과도하게 축적되는 것을 의미합니다. 이러한 지방 변화는 지방 대사 또는 세포 내 조절 메커니즘의 이상으로 인해 발생할 수 있습니다. 세포 내부에는 지방을 저장하는 구조인 지방 저장소가 있습니다. 정상적인 상황에서 지방 저장은 필요할 때 지방을 분해하여 에너지로 사용하거나 다른 조직에 공급합니다. 그러나 지방 대사나 조절 메커니즘이 비정상인 경우 과도한 지방이 세포 내에 축적됩니다. 지방증은 간, 신장, 골격근, 심근세포에서 발생하며 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 가장 흔한 원인은 음주, 빈혈, 영양 결핍, 과도한 에너지 섭취, 운동 부족 등입니다. 칼로리를 너무 많이 섭취하거나 식이 지방을 너무 많이 섭취하면 세포 내에 지방이 축적될 수 있습니다. 또한, 운동부족은 에너지 소모가 부족하여 소화가 되지 않은 채 지방이 쌓이는 원인이 될 수 있습니다. 다른 원인으로는 대사 또는 호르몬 이상 등이 있습니다. 대사 이상은 세포 내 지방 대사 과정의 이상을 의미합니다. 이로 인해 지방 분해 또는 지방 생성 과정에 이상이 생겨 세포 내에 지방이 축적될 수 있습니다. 호르몬의 이상은 각종 호르몬의 분비나 작용의 이상을 초래하여 지방대사에 영향을 미칠 수 있습니다.

비가역적 세포손상

세포에 작용하는 자극이 장시간 지속되거나 강한 자극이 주어질 때 세포는 자극이 중단되어도 기능이 정지되어 원래대로 회복하지 못하고 죽게 되어 비가역적인 세포 손상이라고 합니다. 이것을 세포의 죽음 즉 세포사라 하며 괴사와 세포자멸사가 있습니다. 먼저 괴사란 생체 내에서 세포나 조직의 용해 또는 분해를 말합니다. 괴사의 형태학적 변화는 단백질 변성과 효소 소화로 인해 발생합니다. 이러한 유형의 괴사의 특징은 많은 세포가 죽는 것입니다. 괴사의 다른 결과로는 기관 및 조직 기능의 붕괴, 세포 내 효소의 방출, 염증 반응의 시작 등이 있습니다. 괴사의 종류에는 응고 괴사, 액화 괴사, 카세인 괴사, 지방 괴사, 괴저 괴사가 있습니다. 응고 괴사는 심근경색이나 신장경색, 허혈, 저산소증 또는 수은중독 시 신장 단백질의 변성으로 인해 발생하는 괴사의 한 형태입니다. 액화괴사는 백혈구에 있는 가수분해효소의 작용으로 발생하며, 세균과 백혈구의 효소작용에 의해 주변 세포나 조직이 액화되어 고름을 형성하는 괴사의 한 형태입니다. 증례 괴사는 육아종의 중앙 부분에서 나타나는 특징적인 괴사로, 결핵에서 나타나는 병변이며 액화괴사가 특징입니다. 지방 괴사란 지방분해효소에 의해 지방조직이 괴사 되는 것을 말하며 급성췌장염에서 가장 흔하게 나타납니다. 마지막으로, 괴저성 괴사는 사지와 하지에 흔하며 혈액 공급의 중단이 혐기성 감염과 겹칠 때 발생합니다. 두 번째 비가역적인 세포 손상인 세포자멸사는 정상적인 세포의 재생과 소실과정에서 능동적으로 일어나는 세포사를 말하며 세포의 수를 조절하여 조직손상과 세포 증식을 억제시킬 수 있습니다. 세포자멸사 과정의 순서는 핵 염색질의 농축, 핵과 세포질의 분절된 후 자멸사의 세포나 대식세포에 의해 탐식되며 소멸합니다.