Recent Advances in Research for Endolymph Homeostasis

Lee, Jun Ho

Review

Genetics

Korean Journal of Audiology 2004;8(1):3-6.

Recent Advances in Research for Endolymph Homeostasis

Jun Ho Lee

Department of Otolaryngology, Seoul National University College of Medicine, Boramae Hospital, Seoul, Korea

내림프액 항상성 조절의 최근 연구

이준호

서울대학교 의과대학 보라매병원 이비인후과학교실

교신저자：이준호, 156-707 서울 동작구 보라매길 31-1
전화) (02) 840-2412, 전송) (02) 831-2826, E-mail：jlee@brm.co.kr

서 론

항상성(homeostasis)이란 광범위하게 정의하면, 기관, 다세포체제, 하나의 세포에서 생존과 유지를 위하여 내적 환경의 안정성을 유지하게 하는 일련의 생리학적 반응의 총체라고 정의될 수 있다. 와우에서는 직접적으로 청력에 관여하는 코르티기관의 활동을 유지하게 하는 많은 종류의 기전이 있다. 내이액 항상성 조절은 최근에 많은 연구가 진행되었으며, 그 중에서 과거부터 논란이 되어 왔던 몇 가지 개념들을 중심으로 소개하고자 한다. 소개되는 개념들은 최근 들어 명확한 증거가 제시되면서, 정리되어 인정되고 있으며, 각종 논문들에서 앞 다투어 인용되고 있음을 밝혀둔다.

혈관조(stria vascularis) 변연세포(marginal cell)에서의 K+ 분비기전

내이액(endolymph)는 신체에서 유일하게 K⁺이 150 mM인 비정상적인 외세포액(extracellular fluid) 구성을 가지고 있고, K⁺은 청각세포(hair cell)에서 sensory transduction이 일어날 때에 주된 charge carrier로서의 역할을 한다.¹⁾ Na⁺에 비해 K⁺이 선택된 이유는 세포내에는 K⁺이 가장 많은 이온이어서, 청각세포로 흡수된 K⁺이 세포내 조성의 변화를 가장 적게 가져올 것이라는 점과, 에너지 소모 측면에서 생각해봐도 K⁺은 electrochemical gradient을 따라서 세포내로 들어온다는 점을 들 수 있다.¹⁾²⁾ 이러한 내이액 조성을 가능케 하는 장소는 혈관조(stria vascularis)의 변연세포(mar-ginal cell)임이 잘 알려져 왔다.³⁾ 하지만, 그 분비기전에 대해서는 1970년대부터 연구가 되어 왔음에도 불구하고 1990년대 중반에 와서야 변연세포의 cellular apparatus, 즉 K⁺을 내림프 쪽으로 분비하기 위한 여러 이온통로가 밝혀지면서 전반적인 이해가 되고있다(Fig. 1).¹⁾ 그 기전은 K⁺이 basolateral membrane에 있는 Na, K-ATPase와 Na, 2Cl, K cotransporter에 의해 변연세포로 들어오며, apical membrane에 있는 KCNQ1/KCNE1 K⁺ channel(1990년대 말까지 IsK/KvLQT1 혹은 IsK K⁺ channel로 명명되었으나, 최근에는 gene name으로 명명되고 있음)에 의해 수동적으로 내림프로 분비된다. 세포내로 들어온 Na⁺, Cl^-는 Na, K-ATPase와 basolateral Cl^- channel에 의해 각각 재순환된다. 이러한 기전은 에너지 절약형으로 설계된 것으로 잘 알려져 있는데, 그 이유는 하나의 ATP가 Na, K-ATPase에 의해 hydrolysis될 때마다 5개의 K⁺이 분비될 수 있다는 점이다. vestibular dark cell에서도 같은 기전으로 K⁺을 공급하고 있음이 잘 알려져 있다.⁴⁾

내이전압(Endocochlear potential, EP)의 발생기전

Two-pump model, single-pump model와 two-cell model 등이 제안되어 왔다. 그 중에서 현재의 개념과 가장 가까운 설명이었던 것이 two-cell model⁵⁾인데, 이 학설에서 최초에 주장된 내용은 혈관조의 basal cell의 inner membrane에 있는 K⁺ conductance, 혹은 basal cell이 intermediate cell과 gap junction으로 연결되어 있기 때문에 EP 발생의 경계를 intermediate cell로도 볼 수 있다는 개념을 담고 있다. EP 발생의 경계가 변연세포라는 과거의 두 학설은 현재로서는 인정되고 있지 않다. 풍부한 증거를 바탕으로 결론적으로 혈관조의 intermediate cell의 KCNJ10 K⁺ chan-nel(Kir4.1=Inward-rectifier K⁺ channel 4.1)이 EP 발생의 장소라고 할 수 있다(Fig. 1).⁶⁾ 변연세포의 역할은 EP 발생에 전혀 관계가 없지는 않다. 변연세포는 basolateral membrane의 K⁺ uptake를 통해서 Intrastrial space의 K⁺ 농도를 극히 낮게 유지시킴으로서 간접적으로 EP 발생에 관계한다. 결국, EP의 정체는 intrastrial space에서의 intermediate cell에서의 K⁺ diffusion potential로 표현된다. 여러 정황적 증거들을 나열할 수 있으나, 그 중 결정적인 근거는 KCNJ10 knockout mice에서 와우의 경우에는 EP가 0에 가깝게 떨어졌으며, K⁺ 농도는 50% 정도만 감소되었고, 전정기관에서는 utricular potential이 정상과 같은 수치인 0에 가까운 수치였으며, utricular K⁺도 정상을 유지하고 있다는 점이다. 전정기관은 원래 EP가 없는데, 그 이유는 vestibular dark cell 밑에는 혈관조에는 존재하는 intermediate cell, basal cell layer가 없다는 소견과 일치한다. 따라서, KCNJ10 K⁺ channel은 EP 발생에는 필수불가결하며, 변연세포에서의 K⁺ 분비 측면에서는 부분적으로는 관여되어 있지만, 절대적이지는 않고 이 외에 다른 통로가 K⁺ recycling에 관여되어 있다는 것이 현재 정설로 되어 있다.

와우내 존재하는 Purinergic receptor의 역할

Purinergic receptor는 P1 receptor와 P2 receptor로 크게 구분된다. P1 receptor는 Adenosine에 반응하여 여러 biologic response를 보이는 수용체로 정의될 수 있으며, P2 receptor는 P2X receptor와 P2Y receptor로 구분된다. 전자는 ATP 등 agonist에 반응하여 10 ms 정도의 시간후에 1가의 양이온 (Na⁺, K⁺)과 Ca²⁺이 통과하게 하는 nonselective cation channel로 정의된다. 후자는 ATP 등 agonist에 반응하여 200~300 ms 정도 후에 세포내 이차전령체계를 거쳐서 여러 biologic response를 보이는 수용체이다. 현재 포유류에서 5개의 P2X receptor subtype과 8개의 P2Y receptor subtype(최근들어 3개가 추가되었음)이 알려져 있다.⁷⁾⁸⁾⁹⁾
이러한 subtype 중에서 P2X₂ receptor가 endolymphatic duct을 둘러싸고 있는 세포들에서 광범의하게 발견되었고,¹⁰⁾ 예외적으로 혈관조에서는 P2Y₄ receptor가 존재함을 알고 있다.¹¹⁾ 이러한 분포가 와우에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 생각되고 있는데, 여러 증거를 바탕으로 와우에서 크게 분류했을 때, 다음과 같은 extracellular ATP의 4가지 정도의 역할이 인정되고 있다.¹²⁾

청세포의 stereocilia에 있는 P2X₂ receptor의 역할
Receptor가 활성화되면 K⁺이 유입되고, 세포는 탈분극되는데, 이 과정은 원래 정상청력감응과정에서 거쳐야 할 단계를 거치지 않는 bypass로서(청세포에는 stretch-activated nonselective cantion channel이 있어서 이 이온통로를 통해 청력감응이 시작된다), 이러한 bypass가 정상통로를 통한 감응의 senstivity를 떨어뜨린다는 설명이다. 즉, noise exposure 등의 자극으로 변연세포, 혹은 코르티기관에서 분비된 ATP가 작용되면 청세포 level에서도 shunt pathway가 작용되어 hearing sensitivity를 떨어뜨려 청각기능을 보호하는 역할을 한다는 주장이 설득력을 얻고 있다. 아래에 기술되는 작용들도 이러한 관점에서 초점이 맞추어져 있다는 점을 참고하면 된다.

Micromechanics의 변화를 통한 조절
외유모세포의 stereocilia에는 P2Y receptor가 같이 존재하며, 지지세포인 Deiters' cell에서는 P2X₂ receptor가 존재하여 외유모세포의 electromotility를 조절한다는 설명이다.

광범위하게 분포된 Purinergic receptor를 통한 EP 조절
혈관조 변연세포 apical membrane에 분포된 P2Y₄ receptor에 의해 변연세포에서의 K⁺ 분비가 감소되며, Reissner's membrane, Outer sulcus cell 등에 분포된 P2X₂ receptor에 의해서 shunt pathway가 작용한다. 이러한 일련의 작용들은 모두 내림프내에 K⁺ 농도를 감소시키고 EP도 감소하여, hearing sensitivity에 변화를 가져오게 된다는 설명이다.

Auditory neurotransmitter로서의 역할
P2X₂ receptor가 내유모세포-type Ⅰ SGN synapse와 외유모세포-type Ⅱ SGN synapse에 존재하며, 쥐의 type Ⅰ SGN의 절반정도에서 P2X₂ receptor가 발현되어 있어서 전통적으로 auditory neurotransmitter라고 생각되어 왔던 glutamate 이외에 ATP가 추가적인 신경전달물질로 존재하는 것으로 생각되어지고 있다.
상피세포에서의 ATP분비와 그것에 의해 자기가 다시 조절을 받는 autocrine function은 이미 여러 biologic system에서 알려진 사실이며, 기본적으로 분비되는 양이 있으며, 어떤 자극에 의해서 더 증가할 수 있다는 것이 공통된 의견이다. 실제로 Munoz가 측정한 와우내 ATP 농도는 7.4 nM이었고, 과도한 소리자극에 의해서 두배정도 상승하는 것으로 보고하였다.¹³⁾ 그런데, 문제는 이 측정은 bulk phase에 측정된 값이기 때문에 실제 순간적인 local concentration을 반영하지 못 할 가능성이 있다. 실제로 in vitro 측정한 ATP response에 대한 EC50는 uM range였다.¹¹⁾¹⁴⁾¹⁵⁾ 기본적인 'ATP tonic secretion'이 있으면서, 이것이 와우내 미세이온 조성을 조절함으로써 다양한 소리자극 정도에 대해 청세포가 활동할 수 있는 가장 적절한 이온환경을 만들어 주는 것으로(항상성 유지) 저자는 생각하고 있다.

내림프 longitudinal flow 개념의 변화

Endolymph flow에는 longitudinal flow와 radial flow가 있다는 전통적인 개념이 Washington university의 Dr. Salt에 의해서 변화되고 있다.¹⁶⁾ 그의 최근의 website에 근거하여 결론적으로 말하면(http://oto.wustl.edu/cochlea/res1.htm), 정상상태에서는 내림프내의 K⁺ turnover rate를 설명할 정도의 longitudinal flow는 존재하지 않으며, 따라서 정상적으로 longitudinal flow가 존재하며 어떤 원인에 의해서 내림프낭 (endolymphatic sac)에서의 흡수부전으로 메니에르병이 생길 수 있다는 학설은 부적절하다고 주장하고 있다. 그러나, perilymphatic fistula 등 병적인 상태에서는 longitudinal flow가 생겨날 수도 있고, 이러한 점에 대해서 연구가 진행중인 것으로 되어 있다.¹⁷⁾¹⁸⁾ 이러한 개념들은 제시된 데이터가 워낙 신빙성이 있어서 최근의 관련 논문들에서 신빙성 있는 자료로 자주 인용되고 있음을 밝혀둔다.

REFERENCES

Wangemann P. K⁺ cycling and the endocochlear potential. Hear Res 2002;165:1-9.
Wangemann P. K⁺ cycling and its regulation in the cochlea and the vestibular labyrinth. Audiol NeuroOtol 2002;7:199-205.
Shen ZJ, Marcus DC, Sunose H, Chiba T, Wangemann P. I-sK channel in strial marginal cells-Voltage-dependence, ion-selectivity, inhibition by 293B and sensitivity to clofilium. Audit Neurosci 1997;3:215-30.
Wangemann P. Comparison of Ion-Transport Mechanisms Between Vestibular Dark Cells and Strial Marginal Cells. Hear Res 1995;90:149-57.
Salt AN, DeMott J. Longitudinal endolymph flow associated with acute volume increase in the guinea pig cochlea. Hear Res 1997;107:29-40.
Marcus DC, Wu T, Wangemann P, Kofuji P. KCNJ10 (Kir 4.1) potassium channel knockout abolishes endocochlear potential. Am Jl Physiol 2002;282:C403-C407.
Communi D, Gonzalez NS, Detheux M, Brezillon S, Lannoy V, Parmentier M. Identification of a novel human ADP receptor coupled to G(i). J Biol Chem 2001;276:41479-85.
North RA, Surprenant A. Pharmacology of cloned P2X receptors. Annu Rev Pharmacol Toxicol 2000;40:563-80.
Ziganshin AU, Ziganshina LE, Burnstock G. P2 receptors: Theoretical background for the use in clinical practice. Bulletin of Experimental Biology and Medicine 2002;134:313-17.
Housley GD, Kanjhan R, Raybould NP, Greenwood D, Salih SG, Jarlebark L. Expression of the P2X(2) receptor subunit of the ATP-gated ion channel in the cochlea: implications for sound transduction and auditory neurotransmission. J Neurosci 1999;19:8377-88.
Marcus DC, Liu JZ, Tang YT, Scofield MA. Purinergic receptors of P2Y4 subtype regulate K secretion in the inner ear. FASEB 1999;13:A134.
Housley GD, Thorne PR. Purinergic signalling: an experimental perspective. J Auton Nerv Syst 2000;81:139-45.
Munoz DJ, Kendrick IS, Rassam M, Thorne PR. Vesicular storage of adenosine triphosphate in the guinea-pig cochlear lateral wall and concentrations of ATP in the endolymph during sound exposure and hypoxia. Acta Otolaryngol 2001;121:10-15.
Lee JH, Chiba T, Marcus DC. P2X2 receptor mediates stimulation of parasensory cation absorption by cochlear outer sulcus cells and vestibular transitional cells. J Neurosci 2001;21:9168-74.
Marcus DC, Scofield MA. Apical P2Y4 purinergic receptor controls K⁺ secretion by vestibular dark cell epithelium. Am J Physiol Cell Physiol 2001;281:C282-C289.
Salt AN. Regulation of endolymphatic fluid volume. Vestibular Labyrinth in Health and Disease 2001;942:306-12.
Salt AN, Demott JE. Longitudinal endolymph movements induced by perilymphatic injections. Hear Res 1998;123:137-47.
Salt AN, Demott JE. Longitudinal endolymph movements and endocochlear potential changes induced by stimulation at infrasonic frequencies. Journal of the Acoustical Society of America 1999;106:847-56.