I. 들어가는 말

  당뇨병은 말기신부전증의 가장 주요한 원인으로 꼽힌다. 2011년을 기준으로 미국의 전체 말기신부전증 환자 중 당뇨병으로 기인된 비율이 50%를 넘었고, 우리나라도 47.1%에 이르는 것으로 나타났으며 이러한 비율은 지속적인 증가세를 보이고 있다[1,2]. 하지만 이러한 증가세에도 불구하고 제1형과 제2형 당뇨병 환자 전체 중 20-40%에서만 당뇨병성 신증이 발병하는 것으로 보아 이 질환의 발생과 진행에 유전적인 혹은 환경적인 요인이 분명히 작용하고 있는 것으로 생각할 수 있다. 따라서 이 질환의 예방과 치료를 위하여 발생 원인인자 또는 예측인자와 이들의 조절기전을 규명하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재까지 당뇨병성 신증의 발생과 진행에 대한 많은 연구가 이루어져 이해의 폭이 넓혀져 온 것은 사실이나 아직도 뚜렷한 원인 인자와 예측인자 및 조절기전을 규명하는데 있어 그 성과에 한계가 있어왔다. 그 이유 중의 하나가 바로 사람에게 발생하는 당뇨병성 신증을 동일하게 재현할 수 있는 신뢰할 만한 동물모델이 거의 없다는 것이다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 2001년 미국 NIH에서는 당뇨병 합병증 동물모델 컨소시움(Animal Model of Diabetic Complications Consortium, AMDCC)을 구성하여 당뇨병 합병증 동물모델을 개발하고 그 특성을 분석하여 데이터베이스화 하는 작업을 해오고 있다. 이러한 노력들을 통하여 사람에게 발생하는 당뇨병성 신증의 특성과 보다 유사한 동물모델이 개발되고 있으며 향후 이러한 동물모델은 당뇨병성 신장질환의 원인과 예측인자 규명을 통한 예방과 치료법 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
  본 글에서는 현재 당뇨병성 신증 연구에 많이 이용되고 있거나 유용하게 이용될 수 있는 동물들에 대한 연구동향과 각 동물모델 별 장점과 단점을 비롯한 특징을 간략히 소개하고자 한다.


II. 몸 말


  최근 30여년동안 신장질환 연구에 이용된 동물의 수를 종별로 살펴보면 마우스(mouse)가 랫트(rat)나 토끼에 비해 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다(Figure 1)[3]. 이는 마우스가 상대적으로 소동물이기 때문에 경제적인 면이나 사육시설의 면적 측면에서 장점이 있기 때문이기도 하지만 이 기간 동안 특정 유전자를 삽입하거나 제거하는 기술이 마우스에서 일반화된 것도 주요한 원인일 것으로 생각된다. 실제로 AMDCC에서 개발되어 특성 분석이 완료되었거나 개발되는 동물모델의 종도 전부 마우스임을 알 수 있다. 하지만 랫트의 경우 마우스에 비해 스트렙토조토신(Streptozotocin, STZ)에 의한 당뇨병 유발이 더 잘 일어나고 상대적으로 수술이 용이하다는 점, 반복적인 분석에 필요한 RNA나 단백질 등 시료를 충분히 확보할 수 있다는 점 등이 마우스와 비교할 때 장점으로 꼽혀 당뇨병성 신증 연구에 여전히 많이 이용되고 있는 종이다.

당뇨병의 유발
  실험동물에 당뇨병을 유발하는 방법 중 가장 일반적인 방법은 스트렙토조토신(STZ)을 처리하는 것이다. STZ를 투여한 동물은 인슐린을 분비하는 췌장의 베타세포가 파괴됨으로써 당뇨병이 발생하는 모델로 사람에서의 제1형 당뇨병과 유사한 증상을 보이는 것으로 잘 알려져 있다. STZ는 그 투여량에 따라 비특이적인 부작용이 나타날 수 있고 강한 독성으로 인하여 개체의 사망까지 유발할 수 있다. 이러한 문제들을 최소화하기 위해서 상대적으로 저용량을 투여하거나 다양한 유전적인 접근법을 적용한 모델들을 함께 이용하고 있다. 이러한 동물에는 인슐린 유전자에 돌연변이가 생긴 Akita 마우스나 칼슘결합단백질인 칼모듈린(calmodulin)을 과발현하는 형질전환 마우스 OVE26 등이 있다. 이 동물들은 인슐린의 분비를 막거나 기능을 손상시키는 것으로 제1형 당뇨병에 해당한다고 할 수 있다. 반면 제2형 당뇨병 모델은 db/db나 ob/ob 마우스가 주로 이용된다. db/db 마우스는 식이와 에너지 항상성에 중요한 역할을 하는 호르몬인 렙틴의 수용체를 생산하는 유전자에 돌연변이가 있는 계통이고, ob/ob 마우스는 렙틴 자체 유전자에 돌연변이가 있는 계통으로 렙틴 신호전달에 문제가 생겨 비만과 당뇨병이 발생한다. 따라서 이 두 계통은 비만과 당뇨병을 포함한 다양한 대사질환 연구에 많이 이용되고 있다[4]. 그러나 이 두 동물모델은 그 자체로는 신장질환 증상이 약하게 일어나기 때문에 추가적으로 유전자를 조작한 동물모델들이 개발되고 있는데, 이를 포함하여 각각의 동물들에 대한 장단점 및 특징은 뒤에 상세히 기술하고자 한다.

당뇨병성 신장질환 동물모델의 평가기준
  앞서 언급한 동물들을 포함한 당뇨병성 신증 동물모델들은 거의 다 고혈당과 함께 신장의 기능과 형태학적인 이상소견을 보이는데, 기능이상으로는 단백뇨를, 형태학적 이상으로는 사구체 기저막의 비후화화 사구체간질(mesangium)의 확장을 들 수 있다. 그러나 이러한 특징들은 사람의 당뇨병성 신증의 초기와는 유사하지만, 신장질환이 잘 발생하지 않는 설치류의 특성상 기능적으로 사구체 여과율의 감소와 형태학적으로 결절성사구체경화증 같은 진행된 당뇨병성 신증(advanced diabetic nephropathy)으로까지 진행하는 경우는 드물다. AMDCC에서는 이러한 문제를 해결하고자 동물의 증상을 평가할 수 있는 기준과 표준화된 실험법을 제시하고 있다. 우선 사구체여과율, 알부민뇨 그리고 사구체간질의 조직학적인 병변을 기준으로 평가하되 질환이 더 진행된 상태를 추가적인 조직학적 형태를 관찰하여 평가한다(Table 1)[5]. 그러나 현재로서는 이 기준들을 모두 만족하는 동물은 없어 아직은 이를 당뇨병성 신증 모델의 필요조건 이라기보다는 최종 목표로 보는 것이 타당하다고 생각된다.

당뇨병성 신장질환 동물모델
  STZ 단독 투여모델은 제 1형 당뇨병 모델로 가장 많이 이용되는 것은 STZ를 투여한 마우스 또는 랫트이다. 이 동물에서는 글루코스와 구조가 유사한 STZ가 췌장 베타세포의 사멸을 유도하고 인슐린 분비가 이루어지지 않아 제1형 당뇨병과 유사한 증상을 보인다. 이와 함께 당뇨병성 신증의 조직학적 소견도 볼 수가 있는데 Sprague Dawley 랫트의 경우 STZ를 단일 투여하고 8주가 지나면 사구체간질의 확장 등의 형태학적 이상을 관찰할 수 있다(Figure 2).
  STZ에 대한 반응은 마우스보다는 랫트에서 보다 잘 나타나는 것으로 알려져 있어 두 종간의 투여량과 투여기간에 차이가 있으며, 개체 간 반응의 차이가 좀 심한 편이어서 많은 연구자들이 약물 투여 후 혈당이 충분히 오르지 않는 개체는 실험군에서 제외하여야 한다. 이러한 단점에도 불구하고 질환 유발 시간이나 경제적 측면에서 가장 효용성이 높아 현재까지 당뇨병성 신증 모델로서 가장 많이 사용되고 있다.
  db/db 마우스는 렙틴수용체에 돌연변이가 생겨 지방세포에서 분비하는 호르몬인 렙틴의 신호전달이 일어나지 않아 비만과 제2형 당뇨병이 발생하는 동물모델이다. 이 동물에서 신장의 기능이 중점적으로 연구되었는데 인간의 당뇨병성 신장질환 초기(제1기-제3기)와 유사한 특성을 보인다[6].
  이 동물이 보이는 당뇨병성 신장질환의 주요 증상은 알부민뇨, 사구체낭 족세포의 사멸, 사구체간질의 확장 등이다. 이 중 사구체간질의 확장은 상대적으로 느리게 나타나는데 보통 반년 이상이 되어야 완전하게 볼 수 있다. 또한 일반적으로 사구체간질의 용해(mesangiolysis) 또는 결절성사구체경화증으로 진행되지 않는다. 따라서 이 모델은 신증 발생 기간이 오래 소요되어 경제적 효용성 측면에서도 적합하지 않으며 그 증상의 정도도 심하지 않아 사람의 당뇨병성 신장질환의 초기변화를 연구하는 데에는 훌륭한 모델이 될 수 있으나 진행된 말기 신부전 모델로는 적절하지 않다.
  여기서 한 가지 주의할 점은 db/db 마우스의 유전적인 바탕이 되는 계통(background genetic strain)이 무엇이냐에 따라서 신장의 병변 정도가 다르게 나타난다는 것인데 예를 들어 DBA/2 계통과 교잡종인 C57BL/6 KS의 경우에 C57BL/6 계통에 비해 신장손상이 더 잘 일어나는 것으로 알려져 있다.
  ob/ob 마우스는 렙틴 유전자에 돌연변이가 생겨 비만과 제2형 당뇨병이 발생하는 동물모델이다. 신장의 구조와 기능 손상이 약하게 일어나는 것으로 보고되었으나 db/db 마우스와 같은 이유로 현재 신장질환 연구에서는 추가적인 유전자 조작 없이 그 자체로는 잘 사용되지 않는 종이다.
  OVE26 마우스는 이 동물은 췌장 베타세포에서 칼슘 결합단백질인 칼모듈린을 과발현 시키도록 유전자를 조작한 마우스이다. 그 결과 칼슘이 제 역할을 하지 못해서 인슐린 분비가 이루어지지 않아 제1형 당뇨병이 발생한다. OVE26 마우스는 당뇨병으로 인해 세뇨간질 섬유화가 조기에 유도되는 계통인 FVB 마우스를 유전적 바탕으로 개발되었는데 이 때문에 알부민뇨, 사구체간질의 기질이 매우 높은 수준으로 증가하고 사구체염이 폭넓게 나타나며 족세포 수의 감소와 약한 정도의 세뇨간질 섬유화를 볼 수 있다. 또한 진행된 당뇨병성 신증에서 관찰되는 결절성사구체경화 병변이 나타난다. 따라서 진행된 형태의 말기 신부전 모델로 db/db에 비해서 적합하다. 그러나 이러한 병변은 C57BL/6 또는 DBA/2 계통에서는 동일한 유전자 조작을 하더라도 약하게 나타난다는 단점이 있다[7].
  Akita 마우스는 인슐린 유전자(Ins2)에 돌연변이가 생겨서 인슐린의 정상적인 3차 구조 형성이 이루어지지 않고 따라서 췌장베타세포로부터 인슐린이 분비되지 않아 결국 제1형 당뇨병이 생기는 모델이다. C57BL/6 계통에서 만들어진 Akita 마우스의 경우 보통 수준의 알부민뇨와 사구체간질 기질 증가, 기저막 비후화가 나타나는 것으로 알려져 있다. 또한 당뇨병성 신증 초기에 족세포의 사멸이 현저하게 나타난다[7].
  이 동물모델 또한 어떠한 계통을 바탕으로 개발되느냐에 따라 그 특성이 약간씩 차이를 보인다. 예를 들어 C57B/6, DBA/2 그리고 129/SvEv 계통을 바탕으로 이 유전자 조작을 할 경우 혈당수치는 계통간에 서로 유사한 수준이지만 DBA/2 마우스는 다른 두 계통보다 알부민뇨 수치가 더 높고, 다른 두 계통은 사구체간질 기질의 증가가 더 심하다. 그러나 현재까지 진행된 사람의 신부전증의 구조적인 특징인 사구체간질의 용해 또는 결절성사구체경화증을 보이는 Akita 마우스는 보고된 바 없다.
  이 모델을 이용할 때 한가지 유의해야할 사항은 사구체내 IgA의 침착을 보인다는 것인데 이는 사람의 신장질환에서 사구체병변의 주요 원인이기 때문인데 이것이 당뇨병이 원인인지 사구체간질에서의 이상면역반응인지 구분하기 어려워 결과 해석에 문제를 야기할 수 있다는 것이다.
  eNOS 결핍 마우스의 산화질소(Nitric Oxide, NO)는 혈관 저항(vascular tone)을 조절하는데 중요한 물질이며 혈관 내에 NO가 부족할 경우 혈압의 상승과 함께 여러 가지 혈관질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 따라서 당뇨병으로 인한 미세혈관질환의 하나인 당뇨병성 신증 또한 이 NO의 결핍과 관련이 있는데 이 NO를 혈관에서 생성하는 효소가 바로 내피세포 산화질소 합성효소(Endothelial NO synthase, eNOS)이다.
  당뇨병성 신증 동물모델 개발의 주요 발전 중의 하나가 db/db 마우스에 이 eNOS 유전자를 제거하여 사람의 신장질환과 보다 유사한 동물모델을 만든 것이다. eNOS-/-/db/db 마우스는 제2형 당뇨병, 비만 뿐만 아니라 고혈압, 알부민뇨, 사구체간질의 확장, 사구체간질 용해의 소견을 보인다[7]. 이러한 특징들 때문에 이 모델은 진행된 당뇨병성 신증의 특징으로 발전하는 얼마 안되는 모델 중 하나이고 이 질환의 진행을 연구하는데 매우 유용한 도구로 잠재적인 유용성을 갖고 있다. 그러나 이 모델은 두 가지 유전자를 동시에 제거(double knock-out)하기 때문에 한배 새끼의 마리 수가 적고 키우기가 매우 어렵다는 단점이 있다.
  eNOS 마우스의 또 다른 모델은 C57BL/6 계통을 유전적 바탕으로 가진 eNOS-/-에 STZ를 투여하여 제1형 당뇨병을 유발한 것이다. 원래 C57BL/6 계통이 당뇨병성 신장질환이 잘 일어나지 않는 특성을 지녔음에도 불구하고 이 종에서 eNOS를 제거하면 고혈압, 알부민뇨, 사구체간질 기질의 증가, 사구체간질의 용해, 사구체간질 내 결절형성과 같은 진행된 당뇨병성 신증 소견을 보이는 것으로 보고되었다. 따라서 eNOS-/-/db/db와 마찬가지로 진행된 당뇨병성 신증의 기전을 연구하는데 중요한 모델이 될 수 있다. 그러나 투여하는 STZ의 용량에 따라 변이가 크다는 단점이 있고 고용량으로 투여할 경우 치사율이 높고 저용량을 투여하였을 때는 신장 병변이 약하게 나타난다는 보고가 있었다[7].
  eNOS 결핍 마우스는 이 외에도 여러 단점이 존재하지만 현재까지 당뇨병성 신증 동물모델로 가장 최적의 모델로 꼽히고 있다.
  BTBR ob/ob 마우스는 췌장 베타세포의 증식과 혈중 인슐린 농도가 증가함과 동시에 혈당 수치가 350-400mg/dl 수준을 나타내는 인슐린 저항성을 보인다. 신장조직은 8주령까지 초기에 족세포가 소실되고, 10주가 되면 사구체간질의 확장이 일어나며, 18주까지는 서서히 단백뇨의 증가를 보이는, 사람의 당뇨병성 신증의 초기증상을 보인다. 시간이 더 경과하면 단백뇨가 현저하게 증가하고, 사구체간질의 확장 심화, 사구체간질 용해, 지속적인 족세포 소실, 기저막 비후 등의 소견을 보이고 보통정도의 세뇨간질의 섬유화 등 진행된 당뇨병성 신증의 증상을 관찰 할 수 있다[7].
  이 동물모델의 가장 큰 장점은 진행된 당뇨병성 신증으로, 상대적으로 빨리 진행되어 이 질환의 병변을 완화시킬 수 있는 방법을 실험하는데 용이하다는 것이다. 또한 이 동물모델만의 특징은 렙틴 투여에 의한 당뇨병성 신증의 치료연구에 적합하다는 것인데 렙틴 수용체가 결여된 동물과 달리 렙틴이 결여된 동물에서 렙틴을 외부로부터 투여하였을 때 신장질환이 가역적으로 치료되는 기전을 연구하는데 매우 유용하다.

당뇨병성 신장질환 랫트 모델
  일반적으로 랫트는 마우스에 비해 STZ에 의한 당뇨병 효과가 더 잘 나타나는 것으로 알려져 있고 몇몇 제2형 당뇨병이 있는 랫트 모델은 신장손상도 보이고 있다.
  Zucker Diabetic Fatty (ZDF) 랫트는 렙틴 수용체 유전자에 돌연변이를 갖고 있고 고혈당 소견을 보인다. 이 동물은 22주령이 될 때까지 점진적으로 알부민뇨가 나타나며 사구체염과 함께 사구체 여과율이 감소하는 것으로 알려져 있다.
  Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty (OLETF) 랫트와 Goto Kakizaki (GK) 랫트는 제2형 당뇨병 모델동물로 알부민뇨, 사구체염, 세뇨관간질 섬유화가 보고되었다. 그러나 질환이 발병하기까지의 시간이 상대적으로 길어(1년 이상) 실질적으로 연구에 응용하기 어려운 점이 있다.



Ⅲ. 맺음말


  당뇨병성 신증 극복을 위한 연구 전략을 수립하는데 있어 지금까지 개발된 동물모델의 특성을 보다 잘 이해하고 연구목적에 최대한 부합하는 동물을 선정하는 것은 매우 중요한 일이라 생각된다. 따라서 본 글에서는 현재 당뇨병성 신증 연구에 많이 이용되는 설치류 동물모델과 각각에 대한 특징, 장단점을 살펴보았다(Table 2). 당뇨병을 유발시킨 설치류는 대부분 사람의 당뇨병성 신증을 어느 정도는 재현할 수 있다. 그러나 재현의 범위가 사람의 당뇨병성 신증의 증상 중에 초기에 한정될 수밖에 없으며 아직까지 초기와 말기 모두를 재현할 수 있는 모델은 많지 않다. 현재로서는 eNOS-/-, OVE26 FVB, BTBR ob/ob 마우스 정도가 진행된 당뇨병성 신증과 유사한 특징을 보이는 가장 최적의 모델로 여겨지고 있다[8]. 근본적인 종의 특성상 사람의 신장질환에서 관찰되는 병변을 모두 재현해내는 것은 분명히 쉽지 않은 일이라 생각된다. 특히 말기 신부전으로 이어지는 신부전증의 진행에 있어서는 더욱 그렇다. 그러나 향후 다양한 종간 교배와 유전자조작 기술을 이용한 새로운 동물모델의 개발은 결국 사람의 당뇨병성 신증과 가장 유사한 동물을 만드는데 기여할 것이다. 또한 당뇨병 환자를 대상으로 신장질환의 발병 유무로 그룹을 나누어 유전체, 단백체, 대사체 등을 분석하여 발굴된 지표를 역으로 동물모델 개발에 적용함으로써 당뇨병성 신증 발생의 예방 및 치료기술개발 연구에 보다 유용한 동물모델을 생산할 수도 있을 것으로 기대된다.



Ⅳ. 참고문헌


1. US Renal Data System. USR. 2013. 2013 Annual Data Report: Atlas of chronic kidney disase in the United States, National Institute of Health, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Disease.
2. 만성신부전 등록사업위원회, 대한신장학회. Current renal renal replacement therapy in Korea. 대한신장학회. http://www.ksn.or.kr
3. Gavin J. Becker and Tim D.Hewitson. 2013. Animal models of chronic kidney diseas: useful but not perfect. Nephrol Dial Transplant. 28:2432-2438.
4. Tamadher Alghamdi and Andrew Advani. Animal and cell culture models in diabetic nephropathy. Diapedia.
http://www.diapedia.org
5. Animal models of diabetic complications consortium. 2009. Mouse models of diabetic nephropathy. J Am Soc Nephrol. 20:2503-2512
6. Maria Jose Soler, Marta Riera and Daniel Batlle. 2012. New experimental models of diabetic nephropathy in mice models type 2 diabetes: Efforts to replicate human nephropathy. Experimental Diabetes Research. 616-313
7. Charles E.Alpers and Kelly L. Hudkins. 2011. Mouse models of diabetic nephropathy. Curr Opin Nephrol Hypertens. 20(3):278-284.
8. Schlondorff D. 2010. Choosing the right mouse model for diabetic nephropathy. Kidney Int. 77:749-750