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임신 전 생활습관 위험인자인 알코올섭취에 따른 어미 쥐 췌장베타세포 기능 및 태아발달 저하 관련 생리분자학적 변화
  • 작성일2014-11-06
  • 최종수정일2014-11-10
  • 담당부서감염병감시과
  • 연락처043-719-7166
임신 전 생활습관 위험인자인 알코올섭취에 따른
어미 쥐 췌장베타세포 기능 및 태아발달 저하 관련 생리분자학적 변화
Physiological and Molecular Effects of Pre-pregnancy Alcohol Consumption on
Maternal Pancreatic β-cell Dysfunction and Abnormal Development of Fetus in Mice

질병관리본부 국립보건연구원 생명의과학센터 대사영양질환과
김지연, 김규희, 김원호
Abstract

Background: Alcohol drinking during pregnancy poses serious health risks to the unborn child such as prematurity, low or high birth weight, fetal death, and fetal alcohol syndrome. However, the effects of maternal ethanol consumption before pregnancy on the abnormal development of fetus and the association with the impaired glucose tolerance of mother are not fully understood.
Methodology: 6 week C57BL/6J female mice were fed with 5% ethanol-containing liquid diet for 2 weeks before pregnancy.
Results: Pregnancy or fertility rates were decreased in ethanol-fed mice, correlated with the delaying of eye formation and the formation of defective toe. Also, birth weight in postnatal (P0) of ethanol-fed mice was higher than that of pair-fed mice, but thereafter, in P14 and P21, growth retardation appeared in the littermate of ethanol-fed mice. Correlatively, the expression of genes related to maternal β-cell dysfunction was changed. Especially, the levels of secreted plasma serotonin and the expression of its receptors were shown significant changes, which were predominantly regulated by ethanol metabolism pathway.
Conclusion: Our results suggest that ethanol consumption before pregnancy is a major causing factor for the detrimental fetus development via maternal metabolic disorders including pancreatic ß-cell dysfunction and apoptosis.


I. 들어가는 말


  최근 우리사회는 지속되는 저출산 현상으로 인한 출생아 수의 감소와 더불어 저체중아·조산아·선천성 기형의 출산은 계속적으로 증가하고 있는 추세이다. 저출산의 원인으로는 여러 가지가 있겠으나 난임율이나 불임율의 증가도 원인중의 하나로 보인다. 2011년 건강보험심사평가원의 자료에 따르면 불임의 증가율이 2006년에 비해 2010년에는 24.5%가 증가했음을 보고하였다. 여성의 불임이 남성에 비해 4.3배 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 여성에 불임 원인은 정확히 알려져 있지 않으나 여성들의 고령임신의 증가와 스트레스, 과도한 체중조절, 비만, 음주, 흡연 등이 그 원인으로 추정되고 있다[3]. 저체중아·조산아·선천성 기형아의 가장 중요한 출산 원인으로 고령출산이 지목되고 있다. 이는 산모 연령이 출산결과의 중요한 결정요인임을 시사한다. 그러나 지난 10년 동안 우리나라 저체중아 및 조산아 출산의 비율변화 양상을 조사한 결과, 산모의 연령보다는 전반적인 출산건강의 악화에 더 큰 영향을 받은 것으로 나타났다. 출산건강은 임신뿐 만 아니라, 임신 이전의 여러 요인들 즉, 산모의 건강상태, 간염, 풍진 및 질병, 식생활, 영양상태, 음주와 흡연, 약물 등의 위험인자에 노출과 스트레스, 과로 등의 요인들이 영향을 미쳐 나타나는 종합적인 결과이다[1]. 또한, 낮아지는 출산율에 대한 사회학적 접근 연구가 매우 활발하게 진행되고 있음에도 불구하고 아직까지 효율적이고 구체적인 예방대책이 나오지 않고 있는 실정이다.

한편, 우리나라 사회진출 여성들의 음주 경험률이나 음주 빈도 및 섭취량이 크게 증가하는 추세로 나타났다. 특히 가임기 여성에서의 음주는 여성호르몬인 에스트로겐의 분비를 촉진시켜 유즙생산 호르몬인 프로락틴의 생산을 증가시켜 마치 임신을 하지 않은 여성이 임신을 한 것으로 인지를 하여 생리 배란불순 등을 야기함으로써 불임 또는 난임을 유발하는 것으로 알려져 있다. 임신 중 임산부가 알코올을 복용하면, 직접적으로 태아의 뇌에 축적되어 두뇌발달에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 출산 후에도 정신지체아 및 학습 지진아가 될 확률이 높으며, 운동기능의 발육부진도 있을 수 있다. 최근 미국과 유럽에서 보고된 태아알코올 증후군에 관한 역학연구에 의하면 학령기 아동 중 1,000명 당 7명 정도가 태아 알코올 증후군으로 밝혀졌다. 태아 알코올 증후군은 임신부의 음주에 의해서 태아에서 발생하는 가장 극단적인 결과로 대표적 증후군은 정신지체, 안면이상, 그리고 성장장애 등이 있다[2].

출산 결과의 악화가 출산 연령의 변화보다는 전반적인 출산건강의 악화에 더 큰 영향을 받은 것으로 나타난 지난 10년 동안 한국의 저체중아 및 조산아 출산 비율 변화양상은 출산 결과의 증진을 위해서는 산모 연령 이외의 다른 영향 요인들에 대한 이해가 필수적이라는 것을 보여준다.
따라서 가임기 여성들에서 고령임신과 더불어 생활습관에 따른 음주섭취로 인한 임신 및 산모와 태아의 건강에 미칠 수 있는 위험성에 대한 구체적인 근거를 생산하는 연구가 매우 중요하다. 특히 임신 이전 여러 위험들에 노출된 경우 여러 기능이상 등의 문제점들이 나타날 수 있음에도 불구하고 가임기 여성의 불임 또는 난임의 주요 위험인자인 고령임신 및 음주습관에 따른 문제점 및 폐해를 밝힐 수 있는 구체적인 연구가 진행되어 있지 않고, 정확한 조절인자 및 제어를 위한 기반연구 조차 거의 없는 실정이다.

이에 본 연구는 임신 전 알코올 섭취 모델을 구축하여 임신능력 및 태아발달(fetal programming)이나 산모의 건강에 미치는 주요 유전적 조절인자를 찾고, 대사기능이상을 발생시키는 원인을 밝히는 것과 조절예방 기술개발을 위한 기초자료로 활용하고자 연구를 수행하였다.

II. 몸 말

최근 저출산 고령화 사회로 접어들면서 여러 만성질환 발생률이 급격히 증가하는 추세에 있고 특히 출산률 저하에 따른 생산인구의 급격한 감소는 심각한 사회적 문제를 야기하고 있다. 그러나 대부분의 연구가 임신 중 여성의 음주 효과에 대해 집중되어 있어 임신 중 태아발달이나 모체 건강에 영향을 미치는 연구는 잘되어 있는 편이나 최근들어 증가하고 있는 불임률과 난임율이 사회적 문제로 대두되기 시작하면서 임신 전 가임기여성들이 노출되는 환경 위험인자들에 대한 관심이 높아지고 있다.

본 연구는 저출산의 주요한 원인인 불임 및 난임의 주요 원인을 밝히기 위해 여성의 임신 전 음주가 산모 및 태아의 건강에 미치는 영향을 조사하고, 이로 인해 발생되는 대사기능저하에 관련된 주요 조절인자의 발굴 및 메카니즘을 연구하여 향후 예방 및 치료기술 개발 연구에 활용하고자 하였다. 우선, 임신 및 태아 발달에 영향을 미치는 주요 위험인자로서 임신 전 음주섭취 모델을 구축하여 임신 단계별 태아발달 및 모체대사 기능이상 여부를 확인하고자 하였다(Figure 1).

Figure 1에서 보는 바와 같이 C57BL/6J 5주령의 어린 마우스(10대 후반-20대 초반 해당)를 1주 동안 실험 조건에서 적응을 시킨 후, 6주째부터 단백질 18%, 지방 35%와 함께 탄수화물이 47%가 든 대조군 액상식이(Lieber-Decarli regular liquid diet, Dyets) (Pair-fed)와 47% 탄수화물 대신에 11% 탄수화물 및 36% 에탄올이 함유된 에탄올 식이(EtOH-fed)를 마우스에 2주 동안 섭취하게 하였다. 이때 매일 식이 섭취량을 측정하여 대조군과 동일량의 식이를 섭취하게 하였다. 이 후 10주령의 수컷 쥐를 이용하여 임신을 1주 동안 유도하였다.

알코올 섭취 여부에 따른 임신율
  우선, 나이 차이에 따른 임신율 및 출산율을 비교한 결과, Figure 2A에서 보는 바와 같이 사람의 경우 20대 초반에 해당하는 정상군 쥐의 임신율이 58.6 %인데 반해 알코올을 섭취한 후 임신을 시킨 젊은 쥐의 경우 임신율이 약 13.1 %가 감소한 45.5 %를 보였다. 그러나 Figure 2A에서 보여주지는 않지만 우리는 사람의 30대 후반에 해당하는 10주령 쥐의 경우 술을 마시지 않아도 임신율이 20% 수준으로 급격히 감소됨을 확인하였고 이는 젊은 쥐에 비해 나이든 쥐의 임신율이 65.9 %가 감소됨을 보여주는 결과이다. 또한 나이든 쥐에 알코올 섭취를 하게 한 경우 임신율이 3%에 불과함을 보였다. 한편 임신한 쥐와 임신하지 않은 쥐에서 알코올 섭취에 따른 초반 몸무게는 감소하는 추세를 보이다 임신주기에 들어가면 몸무게의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다(Figure 2B).

임신 중 배아(Embryo) 및 출산 후 태아(Fetus) 발달의 이상 확인
  젊은 어미 쥐에서 임신이 된 이후 E11.5일에서 배(embryo) 형성 수를 확인한 결과 정상군에서 평균 8.2개의 배 발생이 된 반면 알코올 섭취군에서는 약 7.3개로 감소되어 있었다(Figure 2C). 또한 임신 중 배 발생 및 태아발달 정도를 조사한 결과 젊은 쥐 정상 어미의 임신 E11.5 일에 해당하는 배아의 경우 눈 발달이 뚜렷하게 나타난 반면, 알코올을 섭취한 젊은 어미 쥐에서의 배아는 외형상 눈의 형성이 거의 나타나지 않았다. 이와 함께 태낭(embryonic sac) 형성 정도를 비교한 결과에서도 알코올을 섭취하지 않은 젊은 어미 쥐의 태낭 형성은 매우 양호하게 형성 된 반면 알코올 섭취를 한 쥐의 태낭은 정상 쥐에 비해 태낭 형성에 이상을 보였다. 또한, 태아 발달과정동안 새끼들의 발달 정도를 살펴본 결과 알코올 섭취를 한 젊은 쥐 모체에서 태어난 개체는 알코올을 섭취하지 않은 그룹보다 태아는 정상적인 성장을 하지 못하고, 기형아(발가락 기형)율이 약 7%로 나타났다(Figure 3A, B).
 
한편 출산 후 알코올을 섭취한 쥐에서 태어난 새끼들의 몸무게는 정상 어미에서 태어난 새끼들의 몸무게보다 약 2배가 무거웠지만 2주일이 지나면서 정상어미에서 태어난 새끼들의 성장이 빠르게 증가하였고 알코올 섭취군 어미에게서 태어난 새끼 쥐의 성장은 저하됨을 확인할 수가 있었다(Figure 3C). 이는 알코올을 섭취한 쥐의 경우 배아발달이 비정상적으로 이루어진 것으로 여겨지며 이는 알코올 섭취 산모 모체에서 대사이상 및 여러 합병증이 나타남으로 정상적인 영양공급이나 대사기능이 작동하지 않으면서 태아로 하여금 비정상적인 영양분 축적을 위한 메커니즘이 작동했을 가능성이 높은 것으로 보여 진다. 이들 결과로 볼 때 임신 전 알코올 섭취가 임신율 변화뿐만 아니라 태아발달에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있었다.

혈액내의 임신 중 모체대사이상 및 호르몬 변화 조사
  임신 전 알코올섭취가 임신 중 모체의 대사기능에 미치는 효과를 분석하기 위해 임신 E15.5일에 내당능 검사를 수행한 결과, Figure 4A에서 보는 바와 같이 알코올을 섭취한 쥐에서 당 분해 능력이 크게 감소되어 있음을 알 수 있었고 인슐린에 의한 당 분해 능력(Figure 4B)도 크게 저하되어 있음을 알 수 있었다. 한편, 우리는 알코올 섭취 군 어미 쥐의 경우 임신을 하기 전에 이미 임신 한 쥐의 혈장에서 크게 증가하는 것으로 알려진 유즙생성호르몬인 프로락틴(prolactin)의 분비와 함께 프로락틴 반응에 의해 췌장베타세포에서 임신기간 중 베타세포의 성장을 유도함으로 당대사기능을 향상시키는 것으로 알려진 세세로토닌(5-hydroxytryptamine, 5-HT) 호르몬의 분비량이 크게 증가되어 있음을 확인할 수 있었다 (data not shown).

최근 Nature Medicine에 발표된 결과에 따르면 임신 중 췌장베타세포에서 증가하는 세로토닌(5-HT)이 당대사 및 인슐린 생성 분비조절에 매우 중요함을 보고하고 있다[4]. 그러나 알코올 섭취 여부에 따른 호르몬들의 변화가 임신 중 모체의 췌장베타세포의 당대사기능 조절을 통한 인슐린 합성 및 분비능력에 미치는 효과 및 조절메커니즘에 대한 보고는 아직까지 보고된 바가 없다. 다만, 임신 전에 이미 프로락틴과 5-HT의 양이 증가함으로 임신 시작과 임신 중에 이상조절현상이 나타날 가능성은 있을 것으로 보인다(data not shown).


임신 전 알코올 섭취로 인한 췌장 조직에서의 유전자 변화
임신 전 알코올섭취 모델에서 태아발달 이상과 함께 임신 중 분비되는 호르몬 이상이 함께 나타나는 것은 매우 흥미로운 결과이다. 특히 세로토닌의 경우 임신기간 중에 췌장베타세포에서 합성이 되어 베타세포의 성장을 촉진시키고 인슐린 합성 및 분비를 촉진함으로 임신 중 나타날 수 있는 고혈당 현상을 자체적으로 적절하게 조절하는 기능을 하는 것으로 여겨지고 있다. 그러나 임신 전 알코올 섭취를 한 경우 임신 전부터 세로토닌의 분비량이 증가를 하고 있어 이러한 변화가 모체의 대사이상 및 태아 발달에 미치는 효과를 밝히는 것은 매우 중요하게 여겨지고 있다. 이를 위해 우리는 임신 전 알코올 섭취 모델에서 세로토닌과 프로락틴의 양 변화가 있는 2주 알코올 섭취를 한 시점에서 췌장에서의 유전자 발현 변화를 조사하기 위해 최근 많이 사용되고 있는 RT2-PCR array 기법을 통해 유전자 발현변화를 조사하였다(Figure 5).

유전자 발현 변화 결과를 총 8개의 카테고리(세포사멸, 스트레스, 자가식균작용; 면역사이토카인; SMAD/TGF; STAT/SOCS 신호경로; 지질합성, 당, 인슐린 대사; Wnt 신호경로; AMPK/Akt 신호경로; 임신관련 호르몬 신호)로 나누어 정리를 하였다(Figure 6).

이들 중 세로토닌분비와 관련된 유전자들과 세로토닌의 수용체들의 변화 결과를 제시하고자 한다. Figure 7에서 보이는 바와 같이 처음 트립토판으로부터 세로토닌의 합성에 관여하는 Tph1의 발현이 알코올 섭취에 의해 크게 증가를 하고 있음을 확인할 수가 있었다. 이는 알코올 섭취에 따라 췌장에서는 세로토닌의 합성이 크게 증가함을 보여주는 것으로 여겨지는 결과이다. 또 다른 세로토닌의 합성 촉진 효소유전자인 Tph2의 발현도 알코올섭취에 의해 증가를 하였으나 Tph1에 비해 높지는 않았다. 한편 에스트로겐 수용체 유전자인 Esr1이 알코올 섭취에 의해 증가를 하였고 이는 프로락틴의 증가와 프로락틴 수용체의 증가와 일치함을 보였다. 한편 G-단백질 결합수용체(G-protein coupling receptor, GPCR)에 해당하는 Htr1d, 2a, 2b, 3a의 발현도 알코올 섭취한 그룹에서 약 2배정도 증가함을 보였다. 이들의 발현 변화가 췌장에서 세로토닌의 역할에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 추가적으로 관련연구를 수행하여 밝힐 필요가 있다고 사료된다(Figure 7). 사실 임신 전 프로락틴과 에스트로겐의 발현 양에서의 차이가 췌장베타세포의 성장과 인슐린 합성 및 분비 기능저하를 유도하는 주요 원인일 수가 있고 이를 통해 임신을 할 수 있는 조건 형성이 안 됨으로 알코올 섭취 군에서의 임신율이 감소하는 원인이 될 것으로 보여 진다.

한편, 췌장베타세포의 기능저하 원인인자 확인을 위해 췌장베타세포의 성장이나 전체 크기(mass), 인슐린 생성 기능 등에 영향을 줄 수 있는 세포사멸(apoptosis), 자가식균작용(autophagy) 관련 유전자들의 변화를 함께 확인한 결과에서도 알코올 섭취에 의한 산화적 스트레스(oxidative stress) 표지자로 사용되고 있는 활성전사인자 3(Activating Tranion Factor 3, ATF3)의 발현이 증가하였고, 자가식균작용에 관련된 Atg3, Beclin1과 세포사멸 관련 유전자인 Bax, Caspase-3, PARP의 발현도 크게 증가하는 것으로 나타났다.

이는 알코올 섭취로 세포사멸과 자가식균작용에 관여하는 조절 메커니즘이 동시에 작동하여 이들의 균형조절여부에 따라 췌장베타세포의 성장과 죽음이 결정되고 인슐린 생성기능 저하에 따른 모체와 태아에서의 대사기능이상이 발생하게 되고 이로써 임신기간 중 모체의 대사기능저하 및 태아발달에 이상이 야기되는 것으로 여겨진다.

이들 결과와 동일하게 알코올섭취를 한 모체에서의 혈장에 분비된 인슐린 양이 임신 직전단계(G0)에서 증가를 하였으나 임신 15일째(G15)일에서는 크게 감소함을 보였다. 이는 췌장 베타세포를 포함하고 있는 소도세포의 크기에서도 동일하게 나타났다. 이로써 임신 전 알코올 섭취를 하게 된 경우 임신 전과 임신 중에 있어서 혈장에 분비하는 인슐린의 양에 차이가 생기는 원인이 췌장 소도세포의 크기감소가 원인이 될 수 있음을 보여주는 결과이다.

결과적으로, 사람의 20대 초반에 해당하는 젊은 쥐의 경우(6-weeks old mouse) 알코올을 섭취에 의해 임신 능력이 감소하였고, 배아 및 태아 발달도 정상 군에 비해 조금 늦거나 이상을 보였고, 알코올 섭취한 어미 쥐 모체 혈액내의 프로락틴이나 세로토닌 호르몬 분비는 물론 췌장에서의 세로토닌과 그 관련 수용체들의 유전자 발현이 증가됨을 확인하였다. 또한, 알코올을 섭취한 어미 쥐 모체의 췌장베타세포 인슐린 분비기능 및 대사기능 저하와 함께 산화적 스트레스 및 세포사멸 조절인자들의 증가가 나타났다.

III. 맺음말


  최근 들어 여성들의 사회생활 증가 및 결혼 연령이 늦어짐에 따라 35세 이상의 고령산모 및 직장생활에서의 음주량 증가 등이 가임기 여성들에 있어서 불임 및 난임의 주요 위험인자로 작용을 하고 있다. 특히 임신 중 음주의 효과와 달리 임신 전 음주에 노출된 가임기 여성에서의 불임 및 난임에 미치는 영향의 관련 상관성 연구는 거의 이루어진 바가 없다. 이에 우리는 20대 초반에 해당하는 마우스를 이용하여 임신 바로 2주 전 알코올 섭취를 하게 한 후 임신을 유도한 결과, 알코올 섭취에 따라 임신율과 함께 배 발생 및 태아 발달률이 크게 감소함을 확인하였다.

한 보고에 따르면 임신 기간 중 세로토닌 호르몬이 췌장베타세포에서 증가함으로 세포의 성장 및 크기를 증가시킴으로 인슐린 생성을 원활하게 하여 임신기간 동안 모체 및 태아에게 충분한 영양분을 공급하고 모체와 태아에서 당대사 기능조절이 원활하게 이루어 질 수 있도록 한다고 보고된 바 있다. 그러나 아직까지 이들 췌장 베타세포에서의 인슐린 및 당 대사기능조절에 미치는 위험인자로서의 산모 나이 증가 및 임신 전 알코올 섭취에 의한 효과 등에 대한 보고된 바가 없었다. 임신 전 알코올 섭취를 하게 되면 임신 중 췌장베타세포에서 증가하는 세로토닌의 발현이 임신 전에 이미 증가되어 있음을 확인하였다. 이와 함께 프로락틴호르몬이 함께 증가를 하고 있어 임신 전에 이미 유즙생성호르몬이 분비됨으로서 배란이상을 통한 임신 이상발생 가능성이 높아질 수 있다는 것이다. 한편 우리는 본 글에서 결과를 제시하지는 않았지만 임신 전 알코올섭취군에서의 세로토닌 증가는 췌장에서의 증가와 함께 장간막에서의 증가도 함께 나타남을 확인하였다. 이는 알코올 섭취에 의해 장에서의 그람 음성 박테리아의 활성에 따른 사이토카인들의 분비와 함께 세로토닌의 분비가 함께 증가함을 보여주는 근거라 하겠다. 임신 전 췌장에서 세로토닌의 증가로 베타세포의 성장과 인슐린 합성 분비 증가가 있겠지만 실제 임신기간 중에는 이들 호르몬의 합성이 제대로 이루어지지 않아 어미 쥐와 새끼 쥐에서의 대사기능 이상이 초래되는 것으로 판단된다. 이에 대한 연구는 현재 추가적으로 수행 중에 있다.

한편, 본 연구결과를 통하여 임신 전 가임기여성에서의 알코올 섭취가 임신율 감소 및 태아발달 장애의 주요 원인으로 여성건강 및 여성임신기간 중 태아에 미치는 효과는 매우 크다는 것을 알 수 있었다. 알코올 섭취에 따른 세로토닌(5-HT)과 프로락틴 호르몬분비 변화 및 호르몬 수용체들의 발현에도 많은 차이를 보이고 있었다. 특히 알코올 섭취한 실험군에서 산화적 스트레스 표지자인 ATF3의 증가와 함께 세포사멸이나 췌장베타세포의 기능이상 조절과 일치함을 보였다. 또한 각 임신 단계별 여러 유전자들의 발현변이와 함께 주요 조절인자들의 발현 및 기능변화에 대한 추가적인 연구를 통하여 이들 위험인자들에 의해 초래되는 임신동안의 모체와 태아의 대사기능이상조절에 대한 정확한 조절 메커니즘을 밝힐 수 있을 것이다. 향후 연구결과를 바탕으로 주요하게 변화하는 인자들에 대한 타깃 분자들을 찾아 임신 중 모체의 건강과 태아의 발달 과정에서의 이상조절을 제어 할 수 있는 과학적 기초근거들을 생산함으로 치료 제어 중재연구에 활용하고자 한다.

IV. 참고문헌


1. 이상림 외 2013. 경제‧인문사회연구회 협동연구 총서 13-32-01 가임기 여성 임신 전 출산건강 관리지원 방안 연구(총괄보고서)
2. 한정렬. 2010. 임신 중「한잔쯤이야…」태아에게는 치명적, 대한보건협회 Vol. No.69, pp.4-5
3. 이상림 외 2013. 경제‧인문사회연구회 협동연구 총서 13-32-02 임신 전 출산건강 관리 실태 및 지원 방안
4. Kim H, Toyofuku Y, Lynn FC, et al, 2010. Serotonin regulates pancreatic beta cell mass during pregnancy. Nat med. 16(7): 804-808
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