노화에 따른 폐건강의 변화와 영향

노화에 따른 폐의 구조적 및 생리적 변화

나이가 들면서 폐의 구조와 기능에 많은 변화가 일어납니다. 건강한 사람들을 대상으로 한 비침습적인 연구에 따르면, 폐의 폐포와 기도의 구조가 나이에 따라 달라진다고 합니다. 성인이 되면 폐포의 수나 폐포관, 모세혈관 세그먼트의 수는 변하지 않지만, 나이가 들면서 폐포의 크기와 폐포-모세혈관 표면적은 증가합니다. 폐포의 깊이나 공기 통로의 변화는 나이에 따라 나타나는 보상적 재형성의 일환입니다. 나이가 들면 폐의 탄성 반발력이 감소하며, 이는 폐포의 지름이 증가하기 때문입니다. 이로 인해 숨을 내쉴 때 폐의 공기량이 증가하게 됩니다. 탄성 반발력의 감소와 폐포 지지의 탄성 부착물 감소, 그리고 콜라겐 증가로 인해, 작은 기도들이 더 높은 폐 용적에서 닫히게 됩니다. 결과적으로 노인에서는 일부 기도가 좁아지거나 닫혀서, 정상 호흡 시 공기 흐름이 줄어들고 기능적 잔여 용적이 증가합니다. 폐의 모든 부분에서 탄성 반발력이 동일하게 감소하지 않기 때문에, 폐의 통기 불균형이 생길 수 있습니다. 가슴벽의 기능과 호흡근의 강도 변화도 폐의 노화와 점액 제거 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 나이에 따른 흉곽의 형태 변화와 갈비뼈의 경직은 폐 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 폐의 탄성 반발력 감소와 흉곽 변형으로 인해 기능적 잔여 용적이 증가하며, 호흡 근육과 횡경막의 약화는 폐 기능에 또 다른 영향을 미칩니다. 또한, 척추 디스크의 좁아짐이 척추의 곡률을 증가시키고, 갈비뼈 사이의 공간을 줄여서 가슴 강을 작게 만듭니다. 하지만, 총 폐 용적은 나이에 따라 크게 변하지 않습니다. 나이가 35세를 넘기면서 건강한 사람의 폐 기능은 감소하기 시작하며, 강제 호기 용적(FEV1)은 연간 약 30 mL, 강제 폐활량(FVC)은 연간 약 20 mL씩 감소합니다. 이로 인해 FEV1/FVC 비율이 나이에 따라 감소하게 됩니다. 나이가 들면서 안정 시 동맥 산소 분압이 감소하고, 폐의 가스 교환이 줄어들게 됩니다. 폐포 표면적의 변화에도 불구하고, 폐포에 대한 혈액 공급은 고르게 분포하지 않습니다. 나이에 따른 폐 순환 변화는 폐동맥의 수축기 압력을 증가시키고, 이산화탄소(CO2)의 폐 확산 능력을 감소시킵니다. 결과적으로, 폐의 모세혈관 혈액량이 줄어들고, 폐 통기와 관류의 표준 편차가 증가하여 나이든 사람의 안정 시 동맥 산소가 낮아집니다. 호흡 흐름 감소, 기도 폐쇄 증가, 운동 성능 감소 등으로 인해 운동에 대한 호흡 반응이 달라지고, CO2 생산과 O2 소비가 모든 운동 수준에서 증가합니다. 노화 속도가 개인마다 다르기 때문에, 노인에서의 정상적인 폐 기능 해석과 질병 진단은 어려울 수 있으며, 신체 치수, 성별, 체중, 민족 등도 FEV1/FVC에 영향을 미칠 수 있습니다. 폐 기능 분석과 노인에 맞는 기준을 개발하는 작업은 아직 완전히 이루어지지 않았습니다.

노화에 따른 폐의 세포 변화

노화는 폐의 구조와 기능에 많은 변화를 초래하며, 이러한 변화는 폐 기능 저하, 폐 조직의 재형성 변화, 재생 능력 감소, 폐 질환에 대한 감수성 증가로 이어집니다. 이 섹션에서는 폐의 주요 세포 유형과 노화가 이들 세포의 기능에 미치는 영향을 살펴보겠습니다. 기도의 연골 조직은 기관에서 말단 세기관지까지 폐 깊숙이 뻗어 있으며, 많은 점막하선이 존재해 체내 외부 환경과의 접촉을 차단하는 다양한 분비물과 항균 단백질을 분비합니다. 기도의 표면은 주로 섬모가 있는 위중층 상피로 덮여 있으며, 이 상피 세포들은 세포 간 결합을 통해 외부 환경과의 선택적 장벽 역할을 합니다. 섬모 세포가 대부분을 차지하지만, 세포 손상과 감염에 영향을 받는 다른 세포 유형도 있습니다. 기저 세포는 기도 상피의 재생에 중요한 역할을 하며, 섬모 세포와 분비 세포로 발전할 수 있습니다. 점액 생성 세포는 외부 자극에 반응하여 점액을 분비하여 미생물과 이물질을 제거하는 데 도움을 줍니다. 노화에 따라 기도의 상피 세포는 손상과 세포 사멸을 증가시키고, 점막 생산 감소와 같은 변화가 나타납니다. 이로 인해 점막 청소 기능이 저하되고, 병원균의 침입과 폐 질환의 감수성이 증가할 수 있습니다. 호흡기의 상피 표면은 효율적인 가스 교환과 방어를 위해 중요합니다. 노화에 따라 상피 세포의 조성 및 기능 변화가 호흡기 질환의 발생과 진행에 기여할 수 있습니다. 폐포의 표면을 이루는 두 가지 주요 세포 유형, 즉 평편한 제1형 폐포 상피 세포(AEC1)와 입방형 제2형 폐포 상피 세포(AEC2)가 있습니다. AEC1은 가스 교환의 주요 장소를 제공하며, AEC2는 계면활성제를 분비해 폐의 표면 장력을 감소시키고, 폐포 손상 시 AEC1으로 분화하여 폐포를 재생합니다. 나이가 들면서 AEC2의 세포 자멸, 산화 스트레스 증가, 자가포식 감소 등의 변화가 생기며, 이는 급성 폐 손상에 악영향을 미칩니다. AEC2의 기능 저하는 염증을 증가시키고 폐포 손실을 초래할 수 있습니다. 섬유아세포는 폐의 상피와 내피층 사이에서 조직 수리와 ECM 재형성에 중요한 역할을 합니다. ECM은 폐의 구조적 완전성을 제공하며, 노화에 따라 콜라겐 증가와 같은 변화가 나타나고, 이는 폐의 탄력과 공기 공간 확대를 초래합니다. 노화된 폐에서는 ECM의 구조 단백질 다양성이 감소하고, 콜라겐의 축적이 증가하며, 이는 폐의 손상에 대한 감수성을 높입니다. 내피 세포는 혈관의 중요한 세포로, 세포 간 결합을 통해 조직의 완전성과 장벽 기능을 유지합니다. 노화에 따라 내피 세포의 노화와 혈관 내피 성장 인자의 감소가 나타나며, 이는 혈관 성장과 혈관 기능에 부정적인 영향을 미칩니다. 노화된 폐에서는 산화 스트레스와 염증이 증가하며, 이는 혈관 수축, 세포 사멸 증가 및 내피 세포의 비정상적 활성화와 이동을 초래할 수 있습니다. 기도 평활근은 기관지의 수축과 이완을 조절하며, 천식과 같은 호흡기 질환에서 중요한 역할을 합니다. 노화에 따라 평활근의 수축력과 세포 내 단백질 발현이 변화하며, 이는 폐의 기도 반응성과 염증 반응에 영향을 미칩니다. 요약하자면, 노화는 기도의 상피, 폐포 상피, 섬유아세포, 내피 세포, 평활근 세포의 구조와 기능에 변화를 일으키며, 이러한 변화는 노인에서 폐 질환의 발생과 진행에 중요한 역할을 합니다.

 

노화와 염증: 노인 폐의 면역 변화

폐는 여러 방어 체계를 통해 항상성을 유지하고 외부 자극에 대응해왔습니다. 다양한 면역 세포들이 폐에서 선천적 및 적응적 면역 반응의 시작과 종료에 중요한 역할을 합니다. 면역노화, 즉 면역 시스템의 노화는 염증과 항염증 기전 간의 불균형으로 인해 발생합니다. 평생 동안의 항원 자극, 산화 스트레스, 산소 자유 라디칼의 생성은 염증성 사이토카인의 생성을 증가시킵니다. 이러한 변화로 인해 노인의 폐에서는 만성 염증 질환의 예후와 회복이 좋지 않을 수 있습니다. 이번에는 폐에서 주요 면역 세포들의 역할과 노화가 이들 세포 기능에 미치는 영향을 살펴보겠습니다. 폐의 선천적 면역 시스템은 공기 흐름이 있는 기도와 호흡기에서 면역 감시를 하며, 거주 면역 세포와 순환 면역 세포들이 외부 입자와 미생물을 인식하고 제거하는 데 도움을 줍니다. 선천적 면역 반응은 여러 세포 유형의 조절과 기능에 크게 의존합니다. 나이가 들면서 면역 세포의 기능 변화는 노인이 폐 질환에 더 취약하게 만들 수 있습니다. 알베올라 대식세포는 폐의 공기 중에서 오랜 시간 동안 살며 미생물에 대한 방어 반응을 조절하는 중요한 세포입니다. 정상적인 폐에서는 알베올라 대식세포가 대부분을 차지하며, 외부 물질이나 미생물에 빠르게 반응할 수 있는 상태를 유지합니다. 하지만 노화에 따라 이들의 식세포 기능이 감소하며, 이로 인해 병원체 제거가 지연되거나 저하될 수 있습니다. 또한, 노화로 인해 산화 스트레스가 증가하고 항산화 반응이 감소하여 염증이 악화될 수 있습니다. 수지상 세포는 항원을 샘플링하고 처리하여 면역 반응을 조절하는 역할을 합니다. 노화가 진행되면서 이들의 항원 포획 및 이동 능력이 감소하며, 이는 면역 반응의 약화로 이어질 수 있습니다. 호중구는 감염에 가장 먼저 반응하여 병원체를 제거하는 데 중요한 역할을 합니다. 하지만 노화에 따라 호중구의 기능이 저하되며, 염증이 오래 지속되고 조직 손상이 심해질 수 있습니다. 선천 림프구는 면역 조절과 조직 복구에 중요한 역할을 하지만, 노화가 진행되면서 이들의 기능에도 변화가 생길 수 있습니다. 특히 자연살해(NK) 세포는 감염된 세포를 제거하고 염증을 조절하는 데 중요하지만, 노화로 인해 이들의 기능이 감소합니다. 적응 면역은 매우 구체적이며 장기적인 면역 보호를 제공합니다. T 림프구는 항원을 인식하고 면역 반응을 조절하며, 나이가 들면서 T 세포의 수와 기능이 감소합니다. 이로 인해 감염에 대한 면역 반응이 저하되며, 인플루엔자와 같은 바이러스에 대한 면역이 약해질 수 있습니다. B 림프구는 항체를 생성하여 병원체를 제거합니다. 노화에 따라 B 세포의 발달과 항체 반응이 감소하며, 이는 면역 응답의 저하로 이어질 수 있습니다. 요약하자면, 폐는 여러 선천적 방어 시스템을 통해 항상성을 유지하고 외부 자극에 반응합니다. 노화로 인해 면역 세포의 기능이 변화하면서 염증이 장기화되고 적응 면역이 약해져 노인의 폐 질환에 대한 취약성이 증가합니다.

 

노화가 폐 질환에 미치는 영향

노화는 폐의 기능과 해부학적 구조, 그리고 폐의 항산화 방어 능력에 변화를 초래하여, 환경적 노출로 인한 손상에 더 취약하게 만듭니다. 폐는 담배 연기, 공기 중 에어로졸, 디젤 배출 입자, 기타 외부 독소 등 산화 스트레스를 유발하는 입자에 지속적으로 노출됩니다. 폐는 이러한 산화 스트레스로부터 자신을 보호하기 위해 다양한 항산화 방어 체계를 갖추고 있습니다. 그러나 나이가 들면서 폐의 항산화 물질 수준과 구성이 감소하게 되어, 노인은 오존, 담배 연기, 미세먼지와 같은 환경 독소에 더 취약해집니다. **만성 폐쇄성 폐질환 (COPD)**는 다양한 형태의 만성 염증성 폐질환으로, 대개 노년에 임상적으로 나타나며 상당한 이환과 조기 사망을 초래할 수 있습니다. COPD는 노인에서 흔히 발생하며, 흡연이 COPD 발병의 주요 위험 요소입니다. COPD는 심부전, 혈관 질환, 당뇨병, 암 등 다양한 동반 질환과 연관되어 있으며, 이러한 질환들은 COPD의 진행에 영향을 미칩니다. 노화로 인한 폐의 구조와 기능 변화는 COPD의 취약성을 높일 수 있습니다. COPD의 폐는 나이든 폐와 유사한 해부학적 및 생리적 변화를 보입니다. COPD와 노화된 폐의 공통된 특징으로는 텔로미어 단축, 세포 노화, DNA 손상 등이 있으며, COPD 폐에서는 콜라겐, 피브로넥틴, 라미닌이 유의미하게 증가하고 콜라겐 섬유가 무질서하게 배열되어 있습니다. COPD는 기도와 폐실질의 ECM(세포외기질) 재모델링을 통해 기도 수축과 장기적인 기계적 적응을 촉진합니다. COPD 환자의 폐에서는 면역세포 노화와 염증 반응이 증가하여 폐 손상과 염증이 지속됩니다. 기침 반사와 점액 섬모 청소 기능의 이상은 COPD 환자에서 감염과 기도 폐쇄를 증가시킵니다. 급성 악화는 COPD 환자의 생명을 위협하며, 폐 기능의 악화와 사망률 증가와 관련이 있습니다. **간질성 폐질환 (IPF)**은 나이에 따라 발생 위험이 증가하는 만성 진행성 폐질환입니다. IPF는 폐의 가스 교환을 방해하고 호흡 부전을 초래하는 질병으로, 예후가 좋지 않으며 진단 후 생존 기간이 5년 이하입니다. IPF는 상피 세포 손상, 섬유아세포 증식, ECM 재모델링 증가, 폐 구조 파괴 등이 특징입니다. 노화와 관련된 폐의 형태적, 생리적 변화와 면역 반응의 이상은 IPF 발병에 영향을 미칠 수 있습니다. 노화로 인해 세포 노화, 텔로미어 단축, 유전자 불안정성, 후성유전학적 변화, 세포 자가포식 장애, 미토콘드리아 기능 장애 등이 IPF의 발달과 진행을 촉진할 수 있습니다. IPF 환자에서 급성 악화는 호흡 부전을 악화시키며, 심각한 경우에는 사망률 증가와 관련이 있습니다. 천식은 기관지 수축, 기도 점액 막힘, 기도 부종이 특징인 질환입니다. 노화로 인해 면역 반응이 약화되면서 천식이 악화될 수 있으며, 이는 폐 기능의 빠른 감소를 초래할 수 있습니다. 노인의 천식은 염증과 기도 리모델링이 복잡하게 얽혀 있으며, 이는 젊은 환자들과 다른 양상을 보입니다. **패혈증과 급성 호흡곤란증후군 (ARDS)**은 폐에 심각한 영향을 미치는 질환입니다. ARDS는 노인에서 발병 위험이 높으며, 패혈증과 같은 염증 반응은 ARDS 발병에 중요한 역할을 합니다. 노인은 면역 기능이 저하되고 동반 질환이 많아 패혈증의 발생 빈도와 사망률이 증가합니다. 노인 환자는 ARDS로 인해 생존율이 낮으며, 기계적 환기가 필요한 경우 사망률이 증가합니다. 폐렴은 노인에서 흔히 발생하며, 특히 커뮤니티 획득 폐렴이 주요 원인입니다. 노인에서 폐렴은 병원균에 대한 면역 반응이 저하되고, 기침과 섬모 청소 기능이 약화되며, 폐 구조와 기능의 변형이 있어 발생할 수 있습니다. 노인에서는 폐렴이 진행되기 쉽고, 이는 심각한 폐 질환과 관련이 있습니다.

 

결론 및 향후 연구 방향

폐의 노화는 매우 복잡한 과정으로, 폐 세포 시스템의 손상과 회복 사이에서 축적된 변화로 인해 발생합니다. 노화에 따른 변화는 세포 재생과 수리를 돕는 기전들, 즉 성체 줄기세포의 고갈, 미토콘드리아 기능 장애, 산화 스트레스 증가, 텔로미어 단축 등이 폐 세포가 기본적인 항상성을 유지하는 능력을 감소시킵니다. 정상적인 폐 노화는 호흡기의 구조적 및 기능적 변화를 동반하며, 이러한 변화들은 폐 기능 저하, 기도 재형성의 변화, 재생력 감소, 폐 질환에 대한 취약성 증가와 관련이 있습니다. 폐는 항상성을 유지하고 외부 자극에 대응하기 위해 여러 선천적 및 적응적 방어 시스템을 발달시켜 왔습니다. 그러나 노화에 따라 AEC1, AEC2, 섬유아세포, 내피 세포, 평활근 세포의 구성과 기능 변화가 발생하여 노인이 폐 질환의 발병 및 진행에 더 취약해집니다. 면역 노화는 산소 자유 라디칼의 생성과 염증성 사이토카인 생성을 증가시킵니다. 하부 호흡기 계통의 지속적인 염증은 노인이 독성 환경에 더 민감하고 폐 기능이 빠르게 감소할 수 있는 이유가 됩니다. 폐 염증성 질환에서의 예후와 회복이 좋지 않은 것은 노화에 따른 면역 반응의 변화와 관련이 있습니다. 유전적 배경과 생활 방식이 폐의 노화 관련 변화에 영향을 미치고, 기도 질환의 발병 및 진행과 감염 자극과 독소에 대한 취약성을 높입니다. 최근 몇 년간 폐 노화와 질병 취약성에 대한 많은 중요한 통찰이 도출되었습니다. 앞으로는 질병 진행과 관련된 유전적 결정인자와 노화 과정이 어떻게 이러한 유전적 특성을 형성하는지에 대해 보다 자세한 기전 연구가 필요합니다. 다양한 면역 세포와 폐 세포 유형 간의 상호작용과 노화가 이러한 세포 집단에 미치는 영향을 이해하는 연구가 필요합니다. 또한, 폐 노화 과정이 언제 시작되는지, 그리고 노화의 생물학적 특징이 다양한 폐의 표현형과 질병 진행에 어떻게 연관되는지에 대한 명확한 이해가 필요합니다.

 

 

참고문헌

Cho SJ, Stout-Delgado HW. Aging and Lung Disease. Annu Rev Physiol. 2020 Feb 10;82:433-459. doi: 10.1146/annurev-physiol-021119-034610. Epub 2019 Nov 15. PMID: 31730381; PMCID: PMC7998901.