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연조직

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목차

1. 개요

연조직은 콜라겐, 엘라스틴, 기질로 구성되며, 섬유아세포가 섬유와 기질을 생성하는 역할을 한다. 연조직은 초탄성 재료로, 큰 변형을 겪을 수 있으며 점탄성, 비압축성, 이방성 등의 기계적 특성을 보인다. 연조직은 성장 및 재형성을 통해 화학적, 기계적 변화에 반응하며, 영상 기법을 통해 세포외 기질 성분을 시각화할 수 있다. 연조직 손상은 만성적인 통증을 유발하며 치료가 어려울 수 있으며, 연조직 치료와 관련된 다양한 임상적 중요성을 가진다.

2. 구성

연조직은 주로 세포와 이들이 생성하는 세포외 기질로 이루어져 있다. 세포외 기질은 콜라겐, 엘라스틴, 기질 등으로 구성되며, 이는 조직의 구조와 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 섬유아세포는 이러한 세포외 기질 성분을 생산하는 주요 세포이다.[5]

2. 1. 세포

섬유아세포는 연조직에서 가장 흔하게 발견되는 세포이다. 이 세포는 연조직의 주요 구성 요소인 섬유(콜라겐, 엘라스틴)와 기질을 생산하는 역할을 담당한다. 연골모세포와 같이 섬유아세포가 변형된 형태의 세포들도 이러한 물질들을 생성할 수 있다.[5]

2. 2. 세포외 기질

세포외 기질 내의 특징적인 물질은 콜라겐, 엘라스틴 및 기질이다. 일반적으로 연조직은 기질 때문에 매우 수화되어 있다. 섬유아세포는 연조직의 섬유와 기질 생산을 담당하는 가장 흔한 세포이다. 연골모세포와 같은 섬유아세포의 변형도 이러한 물질을 생성할 수 있다.[5]

3. 기계적 특성

연조직은 외부 힘에 대해 복잡하고 독특한 기계적 반응을 보인다. 큰 변형을 견딜 수 있으며, 하중이 제거되면 원래 형태로 돌아오는 능력이 뛰어나다.

주요 구성 요소인 엘라스틴은 조직에 탄성을 부여하고 변형 에너지를 저장하는 역할을 하며, 콜라겐 섬유는 조직이 과도하게 늘어나는 것을 막아 강도를 높이고 손상으로부터 보호한다. 이 두 요소의 상호작용은 연조직 특유의 비선형적인 응력-변형률 곡선을 만든다.

연조직은 일반적으로 초탄성, 점탄성, 비압축성 및 이방성 특성을 동시에 나타낸다. 점탄성 특성으로 인해 이완, 크리프, 히스테리시스와 같은 현상이 관찰된다.[8][9]

충격 시 에너지를 흡수하는 능력은 연조직의 중요한 특징 중 하나이며, 개인의 연조직 두께 등에 따라 차이를 보인다. 이러한 특성은 타박상 발생 시 법의학적 분석 등에 활용될 수 있다.[6][7]

연조직의 복잡한 기계적 거동을 이해하고 예측하기 위해 변형 에너지를 기반으로 한 초탄성 모델, 비선형 구성 방정식을 이용한 수학적 접근, 재료의 미세 구조를 고려한 구조 기반 모델 등 다양한 방법이 연구되고 있다.[10]

또한, 생리적 상태의 연조직은 내부에 잔류 응력을 가지고 있는 경우가 많다. 이는 조직을 수술 등으로 절제할 때 해소되므로, 조직 샘플 분석 시 이러한 변화를 고려해야 정확한 해석이 가능하다.[9]

3. 1. 탄성 및 강성

작은 변형 상태에서, 엘라스틴은 조직에 강성을 부여하고 대부분의 변형 에너지를 저장하는 역할을 한다. 반면 콜라겐 섬유는 상대적으로 잘 늘어나지 않으며 보통 느슨한 상태(물결 모양, 주름진 형태)로 존재한다. 조직의 변형이 커지면, 콜라겐은 변형이 가해지는 방향으로 점차 늘어나게 된다. 콜라겐 섬유가 팽팽해지면 조직의 강성이 크게 증가한다. 이러한 복합 재료와 같은 거동은 나일론 스타킹에 비유할 수 있는데, 고무 밴드가 엘라스틴의 역할을 하고 나일론이 콜라겐의 역할을 하는 것과 유사하다. 연조직 내에서 콜라겐은 과도한 변형을 제한하여 조직이 손상되는 것을 막는 보호 기능을 수행한다.

인간의 연조직은 매우 큰 변형을 견딜 수 있으며, 그 기계적 특성은 개인마다 상당한 차이를 보인다. 충격 시험 결과에 따르면, 실험 대상 조직의 강성과 충격 감쇠 저항은 타격을 가하는 물체의 질량, 속도, 크기와 연관성이 있는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 타박상이 발생한 경우 법의학적 조사에 유용하게 활용될 수 있다.[6] 고체 물체가 인간의 연조직에 충격을 가할 때, 충격 에너지는 조직에 흡수되어 충격의 영향이나 통증 수준을 줄이는 효과를 낸다. 연조직의 두께가 두꺼울수록 충격에 대한 저항이 낮아지는 경향이 관찰되었다.[7]

연조직은 큰 변형을 겪은 후에도 하중이 제거되면 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 특성을 지닌다. 즉, 초탄성 재료에 해당하며, 응력-변형률 곡선은 비선형적인 형태를 보인다. 또한 연조직은 점탄성, 비압축성의 특징을 가지며, 일반적으로 이방성을 나타낸다. 연조직에서 관찰되는 대표적인 점탄성 특성으로는 이완, 크리프, 히스테리시스 등이 있다.[8][9] 연조직의 기계적 반응을 설명하기 위해 다양한 방법들이 사용되어 왔다. 여기에는 변형 에너지를 기반으로 하는 초탄성 거시적 모델, 비선형 구성 방정식을 이용한 수학적 접근법, 그리고 재료의 기하학적 특성이 선형 탄성 반응을 수정하는 방식을 고려하는 구조 기반 모델 등이 포함된다.[10]

3. 2. 점탄성 (Viscoelasticity)

작은 변형 상태에서 엘라스틴은 조직에 강성을 부여하고 대부분의 변형 에너지를 저장한다. 콜라겐 섬유는 비교적 늘어나지 않으며 일반적으로 헐렁하다(물결 모양, 주름). 조직 변형이 증가함에 따라 콜라겐은 변형 방향으로 점차 늘어난다. 팽팽해지면 이 섬유는 조직 강성을 강하게 증가시킨다. 이러한 복합 재료 거동은 나일론 스타킹과 유사하며, 고무 밴드는 엘라스틴의 역할을 하고 나일론은 콜라겐의 역할을 한다. 연조직에서 콜라겐은 변형을 제한하고 조직을 부상으로부터 보호한다.

인간의 연조직은 변형이 매우 심하며, 그 기계적 특성은 사람마다 크게 다르다. 충격 시험 결과, 시험 대상의 조직의 강성과 감쇠 저항은 타격 물체의 질량, 속도 및 크기와 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 타박상이 유발되었을 때 법의학 수사에 유용할 수 있다.[6] 고체 물체가 인간의 연조직에 충격을 가하면, 충격 에너지는 조직에 흡수되어 충격의 영향이나 통증 수준을 줄인다; 연조직 두께가 더 두꺼운 피험자는 충격을 덜 거부하는 경향이 있었다.[7]

연조직은 큰 변형을 겪을 수 있으며 하중이 제거되면 초기 상태로 되돌아갈 수 있는 잠재력이 있다. 즉, 초탄성 재료이며, 응력-변형률 곡선은 비선형이다. 연조직은 또한 점탄성, 비압축성이며 일반적으로 이방성이다. 연조직에서 관찰할 수 있는 일부 점탄성 특성으로는 이완, 크리프 및 히스테리시스가 있다.[8][9] 연조직의 기계적 반응을 설명하기 위해 여러 가지 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법에는 변형 에너지에 기반한 초탄성 거시적 모델, 비선형 구성 방정식을 사용하는 수학적 적합, 그리고 선형 탄성 재료의 반응이 기하학적 특성에 의해 수정되는 구조 기반 모델이 포함된다.[10]

연조직은 점탄성 특성, 즉 변형률 속도에 따른 응력을 가지지만, 하중 패턴에 대해 '''전처리'''를 거친 후에는 초탄성 모델로 근사할 수 있다. 재료에 여러 번의 하중 및 하중 제거 주기를 가한 후, 기계적 반응은 변형률 속도와 무관해진다.

:\mathbf{S}=\mathbf{S}(\mathbf{E},\dot{\mathbf{E}}) \quad\rightarrow\quad \mathbf{S}=\mathbf{S}(\mathbf{E})

변형률 속도와 무관함에도 불구하고, 전처리된 연조직은 여전히 이력 현상을 나타내므로, 기계적 반응은 하중 및 하중 제거 시 서로 다른 재료 상수를 가진 초탄성으로 모델링될 수 있다. 이 방법으로 탄성 이론은 비탄성 재료를 모델링하는 데 사용된다. Fung은 이 모델이 진정으로 탄성이 아니라는 점을 지적하기 위해 이를 '''의사 탄성'''이라고 명명했다.[9]

3. 3. 초탄성 (Hyperelasticity)

연조직은 큰 변형을 겪을 수 있으며 하중이 제거되면 초기 상태로 되돌아갈 수 있는 잠재력을 가진다. 즉, 초탄성 재료이며, 응력-변형률 곡선은 비선형이다. 연조직은 또한 점탄성, 비압축성이며 일반적으로 이방성이다. 연조직에서 관찰할 수 있는 일부 점탄성 특성으로는 이완, 크리프 및 히스테리시스가 있다.[8][9] 연조직의 기계적 반응을 설명하기 위해 여러 가지 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법에는 변형 에너지에 기반한 초탄성 거시적 모델, 비선형 구성 방정식을 사용하는 수학적 적합, 그리고 선형 탄성 재료의 반응이 기하학적 특성에 의해 수정되는 구조 기반 모델이 포함된다.[10]

연조직은 변형률 속도에 따라 응력이 달라지는 점탄성 특성을 가지지만, 하중 패턴에 대해 '''전처리'''(preconditioning)를 거친 후에는 초탄성 모델로 근사할 수 있다. 재료에 여러 번의 하중 및 하중 제거 주기를 가한 후, 기계적 반응은 변형률 속도와 거의 무관해진다.

:\mathbf{S}=\mathbf{S}(\mathbf{E},\dot{\mathbf{E}}) \quad\rightarrow\quad \mathbf{S}=\mathbf{S}(\mathbf{E})

변형률 속도와 무관함에도 불구하고, 전처리된 연조직은 여전히 이력 현상(히스테리시스)을 나타내므로, 기계적 반응은 하중 및 하중 제거 시 서로 다른 재료 상수를 가진 초탄성으로 모델링될 수 있다. 이 방법으로 탄성 이론은 비탄성 재료를 모델링하는 데 사용된다. 펑(Fung)은 이 모델이 진정으로 탄성이 아니라는 점을 지적하기 위해 이를 '''의사 탄성'''(pseudoelastic)이라고 명명했다.[9]

펑은 사전 조건부 연조직에 대한 구성 방정식을 개발했다.

:W = \frac{1}{2}\left[q + c\left( e^Q -1 \right) \right]

여기서

:q=a_{ijkl}E_{ij}E_{kl} \qquad Q=b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}

는 그린-라그랑주 변형률 E_{ij}의 이차 형식이며, a_{ijkl}, b_{ijkl} 및 c는 재료 상수이다.[9] W는 단위 부피당 변형 에너지 함수이며, 주어진 온도에서 기계적 변형 에너지를 나타낸다.

등방성 가설(모든 방향에서 동일한 기계적 특성)을 사용하여 단순화된 펑 모델은 주 스트레치(\lambda_i)에 관하여 다음과 같이 작성된다.

:W = \frac{1}{2}\left[a(\lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2 - 3) + b\left( e^{c(\lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2 - 3)} -1 \right) \right] ,

여기서 a, b 및 c는 상수이다.

작은 변형의 경우, 지수항은 매우 작아서 무시할 수 있다.

:W = \frac{1}{2}a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}

반면에, 선형 항은 분석이 큰 변형에만 의존할 때 무시할 수 있다.

:W = \frac{1}{2}c\left( e^{b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}} -1 \right)

다른 초탄성 모델로는 젠트(Gent) 모델이 있다.

:W = - \frac{\mu J_m}{2} \ln \left(1 - \left( \frac{\lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2 - 3}{J_m} \right) \right)

여기서 \mu > 0는 무한소 변형률에 대한 전단 탄성 계수이고, J_m > 0는 사슬 연장의 한계와 관련된 강성 매개변수이다.[11] 이 구성 모델은 최대 늘어짐 J_m 이상으로 단축 인장될 수 없으며, 이는 다음의 양의 근이다.

:\lambda_m^2 + 2\lambda_m - J_m - 3 = 1

3. 4. 잔류 응력 (Residual stress)

생리적 상태에서 연조직은 일반적으로 잔류 응력을 가지고 있다. 이 응력은 수술 등으로 조직을 몸에서 절제하면 사라지는 경향이 있다. 따라서 생리학자나 조직학자가 절제된 조직을 분석할 때는 이러한 잔류 응력의 존재와 그로 인한 변화를 고려해야 분석 오류를 줄일 수 있다. 조직이 절제 후 수축하는 현상은 현미경 관찰 등에서 시각적 인공물(visual artifact)을 만들어낼 수 있다.[9]

4. 성장 및 재형성 (Remodeling)

연조직은 장기간의 화학적 및 기계적 변화에 반응하여 성장하고 재형성(리모델링)될 수 있다. 섬유아세포가 트로포콜라겐을 생성하는 속도는 이러한 외부 자극에 비례하여 조절된다. 질병, 부상, 그리고 가해지는 기계적 부하 수준의 변화는 연조직의 재형성을 유도하는 주요 요인이 될 수 있다.[12][13] 예를 들어, 지속적인 노동으로 인해 농부의 손이 두꺼워지는 현상이 이에 해당한다. 이러한 결합 조직의 재형성 과정은 뼈에서 울프의 법칙에 따라 일어나는 뼈 리모델링 현상과 유사한 측면이 있다. 세포 수준에서 물리적 스트레스와 조직 성장의 관계를 연구하는 학문 분야를 기계 생물학이라고 한다.[8]

성장과 재형성 과정은 몇 가지 흔한 연조직 관련 질환의 발생 원인과 밀접한 관련이 있다. 대표적으로 동맥 협착증 및 동맥류[14][15], 그리고 다양한 형태의 연조직 섬유증 등이 있다. 또한, 동맥 벽에서 감지되는 혈압 상승에 대한 반응으로 심장 근육이 두꺼워지는 현상 역시 조직 재형성의 한 예시이다.

5. 영상 기법

연조직 세포외 기질 (ECM) 성분을 시각화하기 위한 영상 기법을 선택할 때는 몇 가지 고려해야 할 사항이 있다. 이미지 분석의 정확성은 원시 데이터의 속성과 품질에 따라 달라지므로, 영상 기법 선택은 다음 문제들을 고려해야 한다.

# 관심 있는 구성 요소에 대한 최적의 해상도를 확보해야 한다.

# 해당 구성 요소의 높은 대비를 얻어야 한다.

# 아티팩트(인공물) 수를 낮게 유지해야 한다.

# 부피 데이터 획득 옵션이 있어야 한다.

# 데이터 부피를 낮게 유지해야 한다.

# 조직 분석을 위한 쉽고 재현 가능한 설정을 확립해야 한다.

예를 들어, 콜라겐 섬유는 약 1–2 μm 두께이다. 따라서 영상 기법의 해상도는 약 0.5 μm 수준이 되어야 한다. 일부 기술은 부피 데이터를 직접 얻을 수 있지만, 다른 기술은 표본을 절단해야 한다. 어떤 경우든 추출된 부피는 전체 부피에서 섬유 다발을 따라 추적할 수 있어야 한다. 높은 대비는 특히 색상 정보를 사용할 수 있을 때 이미지 분할 작업을 용이하게 한다.

또한 고정 과정의 필요성도 고려해야 한다. 연조직을 포르말린으로 고정하면 수축이 발생하여 원래 조직 구조가 변형될 수 있다. 여러 고정액에 따른 일반적인 수축률은 다음과 같다: 포르말린 (5%–10%), 알코올 (10%), 부앵액 (<5%).[16]

ECM 시각화에 사용되는 주요 영상 방법과 그 특징은 아래 표와 같다.[16][17]

투과 광선공초점 현미경다광자 여기 형광제2 고조파 발생광간섭 단층 촬영
해상도0.25 μm축 방향: 0.25–0.5 μm
가로 방향: 1 μm		축 방향: 0.5 μm
가로 방향: 1 μm		축 방향: 0.5 μm
가로 방향: 1 μm		축 방향: 3–15 μm
가로 방향: 1–15 μm
대비매우 높음낮음높음높음보통
침투 깊이해당 없음10 μm–300 μm100–1000 μm100–1000 μm최대 2mm–3mm
이미지 스택 비용높음낮음낮음낮음낮음
고정필수필수필요 없음필요 없음필요 없음
매립필수필수필요 없음필요 없음필요 없음
염색필수필요 없음필요 없음필요 없음필요 없음
비용낮음중간에서 높음높음높음보통


6. 임상적 중요성

'''연조직 질환'''은 연조직에 영향을 미치는 의학적 상태이다. 연조직 손상은 만성적인 통증을 유발하고 치료하기 어려운 질환 중 하나로 여겨지는데, 이는 연조직, 근막, 관절, 근육 및 힘줄과 같은 연조직 내부에서 어떤 문제가 발생하고 있는지 파악하기가 매우 어렵기 때문이다.

근골격계 전문가, 수기 치료사, 신경근 생리학자 및 신경과 전문의는 신체의 연조직 부위의 부상과 질병을 치료하는 데 특화되어 있다. 이러한 전문 임상의는 연조직을 조작하여 자연 치유를 촉진하고 연조직 손상과 함께 종종 발생하는 설명하기 어려운 통증을 완화하는 혁신적인 방법을 개발하는 경우가 많다. 이러한 전문 분야는 연조직 치료로 알려지게 되었으며, 기술 발전에 따라 문제 영역을 식별하는 능력이 향상되면서 빠르게 확장되고 있다.

상처 및 연조직 손상을 치료하는 유망한 새로운 방법 중 하나는 혈소판 유래 성장 인자를 이용하는 것이다.[18]

"연조직 질환"이라는 용어는 류마티즘과 밀접한 관련이 있다. 때때로 "연조직 류마티스 질환"이라는 용어가 이러한 상태를 설명하는 데 사용되기도 한다.[19]

연조직 육종은 연조직에서 발생할 수 있는 여러 유형의 암 중 하나이다.

참조

[1] 웹사이트 Soft Tissue https://www.cancer.g[...] at [[National Cancer Institute]]
[2] 웹사이트 Soft tissue https://www.merriam-[...] 2020-07-13
[3] 웹사이트 Soft tissue gums https://www.drferrer[...] 2024-07-20
[4] 서적 Current diagnosis & treatment in orthopedics Lange Medical Books/McGraw Hill
[5] 서적 Histologie Springer Medizin Verlag
[6] 논문 Estimation of mechanical properties of soft tissue subjected to dynamic impact 2014
[7] 서적 Proceedings of the 29th Annual European Conference on Cognitive Ergonomics 2011-08
[8] 논문 Continuum biomechanics of soft biological tissues
[9] 서적 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues Springer-Verlag
[10] 논문 The materials science of collagen 2015-12
[11] 논문 A new constitutive relation for rubber
[12] 논문 Tension in fibrils suppresses their enzymatic degradation - A molecular mechanism for 'use it or lose it' 2020-01
[13] 논문 Fibrillar Collagen: A Review of the Mechanical Modeling of Strain-Mediated Enzymatic Turnover https://doi.org/10.1[...] 2021-09-01
[14] 논문 Vascular adaptation and mechanical homeostasis at tissue, cellular, and sub-cellular levels Springer-Verlag
[15] 논문 Constitutive modelling of arteries The Royal Society
[16] 논문 Computer vision analysis of collagen fiber bundles in the adventitia of human blood vessels
[17] 논문 Optical spectroscopy and imaging for the noninvasive evaluation of engineered tissues 2008-12
[18] 논문 Use of platelet growth factors in treating wounds and soft-tissue injuries 2007-12
[19] 웹사이트 Overview of soft tissue rheumatic disorders http://www.uptodate.[...] 2022-06
[20] 웹인용 Soft tissue https://www.merriam-[...] 2020-07-13
[21] 웹인용 Soft Tissue https://www.cancer.g[...] at [[National Cancer Institute]]
[22] 서적 Current diagnosis & treatment in orthopedics Lange Medical Books/McGraw Hill


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