폐포
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1. 개요
폐포는 호흡세기관지, 폐포관, 폐포낭, 폐포로 구성되며, 가스 교환을 담당하는 폐의 기본 구조 단위이다. 폐포는 I형 및 II형 폐포상피세포로 구성되며, I형 세포는 가스 교환을, II형 세포는 폐 표면활성제를 생성한다. 폐포는 폐렴, 폐기종, 급성 호흡곤란 증후군과 같은 다양한 질병과 관련되며, 코로나바이러스 감염에도 취약하다.
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| 폐포 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 라틴어 이름 | alveolus pulmonis |
| 위치 | 폐 |
| 계통 | 호흡계 |
| 상세 정보 | |
| 어원 | 라틴어 alveolus (작은 구멍) |
2. 구조
폐포는 종말세기관지에서 연결되어 외기와 혈액의 가스 교환을 담당하는 기관이다.[38] 폐포를 가진 세기관지를 호흡세기관지라고 한다.[38]
폐포는 가스를 저장하는 폐포강과 이를 둘러싸는 폐포상피로 구성된다. 폐포상피는 I형 폐포상피세포와 II형 폐포상피세포로 구성된다. I형 폐포상피세포는 폐포를 둘러싸는 모세혈관 내피세포와 기저막을 매개로 혈액-공기 장벽을 형성하고, 폐포 내 가스와 혈액 가스의 교환을 수행한다. II형 폐포상피세포는 층판소체를 많이 포함하고, 폐 표면활성제(폐포 계면활성제)를 개구분비하여 폐포피복층을 형성하고 있다. 폐포 하나의 크기는 100μm~200μm 정도이다. 폐포는 중격공에 의해 서로 연결되어 있다.
2. 1. 미세 해부학
폐포는 호흡세기관지에 산재된 돌출부로 나타나며, 내강에서 뻗어나온다. 호흡세기관지는 상당한 길이로 뻗어 있으며, 점점 더 많은 폐포가 형성되고, '''폐포관'''의 측지가 폐포로 깊게 둘러싸인다. 각 세기관지에서 폐포관의 수는 2~11개이다.[8] 각 폐포관은 5~6개의 '''폐포낭'''으로 열리고, 폐포들이 모여 있다.각 종말 호흡 단위는 폐포라고 하며, 호흡세기관지, 폐포관, 폐포낭, 폐포로 구성된다. 새로운 폐포는 8세까지 계속 형성된다.[9]
전형적인 한 쌍의 인체 폐에는 약 4억 8천만 개의 폐포가 있으며,[10] 가스 교환을 위한 총 표면적은 70m2~80m2이다.[8] 각 폐포는 미세한 모세혈관 그물로 싸여 있으며, 폐포 표면적의 약 70%를 차지한다.[11] 폐포의 직경은 200μm~500μm이다.[11]
폐포는 단층편평상피(매우 얇고 편평한 세포)로 이루어진 상피층[12]과 모세혈관으로 둘러싸인 세포외기질로 구성된다. 상피세포층은 호흡막이라고도 하는 폐포막의 일부이며, 이를 통해 기체 교환이 일어난다.
폐포벽에는 코흐 폐포공(pores of Kohn)이라고 하는 폐포 사이의 상호 연결된 기도가 있다. 폐포주머니에서 폐포를 분리하는 폐포중격에는 콜라겐 섬유와 탄력섬유가 포함되어 있다. 중격에는 각 폐포를 둘러싸는 얽혀 있는 모세혈관망도 있다. 탄력섬유는 흡입 시 공기로 채워질 때 폐포가 늘어나도록 하고, 호기 시 이산화탄소가 풍부한 공기를 배출하기 위해 다시 수축한다.
폐포세포에는 세 가지 주요 유형이 있다. 폐포벽에 존재하는 I형 세포와 II형 세포 (폐포세포(pneumocytes 또는 pneumonocytes))와 폐포 내강과 그 사이의 결합조직에서 이동하는 거대탐식세포인 폐포 대식세포가 있다. I형 세포(I형 폐포세포)는 편평하고 얇으며 폐포의 구조를 형성한다. II형 세포(II형 폐포세포)는 표면장력을 낮추기 위해 폐 계면활성제를 방출하며, 손상된 I형 세포를 대체하기 위해 분화될 수도 있다.[11][14]
폐포는 종말세기관지에서 연결되어 외기와 혈액의 가스 교환을 담당하는 기관이다.[38] 폐포를 가진 세기관지를 호흡세기관지라고 한다.[38]
폐포는 가스를 저장하는 폐포강과 이를 둘러싸는 폐포상피로 구성된다. 폐포상피는 '''I형 폐포상피세포'''와 '''II형 폐포상피세포'''로 구성된다. I형 폐포상피세포는 폐포를 둘러싸는 모세혈관 내피세포와 기저막을 매개로 혈액-공기 장벽을 형성하고, 폐포 내 가스와 혈액 가스의 교환을 수행한다. II형 폐포상피세포는 층판소체를 많이 포함하고, 폐 표면활성제(폐포 계면활성제)를 개구분비하여 폐포피복층을 형성하고 있다. 폐포 하나의 크기는 100μm~200μm 정도이다. 폐포는 중격공에 의해 서로 연결되어 있다.
3. 발생
폐포는 처음에는 호흡세기관지에 산재된 돌출부로 나타나며, 내강에서 뻗어 나온다. 호흡세기관지는 상당한 길이로 뻗어 있으며, 점점 더 많은 폐포가 형성되고, '''폐포관'''의 측지가 폐포로 깊게 둘러싸인다. 각 세기관지에서 폐포관의 수는 2~11개이다.[8] 각 폐포관은 5~6개의 '''폐포낭'''으로 열리고, 폐포들이 모여 있다.
각 종말 호흡 단위는 폐포라고 하며, 호흡세기관지, 폐포관, 폐포낭, 폐포로 구성된다. 새로운 폐포는 8세까지 계속 형성된다.[9]
폐포를 포함하는 가장 초기 구조의 발생은 22일째에 시작되며, 배아기, 가상샘기, 세기관기, 낭기, 폐포기의 다섯 단계로 나뉜다.[15] 폐포기는 발생 약 36주에 시작된다. 미성숙 폐포는 1차 격벽을 침범하는 소낭에서 돌출부로 나타난다. 소낭이 발달함에 따라 1차 격벽의 돌출부는 커지고, 새로운 격벽은 더 길고 얇아지며 2차 격벽으로 알려져 있다.[15] 2차 격벽은 소낭을 폐포로 최종 분할하는 역할을 한다. 폐포의 대부분은 생후 6개월 이내에 발생하지만 3세까지 계속 발달한다. 더 얇은 확산 장벽을 만들기 위해 이중층 모세혈관 네트워크가 하나의 네트워크로 융합되며, 각각은 발달하는 두 개의 폐포와 밀접하게 관련되어 있다.[15]
생후 3년 동안 폐의 확장은 폐포 수의 증가에 따른 결과이며, 그 이후에는 폐포의 수와 크기 모두가 약 8세에 폐 발달이 끝날 때까지 증가한다.[15]
4. 기능
폐포는 산소와 이산화탄소의 확산을 통해 가스 교환을 하는 주된 장소이다. 폐포는 1형 세포, 2형 세포, 그리고 폐포 대식세포로 구성되어 있다. 1형 세포는 얇고 편평하여 폐포와 혈액 사이의 가스 교환을 용이하게 한다. 2형 세포는 폐 표면활성제를 분비하여 폐포의 표면장력을 낮추고 폐포가 붕괴되는 것을 방지한다. 폐포 대식세포는 폐에 있는 이물질을 흡수하여 제거하는 역할을 한다.[24]
적혈구 속 헤모글로빈(Hb)은 산소 분압에 따라 산소와 결합한다. 산소 분압이 높은 폐포 내에서 산소와 결합하고, 산소 분압이 낮은 말초 조직에서 산소를 방출한다.
이산화탄소는 일부 헤모글로빈과 결합하지만, 주로 혈장에 용해되어 탄산 형태로 운반된다. 폐포에서는 이산화탄소가 혈장에서 폐포로 확산되어 배출된다.
일산화탄소나 시안화수소는 헤모글로빈과 산소의 결합을 방해하여 산소 운반을 저해한다.
혈액과 공기의 가스 교환은 혈액-가스 분배 계수로 표시된다. 이는 흡입 마취제 선택 및 조정에 사용된다. 임상에서는 폐포 기체-동맥혈 산소 분압 차( '''AaDO2''' )가 폐포의 환기 능력 지표로 중요시된다.
4. 1. I형 세포
I형 폐포세포는 두 가지 주요 폐포 세포 유형 중 더 큰 세포로, 얇고 편평한 상피 세포(막성 폐포세포)이며 폐포의 구조를 형성한다.[16] 폐포 표면의 95% 이상을 덮는 긴 세포질 돌기를 가지고 있다.[11][17]I형 세포는 폐포와 혈액 사이의 가스 교환 과정에 관여한다. 매우 얇아서(때로는 25nm) 전자 현미경으로 관찰해야 할 정도이다. 이 얇은 막은 폐포 내 공기와 주변 모세혈관 내 혈액 사이의 빠른 확산을 가능하게 한다.
I형 세포의 핵은 넓은 세포질 영역을 차지하며, 그 주변에 세포 소기관이 모여 있어 세포의 두께를 줄인다. 이는 혈액-공기 장벽의 두께를 최소화한다. 얇은 부분의 세포질에는 음세포 작용 소포가 있어 외부 표면에서 작은 입자성 오염 물질을 제거하는 역할을 할 수 있다. 데스모솜 외에도 모든 I형 폐포 세포는 조직액이 폐포 공기 공간으로 새는 것을 방지하는 폐쇄 접합부를 가지고 있다.
산소는 상대적으로 잘 녹지 않아(확산 속도가 느림) 폐포는 큰 내부 표면적(약 80제곱미터)과 매우 얇은 벽이 필요하다. 모세혈관 사이를 지나가고 모세혈관을 지지하는 세포외 기질은 탄력섬유와 콜라겐 섬유의 그물 모양 구조이다. 콜라겐 섬유는 더 단단하여 벽에 단단함을 제공하고, 탄력섬유는 호흡 중 벽의 팽창과 수축을 돕는다.
I형 폐포세포는 복제할 수 없으며 독성 손상에 취약하다. 손상이 발생하면 II형 세포가 증식하여 I형 세포로 분화하여 보상할 수 있다.[18]
폐포상피는 '''I형 폐포상피세포'''와 '''II형 폐포상피세포'''로 구성된다. I형 폐포상피세포는 폐포를 둘러싸는 모세혈관 내피세포와 기저막을 매개로 혈액-공기 장벽을 형성하고, 폐포 내 가스와 혈액 가스의 교환을 수행한다.
4. 2. II형 세포
II형 세포는 입방형이며 I형 세포보다 훨씬 작다.[16] 이 세포는 폐포에서 가장 많은 수를 차지하지만 편평한 I형 세포만큼 넓은 표면적을 차지하지는 않는다.[18] 폐포벽에 있는 II형 세포(과립성 폐포세포)는 소기관인 층상소체를 포함하고 있으며, 이 소체는 세포막과 융합하여 폐 표면활성제를 분비한다. 폐 표면활성제는 지방 물질, 즉 폐포의 표면장력을 감소시키는 여러 인지질의 막이다. 인지질은 층상소체에 저장된다. 이 코팅이 없으면 폐포가 붕괴될 수 있다. 표면활성제는 세포외유출을 통해 지속적으로 방출된다. 호기 후 폐포의 재팽창은 얇은 폐포의 얇은 액체층의 표면 장력을 감소시키는 표면활성제에 의해 용이해진다. 이 액체 코팅은 혈액과 폐포 공기 사이의 기체 전달을 용이하게 하기 위해 신체에서 생성되며, II형 세포는 일반적으로 혈액-공기 장벽에서 발견된다.[19][20]II형 세포는 약 26주차의 임신 기간에 발달하기 시작하여 소량의 표면활성제를 분비한다. 그러나 충분한 양의 표면활성제는 임신 35주차까지 분비되지 않는데, 이것이 임신 35주차 이상의 연령에서는 현저히 감소하는 영아 호흡곤란 증후군의 발생률이 높은 주요 원인이다.
II형 세포는 세포 분열 능력도 있어 폐 조직이 손상되었을 때 더 많은 I형 및 II형 폐포 세포를 생성한다.[21]
II형 폐포세포와 관련된 인간 유전자인 ''MUC1''은 폐암의 표지자로 확인되었다.[22]
2022년 4월에 발표된 한 논문에서는 COVID-19의 심각한 호흡기 증상 발병에 있어 2형 폐포 세포의 중요성과 SSRI인 플루복사민과 플루옥세틴이 이러한 세포를 보호하는 잠재적 메커니즘을 요약하였다.[23]
4. 3. 폐포 대식세포
폐포 대식세포는 폐포, 폐포관 및 세기관지의 내강 표면에 존재한다. 이들은 이동성이 있는 청소 세포로, 먼지, 박테리아, 탄소 입자 및 손상으로 인한 혈구와 같이 폐에 있는 이물질을 흡수하는 역할을 한다.[24] 이들은 폐 대식세포(pulmonary macrophages) 및 먼지 세포(dust cells)라고도 불린다. 폐포 대식세포는 폐에서 바이러스 병원체에 대한 면역 반응에도 중요한 역할을 한다.[25] 이들은 사이토카인과 케모카인을 분비하여 다른 면역 세포를 모집하고 활성화시키며, 1형 인터페론 신호 전달을 시작하고, 바이러스 게놈의 핵 수출을 억제한다.[25]4. 4. 기타 기능
폐포는 가스 교환 외에도 다음과 같은 기능을 수행한다.- 헤모글로빈과 가스: 헤모글로빈은 산소 분압에 따라 산소와 결합하거나 분리한다. 산소 분압이 높은 폐포에서는 산소와 결합하고, 산소 분압이 낮은 조직에서는 산소를 방출한다.
- 이산화탄소 운반: 이산화탄소는 일부 헤모글로빈과 결합하지만, 주로 혈장에 용해되어 탄산 형태로 운반된다. 폐포에서는 이산화탄소가 혈장에서 폐포로 확산되어 배출된다.
- 유해 물질의 영향: 일산화탄소나 시안화수소는 헤모글로빈과 산소의 결합을 방해하여 산소 운반을 저해한다.
- 혈액-가스 분배 계수: 혈액과 공기 사이의 가스 교환은 혈액-가스 분배 계수로 나타낸다. 이는 흡입 마취제 선택 및 조정에 사용된다.
- 폐포 기체-동맥혈 산소 분압 차(AaDO2): 임상에서 폐포의 환기 능력을 평가하는 지표로 사용된다.
5. 임상적 의의
적혈구 속의 헤모글로빈(Hb)은 산소 분압에 따라 산소와 결합하는 성질을 가지고 있으며, 산소 분압이 높은 폐포 내에서 산소와 결합하고, 산소 분압이 낮은 말초 조직에서 산소를 방출한다.
이산화탄소는 일부가 헤모글로빈과 결합하지만, 이는 이산화탄소 운반보다는 헤모글로빈과 산소의 친화성을 변화시킴으로써 산소 운반을 돕는 역할을 한다. 이산화탄소는 산소보다 물에 잘 녹아 주로 혈장으로 용해된 후, 적혈구 내에서 수화되어 탄산으로 변하고 이온화되어 혈장으로 확산, 운반된다. 혈장에는 유리 이산화탄소와 탄산 이온이 화학 평형을 이루며 공존하는데, 이산화탄소 분압이 낮은 폐포에 혈액이 도달하면 이산화탄소가 폐포 기체 중으로 확산되고, 혈장의 이산화탄소 분압이 낮아짐에 따라 탄산이 탈수되어 이산화탄소가 되어 추가로 폐포 기체 중으로 확산되어 배출된다.
일산화탄소나 시안화수소는 헤모글로빈과의 친화성이 산소보다 높아 산소 운반을 저해하여 독성을 나타낸다.
혈액과 공기의 가스 교환은 혈액-가스 분배 계수로 표시된다. 이는 가스가 녹는 혈액의 분포 용적을 구하는 것으로, 흡입 마취제 선택 및 조정에 사용된다. 임상에서는 폐포 기체-동맥혈 산소 분압 차( '''AaDO2''' )가 폐포의 환기 능력 지표로 중요시된다.
II형 폐포 세포는 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2) 발현이 높아, 사스[36]와 코로나19[37]를 유발하는 바이러스를 포함한 일부 코로나바이러스 감염에 취약하다.
5. 1. 질병
폐포와 관련된 질병은 다음과 같다.- 호흡곤란 증후군
- 신생아 호흡곤란 증후군(RDS)
- 급성 호흡곤란 증후군(ARDS): 확산성 폐포 손상(DAD) 양상을 보인다.
- 낭포성 섬유증(CF)
- 간질성 폐렴(IP)
- 만성 기관지염(CB)
- 폐기종
- 폐렴
- 기관지 천식
- 폐포 미세석증: 폐포에 작은 돌이 형성되는 드문 폐 질환이다.
- 공동성 폐렴: 폐포가 파괴되어 공동이 생성되는 질환이다.
- 폐 종양 또는 폐암: 폐포를 압박하여 가스 교환 능력을 감소시킨다.
- 폐부종: 폐 실질과 폐포에 체액이 축적되는 질환이다.
- 폐포좌상: 외상에 의해 발생하는 폐 조직의 멍으로, 가스 교환을 손상시킨다.
II형 폐포 세포는 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2) 발현이 높아, 사스([36])와 코로나19([37])를 유발하는 바이러스를 포함한 일부 코로나바이러스 감염에 취약하다.
5. 1. 1. 표면활성제 관련
폐포 내 표면활성제가 부족하면 무기폐(폐의 일부 또는 전부가 붕괴되는 현상)가 발생할 수 있다. 폐 표면활성제가 없으면 무기폐는 필연적으로 발생한다.[26] 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)의 심각한 상태는 표면활성제의 결핍 또는 기능 장애로 인해 발생한다.[27] 미숙아의 폐에서 표면활성제가 부족하면 영아 호흡곤란 증후군(IRDS)이 발생한다. 레시틴-스핑고미엘린 비율은 태아의 양수를 측정하여 폐의 성숙도 또는 미숙도를 나타내는 지표이다.[28] 낮은 비율은 IRDS의 위험 요소를 나타낸다. 레시틴과 스핑고미엘린은 폐 표면활성제의 당지질 중 두 가지이다.표면활성제 조절 장애는 폐포 단백질증이라는 질환으로 이어져 폐포에 표면활성제 단백질이 축적될 수 있다. 이로 인해 가스 교환이 손상된다.[29]
5. 1. 2. 염증 관련
폐렴은 바이러스와 세균 모두에 의해 발생할 수 있는 폐 조직의 염증성 질환이다. 감염에 대한 반응으로 사이토카인과 체액이 폐포강, 폐간질 또는 둘 다에 방출되어 가스 교환의 유효 표면적이 감소한다. 세포 호흡을 유지할 수 없는 심각한 경우에는 추가 산소 공급이 필요할 수 있다.[30][31]확산성 폐포 손상은 폐의 심각한 염증성 질환인 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)의 원인이 될 수 있다.[32] 천식에서는 세기관지가 좁아져 폐 조직으로 들어가는 공기의 양이 크게 감소한다. 예를 들어 대기 중의 자극 물질이나 광화학 스모그, 또는 사람이 알레르기 반응을 보이는 물질에 의해 유발될 수 있다.
만성 기관지염은 폐에서 점액이 과다하게 생성될 때 발생한다. 점액 생성은 폐 조직이 자극 물질에 노출될 때 자연적으로 발생한다. 만성 기관지염에서는 폐포로 들어가는 기도인 호흡기 세기관지가 점액으로 막힌다. 이로 인해 점액을 제거하기 위한 기침이 증가하며, 종종 장기간 담배 연기를 흡입한 결과로 나타난다.
- 과민성 폐렴
- 호흡곤란 증후군
- * 신생아 호흡곤란 증후군(RDS)
- * 급성 호흡곤란 증후군(ARDS): 확산성 폐포 손상(DAD) 양상을 보인다.
- 낭포성 섬유증(CF)
- 간질성 폐렴(IP)
- 만성 기관지염(CB)
- 폐기종
- 폐렴
- 기관지 천식
5. 1. 3. 구조적 문제
거의 모든 종류의 폐 종양 또는 폐암이 폐포를 압박하여 가스 교환 능력을 감소시킬 수 있다. 어떤 경우에는 종양이 폐포를 채우기도 한다.[33]
- 공동성 폐렴은 폐포가 파괴되어 공동이 생성되는 과정이다. 폐포가 파괴됨에 따라 가스 교환이 일어나는 표면적이 감소한다. 혈류의 추가적인 변화는 폐 기능 저하로 이어질 수 있다.
- 폐기종은 폐포 벽의 엘라스틴이 호중구 엘라스타제(담배 연기로 인해 증가) 생성과 알파-1 안티트립신(유전적 요인 또는 메티오닌 잔기의 중요한 부분이 담배 연기와 같은 독소와 반응으로 인해 활동이 다름) 사이의 불균형에 의해 분해되는 폐 질환이다. 이로 인해 폐의 탄력성이 손실되어 팽창된 폐의 수동적 후퇴를 통해 일어나는 호기 시간이 길어진다. 이는 호흡당 교환되는 가스량을 줄인다.
- 폐포 미세석증은 폐포에 작은 돌이 형성되는 드문 폐 질환이다.
- 흡연, 바이러스 감염 및 노화를 포함한 여러 요인이 II형 폐포 세포에 대한 물리적 손상에 기여한다. 일부 연구에서는 이러한 세포의 손상을 폐의 섬유증 증식 및 특발성 폐 섬유증의 발생과 관련짓고 있다.[34]
- 호흡곤란 증후군
- 신생아 호흡곤란 증후군(RDS)
- 급성 호흡곤란 증후군(ARDS): 확산성 폐포 손상(DAD) 양상을 보인다.
- 낭포성 섬유증(CF)
- 간질성 폐렴(IP)
- 만성 기관지염(CB)
- 폐기종
- 폐렴
- 기관지 천식
5. 1. 4. 체액 관련
폐포좌상은 외상에 의해 발생하는 폐 조직의 멍이다.[35] 좌상으로 인한 손상된 모세혈관은 폐 조직에 혈액 및 기타 체액이 축적되어 가스 교환을 손상시킬 수 있다.폐부종은 폐 실질과 폐포에 체액이 축적되는 것이다. 부종은 일반적으로 좌심실 심부전 또는 폐나 폐 혈관계의 손상으로 인해 발생한다.
5. 1. 5. 코로나바이러스
II형 폐포 세포에서 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2)의 발현이 높기 때문에, 폐는 사스[36]와 코로나19[37]를 유발하는 바이러스를 포함한 일부 코로나바이러스 감염에 취약하다.참조
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