산소로 인한 조직 손상

Oxygen as a Source of Injury

1. 산소는 왜 손상을 일으킬 수 있는가

산소는 생명 유지에 필수적인 분자이지만, 동시에 생체 조직에 손상을 일으킬 수 있는 잠재적 위험 요소다.
일상에서 식품을 진공 포장으로 보관하는 이유도 산소가 유기물을 분해하기 때문이다.
인체에서도 마찬가지로 산소는 탄수화물, 단백질, 지질과 같은 유기 분자를 화학적으로 변형시킬 수 있다.
특히 산소 대사 과정에서 생성되는 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)은 원래의 산소 분자보다 훨씬 강력한 독성을 지니며, 치명적인 세포 손상을 유발할 수 있다.

중환자 치료에서 산소가 항상 보호적인 역할을 한다는 인식과 달리, 실제로는 ROS 생성 경로를 통해 중요한 세포 손상의 원인이 될 수 있다는 점이 점차 명확해지고 있다.

 

2. 산소 대사와 활성산소종의 생성

산소 대사는 미토콘드리아 전자전달계의 마지막 단계에서 이루어진다.
ATP 생성 과정에서 축적된 전자는 산소에 전달되어 물로 환원된다.
이 과정에서 산소는 네 개의 전자를 받아야 완전히 환원되지만, 생화학적 특성상 전자는 한 번에 하나씩만 전달된다.
이로 인해 완전 환원 이전의 중간 단계 물질들이 생성되는데, 이들이 바로 활성산소종이다.

주요 활성산소종에는 초과산화물(superoxide), 과산화수소(hydrogen peroxide), 수산화 라디칼(hydroxyl radical)이 포함된다.
이들 물질은 산화 작용을 통해 세포막 지질, 세포질 단백질, DNA와 같은 핵심 구조물을 손상시킬 수 있다.

 

 

3. 활성산소종의 특징

활성산소종은 성질에 따라 손상 양상이 다르다.
초과산화물과 수산화 라디칼은 자유라디칼로서 매우 높은 반응성을 가진다.

과산화수소는 자유라디칼은 아니지만 강력한 산화제이며, 세포막을 쉽게 통과해 전신으로 확산될 수 있다.
특히 수산화 라디칼은 생화학적으로 가장 반응성이 높은 분자로, 생성 지점 근처에서 즉각적인 반응을 일으키며 가장 파괴적인 손상을 초래한다.

또한 환원형 철(Fe²⁺)은 수산화 라디칼 생성을 촉진하여 산화 손상을 증폭시키는 역할을 한다.

정상 상태에서는 전체 산소 대사의 약 95% 이상이 물로 완전 환원되며, 활성산소종 생성은 소량에 그친다.
그러나 임상적으로 더 중요한 활성산소종의 원천은 염증 반응이다.

 

4. 염증과 호중구 활성

호중구가 활성화되면 산소 소비가 급격히 증가하는데, 이를 호흡 폭발(respiratory burst)이라고 한다.
이 과정의 목적은 활성산소종을 대량 생성해 병원체를 제거하는 것이다.
또한 호중구는 미엘로퍼옥시다아제를 통해 차아염소산(hypochlorite)을 생성하는데, 이는 강력한 산화 물질로 조직 손상에도 관여한다.

 

5. 염증성 손상과 연쇄 반응

활성산소종에 의한 손상은 연쇄 반응의 형태로 증폭된다.
자유라디칼이 비라디칼 분자에서 전자를 빼앗으면, 그 분자 역시 새로운 자유라디칼이 된다.
이러한 반응은 원인이 제거된 이후에도 지속될 수 있다.
중증 패혈증이나 패혈성 쇼크에서 감염이 조절된 이후에도 다장기 손상이 진행되는 현상은 이러한 연쇄 산화 반응으로 설명될 수 있다.

 

6. 항산화 방어 체계

인체는 활성산소종에 대응하기 위해 다양한 내인성 항산화 시스템을 갖추고 있다.
대표적인 항산화 효소와 물질은 다음과 같다.

Superoxide dismutase는 초과산화물을 과산화수소로 전환한다.
초과산화물 제거라는 측면에서는 항산화 역할을 하지만, 과산화수소 생성을 증가시키므로 상황에 따라 산화 작용을 촉진할 수도 있다.

글루타티온(glutathione)은 세포 내에서 가장 중요한 항산화 물질로, 과산화수소를 물로 환원시킨다.
폐 세척액에서 높은 농도로 존재하는 점은 폐를 산화 손상으로부터 보호하는 역할을 시사한다.
중환자에서는 글루타티온 고갈이 흔하다.

N-아세틸시스테인(N-acetylcysteine)은 세포 내로 이동 가능한 글루타티온 유사 물질로, 산화 손상 억제에 임상적 가능성을 가진다.

Selenium(셀레늄)은 glutathione peroxidase의 필수 보조 인자로, 중증 패혈증 환자에서 보충 시 예후 개선과 연관된 보고가 있다.

비타민 E는 지질 과산화를 차단하는 지용성 항산화제로, 지질 산화의 연쇄 반응을 중단시킨다.

비타민 C는 수용성 항산화제로 자유라디칼을 제거하고 비타민 E를 재활성화한다.

Ceruloplasmin과 transferrin은 자유 철을 제한함으로써 수산화 라디칼 생성을 억제한다.

 

 

7. 산화 스트레스(Oxygen Stress)의 개념

산화 스트레스란 산화 작용이 항산화 방어 능력을 초과한 상태를 의미한다.
중환자에서는 염증으로 활성산소종 생성이 증가하는 동시에 항산화 물질이 고갈되기 쉬워 산화 스트레스가 발생하기 쉽다.
이는 산화성 조직 손상의 핵심 기전이다.

 

8. 폐 산소 독성

고농도의 산소를 장기간 흡입하면 염증성 폐 손상이 발생할 수 있다.
종에 따라 민감도는 다르지만, 인간과 유사한 영장류에서는 순수 산소 흡입 후 약 일주일 이내에 폐 손상이 나타난다.
건강한 사람에서도 단기간 100% 산소 흡입 시 기도 염증과 폐활량 감소가 관찰된다.

일반적으로 산소 독성의 기준 FiO₂는 60%로 알려져 있지만, 이는 항산화 상태를 고려하지 않은 단순 기준이다.
중환자에서는 항산화 물질이 고갈된 경우가 많아 더 낮은 FiO₂에서도 독성이 나타날 수 있다.
따라서 임상적으로는 허용 가능한 최저 FiO₂를 유지하는 것이 최선의 전략이다.

 

9. 임상적 시사점

산소는 약물이자 독소가 될 수 있다.
중환자 치료에서 산소 투여는 반드시 필요 최소한으로 조절되어야 하며, 항산화 방어 상태를 고려하는 접근이 중요하다.
이는 밀폐 용기로 식품을 보호하는 것과 유사한 개념으로, 생체 조직 역시 과도한 산화 환경으로부터 보호되어야 한다.

 

* 본 글은 The ICU Book의 내용을 참고하여, 임상적 이해를 돕기 위해 재구성·정리한 글입니다.