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정자와 난자의 이동, 수정 및 착상

김 석 현
서울대학교 의과대학 산부인과학교실

1. 정자 이동(Sperm Transport)

1) 정자는 정자 생성(spermatogenesis) 시작 72시간 후에 미측 부고환(caudal epididymis)에 도착하고, 이때 이미 선체막(acrosomal membrane)과 편모(flagellum)를 갖게 된다. 정자는 부고환(Epididymis)을 통과하면서 점차 수정능력과 운동성을 갖는다.

2) 미측 부고환에서 사정을 위한 저장이 이루어지며 이 시기에는 적절한 정자기능 보존을 위하여 적당한 혈중 testosterone 치와 정상적인 고환 온도(scrotal temperature)의 유지가 요구된다. 발열이 있는 경우에는 정자의 수가 감소된다. 부고환은 저장기능만이 있는 듯한데 그 이유는 선천성 정관 무형성(congenital absence of the vas deferens)의 경우 부고환을 통과하지 않고도 생체외 수정을 통하여 성공적인 임신이 가능하기 때문이다.

3) 정액은 사정 직후 젤(gel) 상태에서 전립선에서 분비된 효소에 의해 20 -30분내에 액화(liquefaction) 되고, 정액의 알칼리성 pH 는 질내의 산성 환경으로부터 정자를 보호해주나 그 작용은 일시적이며 질내에 남은 정자는 2시간내에 움직일 수없게 된다. 이중 운좋은 정자는 자궁외경부(ectocervix)에 걸쳐있는 경부점액(cervical mucus)을 따라 자궁내로 들어가고 정액(seminal plasma)은 질내에 남게 된다.

이러한 진입(entry)은 매우 빨라서 사정 후 90초 이내에 점액(mucus)안에서 정자를 발견할 수 있다. Bedford는 토끼에서 사정 후 5분 후에 질내의 모든 정자가 파괴되나 수정을 방해하지는 못하는데, 즉 이것은 정자이동의 신속성을 증명하는 것이라 하였다.

4) 정확한 기전은 모르지만 성교중의 여성 생식 기관(female reproductive tract)의 수축이 정자를 경부 점액으로 도달시키는데 중요한 역할을 하며, 편모 운동성(flagellar activity)과 함께 성공적인 진입에 도움을 준다. 하지만 치료적 사정(therapeutic insemination)의 성공은 성교와 극치감(orgasm)이 정자 이동에 필수적이지는 않다는 사실을 뒷받침한다.

5) 정자는 정자 두부(sperm head) 보다 작은 점액 미세구조(microstructure)의 세공(pore)을 통하여 이동하므로 스스로의 운동으로 이것을 헤쳐나가야 하는데, 정자의 운동성 감소는 이러한 이동을 어렵게 하여 불임의 한 원인이 된다. 또한 항정자 항체(sperm antibody), 비정상적 정자 두부 형턔(abnormal sperm head morphology) 등은 점액 관통(penetration)을 어렵게 만든다.

6) 자궁수축은 정자를 위로 이동시키며 사람에서는 사정후 5분 정도면 난관에 도달하는데, 난관으로 제일 먼저 들어간 정자는 불리하며 수정할 가능성이 적다. 토끼에서는 이러한 초기 정자(early sperm)는 운동성이 낮으며, 두부막(head membrane)의 손상이 자주 관찰된다.
경부 점액,경부 곰와(cervical crypts), 난관(tubal ithmus) 등에 있던 정자는 난자와 만나기 위해 서서히 난관의 ampulla로 이동한다. 인간의 정자는 성교 후 80시간까지 난관에서 발견되고, 이때에도 zona-free hamster oocyte와 수정할 수 있다. 대개 동물에서의 수정 가능 수명(fertilizable life-span)은 운동 수명(motile life-span)의 절반이다. 경부 점액에 있는 정자의 수는 성교후 24시간까지는 일정하나 48시간 이후에는 매우 적은 수만 남게 된다.

7) 정자의 소모(Attrition in sperm numbers) 질내에 존재하는 평균 2억 내지 3억개의 정자 중 난자까지 도달하는 것은 200개 이하에 불과하다. 주된 손실은 질로부터 질 입구(introitus) 밖으로 빠져나가는 것이며, 그 외에 질 효소에 의해 소화(digestion)되거나, 생식 기관의 탐식 작용(phagocytosis), 자궁내막세포 안에 정자가 파묻혀(engulf) 손실된다는 보고도 있다. 난관은 정자를 저장하지 못하며 난관을 따라 복강(peritoneal cavity)으로 빠져나가 손실된다. 하지만 자궁경부는 정자를 72시간 동안 제공할 저장력(reservoir)를 갖고 있다.

8) 난관내에서 정자는 과운동성(hyperactivated motility)을 보이며, 이는 난관 상피세포(tubal epithelium)와의 상호작용으로 얻어지며, 빠른 속도와 더 좋은 방향성을 갖는다.

9) 경부 점액은 과립형(granular form)으로 분비되며 자궁경관에서 그물망(network)을 형성하므로, 정자가 모든 부위에 균일하게 통과하지는 못한다. 동물실험에 의하면 정자가 위로 이동하도록 선형 배치(linear alignment)를 이루고 있다. 이러한 배치에 자궁수축으로 점액에 압력이 가해지면 정자이동의 속도를 증가시킨다.

2. 수정 능력 부여(Capacitation)

1951년 쥐와 토끼의 정충(spermatozoa)은 난자를 투과하기 전에 수정 능력을 얻기 위해 약간의 시간을 필요로 한다는 사실이 발견되었고, 또한 이러한 정자가 변형하는 과정을 수정 능력 부여(capacitation)라 기술하였다.

1) 수정 능력 부여는 다음 세가지로 요약할수 있다

- 첨체화 반응(acrosome reaction)을 일으킬 수 있는 능력
- 투명대(zona pellucida)에 부착하는 능력
- 과운동성(hypermotility)의 획득 등이다.

2) 수정 능력 부여는 정자표면을 덮고 있는 정액장 요소(seminal plasma factor)를 제거하고 표면전하(surface charge)를 변화시켜 수용체 운동성(receptor motility)을 억제한다. 이것은 장막(plasma membrane)과 그 바로 밑의 외부선체막(outer acrosomal membrane)의 안정도를 감소시키고, 수정능력화된 정자가 난자에 근접하거나 여포액(follicular fluid)에서 배양될때 이러한 변형(modification)은 더욱 증가된다.

3) 선체반응(Acrosome reaction)이란 장막(plasma membrane)과 외부 선체막(outer acrosomal membrane)이 접합하여 선체(acrosome)안의 효소가 방출된 것이다. 이 방출된 효소는 hyaluronidase, neuraminidase-like factor, corona-dispersing enzyme, acrosin이라 불리는 단백분해효소(protease) 등인데 정자가 난자의 외피(egg investments)를 통과하는데 중요한 역할을 한다.

4) 또한 난막(egg membrane)과 정충선제막(sperm head membrane)의 결합준비를 위한 변화도 일어나며, 수정 능력 부여는 과운동성을 갖는 정자를 제공하고, 정자의 속도를 증가시켜 zona 통과에 가장 중요한 요소를 제공한다. 선체 반응은 생체에서 난자의 투명대 단백과 인간 난포액에 의해서도 일어날 수 있다.

5) 과거에는 수정 능력 부여가 여성 생식기관 내에서만 일어나는 정자의 변화를 의미했으나, 최근에는 사람을 포함한 몇 종류의 동물들은 배지(media)에서 배양된 후 수정이 가능해져서 체외수정(in vitro fertilization)이 가능해졌다.

6) 생체외 수정능력부여(In vitro capacitation)

배양액으로는 유당(lactate), pyruvate, 포도당(glucose), 알부민(albumin) 등의 에너지원(energy source)을 포함하는 균형이 잡힌 수액(balanced salt solution) 이나 혈청, 여포액(follicular fluid) 등의 생물학적 액(biologic fluid)을 사용한다. 정자 표면을 덮고있는 요소(factor)를 제거하기 위하여 세척(washing)을 하고, 정자막(sperm membrane)의 콜레스테롤의 제거가 선체반응의 초기화(acrosome reaction initiation)에 중요하다. 생체외 수정 능력 부여는 약 2시간이 소요되며, 햄스터 난자 통과 테스트(hamster penetration test)는 이러한 생체외 수정능력부여와 선체 반응을 수행하는 정자의 능력을 측정해준다.


3. 수정란 운반(Egg Transport)

1) 난세포(Oocyte)는 배란시 과립막세포(granulosa cell), 난구(cumulus oophorus)로 덮여 있고, 이들은 서로 gap junction을 통하여 정보 교환(communication)을 하는데, 황체화 호르몬(LH)의 midcyclic surge가 일어나면 난구세포가 난세포로부터 제거되어 gap junction이 붕괴된다. 그후 난세포 성숙(oocyte maturation)과 표면과립(cortical granule)의 표면이동을 야기시킨다.

2) 수정난 운반은 배란에서부터 자궁 안으로 난자가 들어가는 기간을 포함하며, 수정난은 난관에서 머무는 초기(early stage) 동안에만 수정이 가능하다. 배란 후 2-3분 내에 난구(cumulus)와 난세포는 ampulla로 들어간다.

3) Rat나 mice는 난소와 난관의 원위부(distal portion)가 공통액망(common fluid sac)으로 둘러쌓여 있으나, 사람을 포함한 영장류는 배란된 난자(egg)가 여포세포 덩어리(follicular cell mass)와 함께 난소에 붙어 있다가 난관의 fimbriated end가 난소의 표면을 흡입하여 난자를 잡아챈다. 이러한 과정에서 여러가지 변이(variation)가 있는데, 예를 들면 한쪽 난소와 반대편 난관만 있는 경우와 cul-de-sac에 모여 있는 난자도 난관이 잡아챌 수있다.

4) 근육수축에 의해 난관내에 음압(small negative pressure)이 생기지만, ovum pickup은 이러한 음압에 의한 이차적인 흡입효과에만 의존하지 않는다. Fimbria의 바로 안쪽을 결찰하더라도 pickup에 지장을 주지는 않는다. Fimbria의 표면에 있는 섬모(cilia)는 유착장소(adhesive site)를 갖고 있고, 이것이 아마도 난자를 난관 안으로 보내는 초기 동작(initial movement)에 관여하는 듯하며, 이러한 동작은 난자를 감싸고 있는 여포난구세포(follicular cumulus cell)가 있어야만 가능하다. 대부분 난구세포(cumulus cell)를 제거하면 효과적인 난자 수송이 지장받기 때문이다.

5) 많은 연구자들이 ciliary beat가 난자 수송에 어떠한 역할을 할 것이라고 생각하지만, 인간에서는 난관의 섬모가 난자를 이동시키는 데는 덜 중요한 요소로 생각된다. 그 이유는 난관과 호흡기에 섬모가 선천적으로 손상되어 있는 Kartagener's syndrome의 여성에서도 임신이 가능하기 때문이다.

6) 난관의 근수축(muscular contraction)은 지속적 진행성 운동(continuous foward progression) 이라기보다는 앞뒤 잔행성 운동(to-and-fro movement)이며, 대부분의 동물에서 난관을 이동하는데 소요되는 시간은 약 3일 정도이다. 난관의 각 부위를 통과하는데 걸리는 시간은 다른데, rabbit은 ampulla를 통과하는 시간이 빠르나 사람은 난자가 ampullary-isthmic junction에 도달하는 시간이 30시간이나 된다. 난자는 이 부위에서 30시간 정도를 더 머무른 후, 난관의 isthmus에서는 빠르게 이동한다.

7) 난관의 기능을 변형하여, 난관의 생리를 이해하기 위한 약리학적 접근(three major pharmacologic approach)

    ① 스테로이드 호르몬의 level 변경

    Hormone의 종류, 용량, 투여시기 등의 차이로 인하여 실험 결과를 생체내 상황에 적용하기가 어렵다. 대부분 estrogen의 약리학적 용량은 난자를 난관에 머무르게 하는데 좋고, 이러한 estrogen 의 "tube locking" 효과는 progesterone 투여에 의하여 부분적으로 역전될 수 있다.

    ② adrenergic stimuli에 대한 간섭(Interference) 또는 보충(supplementation)

    난관의 isthmus는 많은 adrenergic innervation을 갖고 있다. 수술로 난관을 denervation시켜도 난자 수송(ovum transport)를 차단시키지는 못한다.

    ③ prostaglandins의 처치

    E series는 난관 근육을 이완시키고, F series는 난관의 근육 활동을 촉진시킨다. 비록 PGF2a가 인간의 난관 운동성을 생체내에서는 촉진시키지만, 난자 수송을 촉진시키지는 못한다.

8) 난관의 각각 다른 부위를 제거하여 수정에 미치는 영향을 연구 (Pauerstein and Eddy)

Rabbit에서 ampullary-isthmic junction을 제거하여도 생식(fertility)에 지장이 없으며, 팽대부(ampulla)의 일부분이나 entire isthmus and uterotubal junction을 제거하여도 임신이 가능하다. 비록 fimbria가 생식에 결정적인 역할을 한다고 생각하지만, fimbriectomy나 fimbriated end를 제거한 여성에서도 자연임신이 되었다는 보고가 있다.

9) 대부분의 동물에서는, 난자가 난관에 머무르는 기간은 충분한 발달(full development)을 위한 준비기간으로 보여 진다. 예로 Rabbit 난자는 자궁내에서도 수정은 되지만, 수정 후 3시간 내에 난관으로 옮겨주지 않으면 발달(development)하지 않는다. 여러 연구를 통하여 배란 후 첫 48시간 이내의 자궁내액(uterine fluid) 내에는 난자(egg)에 독성이 있는 어떤 성분이 있을 것으로 생각된다. 또한 동물에서는 내막과 난자 사이에 발달(development)이 일치(synchrony)해야만 성공적인 임신이 일어난다. 따라서 난관은 난자의 이동에만 관여하는 것이 아니라 체류효과(holding action)도 있으며,이것은 배란 후의 황체호르몬(progesterone)과 난포호르몬(estrogen)의 변화에 의하여 조율된다.

10) 사람에게서는 난소를 자궁의 자궁각(cornua)에 부착(transpose)시킨 후에도 성공적인 임신이 가능하며, 수정된 공여자(donor)의 난자를 이전(transfer)시켜도 착상(implantation)이 일어난다. 이것은 동물과 인간의 생리사이의 결정적인 차이점이며, 난관 수송(tubal transport)을 증가시키는 약제로 난자가 자궁의 unreceptive state 때에 도달하게 하여 피임을 시키려는 시도는 동물에서는 가능하나 인간에게는 완벽한 일치(perfect synchrony)가 요구되지 않음으로 가치가 없다.

11) 동물과 인간의 생식(reproduction)은 자궁외임신(ectopic pregnancy) 발생 때도 다르다. 자궁외임신은 동물에게는 드물고, 설치류에서 수정 직후 uterotubal junction을 막아도 일어나지 않는다. 이러한 경우 동물의 배아(embryo)는 blastocyst stage에 도달하여 퇴화(degeneration) 된다.


4. 수정(Fertilization)

1) 배란 후 rabbit 난자의 수정가능한 수명은 6내지 8시간 이내이고, 인간 난자의 수정 가능한 수명은 잘 모르지만 대개 배란후 12시간에서 24시간 이내로 추정된다. 그러나 미성숙한 인간 난자는 배양 36시간 후에도 체외 수정시 수정이 가능하다. 인간 정자의 수정 가능한 수명 역시 잘 모르나 대개 사정 후 48-72시간 정도이며, 수정능력을 잃은 후에도 운동성은 유지된다. 정자와 난자의 접촉(contact)은 난관의 팽대부에서 무작위적으로 일어나지만, 난자가 정자를 끌어당긴다는 약간의 증거가 있다.

2) 투명대의 수정과정에서의 주요한 기능 두가지

    ① 약간의 예외는 있으나, 상대적으로 종특이적(species-specific)인 정자 수용체(sperm receptor) 를 갖고 있다.
    ② Zona reaction 은 일단 먼저 수정된 정자가 통과하면 다른 정자를 받아들이지 않고, 따라서 polyploidy를 방지해주는 작용.

3) Zona penetration은 매우 빠르며, 아마도 정자의 내부 선체막(inner acrosomal membrane)에 결합된 acrosin이라는 trypsin 유사 단백질 분해효소에 의하여 매개 된다고 생각된다. acrosin이 결정적인 역할을 한다는 데는 많은 이견이 있는데, 예를들면 acrosin 에 대한 zona 저항을 증가 시키는 조작을 가하여도 정자의 투과를 막지는 못한다. 따라서 "정자 운동성" 이 가장 결정적인 요인이라고 생각된다.

4) 선체(Acrosome)는 정자 두부의 앞부위에 있으며 장막(plasma membrane) 바로 밑에 놓여 있는 lysosome-like organell로서 선체반응(acrosome reaction)에 의해 분비되는 여러 효소를 포함하고 있다.

5) 선체반응(Acrosome reaction)이란 sodium과 calcium ion이 유입되고, 수소이온(hydrogen ion)이 방출되어 pH가 상승하면, 외부 선체막(outer acrosomal membrane)과 장막(plasma membrane)이 결합하여 내부 선체막(inner acrosomal membrane)에 들어 있는 효소를 분비하는 현상으로 zona의 성분으로 생각되는 glycoprotein sperm receptor가 선체반응을 야기시켜 투명대(zona pellucida)과 결합되도록 한다.

6) 투명대의 정충 반응기는 ZP1, ZP2, ZP3 등으로 알려진 당단백인데 이중 ZP3가 제일 많다. 이러한 glycoprotein에 구조적 변화가 일어나면 한개 이상의 피층효소(cortical enzyme)에 의하여 수용기의 비활성화(inactivation)가 일어나게 된다. ZP3의 유전자 발현(gene expression)은 단지 성장하는 여포(growing follicle)에서만 발견된다.

7) 수정 능력 부여(capacitation)를 통하여 정자표면의 효소(galactosyl transferase and others)가 노출된뒤 oocyte zona receptor가 이것을 인지한 뒤 종 특이적인 enzyme-ZP3 복합체(complex)를 형성한 뒤 선체반응이 일어난다.

8) 피층반응(Cortical reaction)은 난자표면(egg surface) 바로 밑에 있는 리소솜유사구조(lysosome-like organelle)인 피층과립(cortical granule)으로부터 과수분해효소(hydrolytic enzymes)을 포함한 다양한 물질들이 분비되는 현상.

9) 투명대 반응(Zona reaction)은 피층 반응에 의하여 분비된 효소들에 의해 단백질(protein)의 cross linking을 야기시켜 세포외층(extracellular layer)의 경화(hardening)를 일으키고 정자 수용체를 불활성화(inactivation) 시켜, 다른 정자에 의한 투명대 통과(zona penetration)을 막아 다정자수정(polyspermy)를 방지한다.

10) 급속한 난자막의 분극소실(Rapid depolarization of oocyte membrane)이란 calmodulin으로부터 calcium 방출(release)이 증가하면 막의 분극 소실이 일어나 일시적으로 정자의 진입을 막고, 그뒤 피층 반응으로 효소가 방출되어 영구적으로 정자의 진입을 막는다.

11) 정자가 각도를 이루며 perivitelline space로 들어가면 정자의 postacrosomal region이 난항막(vitelline membrane)과 처음접촉을 하게 된다. 난포막(Egg membrane)이 정자 두부를 에워싸면, 이미 선체반응을 겪은 정자에서만 난포막과 정자막의 결합이 일어나게 된다. 이러한 결합은 정자의 두부에 있는 두가지의 특수한 단백질에 의하여 매개되며, PH-20은 투명대와 결합하고, PH-30은 난자와 결합한다.

12) 정자와 난자의 결합으로 피층반응이 일어나면 수정난의 metabolic activation과 감수분열(meiosis)이 완료된다. 그뒤 2nd 극체(polar body) 방출과 반수체(haploid complement of chromosome)가 형성되고 정충선체(sperm head)의 염색사(chromatin material)가 decondense되어 남성 전핵(male pronucleus)을 형성한다. 남성과 여성의 전핵들(pronuclei)은 각각 이동하여, 서로 근접해서 limiting membrane이 붕괴되면 방추(spindle)를 형성하여 염색체가 배열한다. 그래서 첫번째 세포분열이 준비되는 단계가 된다.

13) 배아의 게놈 활성(Embryonic genome activity)활성은 인간에서는 4-8 세포기에서 시작되는 것으로 추측된다.

14) 민감한 임신검사(pregnancy test)를 이용하면, 약 30%의 수태(conception)가 착상 후에 손실될 수 있으며, 착상 전까지 포함하면 임상적으로 확인되기 전에 약 46%의 임신이 손실된다.

15) 이미 착상되어 임상적으로 진단된 임신(pregnancy)은 첫 3개월기(1st trimester)에 15% 정도가 자연유산된다고 생각되며, 이중 약 50-60%는 염색체 이상을 갖고 있다. 이는 적어도 모든 수태산물(human conceptus)의 7.5%가 염색체 이상이라는 것을 의미하고, 신생아 200명 중 단지 1명만이 염색체 이상이라는 점으로 미루어 볼때 임신(early human gestation)은 매우 강력한 selection mechanism으로 조절된다는 것을 증명해 준다. 그리고 정상 가임능력을 갖고 있는 부부의 각 정상 배란주기에서 living birth를 가질 확률은 25% 정도이다.

16) 이 사실은 비정상 배우체(abnormal gametes)와 비정상 배아(abnormal embryo)가 생식과정을 통하여 생물학적 선택이 된다는 증거이다. 형태가 비정상적인 정자는 정상적인 정자에 비하여 경부점액(cervical mucus)과 uterotubal junction을 통과하기가 어렵다. 이러한 선택은 형태학적으로는 정상이나 염색체에는 이상이 있는 정자에게는 적용되지 않는 것 같다. 또 하나의 방어기전으로는 질에서부터 난관까지 도달하는 동안의 정자의 소실이며, 이것은 한개 이상의 정자가 난자를 관통(penetration)할 가능성을 줄여준다.


5. 체외수정과 배아 손실(In Vitro Fertilization and Embryo Loss)

1) 많은 수에서 생체의 protection mechanism 이 IVF 중에는 일어나지 않으며, 경부 점액(mucus)과 uterotubal junction의 이상 정자를 제거하는 여과효과도 적용되지 않는다. 대부분의 체외 실험에서 많은 수의 정자가 난자에 접근하며, 이것은 두 개 이상의 정자가 관통될 위험성을 증가시킬 수 있다. 그러나 zona blocking mechanism이 충분히 효과적이면 심각한 임상적 문제를 막아준다.

2) 체외수정(in vitro fertilization)에서의 배아손실이 높아 현재 상대적으로 낮은 임신율을 어느 정도는 설명해 주지만, 이것만으로는 모든 것을 다 설명해 주지는 못한다. 많은 배아 손실이 배아이식 도중에 일어나고, 어떤 동물에서는 거의 50%의 배아사망을 보인다. 축적된 경험으로 결과를 향상시켜야 하지만, in vitro 환경이 최대한 생리적(physiologic)이 될 때까지는 수정(fertilization process)와 착상(implantation)에 대한 보다 많은 이해가 요구된다.

6. 착상(Implantation)

A. 착상을 위한 준비(preparation for implantation)

1) Window of endometrial receptivity

착상시기에 자궁내막의 두께는 대개 10-14mm 이며, 이 시기의 자궁내막 분비활성도는 절정에 달하고 사람에서의 window of endometrial receptivity는 28일 주기를 기준으로 할때 #16-19일이다.

2) Early pregnancy factor(EPF)

착상 전에는 성교 후 1-2일내에 배아로부터 신호를 받아 난소에서 생성되며, 착상 후에는 배아로부터 생성된다. 면역억제기능이 있으며 세포의 성장과 분열에 관여한다. 기타 다른 단백질 pregnancy associated endometrial protein, pregnancy-associated plasma protein-A 등도 영양배엽(trophoblast)와 자궁내막(endometrium)에서 발견 되지만 그 기능은 잘 모른다.

3) hCG mRNA가 6-8 세포기에서 발견되며, 착상전인 배란후 6-7일째 모체혈액에서 발견된다. 따라서 배아는 착상되기 전에 signal을 보내어 모체혈액의 HCG가 검출되기 전에도 자궁내에서 hCG를 분비하여 황체(corpus luteum)의 estradiol, progesterone의 생성을 증가시킨다. 이러한 황체의 기능은 임신 첫 7-9주에는 매우 중요 하며 이시기에 황체를 제거하면 유산이 일어난다. 또한 영장류에게 anti-hCG serum을 주사하면 유산이 일어난다.

4) Prostaglandin

설치류에서는 억제제(prostaglandin inhibitor)의 투여로 착상이 방해될 수 있다. Kennedy는 indomethacin의 투여가 착상 전에 정상적으로 증가되는 자궁내막의 투과성(vascular permeability)의 증가를 방해하는 것을 관찰하였다. 또한 착상 초기에 착상할 부위의 prostaglandin 농도가 증가한다는 증거가 있으나 그 source는 잘 모른다. Rabbit, mice, sheep, cow의 미분화배아세포(blastocyst)는 prostaglandin을 함유하고 있으며, 인간의 미분화 배아세포와 배아에서도 prostaglandin을 생성한다는 증거가 있다. 아마도 자궁내막세포가 prostaglandin의 source로 추정되며, 착상에 동반되는 조직손상에 의하여 생성이 자극되는 것으로 생각된다. 하지만 탈락막(decidua)의 PG 합성은 감소되는데 이는 황체호르몬 효과 때문이다. 그러나 결국 platelet activating factor (PAF) 같은 미분화 배아세포인자들에 의하여 착상부위의 prostaglandin 합성은 증가된다.

5) 착상반응은 여러 성장인자(growth factor)에 의하여 영향을 받는데, 생쥐에서는 착상부위에 EGF의 농도가 증가되어 있다.

B. 착상(implantation)

1) 정의

배아가 자궁벽에 부착하여 상피세포를 투과한 뒤 모체순환기를 투과하여 태반을 형성하는 과정

2) 착상은 수정된 난자가 자궁내로 들어간 뒤 2-3일 후에 시작되며, 즉 수정 후 5-7일째, 대부분 자궁벽의 정중시상면(midsagittal)의 upper posterior plane에서 일어난다.

3) 인간의 미분화배아세포는 자궁분비물에서 72시간 정도 머물다가 부화(hatching)된다. 착상은 미분화 배아세포가 자궁내막에 부착(apposition)되는 것으로부터 시작된다. 이러한 접촉은 투명대(zona pellucida)가 소실되므로서 준비되는데, 체외에서는 미분화 배아세포의 수축과 팽창에 의하여 파열될 수 있고, 생체내에서는 이러한 현상은 덜 중요하고 자궁액(uterine fluid)의 어떤 성분에 의하여 zona가 용해될 수 있다.

4) 성분과 기능이 확실치는 않지만 착상과정을 매개하는 단백질(implantation-initiating factor, fibronectin, uteroglobulin and blastokinin)과 어떤 성분에 의하여 이루어지며, 이들의 생산은 난소 스테로이드 호르몬의 분비에 의존하는 것으로 알려져 있다.

5) 호르몬 환경과 자궁액(uterine fluid)의 단백질 분포가 착상에 적합하더라도 배아가 적당한 development stage 에 도달하지 않으면 착상은 일어날 수 없다. 즉 부착과 착상하기 전에 배아의 표면에 성숙(developmental maturation)이 있어야 한다는 것이 추정된다.

6) 전착상 배아(Preimplantation embryo)의 표면 전하의 변화가 오는 것만이 배아가 상피세포의 표면에 부착 되는데 관여하는 것 같지는 않고, lectin concanavalin A가 착상 전 시기에 표면 당단백(surface glycoprotein)에 결합해서 표면의 구조에 변화를 일으켜, 모측표면에 배아가 부착하는 능력을 강화시켜 주는 것도 한 몫을 한다고 생각된다.

7) 배아가 자궁내막에 close contact하면 상피세포의 미세융모(microvilli)가 편평해지고 luminal surface가 interdigitation된다. 세포막이 더욱 close contact하면 junctional complex를 형성한다. 이 시기에는 생리식염수를 자궁내로 flushing 하여도 배아가 떨어지지 않는다.

8) 착상하는 영양배엽과 자궁상피세포 사이에서 일어나는 3종류의 상호작용

① 영양배엽세포들이 자궁상피를 침입하여 기저막으로 향한다.
② 자궁상피세포가 기저막에서떨어지고 이로인해 영양배엽세포가 상피밑으로 파고들 수 있게 된다.
③ 영양배엽이 각각의 자궁내막상피세포들과 융합한다.

9) 영양배엽은 여러 종류의 세포들을 탐식(phagocytosis)하는 능력이 있으나, 생체내에서는 주로 자궁내막의 죽은세포나 자궁벽에서 탈락된 세포들을 처리한다. 영양배엽의 침투적 성격에도 불구하고, 배아에 의해 분비된 효소에 의한 maternal cell 파괴, 분해는 크게 일어나지 않고, 이 효소 (e.g., collagenase and plasminogen activators)들은 상피세포들을 지탱하여 주는 세포간기질(intercellular matrix)을 소화(digesting)함으로써 착상(implantation)에 중요한 역할을 하는 듯 하다. 체외에서 mouse embryo에는 plasminogen activator가 있으며, 이것은 attachment와 착상의 early outgrowth stage 때 중요한 역할을 한다. Urokinase, proteases, trophoblastic enzymes 등은 plasminogen을 plasmin으로 변환시키는데, 이것은 hCG에 의하여 억제되며 배아에 의한 조절로 생각된다.

10) Contact inhibition

영양배엽은 상피세포나 co-cultured cell의 세포간기질(glycoprotein, elastin, collagen)을 소화시켜, 서로 떨어져 나가게 하고, 이 빈 공간을 영양배엽이 퍼져 채우고 착상하는 배아가 epithelial layer 안으로 들어가도록 공간을 만들어 준다. 영양배엽의 movement는 일부의 표면만이 adhesive하고, 대부분의 다른 표면은 다른 세포에 non-adhesive한 특성으로 일어나게 된다.

11) 초기 배 형성 시기에 영양배엽조직(trophoblastic tissue)의 급속한 성장은 모체와 배아로부터의 여러 성장인자들에 의해 조절된다. 배아의 관통과 생존은 paternal antigen에 대한 모체의 면역반응에 대한 억제에 달려있으며, 자궁내막조직이 이러한 growth factor activity와 착상전의 미분화 배아세포(blastocyst)에 대한 면역 억제를 위한 단백질을 합성한다.

12) 비정상 태아와 배아에 대한 모체의 거부반응 현상은 아마도 비정상 배아에서는 착상시에 필요한 모체가 인식할 수 있는 signal을 만들어 내지 못하기 때문이 아닌가 생각된다.

13) 호르몬 환경

착상을 위한 embryonic signal은 적당한 hormone milieu가 있어야만 가능하다. 어떤 동물에서는 착상 전 배아가 약 15개월 동안 동면하고 있는 경우도 있고, 수유를 하거나 난소를 절제하면 지연착상(delayed implantation)이 일어난다. 이때에는 미분화 배아세포부터의 DNA와 단백질의 생산이 현저하게 감소되어 있다. 쥐에서는 estrogen이 착상을 initiation시키고, 그 뒤에 estrogen과 progesterone이 필요하지만, 다른 동물에서는 estrogen의 nidatory stimulus는 필요없고 progesterone만으로도 충분하다.

14) 배아의 활동을 정지시키고 지연착상(delayed implantation)을 시키는 것이 배아의 직접적인 효과인지 아니면 배아에 작용을 하는 어떠한 자궁내의 분비물이 metabolic inhibitor로 작용하여서 인지는 잘 모른다. 자궁내의 배아를 제거하여 배양접시에 옮겨 놓으면 정상적인 metabolism이 재개되는데, 이것은 자궁내에서 억제효과 (inhibitory effect)를 갖는 산물이 분비되는 것을 암시한다.


7. 침투의 한계

1) 염증반응의 여러 요소들이 착상에 관여하는 듯 하다. 자궁내막의 임파구로부터 분비되는 cytokine들이 영양배엽(trophoblast)의 세포융해(cellular lysis)를 활성화시키는데, 아마도 limiting invasion 기전에 중요한 역할을 하는 듯 하다. 다른 여러 supressor cell들이 착상하는 배아에 대한 모체의 면역반응을 억제한다. 영양배엽과 자궁내막에는 interleukin-2와 CSF-1 등과 같은 autocrine/paracrine factor들이 검출된다.

2) 탈락화(Decidualization)

인간에서 자궁내막 간질의 섬유아세포(fibroblast-like cell)가 glycogen and lipid-rich cell로 전환되는 것을 탈락화라하며, 탈락막(decidual cell layer)이 형성되면 trophoblast invasion은 중단이 된다. 비임신 주기에서는 decidual cell이 혈관 주위를 둘러싸고 있는 것을 볼 수 있으나 광범위한 탈락화는 일어나지 않는다. 인간에서는 난소의 estrogen과 progesterone이 탈락화에 결정적인 역할을 한다. 동물에서는 착상 전에 미분화 배아세포가 부착될 바로 그 부위에 모세혈관 투과성(stromal capillary permeability)이 증가한다. 설치류에서는 배아로부터의 어떠한 signal이 중요한 triggering stimulus를 가하고, 따라서 임신에 대한 모체의 인지(recognition)와 준비(preparation)는 배아로 부터 분비되는 signal에 의존하는 것 같다.

3) Boving은 배아로부터 생성된 CO2가 배아 표면의 pH를 상승시켜서 배아의 부착력을 증가시킨다고 주장하였고, 또한 CO2는 아마도 모체로부터 decidual response를 일으키는 signal로서의 역할도 하는 듯하다.

4) Histamine

Shelesnyak은 histamine이 decidual response를 initiation 시키며, antihistamine을 rat에 전신적 혹은 자궁에 직접 주입시키면 decidual response를 방해한다고 주장하였다. Systemic antihistamine의 decidual response에 대한 방해효과는 많은 논란이 있으나, H1, H2 receptor 모두를 block하면 implantation site 숫자가 줄어드는 것을 관찰할 수 있었다. 비만세포(mast cell)가 histamine의 major source 이지만 배아도 자궁내의 histamine을 생성할 수 있다. 이러한 설명들은 착상하는 배아 주위의 자궁내막에서 모세혈관 투과성의 증가와 탈락화가 일어나는 기전을 설명하여 준다.

8. 풀리지 않은 문제들

1) 생식자(gamete)의 생성은 왜 소모적인가 ?

수억개의 정자가 생성되어도 이중 극소수만이 난자와 수정한다. 난관에 도달할 때까지 수 많은 정자가 소실되며 selection process를 거쳐 이상 정자를 거르는 경로를 밟는 것일까? 난소는 출생시 수백만 개의 난자를 갖고 있으나 일생동안 단지 350개만을 배란한다.

2) 수정능력 부여(capacitation)의 목적은 무었인가 ?

정자에는 선체효소의 조기분비를 막기위한 보호장치가 있고, capacitation시에는 이것을 극복해야한다. 정자가 난자를 penetration 하는 것은 바람직한 일이지만, 모체의 다른 세포의 침윤은 정자에 대한 면역 반응을 일으킬 수 있다. 수정능력 부여는 정자를 이러한 inhibitor들로부터 자유롭게 만들어, zona penetration에 필요한 과운동성을 갖게 하는 것 일까?

3) 비정상 배아는 왜 많을까 ?

최근 보고에 의하면 배아의 50%가 만삭까지 생존하지 못하는데, 왜 이런 높은 비율의 배아 손실이 생기고, 왜 비정상 배아에 대한 high selection이 있을까? 배아 안의 intrinsic programming defect 때문일까, 아니면 모체가 인식할 수 있는 signal을 만들지 못하기 때문일까? 혹은 maternal organism이 어떤 방법으로 비정상을 인식하여 그것에 반하는 반응을 나타내는 것일까?

4) 체외수정 뒤 배아이식을 하면 왜 성공률이 낮을까 ?

체외수정난의 성공적인 착상을 증가시키기 위하여 자궁환경을 어떤 방법으로 조작할 수 있을까?

Keyword: Sperm, Oocyte, Fertilization, Implantation


출처 : 오비진코리아

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