교신저자：민양기, 110-744, 서울 종로구 연건동 28  서울대학교 의과대학 이비인후과학교실
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서     론

   부비동염의 유발인자로는 부비동 자연공의 폐쇄, 섬모의 운동성이 저하되거나 비부비동 점액 성분의 변화로 인한 점액 배출 능력의 저하, 부비동내 가스교환의 장애, 부비동 점막의 혈액순환 장애 등이 거론되고 있고 부비동 자연공의 폐쇄가 가장 중요한 유발인자로 인식되고 있다.¹⁾²⁾
   인체의 부비동염은 원인, 감염된 세균, 질병의 경과, 치료가 다양하고 개인에 따라 유전적인 차이도 있어서 부비동염의 이해에 어려움이 많다.³⁾ 따라서 많은 변수와 제약이 없는 부비동염의 동물 모델을 통한 연구가 중요한데, 기존의 동물실험은 상악동 자연공을 폐쇄하거나,⁴⁾⁵⁾ 상악동내에 세균⁶⁾⁷⁾⁸⁾ 또는 흔한 원인균에서 분비하는 독소를 상악동내에 주입⁹⁾하여 부비동염을 유발하였다.
   Min 등¹⁰⁾은 실험적인 상악동염 모델을 통해 상악동자연공의 재개방만 한 군보다 재개방 후에 항생제를 투여한 군에서 상악동염의 치유 정도가 의미있게 높았다고 보고하였다. 한편, Beste 등¹¹⁾은 가토의 상악동염 모델을 통해 상악동자연공을 폐쇄한 후 상악동염의 중증도가 상악동내에 세균을 주입한 군과 주입하지 않은 군 사이에 통계적으로 유의한 차이가 없었고, 폐쇄한 상악동자연공을 재개방한 후 상악동염의 치유 정도가 항생제를 투여한 군과 투여하지 않은 군 사이에 통계적으로 유의한 차이가 없음을 관찰하여 부비동염의 병인에 있어서 자연공의 폐쇄여부가 가장 중요한 인자라고 하였다.
   본 연구는 가토에서 상악동자연공 폐쇄만으로 상악동염의 유발이 가능한 지를 관찰하고, 상악동염이 유발된 가토에서 자연공 재개방 외에 다른 치료목적의 처치 없이 시간에 따른 상악동염의 자연경과를 관찰하고, 위장관카테터를 통해 가토의 위 속에 약제를 투여하는 처치가 상악동염의 자연경과에 미치는 영향을 관찰하여 상악동염의 병태생리를 이해하고자 하였다.

재료 및 방법

실험동물과 상악동염의 유발
   체중이 1.5 kg에서 2.5 kg이고 외견상 건강하고 비부비동염의 증거가 없는 백색 가토(New Zealand white rabbit) 120마리를 사용하였으며, 실험기간 중 서울대학병원 동물사육장에서 토끼류 표본실험사료로 동일한 조건에서 사육하였다. 체중 kg당 50 mg의 ketamine과 30 mg의 xylazine hydrochloride를 혼합하여 근육주사하여 자기호흡을 유지한 상태로 전신마취를 하고 고정하였다. 비배부의 털을 제거하고 1%의 povidone iodine용액으로 소독을 한 뒤 피부로부터 골막까지 약 1인치 정도 절개하여 우측의 상악동 전벽을 노출시켰다. 수술현미경하에서 전기드릴과 겸자로 상악동 전벽을 4×8 mm 크기로 제거하고 상악동 점막에 절개를 가하여 상악동을 노출시켰다. 상악동에 농이 없음을 확인한 후 SugoMed^®(Eschenburg, Germany)를 이용하여 상악동 자연공을 폐쇄하였다. 그 후 절개된 골막과 피부를 같은 층끼리 봉합하였다.

상악동 자연공의 재개방
   상악동 자연공을 폐쇄하고 10일 후에 처음 폐쇄할 때와 같은 방법으로 접근하여 모든 가토에 거치되어 있던 SugoMed^®를 제거하여 상악동 자연공을 재개방하였다.

실험동물의 분류
   총 120마리를 폐쇄하였던 상악동 자연공을 재개방한 후 희생시킬 때까지의 기간에 따라 20마리씩 여섯 군(I군~군)으로 나누었다(Table 1). 각 군은 상악동 자연공을 재개방한 후 각각 1일, 4일, 8일, 12일, 19일, 26일 째에 희생하였다. 각 군을 다시 대조군(control group, I_A군-VI_A군)과 처치군(stress group, I_B군-VI_B군)으로 세분하여 대조군은 정해진 음식과 음료만을 먹였고, 처치군은 음식과 음료 외에 자연공을 재개방한 다음날부터 희생시키기 전날까지 전신마취한 후 내경이 3 mm인 16 Fr 위장카테터(Yushin Medical Co, Buchon, Korea)를 통해 4.5 ml의 정제수를 하루에 두 번씩 위 속에 주입하였다.
   본 실험 동안 7마리가 사망하여 희생시킬 때까지 살아 있었던 113마리를 분석하였다.

방사선 소견
   상악동염의 중증도를 보기 위해 상악동 자연공을 폐쇄하기 전날과 재개방한 후 당일, 3일, 7일, 11일, 18일, 25일째에 전신마취한 후 C-arm(WHA-50N/S, Shimazu Co, Kyoto, Japan)을 이용하여 단순 방사선 촬영을 하였다. 따라서 방사선 촬영 횟수는 각 군에 따라 달라 각각 2번, 3번, 4번, 5번, 6번, 7번 방사선 촬영을 하였다.
   방사선 소견은 상악동의 방사선 음영 증가의 정도에 따라 정상(normal), 부분혼탁(partial haziness), 완전혼탁(total haziness)으로 판독하였다.

상악동의 육안적 소견 관찰
   가토를 희생할 때 상악동을 개방하여 육안으로 관찰한 상악동염의 심한 정도에 따라 경증(mild), 중등증(moderate), 중증(severe)으로 분류하였다. 상악동 내에 점막의 비후는 있지만 농이 없는 경우를 경증, 점막의 비후와 함께 농이 상악동의 50% 미만인 경우를 중등증, 50% 이상인 경우를 중증으로 판정하였다.

상악동 점막의 채취
   상악동 전벽을 제거하고 내측벽의 점막을 2×5 mm크기로 조직을 3개씩 채취하였다. 채취한 점막은 묻어 있는 농을 생리식염수로 씻은 후 10% formalin용액에 24시간 고정하고 파라핀 포매과정을 거쳐 4 μm의 두께로 박절한 후에 hematoxylin-eosin염색을 시행하였다.
   주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 관찰을 위해 채취한 점막을 생리식염수로 씻은 후 2.5% glutaraldehyde 용액에서 12시간동안 고정하고 0.1 M PBS(pH 7.4) 용액에 2회 세척한 후 OsO4로 1시간동안 2차 고정하였다. 30%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 100%의 알코올을 사용하여 각각 5분씩 탈수화 시킨 후 isoamyl acetate로 10분간 2회에 걸쳐 치환하고 액화 CO2 임계점 건조기(HCP-2, Hitachi, Tokyo, Japan)를 이용하여 임계점까지 건조시키고, silver paste로 시료대에 접착 고정한 후 이온 스피터 장치(IB-3 ion coater, Eiko)를 이용하여 platinum gold로 그 표면을 전도 처리(coating)한 다음 주사전자현미경(JSM-300, Jeol, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다. 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 관찰을 위해 채취한 점막을 주사전자현미경 조직과 같은 1, 2차 고정을 한 후 70%, 80%, 90%, 95%, 100%의 알코올을 사용하여 각각 10분씩 탈수화 시킨 후 propylene oxide로 15분간 처리하고 epon에 포매하였다. 중압기로 굳히고 ultramicrotome을 이용하여 75 nm 두께로 초박절한 후 투과전자현미경(JEM-100 CX, Jeol, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다.

병리조직학적 평가
   광학현미경을 이용한 병리조직학적 평가는 상악동 점막의 병변을 상피소실, 염증세포의 침윤, 상피하조직의 두께 등의 세 가지 항목으로 구분하여 실시하였다. 상피소실은 250배 시야에서 400 μm 길이의 상피층을 연속적으로 10곳을 관찰하여 상피소실의 정도를 %로 판독한 후 이 값의 평균치를 구하였다. 염증세포의 침윤은 기저막에서부터 25 μm 깊은 곳까지의 상피소실이 없는 부위에서 상피하 조직의 100 μm 길이에 해당하는 부위를 400배 시야에서 침윤된 염증세포를 세었고 세 곳에서 반복하여 그 평균치를 구하였다. 상피하조직의 두께는 250배 시야에서 기저막에서 점막하선의 가장 표층부위까지의 거리를 측정했고 400 μm이상 떨어진 10곳을 반복하여 그 평균치를 구하였다(Fig. 1).
   주사전자현미경을 통해 섬모소실, 섬모간의 메타크로니즘(metachronism) 소실 등을 관찰하였고, 투과전자현미경을 이용한 관찰은 섬모소실, 미토콘드리아의 변성, 세포질의 돌출 및 복합섬모(compound cilia)의 존재 여부에 중점을 두었다.

통계분석
   SPSS for windows version 10.0(SPSS Inc., Chicago, IL)을 이용하였고 방사선소견의 비교는 chi-square test, 육안적 소견의 비교는 Fisher's exact test, 병리학적 소견의 시간에 따른 변화는 Kruskal-Wallis test, 각 군에서 대조군과 처치군의 비교는 Mann-Whitney U test를 하였고 p값이 0.05이하인 경우를 통계적으로 유의한 것으로 보았다.

결     과

상악동의 방사선소견
   대조군은 부분 또는 완전혼탁을 보이는 가토의 비율이 자연공 재개방 후 3일째에 67.3%로 가장 높았고 이후 점차 감소하는 경향을 보였다. 처치군은 부분 또는 완전혼탁을 보이는 가토의 비율이 점차 증가하여 자연공 재개방 후 11일째에 82.7%로 가장 높았고 이후 감소하였다. 각 군의 대조군과 처치군에서 부분 또는 완전혼탁을 보이는 가토의 비율은 자연공 재개방 후 11일째 군에서만 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p=0.002, chi-square test)(Table 2, Fig. 2).

상악동의 육안적 소견
   실험군과 처치군 모두 희생할 때 상악동내에 화농성 병변을 보였던 중등증 또는 중증인 가토의 비율이 자연공 재개방 후 4일째에 각각 80%(8/10), 70%(7/10)로 가장 높았고 이후 점차 감소하여 26일째에는 각각 11.1%(1/9), 33.3%(3/9)로 가장 낮았다. 중증인 가토의 비율은 실험군과 처치군 모두에서 자연공 재개방 후 4일째에 가장 높았고 19일과 26일째에는 중증인 가토는 없었다. 각 군에서 대조군과 처치군 사이에 중등증 또는 중증인 가토의 비율은 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 3, Fig. 3).

광학현미경적 소견(Table 4)
   상피소실은 대조군과 처치군 모두에서 자연공 재개방 후 4일째에 각각 18.4±5.6%, 21.3±10.0%로 가장 높았다가 이후 점차 감소하는 경향을 보였고, 19일째 군에서만 대조군과 처치군 사이에 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p=0.02, Mann-Whitney U test). 대조군은 시간에 따라 유의한 차이를 보인 반면(p=0.037, Kruskal-Wallis test) 처치군은 시간에 따른 유의한 차이는 없었다(p=0.052, Kruskal-Wallis test)(Fig. 4). 상피하조직의 두께는 대조군과 처치군 모두에서 자연공 재개방 후 8일째에 각각 57.0±16.6 μm, 97.4±54.1μm로 가장 두꺼워져 있었고 이후 점차 감소하는 경향을 보였고, 8일째 군에서만 대조군과 처치군 사이에 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p=0.034, Mann-Whitney U test). 대조군과 처치군 모두 시간에 따라 유의한 차이를 보였다(p=0.026, 0.001, Kruskal-Wallis test)(Fig. 5). 상피하 염증세포의 침윤은 대조군과 처치군 모두에서 자연공 재개방 후 8일째에 각각 39.4±7.3개, 40.3±4.3개로 가장 많았고 이후 감소하는 경향을 보였다. 각 군에서 대조군과 처치군 사이에 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 대조군과 처치군 모두 시간에 따라 유의한 차이를 보였다(p=0.034, 0.031, Kruskal-Wallis test)(Fig. 6).

전자현미경적 소견
   화농성 상악동염이 심했던 가토의 상악동 점막에서 섬모의 소실, 남아있는 섬모의 기립성(erectness)과 방향성(metachronous wave)의 소실, 점액의 저류와 복합섬모의 출현, 미토콘드리아의 증가, 상피세포질의 돌출, 염증세포의 침윤 등을 볼 수 있었으나, 대조군과 처치군 사이에서 특징적으로 다른 소견은 보이지 않았다(Figs. 7 and 8).

고     찰

   정상 부비동의 생리에 관여하는 세가지 주요 요소로서 자연공의 개방, 섬모의 기능, 분비물의 성상이 있는데, 자연공의 폐쇄, 섬모수의 감소나 기능의 장애, 분비물의 과다생산 및 점도의 변화가 부비동내 분비물 저류를 야기해 부비동염을 일으킬 수 있다.
   부비동 자연공의 개방은 비강과 부비동 사이의 가스교환 뿐만 아니라 점액섬모 수송체계의 기능에도 중요하다. 부비동에서 분비된 점액은 점액섬모 수송체계에 의해 부비동 자연공을 통해 비강으로 배출된다. 부비동 점막의 산소공급과 이산화탄소의 배출은 혈액순환 뿐만 아니라 비강과 부비동 사이의 환기에 의해 이루어진다. 섬모의 운동은 미토콘드리아에서 생성되는 ATP를 필요로 하는데, ATP는 호기성(aerobic)의 산화적인산화경로(oxidative phosphorylation pathway)와 혐기성(anaerobic)의 해당경로(glycolytic pathway)에 의해서 생성된다.¹²⁾ 혐기성의 해당경로는 한계가 있기 때문에 섬모의 지속적인 운동을 위해서는 지속적으로 부비동내에 산소가 공급되어야 한다. 부비동 점막은 자연공을 통한 환기로 대기중의 산소를 흡수하고, 또한 혈류를 통한 산소공급으로 이중의 산소공급을 받는데, Kumlien 등¹³⁾은 자연공이 폐쇄되면 환기능의 장애는 물론 부비동 점막에 분포하는 동정맥이 자연공을 통과하므로 혈류를 통한 산소공급까지 장애를 받게 된다고 하였다.
   가토의 상악동은 정점이 전방을 향하며 밑면이 후벽에 위치하고 전후길이가 긴 피라미드형으로 자연공은 내벽의 후단부 중간에 위치하며 초생달 모양을 하고 있다. 상악동의 용적은 2~3 ml로서 길이가 4 mm(2.5~6 mm), 폭이 0.5 mm(0.3~0.8 mm)로 비배부를 통하여 상악동내로 쉽게 도달할 수 있고, 비강과 상악동은 뚜렷한 자연공을 가진 골벽으로 구분되고, 세균감염에 대한 면역반응 양상이 인체와 비슷하여 부비동에 관한 실험을 하기에 적합한 동물이다.⁷⁾
   Johansson 등¹⁴⁾과 Hinni 등¹⁵⁾은 실험적 상악동염에서 자연공을 폐쇄한 군에서는 장액성 분비물만 관찰되었고 화농성 부비동염을 유발하기 위해서는 자연공의 폐쇄와 세균의 주입이 필수적이라 하였지만, Park 등⁴⁾의 자연공을 폐쇄한 실험에서는 장액성 분비물이 시간이 경과함에 따라 점액농성 분비물로 변화하여가는 과정을 확인하였으며, Lee 등¹⁶⁾도 가토 실험 모델을 통해 화농성 부비동염의 발생빈도가 자연공 폐쇄와 세균감염을 시킨 군, 자연공 폐쇄만 시킨 군, 세균감염만 시킨 군 순으로 통계적으로 유의한 차이가 나타남을 관찰하고 자연공 폐쇄가 세균감염 보다 중요한 인자임을 보고했다. 본 연구에서도 대조군과 처치군 모두에서 화농성 염증이 가장 심했던 자연공 재개방 후 4일째 군에서 화농성 상악동염이 60~80%의 빈도로 나타나 Lee 등¹⁶⁾의 결과와 유사하였다.
   Lee 등¹⁶⁾은 5일 동안 상악동 자연공을 폐쇄한 가토의 60%에서 화농성 상악동염이 유발되었음을 보고했고, 본 저자들의 예비실험에서는 폐쇄 7일, 14일, 21일 군에서 각각 70%, 100%, 100%의 화농성 상악동염 유발율을 보여 본 실험에서는 상악동 자연공의 폐쇄기간을 10일로 정하였다.
   부비동염의 병리학적 소견으로는 상피하 부종, 섬모의 융합 및 탈락, 상피세포의 궤사 및 궤양, 중성구, 형질세포, 거식세포 등의 염증세포의 침윤, 편평상피화생 등이 있다.¹⁷⁾ 본 연구에서는 상피소실, 상피하 조직의 두께, 상피하 염증세포의 침윤은 상악동 자연공 재개방 후 각각 4일, 8일, 8일째에 가장 심하고 이후 점차 감소하여 26일째에는 60~70%의 가토가 염증이 소실되었다. 이 결과에서 상피소실이 비교적 염증의 초기 단계에 나타나고 조직내 염증세포의 침윤과 부종은 상피소실 보다 늦게 나타나 더 장기간 지속되는 현상임을 알 수 있었다. 상피하 조직의 두께는 조직의 부종과 염증세포의 침윤으로 인해 두꺼워질 수 있는데, 본 연구에서는 상피하 조직의 두께와 상피하 염증세포의 침윤 정도의 시간경과에 따른 변화가 유사하고, 투과전자현미경으로 관찰한 세포간 간격의 확장이 심하지 않아 염증세포의 침윤에 비해 부종은 경미한 것으로 생각되었다.
   부비동염을 지속하게 하는 해부학적 이상이나 면역력의 결여가 없으면 특별한 치료 없이 자연공의 재개방만으로도 부비동염에 이환된 후 약 1개월이 지나면 대부분 정상 부비동으로 회복될 수 있음을 알 수 있다. 세균의 주입이 없이 자연공의 폐쇄만으로 상악동염이 유발되고, 이는 자연공 재개방만으로 대부분에서 회복이 되는 점으로 보아 상악동염의 병인에 있어 자연공의 역할이 가장 중요할 것으로 생각된다.
   본 실험에서 임상소견과 병리적 소견은 자연공 재개방 이후 10일 정도까지 진행하다가 점차 회복되는 양상을 보였다. 이 현상의 가능한 이유로는 상악동내에 축적된 농에 존재하는 세균에서 분비된 각종 독소와 점막에 침윤한 염증세포에서 분비되는 다양한 사이토카인의 염증 지속효과와 점막의 부종으로 야기된 자연공의 협착 또는 폐쇄에 의한 상악동 환기능의 감소 등일 것으로 사료된다.
   가토의 상악동염 모델에 스트레스의 영향을 보고한 기존의 문헌은 없는 실정이다. 본 연구에서는 처치군에 스트레스를 주기 위한 방법으로 전신마취 후에 정제수를 위장관에 투여하였는데, 이 방법을 택한 이유는 실제로 위장관으로 흡수되는 약제의 치료효과를 판정하기 위한 동물실험을 할 때 정확한 용량의 투여를 위해서 본 실험과 같은 방법으로 투여하는 것이 필요하다고 판단했고 이 때 약물의 효과 외에 투여행위 자체로 인한 스트레스의 영향을 평가하기 위해서였다.
   본 연구에서 가토 상악동의 자연공을 폐쇄하고 10일 후에 재개방한 후, 대조군과 처치군으로 나누어 시간의 경과에 따라 관찰하였는데, 방사선 소견, 육안적 소견, 조직학적 소견에서 통계적인 유의성은 적었지만 전반적으로 처치군에서 염증의 정도가 심하였다. 그 이유는 매일 오전, 오후 2회씩 위장관속에 정제수를 투여하기 위해 시행한 전신마취로 인한 육체적, 정신적인 스트레스에 기인한 것으로 생각된다. 이는 육체적, 정신적인 스트레스가 부비동염의 자연경과에 영향을 미칠 수 있음을 시사하는 결과로 향후 부비동염의 병태생리의 규명에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

결     론

   실험적으로 특정 세균의 주입 없이 상악동 자연공만을 폐쇄한 가토의 60~80%에서 상악동염이 유발되었고 이는 자연공 재개방 후 특별한 치료 없이도 시간이 경과함에 따라 호전되었다. 이 결과는 자연공의 폐쇄여부가 부비동염을 유발하는 가장 중요한 인자임을 시사한다. 또한 대조군과 스트레스를 준 군 사이에 부비동염의 자연경과는 유사한 양상을 보였으나 전반적으로 대조군에 비해 스트레스를 준 처치군에서 부비동염의 정도가 심하여 육체적, 정신적 스트레스가 부비동염의 중증도에 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 이 결과는 향후 부비동염 병태생리의 규명에 기초자료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

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