교신저자：김인상, 330-715 충남 천안시 안서동 산 16번지  단국대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실
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서     론

   임상적으로 부비동염을 진단하고 치료 후 호전 여부를 판단할 때 농성 비루, 비용, 점막의 비용성 변화 유무 등의 비내시경 소견 및 방사선학적 검사법을 이용하게 된다. 하지만, 이러한 임상적 소견의 호전과 병태생리학적인 호전의 연관성에 대해서는 연구된 바가 적었다. 또한, 부비동 점막의 회복과 관련된 섬모 운동, 섬모의 재생 및 배열, 조직 내 염증성 변화 등의 각각의 회복 양상 및 상호 연관성, 이들의 회복에 필요한 기간, 그리고 임상적인 회복과의 연관성에 대해서도 알려진 바가 적었다.
   Keles 등¹⁾은 부비동내시경 수술 후 6개월째에 부비동 점막이 완전히 정상화되었다고 보고한 반면, Toskala 등²⁾은 6개월 후에도 비정상적인 점막 소견들이 관찰되었다고 보고한 바 있다. 부비동염 환자를 대상으로 섬모운동횟수를 측정한 결과 대조군과 비교하여 섬모운동횟수가 줄어들었다는 보고가 있는 반면³⁾ 오히려 더 빠른 결과를 보인다는 보고도 있다.⁴⁾ 또한 병리조직학적 소견과 전산화단층촬영 소견과의 연관성에 대해 여러 연구들이 있었지만 저자들마다 상이한 결과를 보였다.^5,6,7) 이처럼 부비동염의 회복 기간 중에 일어나는 기능적, 조직형태학적 변화에 대해서는 아직 결론짓지 않은 부분이 많으며, 이러한 기능적, 조직형태학적 변화와 임상적인 호전과의 연관성에 대해서도 연구된 바가 적었다.
   따라서, 저자들은 토끼 상악동염 모델을 이용하여 회복 기간에 따른 기능적 변화를 확인하기 위한 섬모운동횟수 측정, 조직형태학적인 변화를 관찰하기 위한 광학현미경과 주사 및 투사전자현미경적 관찰을 시행하였으며 이를 육안적 점막 소견 및 전산화단층촬영을 이용한 방사선학적 소견과 비교하여 분석하고자 하였다.

재료 및 방법

재  료
   실험동물로는 체중 2.5~3.0 kg의 외견상 건강하고 비분비물이 관찰되지 않은 암컷 토끼(New Zealand white rabbit) 17마리를 사용하였다. 토끼들은 동물 실험용 사육장에서 충분한 음용수와 사료를 제공받으며 1주일간의 적응기간을 거쳤다.

상악동염의 유발
   토끼 15마리에 대하여 ketamine hydrochloride(50 mg/kg)와 xylazine hydrochloride(5 mg/kg)의 혼합액을 대퇴부에 근육 주사하는 방법으로 전신마취하였다. 전기면도기를 이용하여 상악동 전벽에 비배부의 털을 제거하고 1% povidone iodine으로 소독한 후 1：100,000 농도의 epinephrine이 첨가된 2% lidocaine 용액으로 절개부위를 국소 침윤마취하였다. 우측 상악동 전벽에 해당되는 피부 부위에 약 1.5 cm 길이의 절개를 가한 후 상악동 전벽을 일부 제거하고 상악동 내에 Merocel^®(Medtronic, Xomed Jacksonville, FL, USA) 0.3×0.5×2.5 cm 조각을 삽입하였다. 절개 부위는 4-0 나일론 봉합사를 이용하여 봉합하였다.

그룹화
   실험 조작을 하지 않은 건강한 토끼 2마리를 정상 대조군으로 삼았다(Group N). 실험군 토끼(N=15)에 대하여 Merocel^® 조각을 2주간 유지시켜 상악동염을 유발시킨 다음 동일한 시점, 즉 2주 후 전신마취하에 삽입된 Merocel^®조각을 제거하였다. 그리고 Merocel^® 조각을 제거한 직후에 희생한 군(Group S, N=5), 회복 4주 후에 희생한 군(Group S', N=5)과 회복 8주 후에 희생한 군(Group S", N=5)으로 나누었다.

전산화단층촬영
   대조군 토끼 2마리에 대하여 Merocel^® 조각을 삽입하지 않은 상태에서 전신 마취 후 관상면의 전산화단층촬영을 시행 하였다. 실험군 토끼 15마리에 대하여도 각 그룹별로 전산화단층촬영을 시행하였다. 관상면 중 상악동이 가장 크게 보이는 면에서 상악동을 포함한 우측 비강 내 혼탁화 정도에 따라 Jorgensen 병기 분류방식⁸⁾을 이용하여 등급을 나누었다. 혼탁화가 전혀 없는 경우 0점, 25% 미만이면 1점, 25~75%의 혼탁화를 보인 경우 2점, 75% 이상이면 3점으로 분류하였다. 

검체 채취 
   대조군 토끼 2마리에 대하여 전산화단층촬영 직후, 전신 마취하에 비배부를 소독한 후 절개하여 상악동을 노출시켰다. 상악동 점막골막(mucoperiosteum)을 미세박리기(microdissector)를 이용하여 조심스럽게 한 덩어리로 채취하고 이 조직을 사등분하여 한 조각은 광학현미경관찰을 위하여 3.7% formaldehyde 용액에 넣고 다른 두 조각은 주사전자현미경과 투사전자현미경 관찰을 위해 2.5% glutaraldehyde에 넣었다. 마지막 하나는 섬모운동횟수를 측정하기 위하여 세포배양액[DMEM-F12(GibcoBRL, Grand Island, NY, USA)]에 넣은 후, 5% CO₂ 배양기(37℃)에 2시간 동안 거치시켜 섬모운동을 안정화시켰다. 실험군 토끼 15마리에 대하여도 전산화단층촬영 직후, 각 그룹별로 상악동 점막을 채취하여 각 조직을 사등분한 후 위와 같이 처리하였다. 그리고 각 인자별로 병태생리학적인 회복 정도를 분석하여 전산화단층촬영을 바탕으로 한 임상적 회복 정도와 비교하였다. 

섬모운동횟수의 측정
   점막 조직을 백금선으로 고정하고 DMEM-F12 세포배양액에 담근 후 600배율의 침수현미경하에서 관찰하였다. Charge-coupled device(CCD) 카메라(XC-HR50, Sony Co., Japan)로 관찰된 영상은 frame grabber(PCVisionplus, Dalsa Co., St. Laurent, Canada)를 통해 디지털화되어 컴퓨터에 전송되었다. 그리고, fast-Fourier transform(FFT)을 이용한 영상 분석 프로그램을 이용하여 섬모운동횟수를 측정하였다. 활발한 섬모운동을 보이는 부위를 선택하여, 관측시야에서 가장 우세한 주파수 값을 그 시야의 섬모운동횟수로 하였으며, 조직절편 당 10시야에서 측정하여 그 평균값을 해당 조직절편의 섬모운동횟수로 삼았다. 

광학현미경 관찰 및 염증의 정량분석
   3.7% formaldehyde 용액에 넣어 24시간 고정된 조직을 파라핀 포매한 후 6 μm 두께로 박절하였다. 조직 한 개당 일정간격의 절편 5개를 얻은 다음 Hematoxylin and eosin(H & E) 염색을 하여 광학현미경으로 관찰하였다. 실험군과 대조군의 각 절편에 대하여 40~200배율하에서 광학현미경으로 염증의 정도를 관찰하고 최종적인 정량분석은 200배율하에서 시행하였다. 염증의 정도는 van Nostrand 등⁹⁾의 기준을 이용하여 분류하였다. 염증세포가 관찰되지 않고 정상 호흡기 상피세포가 관찰될 때 0점, 약간의 염증세포가 드문드문 보일 때 1점, 많은 수의 염증 세포가 관찰 될 때 2점, 상피 및 고유층의 정상 구조물이 염증 세포로 덮여 있을 때 3점으로 간주하였고 1인의 병리전문의가 판독하였다. 

주사전자현미경 
   조직절편을 세절한 후 2.5% glutaraldehyde(in pH 7.4, 0.1M phosphate buffer, 4℃)에 2~4시간 동안 전고정한 후 1% osmium tetroxide(in pH 7.4, 0.1M phosphate buffer, 4℃)에 1시간 동안 후고정하였다. 다시 같은 완충용액으로 세척한 후 50%, 70%, 80%, 90%, 95%, 100%의 4℃ 에탄올용액에서 탈수 처리하였다. Hexamethyldisilazane 처리 후 filter paper를 이용하여 건조시켰다. 백금 금속을 이용해서 coating 후 주사전자현미경(HITACHI S-4300)으로 관찰 촬영하였다.

   조직의 관찰은 600배에서 이루어졌으며 한 절편당 무작위로 10장의 사진을 찍었으며 섬모의 양(amount)과 이형성(metaplasia)의 측면에서 Joki 등¹⁰⁾의 방법을 인용하여 4등급을 나누어서 반정량적인(semi-quantitative) 분석을 하였다. 섬모의 양(amount)이 75% 이상이면 3점, 25~75% 이면 2점, 25% 미만이면 1점, 섬모가 관찰되지 않으면 0점으로 측정하였다. 이형성(metaplasia)의 측면에서는 섬모의 소실이 보인 시야가 2장 미만이면 3점, 2~4장 사이이면 2점, 5~7장 사이이면 1점, 8장 이상에서 보이면 0점으로 측정하였다.

투사전자현미경 
   조직절편을 세절한 후 2.5% glutaraldehyde(in pH 7.4, 0.1M phosphate buffer, 4℃)에 2~4시간 동안 전고정한 후 1% osmium tetroxide(in pH 7.4, 0.1M phosphate buffer, 4℃)에 1시간 동안 후고정하였다. 다시 같은 완충용액으로 세척한 후 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%의 4℃ 에탄올용액, 그리고 prophylene oxide에서 각각 15분간 점진적으로 탈수시켰다. 그 후 prophylene oxide : epon(1：1)에 30분, porpylene oxide：epon(1：2)에 12시간 침투시킨 후 epon812에 포매하였다. Ultra microtome으로 0.1~0.5 μm 두께의 준초박절편을 제작하고 toluidin blue 염색을 하여 광학현미경으로 관찰한 후, 다시 50 μm 두께의 초박절편을 제작하고 uranyl acetate와 lead citrate로 이중전자염색을 실시하여 HITACHI H-7100 투과전자현미경으로 100 kV하에서 관찰하였다. 
   조직의 관찰은 30,000배의 배율에서 이루어졌으며 사진으로 인화하여 모두 스캐닝하였다. 이후 Adobe photoshop CS2^® 프로그램을 이용하여 동일한 조건에서 섬모 내의 중앙미세소관 사이의 각도를 측정한 후 이들의 표준편차를 구하여 해당 절편의 섬모 배열 정도(CWD, ciliary wave disorder)로 삼았다. 한 절편당 무작위로 10장의 사진을 찍었으며 한 사진당 15~20(16.7±2.0)개의 섬모를 택하여 각도를 측정하였다. 이 때 초점이 맞지 않거나 구조적 변형이 있어 중앙미세소관의 구조를 명확히 가늠하기 어려운 경우는 대상에서 제외하였다.^11,12)

결과 분석
   대조군(N=2), 부비동염 이환군(N=5), 부비동염으로 부터의 회복 4주 후(N=5) 및 회복 8주 후(N=5) 군에 대하여 각각 CT, 광학현미경, 주사전자현미경에서의 소견을 점수화하였고 섬모운동횟수와 투사전자현미경에서의 섬모 배열 정도를 측정하였다. Windows용 SPSS version 12.0(SPSS, Inc, Chicago, IL, USA)을 이용하여 통계학적으로 분석하였다. Mann-Whitney test를 시행하였고 통계학적인 유의성은 p값은 0.05 수준에서 평가하였다.

결     과

육안 소견 및 전산화단층촬영
   대조군에서는 육안적으로 비루나 점막 비후 등의 상악동염 징후가 관찰되지 않았으며, 전산화단층촬영상 혼탁(opacification)이 보이지 않았다(0.0±0.0점). 부비동염 이환군에서는 육안상 화농성의 분비물이 상악동 내와 비강에서 관찰되었으며, 전산화단층촬영상 우측 상악동 전체와 비강 내 대부분을 차지하고 있는 혼탁이 관찰되었으며, 평균 혼탁도는 2.6±0.5점이었다. 회복 4주 후의 토끼들에서는 육안적으로 화농성 분비물이 상악동 내에 여전히 남아있었으며 방사선학적 혼탁은 비강 내에서 약간 줄어들었으며 평균 혼탁도는 1.6±1.1점이었다. 회복 8주 후에는 육안적인 비루나 점막 비후 소견은 관찰되지 않았고 방사선학적으로 상악동내에만 약간의 혼탁이 남아있었으며 평균 혼탁도는 0.8±0.4점으로 측정되어 호전 시기에 따라 통계학적으로 유의하게 호전되었다(p<0.05)(Fig. 2).

섬모운동횟수 
   정상 대조군에서 섬모운동횟수는 12.12±1.22 Hz로 측정되었으며 상악동염이 유발된 토끼들에서는 11.09±1.35 Hz로 측정되었다. 회복 4주, 8주 후에는 각각 11.69±0.90 Hz, 11.20±0.57 Hz이었다(Fig. 1). 상악동염이 유발된 토끼에서는 유의하게 섬모운동횟수가 감소하였고, 회복 4주 후에 유의하게 호전되었으나, 8주 후에는 더 이상의 유의한 호전은 나타나지 않았다(p>0.05).

광학현미경에 의한 염증 정도
   정상대조군에서는 0.0±0.0점으로 측정되었으며 상악동염이 유발된 상태에서는 2.6±0.5점으로 측정되었다. 상악동 자연개구부를 재개방 시킨 후에는 4주, 8주째 각각 2.4±0.8점, 2.2±0.4점으로 측정되어 회복 시기에서 8주째까지도 크게 호전되지 않았다(p>0.05)(Table 1, Fig. 1).

주사전자현미경
   섬모의 양적(amount)인 측면에서 정상, 부비동염 유발, 회복 4주, 8주 후에서 각각 2.8±0.1점, 0.4±0.4점, 1.1±0.6점, 2.1±0.7점으로 측정되어 시간 경과에 따라 통계학적으로 유의하게 정상화함을 확인할 수 있었다(p<0.05)(Figs. 1 and 3). 이형성(metaplasia)의 경우에는 각각 2.9±0.1점, 0.4±0.4점, 0.8±0.8점, 1.7±0.7점으로 측정되어 시간 경과에 따라 통계학적으로 유의하게 회복함을 알 수 있었다(p<0.05)(Figs. 1 and 3).

투사전자현미경 
   섬모 배열 정도(CWD, ciliary wave disorder)는 정상대조군에서 18.8±3.8°이었고 부비동염 유발 시점에서는 43.9±36.3°으로 측정되었다. 회복 4주, 8주째 섬모 배열 정도는 41.1±16.3°, 39.2±19.4°로 8주째까지 통계학적으로 유의한 회복은 일어나지 않았다(p>0.05)(Figs. 1 and 4).

고     찰

   임상적으로 만성 부비동염 환자의 진단과 치료에 있어 전산화단층촬영과 비내시경 소견이 널리 이용되고 있다. Hwang 등¹³⁾은 전산화단층촬영과 비내시경은 양성예측도 88%, 음성예측도 60%라고 하였으며 그 값은 일치한다고 보고하였다. 하지만, 연부조직 음영과 점막비후 등을 바탕으로 간접적으로 염증 정도를 파악하는 전산화 단층촬영이 실제 질병의 염증 정도 및 섬모의 기능적 측면을 대변할 수 있는가에 대해 다양한 연구가 이루어져 왔다. Cousin 등⁵⁾은 만성 부비동염으로 부비동내시경 수술을 받는 60명의 환자를 대상으로 술전에 시행하는 전산화단층촬영 소견과 병리조직학적인 질병의 정도와는 상관관계가 없다고 보고하였으며 Goldwyn 등⁶⁾은 염증세포 침윤 정도를 정량화하여 전산화단층촬영에서 보이는 혼탁화 정도와 비교분석한 결과 둘 사이에 상관관계가 없다고 하였다. 한편, Szucs 등⁷⁾은 Lund-MacKay score를 기초로 한 방사선학적 소견은 염증 세포 침윤 정도, 특히 호산구 침윤과 높은 상관관계를 갖는다고 하였다.
   본 연구에서는 회복 시기에 따라 전산화단층촬영에서 호전되는 양상을 관찰하였으며, 이는 통계학적으로 유의하였다. 하지만 이러한 방사선학적 호전은 광학현미경상의 염증 소견 및 투과전자현미경 상의 섬모 배열 정도, 그리고 섬모운동횟수의 회복과 일치하지 않았다. 이는 방사선학적으로 호전 소견을 보인다고 해도 조직학적 회복은 이보다 뒤늦게 나타난다고 생각할 수 있으며, 섬모의 재생에 비해, 섬모의 기능적 회복과 섬모의 정상적인 배열의 회복 또한 뒤늦게 나타나는 것으로 생각할 수 있다.
   Joki 등¹⁰⁾은 주사전자현미경에서 관찰되는 형태학적 이상소견은 섬모 활동성의 감소와 관련이 있으며 이는 점막의 기능적 회복을 대변하는 섬모운동횟수와도 상관관계가 있다고 하였다. 하지만, 본 연구에서 저자들은 상악동 자연개구부 재개방 이후 주사전자현미경 관찰을 통해 시간이 지남에 따라 점차 형태학적 회복이 이루어짐을 확인하였지만 섬모운동횟수의 호전은 회복 8주 후에도 유의하게 나타나지 않았다. 
   Jorissen 등^11,12)은 섬모 배열 정도(CWD, ciliary wave disorder)에 대해 투사전자현미경 상 20°이하인 경우 정상, 20~35°인 경우 증가, 35°이상이면 무작위의 섬모 배열이라고 하였다. 본 연구에서는 정상 대조군은 18.8±3.8°이었으며 상악동염 유발 군에서는 43.9±36.3°로서 염증이 생겼을 때 섬모 배열 정도가 현저히 높아짐을 알 수 있었다. 이는 전산화단층촬영이나 주사전자현미경, 섬모운동횟수에서 확인했던 것과 유사한 결과이다. 하지만, 재개방 후 호전시기에서는 4주, 8주 후에도 각각 41.1±16.3°, 34.9±21.0°로서 여전히 증가된 섬모 배열 정도를 보여 전산화단층촬영, 주사전자현미경에서 확인한 방사선학적, 형태학적 호전 정도까지는 이루어지지 않았음을 알 수 있었다. Toskala 등¹⁴⁾은 11명의 정상인과 34명의 호흡기 감염 환자를 대상으로 한 연구에서 정상 조직에서는 주사전자현미경과 투사전자현미경 소견에 차이가 없었으나 염증 점막에서는 두 소견 간에 상관관계가 적다고 하였다. 따라서 호흡기 염증 점막의 형태학적 미세구조를 분석할 때 주사전자현미경과 투사전자현미경 모두를 이용해 상호 보완해야 한다고 하였다. 본 연구에서도 투사전자현미경에서 섬모 배열 정도의 호전은 주사전자현미경에서의 형태학적 호전 정도로 일어나지는 않았다. 한편, 부비동 수술 후 주사전자현미경, 투사전자현미경을 이용한 연구²⁾에서는 부비동 점막 재생은 수술 후에 천천히 일어나며 수술 후 6개월까지 병적 소견이 관찰되므로 최소한 1년까지는 추적관찰해야 한다고 하였다. 
   이처럼 병태생리학적으로 불완전한 회복은 부비동 내시경 수술 후 술 후 치료가 부적절한 경우 부비동염이 재발하거나 지속되는 원인이 될 수 있을 것으로 생각되며, 따라서 임상적 또는 방사선학적 회복 후에도 지속적인 추적 관찰이 필요할 것으로 사료된다.
   임상적으로 부비동내시경 수술 후 전산화단층촬영 및 비내시경 소견을 기준으로 대개 1~2개월 이내에 부비동염이 뚜렷하게 회복되는 양상을 관찰할 수 있다. 본 연구는 임상적인 회복이 일어난 시점에서의 병태생리학적인 회복 정도를 확인하기 위하여 방사선학적 소견이 뚜렷한 회복을 보였던 회복 8주째까지 관찰하여, 각 회복 인자를 비교하였다. 하지만 섬모운동횟수, 조직학적 염증 소견 및 섬모의 비정상적 배열은 8주 후에도 정상화하지 않아, 이러한 인자들의 정상적인 회복 기간을 파악하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 한편 부비동내시경 수술 후 장기간이 지난 후에도 비정상적 점막 소견이 관찰된다는 연구 결과들이 있음을 고려할 때,²⁾ 특정 요소들은 완전한 회복이 일어나지 않을 수도 있을 것으로 생각되며, 이에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

결     론

   부비동염 발생 후 임상적, 방사선학적인 회복소견이 광학현미경적인 염증소견 및 섬모의 기능적인 회복과 일치되어 나타나지는 않았으며, 전자현미경적으로 섬모의 재생은 회복 8주 후 거의 정상화되었으나, 섬모의 정상적인 배열과 섬모운동횟수는 8주 후에도 뚜렷하게 회복되지 않았다. 이러한 불완전한 기능적, 형태학적인 회복이 부비동염의 재발 및 지속의 원인이 될 수 있을 것으로 생각되며, 따라서 부비동염의 임상적, 방사선학적인 회복 후에도 지속적이고 면밀한 추적관찰이 필요할 것으로 생각된다.

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