선바이오(주)

HBOC 인공혈액과 NO(산화질소)의 관계

1. 서론: 초기 HBOC 개발사들의 실패 원인

1980~2010년 기간 활동한 초기 HBOC 개발사인 Baxter, Hemosol, Northfield, Somatogen 등은 임상시험에서 모두 실패했는데, 그 핵심 이유 중 하나는 이들의 제품이 혈류내 혈장에서 자유 헤모글로빈으로 존재할 때 혈관벽에서 생성되는 혈관확장인자인 산화질소(NO)를 소거(scavenge)하여 비활성화 시켰기 때문입니다. 헤모글로빈과 NO의 빠른 결합은 혈관수축, 고혈압, 미세혈류 감소를 일으켰고, 그 결과 심근경색, 뇌졸중 등 허혈성 합병증으로 이어졌습니다. Baxter의 HemeAssist는 외상 환자 임상에서 사망률을 증가시켰고, Northfield의 PolyHeme는 생존 향상 효과 없이 심혈관 사건을 유발했으며, Hemosol의 Hemolink는 관상동맥우회술 환자에서 심근 허혈을 일으켰고, Somatogen의 재조합 Hb인 Optro 역시 고혈압과 심장 위험을 보였으며, 이들 제품은 모두 공통적으로 high-P50 성질을 가지고 있었습니다. 결국 가교결합, 중합, 재조합 생산 등 다양한 방식에도 불구하고 NO 소거를 막지 못했으며, 이러한 안전성 문제가 반복적으로 드러나면서 임상 중단으로 이어졌습니다.

2.  NO (산화질소)

산화질소(NO)는 인체에서 매우 중요한 역할을 하는 작은 기체 신호전달 물질입니다. 내피세포에서 생성되며, 세포막을 자유롭게 통과해 인접한 세포에 직접 작용합니다. 반감기가 매우 짧아 생성된 위치에서 곧바로 반응하고 사라지기 때문에, 혈관의 국소적인 조절에 이상적입니다. NO의 주된 기능은 혈관 확장의 역할이며, 산소부족이 감지되면 여러 기전을 통하여 NO가 분비되고, 이는 혈관 평활근으로 확산되어 guanylyl cyclase 효소를 활성화시키고 세포 내 cGMP가 증가하여 평활근이 이완되고 혈관이 확장됩니다. 이로써 혈류량이 늘어나고 조직에 산소와 영양분이 잘 전달되게 됩니다. 또한 NO는 혈소판의 응집을 억제하여 불필요한 혈전 생성을 막고, 염증 반응이나 신경계 조절에도 중요한 역할을 합니다.

그러나 HBOC와 같은 free hemoglobin (Hb)이 혈장에 존재할 경우 상황이 달라집니다. 원래 적혈구 안에서 존재하는 Hb은 세포막과 확산 장벽 때문에 NO와 쉽게 반응하지 못합니다. 하지만 혈장속에 자유로이 떠다니는 free Hb은 아무런 장벽이 없기 때문에 매우 빠른 속도로 NO를 소거합니다. 원래 산소가 들어가 결합해야 할 부위에 NO가 대신 빠르게 붙는 것이며, 이로 인해 혈관 평활근의 이완 신호가 차단되어 혈관이 수축하고, 혈압이 상승하며, 말초 조직으로 가는 미세혈류가 줄어듭니다. 결국 산소를 더 공급하기 위해 투여한 HBOC가 오히려 조직 산소 전달을 악화시키고, 허혈성 손상을 일으키는 역설적인 결과를 초래하게 됩니다. 따라서 산화질소는 단순히 혈관을 확장하는 물질을 넘어, 미세순환의 균형을 유지하고 혈류와 대사량을 정밀하게 조율하는 핵심 조절자라고 할 수 있습니다. 초기 HBOC들이 임상에서 실패한 가장 중요한 이유가 바로 이 NO 소거 현상을 간과했기 때문입니다.

3.  마이크로 혈관에서 산소 감지와 NO 분비의 기전

마이크로 혈관에서 산소부족을 감지하는 센서와 그에 대응하여 어떻게 NO가 생성ᆞ분비되는지에 대해서, 현재 알려진 바, 다음 4 가지의 기전으로 설명이 가능합니다.

기전 1. 내피세포 산소 감지 (NO 및 prostaglandin 매개): 혈관내피(vascular endothelium)는 단순한 수동적 장벽이 아니라 능동적인 산소 센서로 작용합니다. 국소 산소분압이 낮아지면, 내피세포는 신호전달 경로를 활성화하여 혈관 확장 물질을 생성합니다. 그 예로는 내피산화질소합성효소(eNOS)를 통한 질산화물(NO) 생성과 cyclooxygenase 효소를 통한 prostacyclin 생성이 있습니다. 이렇게 생성된 확산성 매개물질들은 혈관 평활근세포(vascular smooth muscle cell)에 작용하여 이완을 유도합니다. 구체적으로 NO는 guanylyl cyclase를 자극하고, prostacyclin은 cyclic AMP(cAMP) 경로를 증가시켜 평활근을 이완시킵니다. 결과적으로 산소가 부족한 부위의 혈관이 확장되어, 산소가 결핍된 조직으로 더 많은 혈류가 흐르도록 유도됩니다.

기전 2. 평활근 미토콘드리아(smooth muscle mitochondria) 산소 감지: 혈관 평활근세포 역시 미토콘드리아를 통해 산소 수준을 감지할 수 있습니다. 미토콘드리아는 산화적 인산화 과정에서 항상 활성산소종(ROS)을 생성하며, 산소가 제한되면 ROS 생성 균형이 변하게 됩니다. 저산소 상태에서는 미토콘드리아 ROS 생성이 감소하면서 평활근 세포막의 이온 채널, 특히 포타슘(K⁺) 채널의 활성이 변화합니다. 이로 인해 막 전위가 과분극(hyperpolarization)되고, 전압-개폐성 칼슘 채널이 닫히며 세포 내 칼슘 농도가 감소하여 평활근이 이완하게 됩니다. 따라서 미토콘드리아는 산소 감지기 역할을 수행하며, 산소 가용성과 혈관 긴장도(vascular tone)를 직접적으로 연결합니다.

기전 3. 헤모글로빈 매개 아질산염(nitrite)/NO 신호: 헤모글로빈 자체도 생화학적 산소 센서로 작용할 수 있습니다. 산소가 부족한 저산소 상태에서, 헤모글로빈이 탈산소(deoxygenated) 철(ferrous, HbFe²⁺) 상태일 때 아질산염(NO₂⁻)을 질산화물(NO)로 환원시킵니다. 이러한 반응은 산소가 부족한 혈관 영역에서 정확하게 NO를 생성하여 혈관 확장을 유도합니다. 또한 Hb는 일시적으로 HbFe³⁺–NO₂⁻ 같은 중간 복합체를 형성하여 NO와 반응, 안정적인 NO 공급원인 N₂O₃를 생성하고 혈관벽으로 확산시킵니다. 이러한 아질산염 환원 효소(nitrite reductase) 활동은 NO 신호가 산소 공급과 공간적으로 결합되도록 하여, 저산소 조직에서 혈관 확장을 강화합니다.

기전 4. 기계적·유변학적 감지 (전단응력, RBC 변형성): 혈류 자체도 혈관벽이 감지할 수 있는 기계적 신호를 제공합니다. 적혈구가 미세혈관을 통과할 때, 내피 표면에 전단응력(shear stress)을 가하게 됩니다. 이러한 기계적 힘은 내피산화질소합성효소(eNOS)를 활성화시키는 강력한 자극이 되어 NO 방출과 혈관 확장을 유도합니다. 또한 적혈구는 산소가 방출되면서 변형성(deformability)이 감소하고, 이는 혈관벽과의 상호작용에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 유변학적 변화는 전단응력이 내피로 전달되는 방식을 조절하며, 혈관이 산소 화학뿐만 아니라 흐르는 혈액의 물리적 특성에 맞춰 혈관 긴장을 조절할 수 있도록 합니다.

요약하면, 기전 1 (내피세포)에 의하면, 내피세포가 저산소를 감지 → NO/프로스타사이클린 방출 → 혈관 확장으로 이어집니다. 기전 2 (평활근)에 의하면, 미토콘드리아가 산소를 감지 → ROS 변화 → 이온 채널 조절 → 평활근 이완으로 이어집니다. 기전 3 (헤모글로빈)에 의하면, 탈산소 Hb가 저산소 구역에서 아질산염을 NO로 환원 → 국소적 혈관 확장으로 이어집니다. 기전 4 (기계적 감지)에 의하면, 전단응력과 적혈구 변형성이 내피 NO 방출을 유도 → 혈류 의존적 혈관 확장으로 이어집니다.

4.  기전과 Low-P50 HBOC, High-P50 HBOC와의 상관관계

이상 4 가지 신빙성 있는 기전을 적용하여, low-P50 HBOC와 high-P50 HBOC이 마이크로혈관 신호전달과 혈관 긴장도에 어떤 영향을 미칠지 단계별로 예측합니다. 예측의 초점은 (a) 센서가 정상적으로 국소 산소에 어떻게 반응하는지 설명, (b) HBOC가 국소 산소 환경 또는 관련 변수에 어떤 변화를 주는지 기술, (c) low-P50 HBOC와 high-P50 HBOC에서 예상되는 혈관 반응을 예측합니다.

기전 1 — 내피세포 산소 감지 (NO, 프로스타사이클린)

정상 센서 반응: 내피세포는 낮은 산소분압을 감지하면 eNOS 활성을 증가시키고, 프로스타사이클린(PGI₂) 생성을 촉진합니다. 이렇게 생성된 NO와 PGI₂는 평활근으로 확산되어 혈관을 이완시킵니다.

HBOC가 국소 산소 환경에 미치는 영향: HBOC는 혈장 내 세포 없는 Hb이므로 산소의 공간적 분포를 변화시킵니다.

-  Low-P50 HBOC (산소 친화도 높음): 산소를 강하게 결합하고 원위부에서 산소를 방출하므로, 상류 세동맥 주변 혈관벽과 주위 조직의 산소분압이 낮아집니다.

-  High-P50 HBOC (산소 친화도 낮음): 세동맥에서 산소를 빨리 방출하므로 혈관벽이 RBC 단독 상황보다 높은 산소분압을 경험합니다.

예상 혈관 반응:

-  Low-P50 HBOC: 혈관벽 산소분압이 낮아져 내피세포에서 혈관 확장물질(NO/PGI₂) 방출이 촉진 → 혈관 이완 또는 긴장도 감소.

-  High-P50 HBOC: 혈관벽 산소분압 상승으로 저산소 자극이 억제 → NO/PGI₂ 방출 감소 → 혈관 수축 경향.

기전 2 — 평활근 미토콘드리아 산소 감지 (ROS → 이온 채널)

정상 센서 반응: 평활근 세포 미토콘드리아는 산소 변화에 따라 ROS 생성량을 조절합니다. ROS 변화는 특히 포타슘(K⁺) 채널을 포함한 이온 채널, 막 전위, 세포 내 Ca²⁺ 유입을 조절하여 평활근 수축과 이완에 영향을 줍니다.

HBOC가 국소 산소 환경에 미치는 영향: 기전 1에서 설명한 세동맥 주변 산소분압 변화가 평활근 미토콘드리아에도 동일하게 적용됩니다. 추가적으로, HBOC 자체에서 발생하는 ROS나 산화적 변화는 미토콘드리아 기능에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

예상 혈관 반응:

-  Low-P50 HBOC: 세동맥 산소분압이 낮아져 미토콘드리아 매개 혈관 확장 신호가 증가합니다(ROS 감소 패턴 → K⁺ 채널 개방 → 과분극 → 평활근 이완). → 전체적으로 혈관 확장 유리.

-  High-P50 HBOC: 세동맥 산소분압이 높아져 미토콘드리아 저산소 신호가 약화되고, 막 전위가 더 탈분극 상태가 되며 이완이 감소 → 상대적 혈관 수축 경향.

기전 3 — 헤모글로빈 매개 아질산염(NO₂⁻) → 질산화물(NO) 경로

정상 센서 반응: 탈산소 헤모글로빈(HbFe²⁺)은 아질산염(NO₂⁻)을 NO로 환원하고, 일부 중간체를 거쳐 N₂O₃를 형성합니다. 이 과정에서 NO는 탈산소 Hb 비율이 높은 저산소 구역에서 선호적으로 생성되어 혈관 확장을 유도합니다.

HBOC가 아질산염 화학에 미치는 영향:

-   Low-P50 HBOC: 산소를 강하게 결합하므로 세동맥에서 탈산소 HBOC 비율이 낮아, HBOC에 의한 아질산염 → NO 전환이 감소합니다. 따라서 이 경로를 통한 국소 NO 생성이 적습니다.

-   High-P50 HBOC: 세동맥에서 산소를 빨리 방출하여 탈산소 HBOC 비율이 높아지고, 아질산염 환원 활성(nitrite reductase activity)이 증가하여 국소 NO 생성이 증가할 수 있습니다. 또한 PEG 결합이나 구조 변화(일부 PEG-Hb에서 보고됨)는 분자 단위 아질산염 환원 활성을 높여 이 효과를 증폭시킬 수 있습니다.

예상 혈관 반응:

-  Low-P50 HBOC: 아질산염 → NO 생성 지원이 약하여, 내피 기능 억제에 대응할 보상 NO가 부족합니다. 따라서 내피 저산소로 인한 혈관 확장은 나타날 수 있으나 Hb 경로로부터의 NO는 적어, 최종 효과는 기전 1과의 균형에 따라 달라집니다.

-  High-P50 HBOC: 강한 아질산염 → NO 생성이 세동맥 벽 산소분압의 상승으로 인한 혈관 수축을 일부 상쇄할 수 있습니다.

기전 4 — 기계적/유변학적 감지 (전단응력, 적혈구 변형성)

정상 센서 반응: 내피세포는 혈류에 의한 전단응력(shear stress)에 반응하여 eNOS를 활성화하고 NO를 방출합니다. 또한 적혈구의 변형성(deformability)과 분포는 국소 전단 패턴과 유효 전단 자극에 영향을 줍니다.

HBOC가 기계적 환경에 미치는 영향: HBOC는 혈장 조성 및 유변학적 특성을 변화시킵니다. 혈장 산소 함량을 증가시키고, 혈장 점도, 교질삼투압(oncotic pressure)에도 영향을 줍니다. 또한 RBC 흐름에 대한 산소 전달 방식을 바꾸어 RBC 변형성과 분포(Fåhraeus-Lindqvist 효과)에 영향을 줍니다.

-   Low-P50 HBOC: 산소가 결합 상태로 유지되어 상류 세동맥에서 산소가 일찍 방출되지 않으므로, 혈장층과 조직 사이 산소 구배(gradient)가 낮습니다. RBC는 하류에서 더 많이 탈산소되며 상류에서는 정상 변형성 패턴을 유지합니다. PEG-Hb HBOC가 순환량을 증가시키면(혈관 재충전) RBC 흐름에서 내피 전단 자극은 정상 수준을 유지하거나 오히려 강화될 수 있습니다.

-  High-P50 HBOC: 산소가 일찍 혈장층으로 방출되어 혈장 경계층의 산소 상태를 변화시키고, RBC 변형성에도 간접적으로 영향을 줄 수 있습니다(RBC가 더 탈산소 상태를 유지하거나, 혼합 정도에 따라 산소를 조기 방출). 또한 조기 산소 전달은 국소 점도 등을 변화시켜 내피로 전달되는 전단응력에 영향을 줍니다.

예상 혈관 반응:

-  Low-P50 HBOC: 혈장 산소에 의한 초기 억제가 없으므로 전단 매개 NO 방출이 유지됩니다. 내피 저산소 신호와 결합하면 혈관 확장 또는 혈류 유지가 촉진됩니다. PEG로 인한 교질삼투압 증가와 혈관 재충전이 함께 이루어지면 전단과 관류 개선으로 혈관 확장을 추가로 지원할 수 있습니다.

-   High-P50 HBOC: 전단 패턴 수정(및 상승된 혈관벽 산소분압)으로 전단에 의한 NO 생성이 감소하여 혈관 수축 경향이 나타날 수 있습니다.

5.    Low-P50 HBOC vs High-P50 HBOC 기전별 분석

6. 종합적 예측

종합적으로 볼 때, 앞서 제시된 4 가지 기전과 경로 가운데 어느 것을 우세한 메커니즘으로 설정하더라도, 선바이오 SBX와 같은 Low-P50 HBOC는 혈관확장 또는 그에 준하는 혈관확장 지원 효과를 유발하는 방향으로 작용할 가능성이 높습니다. 이는 산소 친화도가 높아 상대적으로 조직 산소 해리가 제한적이지만, 동시에 혈관 내에서 산소화 상태를 유지함으로써 산화질소(NO) 소거 반응을 억제하거나, 내피 및 미토콘드리아 기반의 저산소 신호 경로를 활성화하는 데 기여하기 때문입니다. 반면, High-P50 HBOC의 경우 산소 친화도가 낮아 조직으로의 산소 방출은 용이할 수 있으나, deoxyHb으로의 전환이 빠르게 일어나면서 NO와의 반응 속도가 증가하고, 이로 인해 혈관수축 및 전신 혈역학적 저항 상승이 초래됩니다. 그 결과 미세혈류 분포가 불균등해지고, 오히려 조직 산소 전달의 효율성이 떨어질 수 있습니다. 따라서, 혈류역학적 관점에서 볼 때 Low-P50 HBOC는 직접적인 혈관확장 효과 또는 간접적인 혈관확장 지원 효과를 통하여 미세순환의 질적 개선과 조직 산소공급의 안정화를 이끌어낼 수 있으며, 이는 혈관수축과 허혈성 합병증을 유발할 위험이 상대적으로 높은 High-P50 HBOC에 비해 우월한 지위에 있다고 평가할 수 있습니다.

참고문헌

Frontiers in Physiology. Vol 16, 2025, Xu, Y. et al., “Erythrocytes enhance oxygen-carrying capacity through self-regulation.” https://doi.org/10.3389/fphys.2025.15921762025.

J. Clin. Med. 2024, 13(22):6762. Aksu, U. et al. “Microcirculation: Current Perspective in Diagnostics, Imaging, and Clinical Applications.” 

Injury Vol 43, Issue 5, p638-647, May 2012, Moon-Massata, P. et al., “The effect HBOC-201 and sodium nitrite resuscitation after uncontrolled haemorrhagic shock in swine”.