서론
가임력 보존은 항암요법이나 방사선요법과 같이 생식능력을 상실할 위험이 있는 치료를 받기 전에 임신할 수 있는 능력을 유지하기 위하여 시행하는 시술을 말한다. 가임력 보존 시술의 예로는 난자 동결, 정자 동결, 체외수정을 통한 배아 동결, 난소조직 동결 등이 있다. 항암요법의 부작용으로 난소기능저하가 발생할 수 있는데, 항암요법에 의한 난소손상은 치료 당시 환자의 나이, 사용하는 항암제의 종류와 용량, 치료기간과 상관관계가 있다. 과거의 암치료는 환자의 생존에 주로 집중하였기에 완치 후 환자의 임신 가능성 여부에 대한 고려가 부족하였다. 그러나 암 환자의 생존율이 증가하고 각종 질환들의 치료 성적이 좋아지면서 치료 이후 임신과 출산 등 삶의 질에 대한 관심이 점차 증가하였고[1], 이는 가임력 보존 분야가 발전할 수 있는 원동력이 되었다. 또한 보조생식술의 발달은 암 환자의 생식능력을 보존하기 위한 방법과 전략의 개발에 기여하였고, 이제 가임력 보존은 암치료 과정 중에서 반드시 고려해야 할 부분으로 여겨지고 있다.
동결 보존
동결된 세포는 두 가지 문제가 발생하는데 물이 결정화되어 얼음을 형성하고, 염분 농도가 상승하게 된다. 따라서 세포를 성공적으로 동결 보존하는 열쇠는 물의 결정화로 인한 세포손상의 부작용을 피하는 것이다. 1930년대에 Luyet [5]은 최초로 동결 보존 이론을 과학적으로 정립하였고, 동결생물학자인 Audrey Smith는 글리세롤(glycerol) 용액에 담근 닭의 정자가 동결손상으로부터 보호된다고 보고함으로써 동결 보존 분야의 큰 기틀을 마련해주었다[6]. 글리세롤과 같은 동결보호제는 물 사이의 수소 결합을 파괴하여 결속 부동액 역할을 하는 작은 수용성 분자로서, 무독성이어야 하며 세포 내부로 확산되어야 한다. 글리세롤은 자연에서 유래했지만 생리학적 농도 이상으로 사용되어야 하고, 난자 동결에는 비효율적이므로 설폭시화다이메틸(dimethyl sulfoxide, DMSO)이 대체물질로 사용되었다. 이후 이상적인 동결보호제를 찾는 노력은 계속되어 1949년에 Polge 등[6]은 프로판디올(propanediol)과 에틸렌글리콜(ethylene glycol)이 인간 정자의 동결 시 손상을 방지한다는 것을 밝혔고, 현재 두 화합물은 모두 동결보호제로서 광범위하게 사용되고 있다.
동결 시 세포의 얼음 형성을 피하기 위해 Luyet [5]은 세포의 냉각속도를 높이는 방법을 도입했으며, 1949년 Polge 등[6]은 현대적 관점의 완만동결법(slow-freezing)을 이용한 정자 동결 실험을 하였다. 1963년에는 Mazur [7]가 얼음결정의 형성이 세포 외 공간에서 시작된다는 것을 알아냈는데, 삼투에 의해 세포 외 공간으로 물이 빠져나가면 세포 내 공간은 동결보호제, 단백질 등으로 치환되고 세포를 냉각시켰을 때 세포 내에는 점도가 높은 유리질 고체가 관찰될 것이고 이는 얼음결정의 형성을 최소화시킬 것이라고 추측하였다. 이를 토대로 1972년 Whittingham 등[8]이 쥐의 배아를 동결하기 위하여 완만동결법을 개발하였고, 이는 현재까지 사용되고 있다.
난소조직 동결
난소 이식에 대한 논의는 1800년대 말부터 있었으며, 1906년 미국에서 난소의 신선동종이식 후 난소기능의 성공적인 회복이 보고되었다[9]. 이후 1950년대에 쥐를 이용하여 난소조직을 동결 보존하고자 하는 수많은 노력들이 있었으나, 효과적인 동결보호제와 동결 프로토콜의 부재로 결실을 이루지 못하였다[10,11]. 1970년대에 들어서 프로판디올과 에틸렌글리콜, DMSO와 같은 현대적인 동결보호제가 쓰이게 되면서 다시 연구가 활발히 이루어졌으며, 1990년대에는 난소피질을 작게 조각 내어 동결 보존한 후 이식하는 방법이 등장하였다. 1994년 Harp 등[12]은 쥐의 난소피질조직을 작게 조각 내어 동결한 후 이식했을 때 쥐의 난소기능과 생식능력이 회복되는 것을 보여주었다. 하지만 쥐의 난소보다 인간의 난소가 훨씬 크고 섬유질이 많기 때문에 발전된 동물 모델이 필요했고, Gosden 등[13]은 양을 선택하여 연구를 진행하였다. 양의 난소피질조직을 얇게 자른 뒤 동결-해동 과정을 거쳐 동종이식을 한 후 난소기능의 회복이 관찰되었으며, 이는 온전한 난소 이식 없이 난소절편만으로도 충분히 순환기능을 회복하고 기능적인 난포성장이 가능하다는 것을 보여주었다. 또한 난소의 피질 절편을 신선 이식한 경우와 동결-해동 과정을 거쳐 이식한 경우 모두에서 임신에 성공하였다[13].
1996년에 Hovatta 등[14]은 인간의 난소조직을 이용한 연구에서 DMSO와 프로판디올과 같은 동결보호제를 이용하여 원시난포가 동결-해동 과정에서 생존하고 기능을 유지할 수 있음을 보여주었다. 1997년에 Oktay 등[15]도 인간의 난소조직을 이용한 생체 외 연구에서 원시난포가 동결-해동 후 생존하여 기능한다는 것을 재확인하였다. 2000년에 Oktay 등[16]은 인간의 난소조직을 동결 보존한 후 해동하여 다시 체내에 이식을 하는 시도를 하였고, 2004년에 동결-해동 후 이식된 난소조직에서 채취한 난자를 이용한 배아 발달을 최초로 보고하였다[17]. 같은 해에 Stern 등[18]은 동결 후 해동한 난소조직을 하복부에 다른자리 이식(heterotopic transplantation)하였고, 임신 후 쌍태아를 출산하는 데 성공하였다. 이후 Donnez 등[19]이 호지킨 림프종(Hodgkin’s lymphoma)을 진단 받은 여성에서 동결된 난소조직을 해동하여 복강경수술을 통해 복벽에 같은자리 이식(orthotopic transplantation)을 한 뒤 생아를 출산하는 데 성공하였다. 하지만 생아가 실제로 이식된 조직에서 임신되었는지 아니면 제자리에 남아 있던 조직에서 임신되었는지에 대한 논쟁이 있었는데, 조직이 자가 이식되었기 때문에 이의 정확한 검증은 불가능하였다. 그럼에도 불구하고 동결된 난소조직을 해동 후 이식하는 과정을 통해 현재까지 약 130명 이상의 생아출산이 보고되었기 때문에 난소조직 동결을 가임력 보존을 위한 하나의 방법으로 고려할 수 있다는 점에서는 의심의 여지가 없다[20]. 한국에서는 2004년에 동결된 난소조직을 해동 후 다른자리 이식하여 난소기능이 회복되는지 확인하였고[21], 2015년에는 최초로 동결 보존된 난소조직을 해동 후 이식한 뒤 채취한 난자를 이용하여 체외수정을 성공하였다[22].
난자 동결
1977년에 Whittingham [23]은 배아 동결 보존을 위한 프로토콜에 따라 쥐의 난자를 동결 보존하는 데 성공하였지만, 동결로 인한 투명대의 경화로 인하여 수정률이 낮다는 것이 문제로 지적되었다[24]. 동결된 난자를 이용한 최초의 생아 출산은 1986년 호주에서 이루어졌으며, 완만동결법으로 동결 보존했던 성숙난자를 해동하여 임신 및 출산에 성공하였다[4]. 1980년대 말까지 동결난자를 이용한 생아출산이 더 보고되었지만, 이후 여러 가지 난관에 부딪히면서 동결난자를 이용한 임신시도는 한동안 중단되었다. 분열 단계의 배아에 비하여 단일세포인 난자는 동결 보존하기가 상대적으로 더 어려웠고, 초기의 해동 후 생존율은 30-50%였으며, 수정률도 기대에 미치지 못했기 때문이었다. 난자와 배아의 세포막 구성 차이, 동결 과정 자체 및 동결보호제가 세포골격에 미치는 영향 등이 원인으로 제기되었다.
1994년에 소를 이용한 실험에서 난자 동결 후 해동 과정을 거쳤을 때 중기(metaphase) II단계의 방추체들이 사라짐이 보고된 후, 난자 동결의 세포 유전학적 위험성이 제기되었다[25]. 소 이외에 다른 종에서도 유사한 결과가 나왔으며 특히 인간의 난자는 더 민감하게 반응했고, 손상된 방추체는 37°C로 재가온하더라도 조립되지 않았다. 이러한 방추체분리(spindle depolymerization) 현상으로 염색체 이수성(aneuploidy)의 위험이 제기되었다[26]. 1997년 이탈리아에서 동결난자의 경화된 투명대를 통과하기 위하여 세포내정자주입술을 이용하고, DMSO를 대체하여 프로판디올을 동결보호제로 사용함으로써 방추체분리를 해결하려는 시도가 있었다[27]. 탈수를 개선하기 위해 당 농도를 증가시켰고, 이를 통하여 해동 후 난자의 생존율을 최대 80%까지 끌어올릴 수 있었으며, 결국 세포내정자주입술을 시행한 동결난자를 이용하여 최초로 생아출산에 성공하였다. 2004년 이후 동결난자를 이용한 임신시도가 늘어나기 시작했고, 2008년 Borini 등[28]은 완만동결법으로 동결한 난자를 급속해동(rapid-thawing)하여 임신시도 후 출생한 아기들을 대상으로 한 연구에서 염색체 이수성의 위험이 높아지지 않음을 보고하였으며, 난자를 이용한 동결이 원시난포를 이용한 동결보다 효과적임을 주장하였다(Figure 1).
2007년에 Kuwayama [29]는 유리화동결법(vitrification)을 이용하여 난자를 동결할 경우 효율성에 대해 연구결과를 발표하였다. 유리화동결 시 초고속냉각은 세포손상 위험이 있는 임계 온도 범위를 안전하게 통과할 수 있도록 했으며, 사용된 고농축 동결보호제는 세포의 미세구조 손상을 야기하는 얼음결정의 생성을 방지함으로써 좋은 성적을 보여주었다(Table 1). 현재 난자 동결 보존은 배아 동결 보존과 더불어 가임력 보존을 위한 표준적인 방법 중 하나로 핵심적인 역할을 하고 있다[30].
최근 배양 기술이 발전함에 따라 원시난포로부터 추출한 미성숙난자를 체외에서 성숙시키는 기술이 계속해서 발전하고 있으며, 난소조직을 이식한 후에 난포생존을 향상시키는 방법 또한 연구가 활발히 진행 중이다[31]. 체외성숙에 대한 연구는 1980년대 후반부터 진행되었는데, 1989년 Roy와 Greenwald [32]와 Torrance 등[33]은 설치류의 난포를 이용해 한천 또는 콜라겐 젤에서 난자-과립막 복합체(oocyte-granulosa complexes)를 배양시켰다. 같은 해 Eppig와 Schroeder [34]는 소수성 세포막에서 난자-과립막 복합체를 배양하여, 체외성숙에 성공하였다. 1990년대 들어서 작은 난포를 미세역가 V-well 배양접시 또는 기존의 플라스틱 접시에서 배양하거나, 알진산염(alginate)을 이용하는 등 다양한 난포 배양 방법이 보고되었다[35,36]. 이를 토대로 1991년 체외성숙을 통해 미성숙난자를 성숙시킨 후 체외수정을 거쳐 생아를 출산하는 데 최초로 성공하였다[37]. 하지만 이러한 방법을 통해 원시난포를 성숙시킬 경우 단백질 분해 효소 하에서 빠르게 분해되고, 대규모로 사용하기에는 양이 작다는 문제점이 있었다. 1996년 Eppig와 O’Brien [38]은 이러한 문제를 해결하기 위해 원시난포를 다단계 배양(multi-stage culture)하는 방법을 소개하였다. 2011년 Ting 등[39]은 인간 및 원숭이의 전동난포(preantral follicle)를 알진산염을 이용해 캡슐화하였고, 한달만에 동난포(antral follicle) 상태로 성숙시키는 데 성공하였다. 체외 배양된 난자는 중기 II단계로 성숙되었으며, 동결 보존 후 생존율도 거의 동등하였다. 현재 미성숙난자의 체외성숙은 보조생식술 중 하나로 비교적 흔히 사용되고 있다[40].
가임력 보존 대상의 확장
초기에는 암 환자들이 가임력 보존의 주된 대상이었으나, 2000년대 후반부터는 가임력 저하가 우려되는 치료를 받을 예정인 양성 질환을 가진 환자들까지 그 영역이 확장되었다. 자궁내막증 치료를 시작하기 전 가임력 보존 목적으로 난자를 동결했던 환자들에게서 해동 후 임신에 성공한 사례가 최근 보고된 바 있다[41]. 자궁내막증을 진단받고 가임력 보존을 위해 난자를 동결한 환자들을 대상으로 시행한 연구결과에 따르면 임신시도를 위해 사용된 난자의 해동 후 생존율은 83.2%, 누적 생아출산율은 46.4%에 이르렀으며, 이 결과는 양성 질환을 가진 환자라 하더라도 치료 후 가임력 저하가 예상될 경우 수술 전 난자를 동결하는 것이 의미가 있음을 보여주었다[42]. 또한 여러 환경요인으로 인하여 생식능력이 감소하고[43,44], 고령 여성일수록 기저난소기능이 감소하여 난자질이 불량해지고[39], 체외수정시술을 시행하여도 임신율이 감소한다는 것이 알려지면서[45], 비의학적 난자 보관(social banking)도 급격히 늘고 있다[46].
결론
1990년대 후반까지만 해도 임상의와 환자 모두 가임력 보존에 대한 인지도가 낮았으며, 암에 걸린 여성의 가임력 보존 및 회복을 위한 유일한 방법은 배아 동결 보존뿐이었다. 그러나 암 환자의 생존율이 증가하고 각종 질환들의 치료 성적이 좋아지면서 치료 이후 임신과 출산 등 삶의 질에 대한 관심이 점차 증가하였고, 항암치료로 인한 생식샘 독성과 각종 질환의 치료 후 가임력 유지에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 또한 성숙난자 동결 보존 및 체외 난자 성숙과 같은 보조생식술의 발전은 가임력 보존 분야 발전에 기여했다. 2000년대에 들어 가임력 저하가 예상되는 치료를 시행하기 전 난소조직을 동결 보존하기 시작했으며, 동결된 난소조직을 체외성숙 및 난자의 유리화동결법과 결합하여 이용하려는 시도가 최근 이루어지고 있다. 또한 이식 후 난포생존을 향상시키는 새로운 방법 및 세포 독성제로부터 난소를 보호할 목적으로 사용할 난소 보호제들이 현재 연구되고 있다. 난소조직 이식 시 악성 세포의 재유입 위험은 인공 난소의 개발과 원시난포 배양을 위한 효율적인 배양 시스템 개발로 극복될 것으로 예상된다. 향후 가임력 보존 기술의 발전은 생식능력이 감소하였거나, 감소할 위험에 처해 있는 환자들에게 맞춤형 치료와 개별화된 가임력 보존 전략을 제공함으로써 건강한 자녀를 출산하는 데에 기여할 것이다(Figure 2).
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