사염화탄소 독성 평가 번역(한국어 원본)사염화탄소(CCl4)는 간독성물질로 잘 알려져 있지만, 화학구조상 halogen 화합물로서 체내 대사과정에서 free radical를 생성하여 독성을 일으키는 특성을 가지고 있다. 일반적으로 할로겐 화합물의 독성발현과정에서 공통적으로 발생되는 free radical은 생체내의 단백질, 지질 등과 반응하여 oxidative DNA damage, carbonyl content, malondialdehyde (MDA), 및 4-hydroxynonenal (4-HNE)를 생성시킬 수 있다. 본 연구에서는 상기 biomarker를 사염화탄소(CCl4) 같이 구조상 할로겐 원소를 가지고 있는 유해독성물질의 노출 및 위해성평가에 활용가능성을 연구하는 데 있다. 사염화탄소(CCl4)를 Sprague Dawley (SD) rat에 i.p. 투여한 후 carbonyl content, MDA, 및 4-HNE의 생성률 및 지속성을 혈장에서 GC-MS를 이용하여 비교분석하였다. 사염화탄소(CCl4)를 single (예, 500 mg/kg) 투여한 후 MDA 및 carbonyl content의 생체내의 반감기 (t1/2)는 1.5일이며 4-HNE의 빈감기는 약 10일로 나타났다. 사염화탄소(CCl4)의 dose-dependent (50, 100, 500, 1000 mg/kg) 연구에서는 혈액내에서 carbonyl content, MDA, 및 4-HNE 모두 증가하였다. 또한, 간독성 지표인 혈중 GOT, GPT의 농도도 농도의존적으로 증가하였으며, 단일농도 투여후 (500 mg/kg) 약 8시간 후에 GOT가 가장 높게, 그리고 GPT의 경우는 24시간이후에 가장 높게 나타났으며 약 96시간후까지 높은 수치를 유지했다. MDA의 경우는 혈중에서 보다 간조직에서 더 높게 나타났다. Carbonyl content생성의 경우 용량의존적인 증가율이 높지 않았으나, 일단 생성되면 최소 7일 이상은 검출할 수 있는 지속성을 나타냈다. 4-HNE의 경우는 용량의존적 생성률에 있어서 carbonyl content 보다 더 높은 민감성을 보여줬으며, 지속성 또한 최소 21일 이상을 유지하고 있었다. 본 연구의 결과는 4-HNE, MDA 및 carbonly content는 할로겐화합물의 노출에 대한 생체지표로서 활용이 가능할 것으로 보여지나, 4-HNE가 민감도 및 지속성에 있어서 더 독성지표 나 위해성평가 등의 활용성에 있어서 더 우수할 것으로 평가된다.
환경오염물질의 인체 위해성 평가를 위한 노출 평가는 주로 공기, 물, 음식 등 환경 compartment에 존재하는 오염물질 농도를 측정하여 왔다. 이러한 노출평가는 노출기간, 인체 유입경로 GI tract, respiratory tract, dermal absorption, 오염원의 다양성, 체내 흡수, 분포, 대사 그리고 배설 등의 요인을 고려할 수 없기 때문에 정확한 total body exposure를 산출하는데 여러 가지 어려움이 따른다. 특히 chemical carcinogen의 경우 극미량으로 노출되어도 암을 유발한 가능성이 있기 때문에 보다 정확한 노출 평가가 요구된다. 따라서 1980년대부터는 실제 인체내 유입된 오염물질의 총 노출량 측정을 위한 biological monitoring에 보다 많은 관심을 기울이게 되었으며 미국과 유럽의 EPA, WHO에서 biological monitoring을 수행하기 위한 biomarker 개발 및 응용에 대한 많은 연구가 진행 중에 있다. Biomarker를 이용한 인체 노출평가는 기존의 environmental monitoring에 비하여 개체 또는 집단내의 노출의 dosimeter로서 이용되고, 동물과 인간간의 gap을 이해하는데 많은 도움이 되며 또한 종간의 외삽, 개체간의 susceptibility의 특성의 연구에 귀중한 기초자료가 되며 또한 biological response 과정을 거쳐 나오는 marker 이기 때문에 보다 정확한 인체위해성 평가를 수행할 수 있다.
Biomarker를 이용되기 위하여서는 몇 가지 전제조건을 만족하여야 한다. 첫째로는 특정 오염물질에 specific 하여야 되며, 두 번째로는, 일정기간 동안에 체내 축적될 수 있을 정도로 지속성을 가져야하며, 셋째, non-invasive 한 방법으로 측정 가능하여야 하며, 넷째, 극미량 분석이 가능해야 하며. 다섯째, 생체지표의 농도는 노출양과 절대적인 상관관계를 가져야 한다. 그 외에는 분석방법이 간편하고, 쉽고, 신속하고, 분석비용이 비싸지 않으며, 생체지표의 분석법이 재현성이 높아야 한다. 또한, 생체지표가 독성물질에 노출된 후에 독성 즉, 질병이 발생되는 과정에서 단계별 (초기, 중기I, 중기II, 말기)로 질병 진행상태에 따라 특이적으로 연관성을 갖는다면 독성기전의 연구뿐만 아니라 qualititive risk assessment에 활용될 수 있다.
Biomarker로 이용될 수 있는 물질은 크게 세 가지로 분류될 수 있다. 첫째 혈장과 urine내에 있는 parent compound 또는 대사체를 분석하는 방법과 둘째는 생체물질과 반응한 반응물이 있으며 대부분 lymphocytes의 DNA adduct, 혈장 단백인 globin과 albumin adduct, lipid adduct 그리고 urine으로 배설되어 나온 DNA, protein 또는 lipid adduct를 들 수 있다. 마지막으로 노출결과 일어나는 생체 반응의 현상을 측정하는 방법으로서 mutagenic effect (sister chromatid exchange, chromosomal abberation), antibody titer, 변화된 효소량 (예, acrolein의 노출로 인한 G-6-P dehydrogenase의 억제) 또는 gene expression (PAH 노출로 인한 P450 1A1 induction) 을 들 수 있다.
환경오염 물질 중 특히 관심이 높은 carcinogen의 경우 극 미량이 노출되기 때문에 체내 유입직후 배설되는 대사체 분석은 biomarker로서 적당하지 못하고 체내에 상당기간 잔류하는 DNA 또는 protein adduct를 ideal biomarker로서 고려되며 이들의 분석방법과 응용에 관한 연구가 진행되고 있다. 그중 protein adduct의 경우 혈중 globin 이나 albumin을 쉽게 대량으로 얻을 수 있으며 또한 DNA adduct에 비하여 repair mechanism이 존재하지 않음으로 인하여 albumin 또는 globin의 biological life 내내 체내에 지속할 수 있으므로 일정기간 노출량의 평가에 ideal biomarker가 될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 radical에 의해 유도되는 oxidative protein damage와 oxidative lipid damage등을 비교평가하기 위해 대표적인 간독성물질인 carbon tetrachloride를 이용하여 dose response, single dose, 그리고 multiple dose로 각각 실험하여 혈청 GOT, GPT level과 혈중 globin에서의 carbonyl량, 그리고 4-hydroxynonenal (4-HNE)를 측정하므로써 최적의 biomarker를 탐색 선정하여 human monitoring 및 인체위해성평가에 적용하려고 본 실험을 수행하였다. |
사염화탄소 독성 평가 번역(영어 번역본)Carbon tetrachloride (CCl4) is known as a hepatotoxic agent, but as a halogenated substance it can produce free radical species through metabolism in vivo to induce toxicity. The free radical species generally generated by halogenated compounds contributes to their toxicity by reacting with proteins and lipids in the body to cause oxidative DNA damage, and generate carbonyls, malondialdehyde (MDA), and 4-hydroxynonenal (4-HNE). In this study, we researched the use of these biomarkers for exposure and risk assessment of halogenated hazardous and toxic substances such as CCl4. CCl4 was intraperitoneally (i.p.) injected into Sprague Dawley (SD) rats, and generation and time course of carbonyl content, MDA, and 4-HNE in blood plasma were measured using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). After a single injection of CCl4 (e.g., 500 mg/kg), in vivo half-life (t1/2) of MDA and carbonyl content was 1.5 days and t1/2 of 4-HNE was about 10 days. In dose-dependent (50, 100, 500, 1000 mg/kg) study of CCl4, carbonyl content, MDA, and 4-HNE in the blood all increased with CCl4 dose. Also, concentrations of blood GOT and GPT, which are hepatotoxicity markers, increased with CCl4 dose. After a single injection (500 mg/kg), GOT level was highest after about 8 hours, and GPT level was highest after about 24 hours and the level remained high for about 96 hours. MDA level was higher in the liver than in the blood. Carbonyl content showed lower dose response, but it was detectable for at least 7 days after the injection. 4-HNE generation was more sensitive to the dose than carbonyl content, and it also showed high sustainability as it was detectable for at least 21 days after the injection. The results suggest that 4-HNE, MDA, and carbonyl content may be useful as biomarkers for exposure to halogenated compounds, but 4-HNE was evaluated to be more desirable in terms of sensitivity and sustainability for toxicological and risk assessments.
Evaluation of exposure to environmental contaminants for human health risk assessment has relied on the measurement of concentrations of those contaminants in environmental compartments such as air, water, and food. However, it is difficulty to calculate exact total body exposure from such exposure evaluation, which does not take into account the exposure duration, route of entry into the body (e.g., GI tract, respiratory tract, and dermal absorption), diversity of contaminants, body absorption, distribution, metabolism, and excretion. Accurate exposure evaluation is required especially for chemical carcinogens, as they can induce cancer at very minute amounts. These have provided impetus to research into biological monitoring for total exposure measurement of contaminants in the human body starting from the 1980s, and EPA and WHO in the United States and Europe are actively developing biomarkers for biological monitoring and researching their application. Compared to traditional environmental monitoring, human exposure assessment using biomarker can be used as a dosimeter for individual- or group-level exposure, and is useful to understanding the differences between animals and human. Therefore, it allows for extrapolation between different species and provides valuable insights into characteristics of susceptibility between individuals. In addition, as the biomarkers are the results of biological response, biomarkers enable more accurate human health risk assessment.
Criteria of a good biomarker are as follows. First, the marker must be specific to the contaminant. Second, it must accumulate sufficiently in the body. Third, its concentration must be measurable by a non-invasive method. Fourth, minute amount of the biomarker must be detectable, i.e., it must have low limit of detection. Fifth, concentration of the biomarker must be absolutely correlated with the exposure level. In addition, analytical method must be convenient, easy, rapid, cheap, and reproducible. Also, if the biomarker has specific correlation with each disease progression states (early, mid I, mid II, and late), the biomarker may be used for qualitative risk assessment as well as for research into toxicity mechanism.
Biomarkers may be categorized into three groups. First group consists of parent compounds or downstream metabolites in the plasma or urine. Second group consists of compounds that react with natural molecules in the body, e.g., DNA adduct of lymphocytes, adduct with plasma proteins globin and albumin, lipid adduct, and adduct with urine DNA, protein, or lipid. Third group involves measuring physiological response to contaminant exposure. Examples are mutagenic effect (sister chromatid exchange, chromosomal aberration), antibody titer, changes in enzyme concentration (e.g., inhibition of G-6-P dehydrogenase production from exposure to acrolein), and gene expression (P450 1A1 induction from PAH exposure).
Carcinogens, which draw much attention as environmental contaminants, are unsuitable as target for analysis after excretion from the body as their exposure levels are extremely low. DNA or protein adducts that are retained in the body for extended period are ideal biomarkers, and research is currently underway for their analysis and utilization. Especially the adducts with blood globin and albumin can be recovered in large quantity, and lack of repair mechanism unlike DNA adducts allow for the protein adducts to be retained in the body, making them ideal biomarkers for evaluation of exposure for an extended period.
In this study, radical-induced oxidative protein and lipid damage were compared using carbon tetrachloride, which is a well-known hepatotoxic compound. Dose response, single dose, and multiple dose experiments were conducted, and serum GOT and GPT levels, carbonyl content from blood globin, and 4-hydroxynonenal (4-HNE) were measured for identification of optimal biomarker to be used in human monitoring and human health risk assessment. |
