[논문]국내 디젤 차량 배기 입자가 쥐 대식세포에 미치는 세포독성 평가

이장한; 이용권; 이지영; 이승복; 김선화; 배귀남; 이학성; 임철수; 정남현

국내 디젤 차량 배기 입자가 쥐 대식세포에 미치는 세포독성 평가
Cytotoxicity of Diesel Exhaust Particles from Various Vehicles toward Macrophage Cells 원문보기

환경독성보건학회지 = Environmental health and toxicology, v.25 no.2, 2010년, pp.111 - 120

이장한 (고려대학교 생명공학과) , 이용권 (유한대학 식품영양과) , 이지영 (고려대학교 생명공학과) , 이승복 (한국과학기술연구원 지구환경센터) , 김선화 (한국과학기술연구원 지구환경센터) , 배귀남 (한국과학기술연구원 지구환경센터) , 이학성 (서원대학교 환경건설정보학과) , 임철수 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 정남현 (고려대학교 생명공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

DEPs (diesel exhaust particles) like any other particles can be also inhaled into lung to participate in a damaging reaction to the organ. Possible damages might be apoptosis and inflammatory responses to the cells in respiratory track. The aim of this study was cytotoxicity evaluation of DEPs from five in-use diesel vehicles using a murine macrophage cell (RAW 254.7). We found that most DEPs have a considerable cytotoxicity compared to the control and SRM 2975. When measured by MTT assay and extents of apoptosis, DEPs of two highmileage vehicles had higher toxicity than those of the other three low-mileage vehicles tested. Although mRNA expression level of TNF-${\alpha$ somewhat explains the trend of cytotoxicity and apoptosis, that of IL-1$\beta$ did not. Correlation studies among the extents of MTT assay, apoptosis, and TNF-$\alpha$ expression showed that the extents between apoptosis and TNF-$\alpha$ expression was most highly correlated (r=0.96). These results suggest that cytotoxicity of various DEPs could be compared easily by measuring the extent of apoptosis or TNF-$\alpha$ expression by DEPs.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

위와 같은 사실을 바탕으로 본 논문에서는 여러 종류의 국산 디젤 차량에서 생성되는 DEP에 대한 독성을 비교하기 위해, 마우스 유래의 대식세포에 여러 가지 DEP를 노출시키면서 일반적인 세포독성 측정값, TNF-α와 IL-1β의 세포 발현 정도, 그리고 대식세포의 자가세포사멸 사이에 어떤 관계가 있는지에 대해 살펴보았다.

가설 설정

(B) Quantities represented by gel band are expressed as intensities relative to β-actin.

제안 방법

53 mM EDTA (Gibco, USA)를 사용하여 세포를 회수한 후 Apoptosis Detection kit (BD Biosciences, USA)을 사용하여 annexin-V-flouorescein isothiocyanate (FITC)와 propidium iodide (PI)로 세포를 이중 염색한 후 FACS Calibur flow cytometer (Becton Dickinson, USA)를 이용하여 분석하였다. Annexin-V-FITC의 형광 강도는 488/530 nm (excitation/emission)의 파장에서 분석하였고 PI는 488/617 nm (excitation/emission)의 파장에서 측정하였다(Hiura et al., 1999). 시료 간의 분석은 CellQuest Pro software (Becton Dickinson, USA)로 수행하였다.
0 mg/mL로 만들었고, 그 이후에 초음파 분쇄기를 사용하여 2분씩 2회 초음파 분쇄를 하였다. DEP를 세포에 처리하기 전에 매 실험마다 새롭게 만들어서 RAW 264.7 세포에 처리한 후 18시간 동안 배양하여 실험을 진행하였다. DEP 처리 후 RAW 264.
DEP의 처리에 따른 자가세포사멸성 손상(apoptosis)에 대한 평가는 0.05% trypsin-0.53 mM EDTA (Gibco, USA)를 사용하여 세포를 회수한 후 Apoptosis Detection kit (BD Biosciences, USA)을 사용하여 annexin-V-flouorescein isothiocyanate (FITC)와 propidium iodide (PI)로 세포를 이중 염색한 후 FACS Calibur flow cytometer (Becton Dickinson, USA)를 이용하여 분석하였다. Annexin-V-FITC의 형광 강도는 488/530 nm (excitation/emission)의 파장에서 분석하였고 PI는 488/617 nm (excitation/emission)의 파장에서 측정하였다(Hiura et al.
RAW 264.7 세포에 DEP 100 μg/mL과 양성대조군인 SRM 2975, TiO2, ZnO를 노출시켜 그 여부를 평가하였다.
RAW 264.7 세포의 차종에 따른 각각의 DEP 100 μg/mL와 양성대조군인 SRM 2975, TiO2, ZnO를 노출한 후 TNF-α의 mRNA 발현 정도를 관찰하였다.
각각에 해당하는 밴드의 강도는 β-actin과 비교해서 평준화한 뒤 나타내었다.
통상적으로 시험 차에서 배출된 배기가스는 희석 터널에서 수십 배 이상 희석된 후 질소산화물 및 입자상 물질과 같은 배기가스 규제 항목의 농도가 분석된다. 독성 실험에 필요한 DEP 시료를 충분히 확보하기 위하여 본 연구에서는 이러한 배기가스 시험 과정에서 입자의 크기를 분리하지 않은 채 직경이 70 mm인 테플론 필터에 90 L/min의 유량으로 채취한 DEP를 독성 실험에 사용하였다. 즉, 1회 시험을 수행하는 동안 약 11.
따라서 이들 두 가지 독성 측정법과 TNF-α 발현 정도 상관관계를 조사하였다.
마찬가지 방식으로 RAW 264.7 세포에 DEP를 처리했을 때 IL-1β의 발현을 평가하였다.
미량원소, 이온, 탄소, 입자상 다환방향족탄화수소 등의 화학조성을 분석하기 위한 시료는 자동차 배기가스 희석터널에서 동일한 4세트의 입자 채취 시스템을 이용하여 각각 10 L/min으로 2.5 μm 이하 입자(PM2.5)를 테플론 필터(미량원소와 이온) 또는 500℃ 이상에서 3시간 이상 구운 석영 필터(탄소와 입자상 다환방향족탄화수소)에 채취하여 각각 X-ray fluorescence (XRF), thermal/optical transmittance (TOT), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 방법을 이용하여 분석하였다.
상기한 두 가지 독성 측정법과의 관련성을 조사하기 위해 RAW 264.7 세포에 DEP를 노출시켰을 때 TNF-α와 IL-1β 발현 정도를 알아보았다(Figs. 3, 4).
시험 차는 시험 전날 하루 동안 시동을 걸지 않은 상태로 보관한 후 다음날 첫 번째 시험을 시작할 때 시동을 걸어 총 3회 반복 시험을 실시하였다. 즉, 차종마다 첫 번째 시험은 냉간 시동(cold start) 조건에서 입자시료를 채취하였고, 그 이후 나머지 2회의 시험은 온간 시동(hot start) 조건에서 입자시료를 채취하였다.
실험 방법을 간단히 서술하면, 96-well plate (SPL, Korea)에 RAW 264.7 세포를 접종한 후 70~80%의 군락률을 보일 때 최종농도를 100 μg/mL로 하여 DEP 현탁액을 각 웰 당 0.2 mL씩 교체해준 뒤 추가적으로 18시간 동안 DEP에 노출시켜 배양하였다.
실험에 사용하기 전 DEP 현탁액을 FBS가 없는 상태의 DMEM 배지를 사용하여 1.0 mg/mL로 만들었고, 그 이후에 초음파 분쇄기를 사용하여 2분씩 2회 초음파 분쇄를 하였다. DEP를 세포에 처리하기 전에 매 실험마다 새롭게 만들어서 RAW 264.
실험에서 사용한 디젤 차량은 5종으로 각 차종의 연식과 주행거리를 Table 1에 나타내었다. 위의 각 차종에 해당하는 DEP는 국립환경과학원 교통환경연구소의 차대동력계를 이용하여 4번의 기초 주행모드(ECE)와 1번의 추가 도시주행모드(EUDC)가 결합된 ECE-EUDC 모드에서, 운전하는 총 19.7분 동안 배기가스 희석터널(희석비: 10~30)에서 매 시험마다 채취하였다. ECE-EUDC는 유럽연합에서 개발된 것으로(Montazeri-Gh et al.
5)를 테플론 필터(미량원소와 이온) 또는 500℃ 이상에서 3시간 이상 구운 석영 필터(탄소와 입자상 다환방향족탄화수소)에 채취하여 각각 X-ray fluorescence (XRF), thermal/optical transmittance (TOT), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 방법을 이용하여 분석하였다. 이 PM_2.5 입자 채취 시스템은 싸이클론(2000-30EN, URG, USA), 필터팩(2000-30FG, URG, USA), 유량계 및 진공펌프로 구성하였으며, 질량유량측정기(mass flow meter, TSI, USA)로 유량을 확인하였다.
즉, 차종마다 첫 번째 시험은 냉간 시동(cold start) 조건에서 입자시료를 채취하였고, 그 이후 나머지 2회의 시험은 온간 시동(hot start) 조건에서 입자시료를 채취하였다. 일반적인 주행과 유사한 조건을 만들기 위해서 냉간 시동과 온간 시동 조건에서 각각 얻어진 시료를 일정 비율(1 : 2)로 혼합하여 독성 실험에 사용하였다.
시험 차는 시험 전날 하루 동안 시동을 걸지 않은 상태로 보관한 후 다음날 첫 번째 시험을 시작할 때 시동을 걸어 총 3회 반복 시험을 실시하였다. 즉, 차종마다 첫 번째 시험은 냉간 시동(cold start) 조건에서 입자시료를 채취하였고, 그 이후 나머지 2회의 시험은 온간 시동(hot start) 조건에서 입자시료를 채취하였다. 일반적인 주행과 유사한 조건을 만들기 위해서 냉간 시동과 온간 시동 조건에서 각각 얻어진 시료를 일정 비율(1 : 2)로 혼합하여 독성 실험에 사용하였다.
총 RNA 분리는 RAW 264.7 세포에서 RNeasy mini kit (Qiagen, USA)를 사용하였으며, 추출된 총 RNA는 Ultraspec® 2001 Pro (Amersham Biosciences, UK)를 사용하여 260 nm와 280 nm의 파장에서 흡광도를 측정하여 농도와 순도를 계산하였다.
최종 농축된 시료는 HP-5MS (30 m×0.25 mm ID×0.25 μm film thickness) 분석컬럼을 사용하여 GC/MSD (HP 6890/HP 5973A) SIM (selected ion monitoring) 모드에서 분석하였다.
추출된 RNA는 AMV reverse transcriptase (Promega, USA)를 사용하여 cDNA를 합성하였고, 다음과 같은 specific primer (Bioneer, USA)를 이용하여 TNF-α와 IL-1β 유전자를 증폭시켜 검출하였다.

대상 데이터

7 세포에 처리한 후 18시간 동안 배양하여 실험을 진행하였다. DEP 처리 후 RAW 264.7 세포는 스크래퍼를 사용하여 조심스럽게 긁어 모으고 상층액과 같이 원심 분리하여 세포를 가라 앉힌 뒤 다시 PBS를 사용하여 세포를 세척한 후 실험에 사용하였다.
마우스 유래의 대식세포인 RAW 264.7 세포는 열처리 후 비활성화된 우태 혈청(heat-inactivated fetal bovine serum, FBS, JRH, USA)이 10% 들어있는 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM, JBI, Korea)을 사용하여 95% 공기, 5% CO2, 37℃ 배양기에서 배양하였다.
세포는 2×105 cells/mL 농도로 세포 배양 접시(SPL, Korea)에 접종하여 70~80%의 군락율을 보일 때까지 배양한 후 Ca2+/Mg2+-free phosphate-buffered saline (PBS, JBI, Korea)으로 세포를 세척하여 실험에 사용하였다.
실험에서 사용한 디젤 차량은 5종으로 각 차종의 연식과 주행거리를 Table 1에 나타내었다. 위의 각 차종에 해당하는 DEP는 국립환경과학원 교통환경연구소의 차대동력계를 이용하여 4번의 기초 주행모드(ECE)와 1번의 추가 도시주행모드(EUDC)가 결합된 ECE-EUDC 모드에서, 운전하는 총 19.
이번 실험에 사용된 5종의 디젤 차종에서 유래한 DEP의 성분을 분석하였다. 각 성분 중 S, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Cd 등의 미량원소가 검출되었으며, 질량수치는 Table 2에 정리하였다.
필요에 따라 DEP의 참조물질로서 standard reference material 2975 (SRM 2975, NIST, USA), titanium dioxide nanopowder (TiO2<100 nm, Sigma, USA), zinc oxide nanopowder (ZnO<100 nm, Sigma, USA)를 사용하여 실험을 수행하였다.

데이터처리

DEP 샘플 간의 차이에 대한 통계적 유의성은 SPSS 프로그램(ver. 12.0)을 사용하여 ANOVA로 조사하였고 Turkey HSD 사후검정을 이용하였다. p-value가 0.
, 1999). 시료 간의 분석은 CellQuest Pro software (Becton Dickinson, USA)로 수행하였다.

이론/모형

세포독성은 MTT[3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl-tetrazolium bromide, Sigma, USA]의 대사 환원에 근거한 MTT 분석법(assay)으로 측정하였다(Mosmann, 1983). 실험 방법을 간단히 서술하면, 96-well plate (SPL, Korea)에 RAW 264.
세포독성을 측정하기 위해 DEP를 RAW 264.7 세포에 처리하였고, 세포의 생존율은 MTT법을 이용하여 분석하였다. 사용한 DEP의 노출농도가 100 μg/mL일 때 A, B, C, D, E 차종에서 45.

성능/효과

TNF-α 발현 정도와 세포독성평가(Fig. 5A) 그리고 자가세포사멸 정도와 세포독성평가(Fig. 5B) 사이의 상관관계 계수 (r)는 각각 0.93과 0.95이였으나 TNF-α 발현 정도와 자가세포사멸 정도(Fig. 5C)는 r=0.96으로 가장 높음을 확인할 수 있었다.
TNF-α의 발현 정도를 비교했을 때 A, B, C, D, E 차종에서 DEP를 처리하지 않은 대조군에 비해 각각 순서대로 2.5, 2.2, 2.4, 1.6, 2.2배 높게 발현된 것으로 나타났으며, 양성대조군인 SRM 2975, TiO2, ZnO는 각각 1.6, 1.3, 3.5배로 높게 나온 것을 확인하였다.
7 세포에 DEP를 처리했을 때 IL-1β의 발현을 평가하였다. 대조군에 비해서 A, B, C, D, E 차종에서 각각 순서대로 24.1, 8.1, 2.0, 14.9, 13.8배의 높은 발현 양을 보였으며, 자가세포사멸 정도와 MTT법을 이용한 세포독성 평가의 정도와 상당히 다른 경향을 보여주었다(Fig. 4).
두 가지 독성 측정법의 독성 정도는 IL-1β 발현 정도와는 상관관계가 아주 낮아 보인 반면 TNF-α 발현 정도와는 높은 상관관계가 예상되었다.
사용한 DEP의 노출농도가 100 μg/mL일 때 A, B, C, D, E 차종에서 45.0, 55.2, 40.6, 46.2, 46.4%의 세포독성이 나타났으며, 양성대조군인 SRM 2975, TiO2, ZnO는 각각 29.0, 15.3, 95.2%의 세포독성이 관찰되었다.
우리는 이번 실험에서 각각의 디젤차량 유래의 DEP (Table 1)를 마우스 유래 대식세포인 RAW 264.7 세포에 노출시켰을 때 50% 전후의 높은 세포독성이 나타난 것을 확인하였다(Fig. 1). 비록 통계적으로 차이가 나지 않았으나 B 차량의 세포독성 평균이 다소 높은 현상에 대한 원인을 살펴보면 B 차량 유래 DEP의 탄소와 총 PAHs 함량이 다른 차량의 DEP보다 더 높은 것에 원인이 있을 것으로 추정 되었으나 다른 화학적 조성과의 관련성은 관찰되지 않았다(Table 2).
각 성분 중 S, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Cd 등의 미량원소가 검출되었으며, 질량수치는 Table 2에 정리하였다. 유기탄소의 질량은 236.56~371.25 g/kg 범위이고 주행거리가 비슷한 경우 연식이 오래된 차량에서 더 많이 검출되었으며, 원소탄소는 375.23~708.22 g/kg 범위로 동일 차종에서 유기탄소에 비해 1.2~2.7배 가량 많이 검출되었다. 또한 각각의 PAHs 성분에 대한 함량을 Table 2에 표시하였다.
7 세포에 DEP 100 μg/mL과 양성대조군인 SRM 2975, TiO₂, ZnO를 노출시켜 그 여부를 평가하였다. 자가세포사멸 정도를 비교했을 때 A, B, C, D, E 차종에서 DEP를 처리하지 않은 대조군에 비해 각각 순서대로 4.2, 4.0, 3.3, 2.5, 2.9배 높게 유도된 것으로 나타났으며, 양성대조군인 SRM 2975, TiO₂, ZnO는 각각 2.0, 1.3, 7.5배로 높게 나온 것을 확인하였다. 특히 A 차량의 DEP에서 평균적으로 자가세포사멸의 정도가 제일 높게 평가되었으나 B와 C 차량에 대해서는 통계적으로 유의한 차이가 없었으며 D와 E 차량에 대해서는 차이(p<0.
상기한 MTT법은 세포대사 나아가서 미토콘드리아의 활성도에 미치는 독성물질의 영향을 측정하는 가장 일반적인 방법이나 한편으로 자가세포사멸 측정은 독성물질이 세포에 미치는 영향을 측정하는 또 다른 보편적인 방법이다(Mosmann, 1983). 자가세포사멸에 의한 세포독성 측정결과를 보면 MTT 법에 의한 세포독성 측정결과와 달리 A 차량에서 TiO₂에 이르기까지 독성 정도가 점진적으로 감소하는 경향을 보였다(Fig. 2). 그 중에 독성의 정도가 가장 높은 것은 A 차량과 B 차량 유래 DEP이였으며, 이 두 종류의 디젤 차량은 생산연도와 상관없이 22만km 이상의 긴 주행거리를 가지고 있었다.
특히 A 차량의 DEP에서 평균적으로 TNF-α의 발현이 제일 높게 평가되었으며, D 차량을 제외한 전 차종의 DEP에서 참조물질인 SRM 2975에 비해 유의적으로 높게 측정되었다(Fig. 3).
특히 A 차량의 DEP에서 평균적으로 자가세포사멸의 정도가 제일 높게 평가되었으나 B와 C 차량에 대해서는 통계적으로 유의한 차이가 없었으며 D와 E 차량에 대해서는 차이(p<0.05)가 있었다.
2%의 세포독성이 관찰되었다. 특히 차종별 DEP에서는 B 차량에서 평균적으로 세포독성이 가장 강한 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었고, 연식이 가장 최근이고 주행거리가 가장 적은 C 차량을 제외한 전 차종의 DEP에서 참조물질인 standard reference material (SRM) 2975에 비해 유의적으로 세포독성이 높게 측정된 것으로 나타났다(Fig. 1). SRM 2975는 미국국립표준기술연구소 (NIST)에서 DEP 연구의 표준을 제시하기 위해 만들어진 것으로 성분분석에 대한 정보는 http://www.
05)가 있었다. 한편 A, B, C 차량의 DEP에서 참조물질인 SRM 2975에 비해 유의적으로 높게 측정된 것으로 나타났다(Fig. 2).

후속연구

따라서 일반적인 독성 실험실에서 측정이 가능한 자가세포사멸과 TNF-α 발현 정도 그리고 나아가 MTT assay 같은 독성 측정법으로 DEP의 독성을 추정하고 이들의 상관관계를 연구하면, 더욱 더 실용적으로 DEP나 관련 물질의 독성을 평가하는 것이 가능할 것이다.
따라서 일반적인 독성 실험실에서 측정이 가능한 자가세포사멸과 TNF-α 발현 정도 그리고 나아가 MTT assay 같은 독성 측정법으로 DEP의 독성을 추정하고 이들의 상관관계를 연구하면, 더욱 더 실용적으로 DEP나 관련 물질의 독성을 평가하는 것이 가능할 것이다. 한편 상기한 연구결과를 더 명확히 하기 위해, 추가적으로 실제 폐와 가장 비슷한 환경을 만들어주거나 in vivo 실험을 통해서 직접적으로 폐 상피세포와 대식세포간의 염증반응 그리고 자가세포사멸과 관련된 신호전달에 대해 연구해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세입자는 크기에 따라 어떻게 분류되는가?	DEP와 같은 미세입자가 생물학적인 반응을 보이는 것은 직경과 상당한 관계가 있다. 미세입자의 크기에 따라 PM10 및 PM2.5 (각각 직경이 10, 2.5 μm 이하)로 나뉠 수 있으며(Ahn et al., 2008), 특히 대부분의 DEP는 공기역학적 직경이 2.
	디젤 배기 가스내의 다환방향족 탄화수소의 악영향은 무엇인가?	, 1999). 특히 PAHs는 대표적인 환경독성물질이며 담배연기와 디젤엔진의 배기 가스 등에 포함되어있는 물질로, DNA와 결합하여 유전적 손상을 줄 수 있을 뿐만 아니라 benzo[a]-pyrene과 같은 PAH는 내분비계 장애까지도 초래할 수 있다. 벤젠고리가 다섯 개 이상인 PAH는 입자상으로 존재하여 직경 2 μm 이하의 깊이 침투 가능한 호흡성 분진과 연관되어 있다(Sheu et al.
	대기오염을 통해 사람들에게 많이 노출되는 유해화학물질의 주는 무엇인가?	그럼에도 불구하고, 운송 수단에 의한 오염은 여전히 대기오염에 문제가 되고 있으며, 이러한 오염은 해당지역뿐만 아니라 동시에 도시 대기오염의 매우 중요한 요인이다. 대기오염을 통해 사람들에게 많이 노출되는 유해화학물질의 주범은 자동차 배기가스이며, 그 중에서도 대기의 주요 오염원인 디젤 배기 입자(diesel exhaust particles; DEP)의 발생량도 줄어 들지 않고 있다(Nitta et al., 1993).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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