[논문]환경 중의 엔도톡신 노출 및 건강에 미치는 영향

박주형

doi:10.5668/jehs.2014.40.4.265

[국내논문] 환경 중의 엔도톡신 노출 및 건강에 미치는 영향
Exposure to Environmental Endotoxin and Health Effects 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.40 no.4, 2014년, pp.265 - 278

박주형 (미국 직업안전보건연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Microbes such as bacteria, fungi, archaea, protists, and viruses are ubiquitous and people are exposed to them continuously. Endotoxin is a component of the outer membrane of Gram-negative bacteria and a potent proinflammaotry substance. When a person is exposed to environmental endotoxin, an innate immune response is initiated upon the initial recognition and this response produces various inflammatory mediators and recruits inflammatory cells to the exposed tissues. A purified chemical form of endotoxin is called lipopolysaccharide (LPS), and the lipid A portion of the molecule is a biologically active moiety. Exposure to endotoxin may result in various complex health effects depending on time, route, and dose of exposure, as well as host susceptibility. Gene-environment interactions play important roles in health effects of endotoxin exposure, e.g. development or aggravation of asthma. To accurately assess exposure to endotoxin in environmental or epidemiologic studies, methods of sampling, extraction, and analysis must be carefully selected since the selected methods may substantially affect analytical results and there is no internationally-agreed standard method to date. The lack of a standardized method hampers the establishment of exposure-response relationships. While an internationally-agreed health-based exposure limit does not exist, the Dutch Expert Committee on Occupational Safety recently recommended $90EU/m^3$ as a health-based occupational exposure limit. The current article reviews various scientific issues on how we measure environmental endotoxin and the health effects of endotoxin exposure.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 엔도톡신과 관련된 노출평가 및 건강장해에 관해, 환경 및 산업보건 분야에서 더 많은 연구가 필요하다. 본 논문은 엔도톡신에 대한 전반적인 개괄 및 소개를 통해 엔도톡신에 대한 더 많은 연구자들과 연구지망 학생들의 관심을 모으기 위하여 작성되었다. 그러므로 체계적이고 광범위한 세부 고찰을 지양하고, 노출평가 방법과 건강에 미치는 영향을 중심으로 지난 20-30년간 주요 이슈나 쟁점이 되었던 분야에서 보고된 연구 중에서 선별된 주요 연구논문들을 통해 이들을 소개하고자 한다.
본 논문은 엔도톡신에 대한 전반적인 개괄 및 소개를 통해 엔도톡신에 대한 더 많은 연구자들과 연구지망 학생들의 관심을 모으기 위하여 작성되었다. 그러므로 체계적이고 광범위한 세부 고찰을 지양하고, 노출평가 방법과 건강에 미치는 영향을 중심으로 지난 20-30년간 주요 이슈나 쟁점이 되었던 분야에서 보고된 연구 중에서 선별된 주요 연구논문들을 통해 이들을 소개하고자 한다. 따라서 각각의 세부 분야에 대한 더 깊이 있는 논의는 본 논문의 의도와 범주를 벗어나므로, 본 논문을 통해 엔도톡신 연구에 흥미를 느끼는 독자는 참고문헌란에 열거된 논문들과 이들 논문들에 인용된 연구들을 참고하기 바란다.
그러므로 체계적이고 광범위한 세부 고찰을 지양하고, 노출평가 방법과 건강에 미치는 영향을 중심으로 지난 20-30년간 주요 이슈나 쟁점이 되었던 분야에서 보고된 연구 중에서 선별된 주요 연구논문들을 통해 이들을 소개하고자 한다. 따라서 각각의 세부 분야에 대한 더 깊이 있는 논의는 본 논문의 의도와 범주를 벗어나므로, 본 논문을 통해 엔도톡신 연구에 흥미를 느끼는 독자는 참고문헌란에 열거된 논문들과 이들 논문들에 인용된 연구들을 참고하기 바란다.

제안 방법

그러나 LAL방법을 일상적으로 사용하는 경우, 분석결과에 이러한 간섭작용이 있었는지를 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해 매 실험에 spiked sample을 분석하여 회수율을 확인한다. 또는 동일 시료를 연쇄적으로 희석한 4개 내지 5개의 시료를 모두 측정하여 데이터 분석시에 시료의 회기분석선과 검량선간의 평행성을 평가하는 parallel line estimation방법을 적용할 수 있다.
^12,27-29) 이는 참게의 혈액 추출물을 활성화시키지 못하여 생물학적 독성이 측정되지 않는 LPS일지라도, 사람에게는 독성이 있을 수도 있기 때문이다. 이 분석법은 시료 추출물에서 탄소수가 각기 다른 3-OHFA를 모두 분석하여 LPS의 총 양을 정량한다. 즉 탄소의 수가 10, 12, 14, 16, 그리고 18개인 3-OHFA (특이성을 높이기 위해서는10-16개 탄소 3-OHFA만을분석함) 각각의 양을 측정한 후 합산하여 전체 3-OHFA양을 계산한다.
이 분석법은 시료 추출물에서 탄소수가 각기 다른 3-OHFA를 모두 분석하여 LPS의 총 양을 정량한다. 즉 탄소의 수가 10, 12, 14, 16, 그리고 18개인 3-OHFA (특이성을 높이기 위해서는10-16개 탄소 3-OHFA만을분석함) 각각의 양을 측정한 후 합산하여 전체 3-OHFA양을 계산한다. 이 분석법에서 측정된 탄소수가 다른 지방산은 속이나 종이 다른 그람음성균에서 나온 것이다 (예를 들어, E.
톨라이크 수용체에 의해서 활성화된 세포는 세포 내 신호전달(signal transduction) 체계를 개시한다. 그리고 신호전달체계 일련의 반응들을 거쳐 염증을 일으키는 물질을 coding하는 유전자(DNA)의 전사 및 번역을 통해 염증을 유발하는 시토킨(proinflammatory cytokine)들과 type 1 IFN(interferon)의 합성을 유도한다. 이런 일련의 반응결과로 그람음성균에 대항하는 선천면역반응이 개시된다.

이론/모형

이를 위해 매 실험에 spiked sample을 분석하여 회수율을 확인한다. 또는 동일 시료를 연쇄적으로 희석한 4개 내지 5개의 시료를 모두 측정하여 데이터 분석시에 시료의 회기분석선과 검량선간의 평행성을 평가하는 parallel line estimation방법을 적용할 수 있다.^20-23)한편 희석을 하더라도 제거할 수 없는 간섭작용도 간혹 발생한다.

성능/효과

²⁾ 하지만 이러한 염증반응이 과도하게 일어날 경우에는 신체보호를 위한 기전이 오히려 해가 되어 내독소혈증(endotoxemia)을 유발하여 죽음에 이르게 할 수도 있다.³⁾ 환경 중의 엔도톡신에 노출되었을 때도, 이러한 염증반응이 유발되어 건강에 다양한 영향을 미치게 된다.
엔도톡신이 세상에 처음 알려진 것은 19세기 후반 독일의 과학자 Richard Pfeiffer가 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae)균이 서로 다른 두 종류의 독소를 만든다는 사실을 발견하면서부터이다. 두 가지 독소 중의 하나는 기존에 이미 알려진 외독소(exotoxin),즉 세균이 세포 밖으로 분비하는 독소(일반적으로 단백질)의 특성(열에 약하다는 특성)과 잘 부합된다는 것을 알아냈다. 하지만 두 번째 독소는 반대로 열에 저항성이 있다는 사실을 발견했다.
따라서 엔도톡신 이라는 말은 Richard Pfeifer가 생각했던 내독소가 아니므로, 사실은 잘못된 명칭이라고 보아야 한다.⁴⁾ 엔도톡신은 열에 저항성이 있으며, 토끼에 이 독소를 주입하면 발열을 하기 때문에 발열독소(pyrotoxin)라고도 불려졌다.⁵⁾
이런 분자의 구조적 특징이 지질 A의 3차원 구조(three-dimensional conformation)를 결정지으며, 이 3차원 형태가 독성과 관련이 있다고 보고 되었다.¹¹⁾세균의 종이 다르거나 혹은 같은 종 내에서도 균주가 다르면 지질 A의 화학구조가 달라지고, 엔도톡신의 생물학적 독성도 달라진다.¹¹⁾ 따라서 환경 중의 엔도톡신이 어떤 종류의 그람음성균에서 분비 되었는지에 따라 엔도톡신의 노출로 인한 건강영향 정도도 다르게 나타날 수 있다고 볼 수 있다.
^63,64) 또한 알레르기성 물질이 천식발생기전에 직접 연관되어 있다는 것을 증명하는 연구결과는 그리 많지 않다.¹⁾ 이처럼 천식환자중 비알레르기성 천식의 비율이 생각보다 높다는 사실은 아주 흥미롭다. 이런 비알레르기성 천식의 발생기전에 깊이 관여하는 것이 바로 선천면역이며, 엔도톡신과 깊은 연관성이 있는 톨라이크 수용체와 CD14은 선천면역 메커니즘의 중심에 있다.
2) 위생가설(Hygiene Hypothesis)과 환경 엔도톡신 위생가설은 1989년 David Strachan이 건초열(hay fever), 알레르기 비염, 그리고 습진 등과 같은 아토피성 질환이 아이들 형제수가 많거나 위생상태가 덜 양호한 가정에서 그 유병율이 낮다는 사실을 발견하면서 처음으로 제시되었다.⁶⁵⁾ 그는 산업혁명 이후 건초열이 급격히 증가하게 된 경향 또한 이런 위생환경의 개선으로 설명이 가능하다고 제안했다.
더 자세한 논의는 본 논문의 목적과 범주를 벋어나므로, 관심이 있는 독자는 인용된 논문과 그곳에 실린 연구 결과 들을 참고하기 바란다.^55,71,72) 결론적으로 엔도톡신 노출과 알레르기성 및 비알레르기성 천식은 노출시기, 노출농도, 노출경로, 그리고 유전적 소인이함께 복합적으로 작용하기 때문에 발생/억제 기전이 매우 복잡하며, 건강에 미치는 영향 또한 노출 농도만으로는 예측하기 힘들다.
3) 생활환경에서의 엔도톡신 생활환경 중의 먼지에서는 거의 모든 경우 엔도톡신이 검출되는데, 우리가 마시거나 샤워에 사용하는수도물도 예외는 아니다.⁷⁵⁾ 미국 하바드 대학의 연구팀은 보스톤 근교의 20개 가구를 대상으로 동일한 가정 내에서 공기 중 엔도톡신 농도를 반복 측정한 연구를 진행했다.
⁷⁶⁾ 따라서 많은 역학 연구가 주로 어린이 침대나 침실 혹은 거실 바닥 먼지 시료에서 분석한 엔도톡신을 노출치로 사용하여 왔다.^67,70,77,78) 침대 먼지시료는 대체로 바닥 먼지시료보다 엔도톡신 농도가 낮으며, 이들 먼지시료에서의 엔도톡신 농도 범위는 먼지 mg당 8 EU에서 높게는 1,201 EU에 이른다.^67,70,76) 또한 농촌가정에서 수집한 먼지시료에서의 농도가 도시가정에서 수집한 것보다 높다.

후속연구

아울러 노출평가를 위한 환경 중 엔도톡신 측정 및 분석 방법들 역시 완전하지 못하여, 국제적으로 동의한 표준화된 방법이 없는 상태이다. 따라서 엔도톡신과 관련된 노출평가 및 건강장해에 관해, 환경 및 산업보건 분야에서 더 많은 연구가 필요하다. 본 논문은 엔도톡신에 대한 전반적인 개괄 및 소개를 통해 엔도톡신에 대한 더 많은 연구자들과 연구지망 학생들의 관심을 모으기 위하여 작성되었다.
⁵⁷⁾반면에 엔도톡신에 장기간 반복 노출 시에는 급성증상에 대한 저항성(tolerance)이 생길 수도 있는데, 노출이 중지되면 저항성은 며칠 내에 사라진다.⁵⁸⁾ 이런 저항성 반응으로 인해 엔도톡신 노출로 인한 건강장해가 한층 더 복잡해 질 수도 있으므로 관련 연구시 고려해야 한다.
엔도톡신 수용체인 CD14 단백질을 coding하는 유전자의 다형성(polymorphism) 및 유전자와 환경 간의 상호작용은 천식의 발생 혹은 악화에 매우 중요한, 하지만 매우 복잡한 영향을 미치는 것으로 보인다. 더 자세한 논의는 본 논문의 목적과 범주를 벋어나므로, 관심이 있는 독자는 인용된 논문과 그곳에 실린 연구 결과 들을 참고하기 바란다.^55,71,72) 결론적으로 엔도톡신 노출과 알레르기성 및 비알레르기성 천식은 노출시기, 노출농도, 노출경로, 그리고 유전적 소인이함께 복합적으로 작용하기 때문에 발생/억제 기전이 매우 복잡하며, 건강에 미치는 영향 또한 노출 농도만으로는 예측하기 힘들다.
이런 현실로 인해 엔도톡신 노출로 인한 건강영향에 근거한 정확한 노출-반응관계를 정립하기가 어려운 것이 주된 이유일 것이다. 또한 보고자 하는 건강 지표에 따라서 노출 허용농도도 각각 달라져야만 할 것이다. 2010년 네덜란드 직업안전 전문가 위원회(Dutch Expert Committee on Occupational Safety, DECOS)에서 엔도톡신 노출로 인한 건강장해 연구결과들을 종합적으로 검토한 후에 작업환경 노출기준을 90 EU/m³로 권고하였다.
본 논문에서 지금까지 논의 되었듯이 지난 20-30년간 엔도톡신에 관한 많은 연구가 이루어져 새로운 사실들이 많이 발견되었지만, 아직도 건강장해를 일으키는 면역학적 기전 등 많은 부분을 정확하게 이해하고 있지 못한 것이 사실이다. 따라서 앞으로도 엔도톡신 노출 평가와 노출에 의한 건강 영향에 대한 연구가 더 많은 연구자들에 의해 지속적으로 진행 되어 더 많은 흥미있는 과학적 사실들이 밝혀지기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그람음성균이 세포 외막에 함유하고 있는 성분은 무엇인가?	인류는 항상 주변 환경 중에 존재하는 이런 미생물들에 노출되면서 생활해 왔으며, 이런 노출로부터 건강을 유지하고 환경에 적응하기 위해서 매우 섬세한 면역학 반응체계를 발전시켰다. 이들 중 그람음성균은 세포 외막에 endotoxin (이하 ‘엔도톡신’)이라는 성분을 함유하고 있다. 우리가 이들에 노출되면 우리 몸은 균의 세포벽 성분인 엔도톡신을 감지하여 즉시 선천면역반응 (innate immune system)을 개시한다.
	염증현상의 대표적인 증상은 무엇인가?	따라서 염증현상은 우리의 몸을 감염으로부터 일차적으로 보호하기 위한 기전으로 볼 수 있다. 이러한 염증의 대표적 증상 중의 하나가 발열이므로 엔도톡신도 발열물질(pyrogen)로 간주된다.2) 하지만 이러한 염증반응이 과도하게 일어날 경우에는 신체보호를 위한 기전이 오히려 해가 되어 내독소혈증(endotoxemia)을 유발하여 죽음에 이르게 할 수도 있다.
	선천면역반응의 결과는 무엇인가?	적응면역(adaptive immune system)을발동시키는데 최소 3-4일 정도 걸리므로,1) 그 사이 균이 신체 내에서 빠르게 증식하기 전에 선천 면역을 통해 1차적으로 신체를 보호한다. 선천면역반응 결과 신체는 여러 가지 염증(inflammation)과 관련된 세포들을 감염(노출)된 조직으로 모으고 면역매개 물질(cytokine)들을 분비한다. 따라서 염증현상은 우리의 몸을 감염으로부터 일차적으로 보호하기 위한 기전으로 볼 수 있다.

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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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