전자담배흡연이 심장자율신경조절에 미치는 반응: 궐련담배와의 비교 검증 Influence of Electronic-cigarette Smoke on Cardiac Autonomic Nerve Responses in Comparison with Conventional-cigarette Smoke원문보기
전 세계적으로 담배흡연자의 심혈관 위험 감소와 금연을 위한 대안으로 전자담배 이용이 급속하게 확산되고 있지만 니코틴을 포함한 잠재적 유해화합물을 함유한 전자담배의 심혈관 효과는 불분명하다. 본 연구는 전자담배 사용에 따른 심장자율신경조절 변화를 관찰하고 급성적인 교감신경흥분효과 및 부교감신경활동 저하 반응을 궐련담배 흡연과 직접 비교하려는 목적으로 수행되었다. 41명의 젊고 건강한 흡연남성들을 대상으로 자료 분석을 수행하였으며, 무작위 교차 설계에 의해 1주의 wash-out period를 적용하여 전자담배와 궐련담배 세션이 각각 실시되었다. 전자담배는 흡연 시를 포함한 흡연 후 5분까지, 궐련담배의 경우 흡연 시 및 흡연 후 최대 30분까지 교감신경활성화 및 부교감신경 감소가 관찰되었다. 두 제품 간 비교에서, 흡연 시를 포함한 흡연 후 30분 동안의 HRV 분석에서 전자담배는 궐련담배에 비해 비교적 교감신경흥분효과 및 부교감신경저하에서 적은 변화수준 및 단시간 변화를 제공하는 것으로 나타났다. 이상의 결과들은 비록 전자담배가 궐련담배에 비해 심장자율신경조절에서 상대적으로 완화된 효과를 제공한다고 할지라도 전자담배 내 니코틴 및 잠재적 위험요인들을 고려해 볼 때 급성적인 교감신경흥분작용 및 부교감신경의 저하를 야기함으로 과도한 사용에 주의가 요구된다.
전 세계적으로 담배흡연자의 심혈관 위험 감소와 금연을 위한 대안으로 전자담배 이용이 급속하게 확산되고 있지만 니코틴을 포함한 잠재적 유해화합물을 함유한 전자담배의 심혈관 효과는 불분명하다. 본 연구는 전자담배 사용에 따른 심장자율신경조절 변화를 관찰하고 급성적인 교감신경흥분효과 및 부교감신경활동 저하 반응을 궐련담배 흡연과 직접 비교하려는 목적으로 수행되었다. 41명의 젊고 건강한 흡연남성들을 대상으로 자료 분석을 수행하였으며, 무작위 교차 설계에 의해 1주의 wash-out period를 적용하여 전자담배와 궐련담배 세션이 각각 실시되었다. 전자담배는 흡연 시를 포함한 흡연 후 5분까지, 궐련담배의 경우 흡연 시 및 흡연 후 최대 30분까지 교감신경활성화 및 부교감신경 감소가 관찰되었다. 두 제품 간 비교에서, 흡연 시를 포함한 흡연 후 30분 동안의 HRV 분석에서 전자담배는 궐련담배에 비해 비교적 교감신경흥분효과 및 부교감신경저하에서 적은 변화수준 및 단시간 변화를 제공하는 것으로 나타났다. 이상의 결과들은 비록 전자담배가 궐련담배에 비해 심장자율신경조절에서 상대적으로 완화된 효과를 제공한다고 할지라도 전자담배 내 니코틴 및 잠재적 위험요인들을 고려해 볼 때 급성적인 교감신경흥분작용 및 부교감신경의 저하를 야기함으로 과도한 사용에 주의가 요구된다.
This study aims to observe changes in heart-rate variability (HRV) indices induced by e-cigarette and conventional-cigarette smoking and to compare the differences in acute cardiac autonomic regulation. All participants (n=41) were exposed to both e-cigarette smoke (ES) and conventional cigarette sm...
This study aims to observe changes in heart-rate variability (HRV) indices induced by e-cigarette and conventional-cigarette smoking and to compare the differences in acute cardiac autonomic regulation. All participants (n=41) were exposed to both e-cigarette smoke (ES) and conventional cigarette smoke (CS) in a randomized crossover trial. HRV analysis was performed during each smoking session based on a recorded r-r interval 10 minutes before smoking and at specified recovery periods (REC1, 0-5 min; REC2, 5-10 min; REC3, 10-15 min; REC4, 15-20 min; REC5, 20-25 min; and REC6, 25-30 min). ES led to a significantly increased cardiac sympathetic index (LF/HF ratio) compared with the baseline, and it shifted the sympathovagal balance toward sympathetic predominance, including reduction in the complexity of the interbeat interval (SampEn). In REC1 after ES, only decreases of parasympathetic indices such as rMSSD, pNN50, HF, and SD1 were indicated. CS sessions produced not only an increased LF/HF ratio during smoking and recovery periods (REC1 and REC4) but also enhanced sympathetic predominance on autonomic balance during smoking and recovery periods (REC1, REC2, and REC4). In the CS trials, parasympathetic indices of time and non-linear analysis (rMSSD, pNN50, and SD1) were decreased during smoking and in REC1 to REC5. SampEn was also reduced during smoking and REC1 to REC4. Acute sympathoexcitatory effects induced by e-cigarette use produced statistically significant results. Parasympathetic withdrawal after smoking suggests that e-cigarettes may cause increased cardiovascular risk.
This study aims to observe changes in heart-rate variability (HRV) indices induced by e-cigarette and conventional-cigarette smoking and to compare the differences in acute cardiac autonomic regulation. All participants (n=41) were exposed to both e-cigarette smoke (ES) and conventional cigarette smoke (CS) in a randomized crossover trial. HRV analysis was performed during each smoking session based on a recorded r-r interval 10 minutes before smoking and at specified recovery periods (REC1, 0-5 min; REC2, 5-10 min; REC3, 10-15 min; REC4, 15-20 min; REC5, 20-25 min; and REC6, 25-30 min). ES led to a significantly increased cardiac sympathetic index (LF/HF ratio) compared with the baseline, and it shifted the sympathovagal balance toward sympathetic predominance, including reduction in the complexity of the interbeat interval (SampEn). In REC1 after ES, only decreases of parasympathetic indices such as rMSSD, pNN50, HF, and SD1 were indicated. CS sessions produced not only an increased LF/HF ratio during smoking and recovery periods (REC1 and REC4) but also enhanced sympathetic predominance on autonomic balance during smoking and recovery periods (REC1, REC2, and REC4). In the CS trials, parasympathetic indices of time and non-linear analysis (rMSSD, pNN50, and SD1) were decreased during smoking and in REC1 to REC5. SampEn was also reduced during smoking and REC1 to REC4. Acute sympathoexcitatory effects induced by e-cigarette use produced statistically significant results. Parasympathetic withdrawal after smoking suggests that e-cigarettes may cause increased cardiovascular risk.
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문제 정의
본 연구는 젊고 건강한 흡연남성을 대상으로 담배흡연에 의한 심장자율신경조절 변화를 관찰하고, 담배흡연의 유해성 감소를 위한 대안으로 선호되는 전자 니코틴 전달시스템과 기존 궐련담배 간 심장자율신경 조절의 급성 반응을 직접적으로 비교하기 위한 목적으로 수행되었다.
상기 제시한 여러 가지 제한사항의 완전한 통제 하에서 객관적 임상 실험 정보의 결과를 획득하기 위해 본 연구는 젊고 건강한 남성흡연자를 대상으로 HRV 모니터링을 통해 전자담배 및 궐련담배 흡연에서 급성적인 심혈관 효과를 관찰하고, 두 제품 간 심장자율신경조절 변화를 직접 비교함으로써 교감신경 및 부교감신경활동의 반응 차를 검증하려는 목적으로 수행되었다. 본 연구 설계를 통해 도출된 결과들은 두 제품의 급성적인 심장자율신경조절 차를 설명함으로써, 전자 및 궐련 담배의 직접적 비교를 통한 인체 심장자율신경의 반응적 위해성을 다각적으로 제시하여 담배와 심장자율신경조절의 반응이라는 중요한 학술적 임상정보를 제공할 것으로 기대된다.
실제 수많은 브랜드 및 다양한 모델들이 출시되고 있으며 제품에 함유된 니코틴의 농도 및 액상 구성 물질들에 관한 특별한 규제나 위험성 고지에 대한 구체적 정보 없이 소비자들에게 판매되고 있으나 전자담배와 궐련담배의 직접적 비교에 관한 학술(심장자율신경반응)적 정보는 미비하다. 이에 본 연구는 전자담배 사용에서 발생될 수 있는 건강위험요인을 규명하기 위해 흡연의 복합적 심혈관 위험인자 중 교감신경흥분효과에 의한 심장자율신경불균형 발현에서 전자담배의 잠재적 위험성 및 궐련담배와의 비교를 시도하였다. 흡연 시를 포함한 흡연 후 30분간 HRV 분석을 수행한 결과 전자담배가 궐련담배에 비해 비교적 교감신경활성화와 부교감신경저하에서 적은 변화수준 및 단시간 변화를 제공하는 것으로 나타났다.
제안 방법
12시간 공복상태로 20분 이상 실험실 안정 후 자동혈압측정기(UA-772C, A&D, Japan)를 이용해 수축기(systolic blood pressure, SBP) 및 확장기혈압(diastolic blood pressure, DBP)을 측정하고 이를 바탕으로 MAP{mean arterial pressure, MAP = 1/3(SBP) + 2/3(DBP)}를 산출하였다.
HRV 분석은 흡연 전 안정 시 최소 10분간의 r-r intervals를 기록하고 5분간의 흡연 시를 포함한 흡연 후 0~5분(REC 1), 5~10분(REC 2), 10~15분(REC 3), 15~20분(REC 4), 20~25분(REC 5) 및 25~30분(REC6)으로 구분된 총 30분간의 recovery periods에서 각각 획득한 r-r intervals를 바탕으로 HRV의 시간, 스펙트럼 및 비선형 지표를 산출해 전자담배 또는 궐련담배 흡연에 따른 심장자율신경조절 변화를 평가했다.
실제 Yan 등[26]은 한 개비 궐련담배에서 약 10 puffs로 야기된 니코틴 혈장량 수준을 전자담배 흡연으로 충족시키기 위해서 대략 50 puffs가 요구된다고 보고하였다. 본 연구에서는 궐련 담배와 전자담배의 니코틴 함량은 유사하게 설정하고 동일한 비율로 흡연을 실시하였다. 따라서 궐련담배 흡연에서 전달되는 니코틴 수준을 만족하기에 물리적으로 전자담배의 puff 수가 부족한 것이 원인이 될 수 있다.
심장자율신경계조절에 영향을 미칠 수 있는 외인적 요인을 최소화하기 위해 실험참여 전 최소 48시간 이전에 격렬한 신체활동을 제한하고 최소 24시간 이전 알코올 및 카페인이 함유된 음료의 섭취를 금지시켰다. 또한 만성적인 흡연의 심혈관 효과를 최소화하기 위해 실험 전 최소 12시간 이상 담배를 포함한 니코틴 함유제품의 사용을 제한하였으며, 실제 전체 흡연세션 시작 전 모든 피험자에서 piCO+Smokerlyzer로 평가된 호기 내 CO는 2 ppm 이하(COHb 1% 이하)였다.
안정 시를 포함한 흡연 시 및 흡연 후 총 6구간으로 분류된 회복기에서 심장자율신경조절 변화를 관찰하기 위해 1,000 Hz로 설정된 무선 심박계(Polar RS800CX, Polar® Electro Őy, Kempele, Finland)를 이용해 각각 5분간의 r-r intervals를 기록하였다.
안정 시를 포함한 흡연 시 및 흡연 후 총 6구간으로 분류된 회복기에서 심장자율신경조절 변화를 관찰하기 위해 1,000 Hz로 설정된 무선 심박계(Polar RS800CX, Polar® Electro Őy, Kempele, Finland)를 이용해 각각 5분간의 r-r intervals를 기록하였다. 원시데이터는 Pro-trainer Polar 5 software (version 5.40.171, Polar Electro)에 의해 text file (.hrm)로 추출 후 HRV analysis software Kubios (version 2.2, 2014, Biosignal Analysis And Medical Imaging Group, University of Kuopio, Finland, MATLAB)로 전송하였다[23]. HRV 분석 전 육안검사를 통해 이소성 비트를 제거하고 short-term HRV analysis protocol에 따라 최소 256 points/Hz의 연속적인 r-r intervals들을 추출하였으며 탈경향화를 위해 smoothness priors (Lambda 500) technique 옵션을 적용하였다[16].
전일 공복 후 속옷착용의 맨발상태로 자동신장 체중측정기(Model GL-150; G-Tech International., South Korea)를 이용해 신장과 체중을 각각 2회 반복 측정하고 추출된 평균값은 체질량지수(body mass index, BMI) 산출에 적용되었다. 미국 스포츠의학회(American College of Sports Medicine, ACSM) 지침서의 3-point skinfold 프로토콜에 따라 체지방률을 평가했다.
추가적으로 본 연구는 HRV의 전통적인 시간 및 스펙트럼 분석과 함께 생체신호의 비정상성을 고려해 급성적 담배흡연에 따른 심장자율신경조절 변화를 비선형 분석을 통해 규명하였다. Poincaré plot은 연속적인 r-r intervals 간 상관관계의 도해적 표현(graphical representation)을 기반으로 심장자율 신경조절을 설명하는 비선형분석 기법으로써, line-of-identity에 대해 수직인 포인트들의 표준편차를 표시하는 SD1은 스펙 트럼의 HF와 같이 주로 호흡 동성 부정맥(respiratory sinus arrhythmia)에 의해 야기되는 단기간 변이를 설명한다.
추가적으로 비침습적 생체신호는 비정상성(non-stationary)을 내포하기 때문에 대안적 비선형기법으로서 Poincaré plot 분석[28]과 SampEn (sample entropy)-based HRV assessment [21]를 실시하였다.
연구자들은 연구절차 및 수반되는 위험성을 고지하고 모든 피험자로부터 IRB로부터 승인된 동의서에 자발적 참가에 관한 서명을 획득했다. 추가적으로 피험자들의 흡연상태를 평가하기 위해 총 흡연기간 및 일일 담배사용량과 함께 12-item scale로 구성된 CDS-12(Cigarette Dependence Scale-12)를 이용해 담배의존도를 평가하였으며[9], 흡연측정기(piCO+Smokerlyzer, Bedfont Scientific Ltd., Kent, United Kingdom)를 통해 호기 내 CO 및 COHb(carboxyhemoglobin) 수준을 측정하였다.
피험자들은 평소 흡연습관의 puff를 실시하였으며, 검사자의 감독 하에 15초 당 1회(약 0.067 Hz) 비율로 일치시켜 연속적인 5분 간 흡연하도록 유도하였다(궐련의 경우 평균 약 2개비 사용).
전자담배(e-cigarette smoking, ES) 또는 궐련담배(conventional cigarette smoking, CS) 흡연세션은 무작위로 배정되었으며, 이전 세션의 효과를 감쇄시키기 위하여 세션 간 최소 7일의 wash-out period를 부여하였다. 흡연세션 간 피험자들은 22~24℃ 실내온도의 약간 어두운 조명 하 실험실 조건에서 앉은 자세로 최소 20분 이상 휴식 후 ES 또는 CS를 수행하였으며, 각각의 흡연종료 후 30분 동안 앉은 자세로 휴식했다.
대상 데이터
본 연구는 경북대학교 생명윤리위원회(Institutional Review Board, IRB; 2015-0060)의 승인 하에 수행되었다. 20~29세 남성으로서 3년 이상, 하루 10개비 이상의 담배흡연을 수행하는 습관성 흡연자들이 본 연구에 포함되었다. 자가-보고식 의료 기록에서 연구 참여 최소 12개월 내 심혈관 질환, 대사질환 및 기타 질환으로 인해 의료적 처치를 받았거나 현재 받고 있는 자, 연구 참여 최소 12개월 내 의사의 처방 하에 심장자율 신경계에 영향을 줄 수 있는 약물을 복용하는 자, 상용화된 담배 외에 니코틴이 함유된 제품을 이용하는 자, 연구 참여 최소 3개월 내 금연을 위한 약물 또는 기타 처치를 받은 경험이 있는 자는 본 연구 참여에 제외되었다.
전자담배(Haka Higgs, AekSang KOREA Inc., Busan, Korea)의 카트리지 내 주입된 액상은 프로필렌글리콜, 글리세린 및 자연 향미료로 구성되었으며 투여된 니코틴 농도는 궐련담배(Marlboro medium, 0.5 mg nicotine)와 동일하게 설정하였다.
총 45명이 본 연구에 참여했으며, 참가기준을 고려하여 총 41명을 대상으로 자료 분석을 실시하였다(고혈압 1명 및 흡연 경력 미달 2명, 일일 흡연량 미달 1명). 연구자들은 연구절차 및 수반되는 위험성을 고지하고 모든 피험자로부터 IRB로부터 승인된 동의서에 자발적 참가에 관한 서명을 획득했다.
데이터처리
모든 자료처리는 SPSS Statistics 22.0 (Statistical Package for the Social Sciences software, versions 22.0, Chicago, IL, USA) 프로그램을 사용하여 각 항목별 평균(mean)과 표준오차(standard error of mean, SEM)를 산출하였다. 안정 시를 포함한 흡연 시 및 총 30분의 회복기에서 ES 및 CS에 의한 HRV 지표 변화를 검증하기 위해 각 세션 별 one-way ANOVA (one-way analysis of variance)와 함께 Bonferroni post hoc test 실시하였다.
안정 시를 포함한 흡연 시 및 총 30분의 회복기에서 ES 및 CS에 의한 HRV 지표 변화를 검증하기 위해 각 세션 별 one-way ANOVA (one-way analysis of variance)와 함께 Bonferroni post hoc test 실시하였다. 세션 간 시간에 따른 상호작용 효과검증을 위해 repeated measures two-way ANOVA를 이용하였으며, 세션 간 직접적인 비교검증을 위해 각 시기에서 Paired t-test를 실시하였다. 모든 통계적 유의수준 α=0.
0, Chicago, IL, USA) 프로그램을 사용하여 각 항목별 평균(mean)과 표준오차(standard error of mean, SEM)를 산출하였다. 안정 시를 포함한 흡연 시 및 총 30분의 회복기에서 ES 및 CS에 의한 HRV 지표 변화를 검증하기 위해 각 세션 별 one-way ANOVA (one-way analysis of variance)와 함께 Bonferroni post hoc test 실시하였다. 세션 간 시간에 따른 상호작용 효과검증을 위해 repeated measures two-way ANOVA를 이용하였으며, 세션 간 직접적인 비교검증을 위해 각 시기에서 Paired t-test를 실시하였다.
이론/모형
2, 2014, Biosignal Analysis And Medical Imaging Group, University of Kuopio, Finland, MATLAB)로 전송하였다[23]. HRV 분석 전 육안검사를 통해 이소성 비트를 제거하고 short-term HRV analysis protocol에 따라 최소 256 points/Hz의 연속적인 r-r intervals들을 추출하였으며 탈경향화를 위해 smoothness priors (Lambda 500) technique 옵션을 적용하였다[16].
구체적으로 보정된 아날로그 식 skinfold caliper (Dynatronics Co., Salt Lake City, USA)를 이용해 가슴(pectoral), 복부(abdominal), 대퇴(thigh) 부위를 2회 측정 후 채택된 값을 이용해 Jackson & Pollock의 공식에 따라 체지방률을 산출하였다[1].
, South Korea)를 이용해 신장과 체중을 각각 2회 반복 측정하고 추출된 평균값은 체질량지수(body mass index, BMI) 산출에 적용되었다. 미국 스포츠의학회(American College of Sports Medicine, ACSM) 지침서의 3-point skinfold 프로토콜에 따라 체지방률을 평가했다. 구체적으로 보정된 아날로그 식 skinfold caliper (Dynatronics Co.
성능/효과
각각의 흡연세션에 대한 HR의 반응을 관찰한 결과, 모든 세션에서 안정 시에 비해 흡연 중 HR이 각각 유의하게 증가되었으며(ES, p=0.002; CS, p<0.001) ES의 경우 REC1 (p<0.001) 및 2구간(p=0.002)에서도 각각 안정 시에 비해 통계적으로 높은 값을 나타내었다.
각각의 흡연세션에 대한 스펙트럼 지수 HF의 변화를 관찰한 결과, ES는 안정 시에 비해 REC1 (p<0.001)에서만 유의하게 감소된 반면 CS에서는 흡연 시(p<0.001)를 포함한 회복기 전 구간(REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p=0.001; REC6, p=0.030)에서 안정 시에 비해 통계적으로 낮은 값을 나타내었다.
각각의 흡연세션에 대한 시간영역 지수의 반응을 관찰한 결과, ES는 REC1에서만 안정 시에 비해 rMSSD (p<0.001)와 pNN50 (p<0.001) 양쪽 모두 유의하게 감소된 반면, CS의 경우 흡연 시(rMSSD, p<0.001; pNN50, p<0.001)를 포함한 REC1 ~ 5구간에서 rMSSD (REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p=0.002)와 pNN50 (REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p=0.002) 양쪽 모두 안정 시에 비해 통계적으로 낮은 값을 나타내었다.
또한 두 제품 간 비교 시 흡연 시를 포함한 회복기 20분까지 궐련담배가 전자 담배에 비해 낮은 수준을 나타내었다. 결과적으로 SampEn는 니코틴 단독에 비해 CO를 포함한 복합적 니코틴 노출이 cardiac interbeat interval의 복잡성 감소에 더 크게 기여하며 지연된 시간 동안 심장자율신경조절에 관여할 수 있다는 임상정보를 제공했다.
둘째, ES에서 흡연 시 HRV 스펙트럼 및 비선형 지표에서 교감신경과 활성화가 관찰되었으며 흡연 직후 5분까지 부교감신경활성지수의 감소가 초래되었다. 끝으로 ES 및 CS 세션 간 심장자율신경조절 차를 직접 비교한 결과, 안정 시 모든 분석영역에서 세션 간 차이가 없었지만 흡연 시를 포함한 회복기 전 구간의 시간영역지수, 흡연 시를 포함한 최대 25분까지의 스펙트럼 지수 그리고 흡연 시를 포함한 최대 30분까지의 비선형지수에서 CS가 ES에 비해 부교감신경활성지수의 저하 및 교감신경활성화지수의 증대를 나타내었다.
대조적으로 각각의 흡연세션에 대한 LF/HF ratio의 변화에서, ES 및 CS 양쪽 모두 안정 시에 비해 흡연 시(ES, p=0.028; CS p<0.001) 및 REC1 (ES, p=0.011; CS, p=0.005)에서 각각 유의하게 증가되었다.
첫째, CS는 심장자율신경조절에서 흡연 시를 포함한 흡연 후 최소 10분에서 최대 30분의 회복기 동안 안정 시 수준에 비해 HRV 각 분석영역의 교감신경활성지수 증가 및 부교감 신경 반영지표들의 저하를 유도했다. 둘째, ES에서 흡연 시 HRV 스펙트럼 및 비선형 지표에서 교감신경과 활성화가 관찰되었으며 흡연 직후 5분까지 부교감신경활성지수의 감소가 초래되었다. 끝으로 ES 및 CS 세션 간 심장자율신경조절 차를 직접 비교한 결과, 안정 시 모든 분석영역에서 세션 간 차이가 없었지만 흡연 시를 포함한 회복기 전 구간의 시간영역지수, 흡연 시를 포함한 최대 25분까지의 스펙트럼 지수 그리고 흡연 시를 포함한 최대 30분까지의 비선형지수에서 CS가 ES에 비해 부교감신경활성지수의 저하 및 교감신경활성화지수의 증대를 나타내었다.
본 연구의 결과에서 SampEn는 전자담배 흡연 동안 유의하게 감소되었으며, 궐련담배의 경우 흡연 시를 포함한 20분까지의 회복기에서도 통계적 감소가 나타났다. 또한 두 제품 간 비교 시 흡연 시를 포함한 회복기 20분까지 궐련담배가 전자 담배에 비해 낮은 수준을 나타내었다. 결과적으로 SampEn는 니코틴 단독에 비해 CO를 포함한 복합적 니코틴 노출이 cardiac interbeat interval의 복잡성 감소에 더 크게 기여하며 지연된 시간 동안 심장자율신경조절에 관여할 수 있다는 임상정보를 제공했다.
또한 세션 간 직접비교 결과 안정 시 HF (p=0.264)에서 ES와 CS 간 통계적인 차이가 없었음에도 불구하고 흡연 시(p<0.001)를 포함한 REC1 ~ 5구간(REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p=0.001; REC4, p<0.001; REC5, p=0.002)에서 각각 CS가 ES에 비해 유의하게 낮은 값을 나타내었으며, 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용의 효과가 나타났다(p<0.001; Fig. 2A).
005)에서 각각 유의하게 증가되었다. 또한 세션 간 직접비교 결과 안정 시 LF/HF ratio (p=0.501)에서 ES와 CS 간 유의한 차이가 없었지만 흡연 시(p=0.027) 및 REC4 (p=0.003)에서 각각 CS가 ES에 비해 통계적으로 높은 값을 나타내었다. 그러나 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용의 효과는 나타나지 않았다(p=0.
또한 세션 간 직접비교 결과 안정 시 SD1 (p=0.896)에서 ES와 CS 간 유의한 차이가 없었지만 흡연 시를 포함한 REC 전 구간(REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p<0.001; REC6, p=0.012)에서 CS가 ES에 비해 낮은 값을 나타내었으며, 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용의 효과가 나타났다(p<0.001; Fig. 3A).
또한 세션 간 직접비교 결과 안정 시 SampEn (p=0.571)에서 ES와 CS 간 유의한 차이가 없었지만 흡연 시를 포함한 REC1 ~ 4구간(REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p=0.003)에서 CS가 ES에 비해 유의하게 낮은 값을 나타내었으며, 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용의 효과가 나타났다(p<0.001; Fig. 3B).
또한 세션 간 직접비교 결과 안정 시 스펙트럼의 고주파 및 저주파 성분의 정규화 값(p=0.857)에서 ES와 CS 간 유의한 차이가 없었지만 흡연 시(p<0.001)를 포함한 REC2 ~ 5구간(REC2, p=0.003; REC3, p=0.016; REC4, p=0.005; REC5, p= 0.021)에서 CS가 ES에 비해 통계적으로 HF nu는 낮은 값을, LF nu는 높은 값을 각각 나타내었다.
또한 세션 간 직접비교 결과, 안정 시 HR에서 ES와 CS 간 유의한 차이가 없었음에도 불구하고 흡연 시(p<0.001)를 포함한 전체 REC구간에서 CS가 ES에 비해 유의하게 높은 값을 나타내었으며 (p<0.001), 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용의 효과가 나타났다(p<0.001; data not shown).
또한 세션 간 직접비교 결과, 안정 시 rMSSD (p=0.897) 와 pNN50 (p=0.353) 양쪽 모두 세션 간 유의한 차이는 나타나지 않았지만 흡연 시(rMSSD, p<0.001; pNN50, p<0.001)를 포함한 흡연 후 REC 전 구간에서 rMSSD (REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p<0.001; REC6, p=0.012)와 pNN50 (REC1, p<0.001; REC2, p<0.001; REC3, p<0.001; REC4, p<0.001; REC5, p<0.001; REC6, p=0.009) 양쪽 모두 CS가 ES에 비해 유의하게 낮은 값을 나타내었으며, 각각 세션 간 시간에 따른 유의한 상호작용 효과가 나타났다(rMSSD, p<0.001; pNN50, p<0.001; Fig. 1).
실제 궐련담배 흡연 후 HRV 분석을 통해 급성적 심장자율 신경조절 변화를 관찰한 대부분의 연구들은 흡연 중단의 5분 이내에서 최대 30분까지 LF/HF ratio와 같은 교감신경활성지 수 증가와 rMSSD 및 HF 등의 부교감신경활성지수 저하를 보고했다[12, 15, 17]. 본 연구에서도 궐련흡연 후 시간 및 스펙트럼 영역에서 이전 연구들과 유사한 결과들이 산출되었으며 특히 이전에 보고되지 않은 흡연 동안의 즉각적 교감신경흥분(sympathoexcitatory) 효과가 확인되었다. 다만 본 연구의 경우 5분 간 평균 2개비의 궐련담배를 연속적으로 흡연하였기 때문에 심장자율신경조절 변화가 더 크게 오래 지속되는 경향을 나타내었다.
실제 SD1은 부교감신경지표와 관련한 시간 및 주파수영역의 주요 지표들과 유의하게 관련하는 것으로 보고되었다[20]. 본 연구의 결과에서 SD1은 전자담배 흡연 후 초기회복기에서 그리고 궐련담배 흡연의 경우 흡연 시를 포함한 회복기 25분까지 안정 시 보다 유의하게 감소되었으며, 모든 모니터링 구간에서 두 제품 간 SD1 수준은 전자담배에 비해 궐련담배에서 통계적 으로 낮은 수준을 나타내었다. 이상의 결과들은 SD1이 rMSSD, pNN50 및 HF와 함께 니코틴을 포함한 기타 담배연기 내 유해 인자로부터 유래된 부교감신경저하를 정량화하는 데 유용한 지표임을 시사한다.
이러한 결과는 니코틴뿐만 아니라 CO가 심장자율 신경조절에 급성적 영향을 제공할 수 있다는 점을 암시하는 데 실제 Cobb 등[6]의 연구결과에서 흡연 후 호기된 CO는 니코틴 함유 상태에 비해 무니코틴 사용에서 더 높게 나타났다. 본 연구의 결과에서 SampEn는 전자담배 흡연 동안 유의하게 감소되었으며, 궐련담배의 경우 흡연 시를 포함한 20분까지의 회복기에서도 통계적 감소가 나타났다. 또한 두 제품 간 비교 시 흡연 시를 포함한 회복기 20분까지 궐련담배가 전자 담배에 비해 낮은 수준을 나타내었다.
이상의 결과들은 비록 단기간이라 하더라도 전자담배 사용 후 회복기에서 니코틴이 주로 부교감신경활동 저하를 야기하며, 이러한 심혈관 효과의 지속시간은 액상 내 니코틴 농도에 의존하는 용량-반응관계가 있음을 암시한다. 본 연구의 결과에서 궐련담배 흡연은 전자담배 사용에 비해 흡연 시 및 흡연 후 단기간 회복에서 교감신경흥분효과 및 부교감신경 저하수준이 더 크게 나타났다. 본 연구의 설계상 궐련담배와 유사한 니코틴 농도로 설정된 전자담배를 이용했다는 관점에서, 전자담배와 궐련담배 간 자율신경조절의 차이는 두 가지의 원인으로 해석될 수 있다.
한편 Vansickel 등[27]의 연구에서 8명의 전자담배 사용자를 대상으로 30초 간격의 10 puffs (총 5분 동안) 동안, 혈장 니코틴 수준 및 HR에서 안정 시에 비해 유의한 증가가 나타났다. 본 연구의 결과에서도 5분 간(15초당 1회 puff) 총 20 puffs의 전자담배 사용 시 안정 시에 비해 HR이 유의하게 증가되었으며 스펙트럼의 교감신경활성지수 LF/HF ratio의 급성적 증가와 함께 자율신경밸런스를 반영하는 스펙트럼 파워의 정규 화 값 중 LF nu의 증가 및 HF nu의 감소가 나타났다. 또한 SampEn 역시 급격한 감소를 나타내었다.
5 등의 교감신경흥분효과 에 지속적 노출로 인한 누적효과로 추정된다[19]. 비록 본 연구의 결과로서 전자담배의 누적효과를 제시할 수 없으나, 전자 담배의 급성적인 심혈관 효과를 규명함으로써 전자담배의 잠재적 위험성을 확인하였다.
스펙트럼의 고주파 및 저주파 성분의 정규화 값의 변화에서, ES는 흡연 시(p=0.044)에서만 안정 시에 비해 유의한 변화(decrease in HF nu and increase in LF nu)가 나타난 반면 CS에서는 흡연 시(p<0.001)를 포함한 REC1 (p<0.001), REC2 (p=0.009) 및 REC4 (p=0.030)에서 안정 시에 비해 각각 유의한 변화(decrease in HF nu and increase in LF nu)가 관찰되었다.
한편 cardiac interbeat interval의 복잡성 또는 불규칙성을 반영하는 SampEn의 감소는 유해한 심혈관 문제의 발생과 관련한다[14]. 실제 18~50세 성인남녀 32명을 대상으로 waterpipe을 이용한 담배흡연 종료 전 7분 동안 r-r intervals를 기록하고 이를 바탕으로 HRV 분석을 수행한 결과 안정 시에 비해 SampEn의 유의한 감소가 초래되었다. 흥미로운 사실은 니코틴을 함유하지 않은 waterpipe의 이용에서도 안정 시에 비해 LF/HF ratio의 증가 및 SampEn의 감소가 나타났다[6].
본 연구의 결과에서 SD1은 전자담배 흡연 후 초기회복기에서 그리고 궐련담배 흡연의 경우 흡연 시를 포함한 회복기 25분까지 안정 시 보다 유의하게 감소되었으며, 모든 모니터링 구간에서 두 제품 간 SD1 수준은 전자담배에 비해 궐련담배에서 통계적 으로 낮은 수준을 나타내었다. 이상의 결과들은 SD1이 rMSSD, pNN50 및 HF와 함께 니코틴을 포함한 기타 담배연기 내 유해 인자로부터 유래된 부교감신경저하를 정량화하는 데 유용한 지표임을 시사한다. 한편 cardiac interbeat interval의 복잡성 또는 불규칙성을 반영하는 SampEn의 감소는 유해한 심혈관 문제의 발생과 관련한다[14].
5 mg/ml vs 18 mg/ml). 이상의 결과들은 비록 단기간이라 하더라도 전자담배 사용 후 회복기에서 니코틴이 주로 부교감신경활동 저하를 야기하며, 이러한 심혈관 효과의 지속시간은 액상 내 니코틴 농도에 의존하는 용량-반응관계가 있음을 암시한다. 본 연구의 결과에서 궐련담배 흡연은 전자담배 사용에 비해 흡연 시 및 흡연 후 단기간 회복에서 교감신경흥분효과 및 부교감신경 저하수준이 더 크게 나타났다.
첫째, CS는 심장자율신경조절에서 흡연 시를 포함한 흡연 후 최소 10분에서 최대 30분의 회복기 동안 안정 시 수준에 비해 HRV 각 분석영역의 교감신경활성지수 증가 및 부교감 신경 반영지표들의 저하를 유도했다. 둘째, ES에서 흡연 시 HRV 스펙트럼 및 비선형 지표에서 교감신경과 활성화가 관찰되었으며 흡연 직후 5분까지 부교감신경활성지수의 감소가 초래되었다.
이에 본 연구는 전자담배 사용에서 발생될 수 있는 건강위험요인을 규명하기 위해 흡연의 복합적 심혈관 위험인자 중 교감신경흥분효과에 의한 심장자율신경불균형 발현에서 전자담배의 잠재적 위험성 및 궐련담배와의 비교를 시도하였다. 흡연 시를 포함한 흡연 후 30분간 HRV 분석을 수행한 결과 전자담배가 궐련담배에 비해 비교적 교감신경활성화와 부교감신경저하에서 적은 변화수준 및 단시간 변화를 제공하는 것으로 나타났다. 그러나 전자담배 사용에서도 흡연 시 나타나는 교감신경흥분효과는 통계적으로 유의미한 결과를 도출하였으며, 흡연 직후 발생되는 부교감신경의 저하는 전자담배가 잠재적 심혈관 위험을 야기할 수 있음을 시사한다.
후속연구
게다가 담배흡연 시 1회 puff에서 약 100-150 μg의 니코틴이 전달되며 이로 인해 동맥니코틴 수준이 급등하기 때문에[4], 흡연의 시작과 함께 인체는 니코틴 노출로 카테콜아민(catecholamine)을 포함한 다양한 아드레날린성 호르몬들의 방출 메커니즘에 따라 교감신경과 활성화 및 자율신경불균형 상태에 놓인다. 결과적으로 전자담배 사용이 궐련담배에 비해 보다 적은 유해건강효과를 가지는지 규명하기 위해서는 제품 사용 동안 야기되는 심장자율신경조절에 대한 경시적 변화의 반응 비교검토가 절실히 요구된다.
상기 제시한 여러 가지 제한사항의 완전한 통제 하에서 객관적 임상 실험 정보의 결과를 획득하기 위해 본 연구는 젊고 건강한 남성흡연자를 대상으로 HRV 모니터링을 통해 전자담배 및 궐련담배 흡연에서 급성적인 심혈관 효과를 관찰하고, 두 제품 간 심장자율신경조절 변화를 직접 비교함으로써 교감신경 및 부교감신경활동의 반응 차를 검증하려는 목적으로 수행되었다. 본 연구 설계를 통해 도출된 결과들은 두 제품의 급성적인 심장자율신경조절 차를 설명함으로써, 전자 및 궐련 담배의 직접적 비교를 통한 인체 심장자율신경의 반응적 위해성을 다각적으로 제시하여 담배와 심장자율신경조절의 반응이라는 중요한 학술적 임상정보를 제공할 것으로 기대된다.
본 연구에서 명백한 한계점은 젊은 남성흡연자들을 연구대상으로 제한하였기 때문에 연령, 성차 및 병리적 특성을 고려할 수 없다는 점이다. 실제 HRV는 심장 질환이 없는 건강한 인구집단에서도 연령에 따라 감소되며 성차에 의존한다[2].
추후 연구들은 다양한 전자담배 제품의 특성을 고려해 급성적인 심혈관 효과를 규명할 필요가 있으며, 추가적으로 누적된 사용에 따른 만성적 심장자율신경조절 효과에 관한 조사가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
담배연기 노출로 인한 심장자율신경계 불균형이 초래하는 현상은 무엇인가?
일산화탄소(carbon monoxide, CO)를 포함해 유기물연소 과정에서 발생되는 독성화합물 및 니코틴을 함유한 담배연기 노출은 급성 및 만성적으로 교감신경계의 과도한 활성화를 유발하여[18] 심장자율신경계(cardiac autonomic nervous system)의 불균형을 야기한다[19]. 인체 생명유지에 필수적으 로 작용하는 심장자율신경계 교란 및 기능저하는 조기 심혈관 질환을 포함한 다방면의 질환과 연결된다[25]. 따라서 이미 오래 전부터 담배흡연이 심장자율신경조절에 미치는 효과는 실용적 임상건강정보 제공을 위한 연구 주제로서 제안되어 왔으며, 몇몇의 연구들은 심전도 상 QRS 복합체에서 정상 R 파의 간격(r-r intervals) 변이를 기반으로 교감 또는 부교감신경 활 성도를 평가하는 심박변이도(heart rate variability, HRV)를 통해 흡연의 급성 및 만성적 심혈관 효과를 평가했다[12, 15, 17].
심박변이도란 무엇인가?
인체 생명유지에 필수적으 로 작용하는 심장자율신경계 교란 및 기능저하는 조기 심혈관 질환을 포함한 다방면의 질환과 연결된다[25]. 따라서 이미 오래 전부터 담배흡연이 심장자율신경조절에 미치는 효과는 실용적 임상건강정보 제공을 위한 연구 주제로서 제안되어 왔으며, 몇몇의 연구들은 심전도 상 QRS 복합체에서 정상 R 파의 간격(r-r intervals) 변이를 기반으로 교감 또는 부교감신경 활 성도를 평가하는 심박변이도(heart rate variability, HRV)를 통해 흡연의 급성 및 만성적 심혈관 효과를 평가했다[12, 15, 17]. 또한 담배흡연 외에도 니코틴의 경구 복용(oral nicotine lozenge)으로 야기된 단시간 교감미주신경 밸런스(sympathovagal balance) 변화검증에서도 HRV 분석은 유의미한 결과들을 도출했다[22].
일산화탄소(carbon monoxide, CO)를 포함해 유기물연소 과정에서 발생되는 독성화합물 및 니코틴을 함유한 담배연기 노출은 급성 및 만성적으로 교감신경계의 과도한 활성화를 유발하여[18] 심장자율신경계(cardiac autonomic nervous system)의 불균형을 야기한다[19]. 인체 생명유지에 필수적으 로 작용하는 심장자율신경계 교란 및 기능저하는 조기 심혈관 질환을 포함한 다방면의 질환과 연결된다[25].
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