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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
사업장 내 화학물질에 의한 알러지성 호흡기질환의 AOP 연계 연구
- 연구책임자
- 조은상 외 1명
- 수 행 연 도
- 2021년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- 1. 연구배경
o 직업성 알러지성 호흡기질환(천식 등)은 화학물질, 곡물 분진 등 작업장 내 다양한 물질에 노출되어 항원에 의한 알레르기 반응을 일으키는 면역성 질환의 일종으로, 유병 근로자를 확인하기 위한 현재의 임상 기준 검사들은 비용 및 검사기간 등의 이유로 진단 및 직업성 여부를 확인하기 어려움이 있음o 사업장 내 화학물질의 노출에 의한 직업성 알러지성 호흡기질환(천식 등)의 초기 탐색을 위한 질병 관련 마커의 발굴을 위한 추가 연구로서, 다량 화학물질의 규제·관리를 위해 기존의 동물 실험을 대체하기 위해 개발된 기법 중 컴퓨터 분석(In silico) 및 시험관 내 실험(In vitro) 위주의 개발이 필요함o 독성발현경로(AOP)는 분자 수준, 세포, 조직 반응 및 현상적으로 관찰할 수 있는 최종 단계의 악영향까지 모든 기전을 표현한 일종의 생물학적 지도로, 2020년 수행한 “화학물질에 의한 면역성 질환의 AOP 적용 연구”를 통해 직업성 알러지성 호흡기질환에 적용할 수 있는 AOP 지도 경로 및 초기 진단을 위한 유용한 마커를 탐색하였으나, 제안된 AOP 및 마커를 질환에 적용하기 위해서 실질적인 실험 검증 연구가 필요함o AOP를 이용하여 직업성 알러지성 호흡기질환에 관련된 독성 메커니즘 및 유용한 마커 등을 실험적 연구를 통해 검증하여, 질환 관련 지표를 탐색 및 제시하고자 하였음2. 주요 연구내용□ 연구결과o 직업성 천식 질환 관련 AOP의 최신 연구 동향 확인- 기존 직업성 알러지성 호흡기질환과 관련되어 조사하였던 AOP의 일부 내용의 최신화· 기존 AOP 내용 중 MIE를 변경함으로써 기존의 lysine residue로 한정지었던 공유결합의 범위를 제한하지 않고 확대하여 추가적인 화학물질에 의한 AO의 시작 가능성을 제시하였음o In vitro를 이용한 실험적 증빙을 통해 지난 연구과제 제안 AOP 및 관련 KE의 확인- 저분자화합물 위주의 시험 물질을 선정 후 사람 호흡기 세포의 3D-cell 모델을 이용하여 세포 독성, 산화적 손상 관련 지표 및 염증 관련 cytokine/chemokines을 탐색하고, 구성 조직의 형태적 변화를 확인하였음· 3차원 배양을 통해 상부 및 하부 호흡기 상피의 직접적인 형태 및 기능적 특성을 재현할 수 있도록 제작된 Mucilair™ 및 Smallair™ 세포 모델 및 천식 환자의 세포로 구성된 Smallair™-asthma 모델을 함께 실험하여 동일 화학물질에 대한 정상인과 천식환자의 생체 내 변화를 동시 탐색함· 저분자량 직업성 천식 유발물질 중 노출 보고가 많은 디이소시아네이트(Diisocyanates) 및 무수물(anhydride) 중 메틸렌 다이페닐 다이아이소시아네이트(Methylene Diphenyl diisocyanate, MDI), 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate, TDI) 및 트리멜리트산무수물(Trimellitic anhydride, TMA)을 시험 물질로 사용함· 시험 물질에 의한 3D-cell 모델의 손상을 확인하기 위해 시험물질 투여 24 또는 48시간 후 채취된 세포배양 상층액을 이용한 LDH (lactate dehydrogenase) 활성 분석을 통해 세포 누출 손상 결과를 확인하였으며, 세포 손상이 심한 48시간의 결과를 제외한 각 호흡기계 모델에서 시험물질에 의한 농도별 세포 손상을 확인함· 산화적 손상 관련 변화를 알아보기 위하여 시험물질 투여 24 또는 48시간 후 채취된 세포배양 상층액에서 존재하는 ROS/RNS 정도를 측정하여, 천식 환자 하부 호흡기계 모델의 경우 시험물질 투여에 의한 ROS/RNS양의 뚜렷한 증가를 확인할 수 있었고, 정상인 상부호흡기계 모델에서는 24시간 및 48시간에서 물질 및 농도에 따른 변화가 확인됨· 기도 내 재구성과 염증 관련 지표를 알아보기 위해 다양한 종류의 cytokine 및 chemokine 정도를 측정한 결과로, 정상인의 각 호흡기계 모델에서 시험물질 노출에 의해 cytokine 및 chemokine의 특정할 만한 변화는 보이지 않았으나, 천식 환자 하부 호흡기계 모델의 경우 정상인에 비해 몇몇 cytokine 및 chemokine의 변화가 확인되었으며, 농도별 TDI 투여에 의한 변화도 확인되었음· 3D-cell 모델의 형태학적 변화를 확인한 결과로, 상부호흡기계 모델의 경우 각 단면은 세포 손상 정도에 따라 상피 세포의 높이 변화, 상피 탈락, 비정형 변성 등의 변화를 보였고, 하부호흡기계 모델에서는 상피세포의 과형성 및 낭포 형성이 관찰되거나 심한 경우 배양판에서 탈락하였고, 천식 환자 하부호흡기계 모델은 대조군에서 호흡기계 상피의 변성을 확인할 수 있었으며, 시험 물질의 투여에 의해 변성의 정도가 증가하고 손상으로 인한 상피 탈락 구간이 확인되었음· 각 호흡기계 모델의 시험물질에 의한 점액분비 변화 결과로, 48시간 투여군 중 손상이 심해 탈락된 부분에서는 분비가 상대적으로 적어 보였으며, 천식 환자 하부호흡기계 모델에서는 대조군에서 다량의 점액 분비가 확인되었고, MDI 투여에 의한 점액 분비가 증가하였음□ 시사점
o 인체 호흡기계 세포로 구성된 3D-cell 모델을 통해 직업성 천식 관련 제안된 AOP 및 KE를 실험적으로 확인하기 위해 In vitro 실험을 실시하여 제안된 KE 를 일부 확인함- MDI, TDI 및 TMA에 의한 호흡기계 세포 자극 및 손상이 확인되었고, 이와 관련되어 산화적 손상의 지표인 ROS/RNS의 변동을 확인하였음- 그러나 다음 단계로 제안된 생체 내 cytokine 및 chemokine의 경우 천식환자의 3D-cell 모델에서 변화가 확인되었고 TDI의 경우 농도에 의한 변화가 보였으나, 일관적이지 않음o 추가적인 각 요인 별 구성 세포 내 유전체 분석이나 면역관련 세포의 co-culture를 통한 호흡기계 모델을 이용한 실험적 증빙이 부수적으로 필요할 것으로 여겨짐3. 연락처o 연구책임자: 산업안전보건연구원 산업화학연구실 조은상o 연락처: 042-869-8534o e-mail: escho@kosha.or.kr
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문의처
- 연구기획부
- 제유리
- 052-703-0814
