[안전공학] Ch2. Toxicology (2) – Toxicant의 영향과 dose-response curve, LD50

지난 글에 이어, 이번에는 두 번째 목표인 dose-response를 포함해 toxicant가 생체에 미치는 영향을 정리한다.

1. Toxicant에 대한 다양한 response

구분	영향
Irreversible effects (비가역적 영향)
Carcinogen (발암물질)	암을 일으킨다.
Mutagen (돌연변이원)	염색체 손상을 일으킨다.
Reproductive hazard	생식 기관에 손상을 일으킨다.
Teratogen (기형 유발 물질)	선천적 기형을 일으킨다.
Effects that may or may not be reversible (가역적일 수도 있는 영향)
Dermatotoxic	피부에 영향을 준다.
Hemotoxic	혈액에 영향을 준다.
Hepatotoxic	간에 영향을 준다.
Nephrotoxic	신장에 영향을 준다.
Neurotoxic	신경계에 영향을 준다.
Pulmonotoxic	폐에 영향을 준다.

참고: Crowl & Louvar, 『Chemical Process Safety』, Table 2-2 (재구성)

이런 toxicant가 체내에 들어오면 여러 문제가 생긴다. 그래서 toxicant가 치명적인 손상을 일으키기 전에, 의학적 검사로 초기 증상을 감지하는 것이 중요하다.

2. Toxicant의 영향을 확인하는 검사

Respiratory problems (호흡기 질환)

호흡기 기능은 spirometer(폐활량계)로 측정한다. Spirometer로 측정하는 값은 다음과 같다.

• FVC (forced vital capacity): 최대한 들이마신 뒤 힘껏 내쉰 공기의 총량(L)
• FEV₁ (forced expiratory volume in 1 second): 처음 1초 동안 내쉰 공기의 양(L)
• FEF_25–75% (forced expiratory flow): FVC의 25~75% 구간에서 측정한 평균 호기 유량(L/s)
• FEV₁/FVC × 100: FEV₁과 FVC의 비율(%)

검사 결과는 다음과 같이 해석한다.

• 호기 유량 감소: 천식처럼 기도가 좁아지는 질환을 나타낸다.
• FVC 감소: 폐나 흉곽의 부피 감소를 뜻하며, 폐가 딱딱하게 굳는 fibrosis(섬유증)일 가능성이 크다.
• RV(residual volume, 잔기량): 숨을 다 내쉰 뒤 폐에 남아 있는 공기다. RV가 증가하면 폐포가 손상되어 공기가 빠져나가지 못한다는 뜻으로, 폐포 벽이 파괴되는 emphysema(폐기종) 때문일 수 있다.

기타 검사

• 신경계: 의식 수준, 뇌신경 기능, 운동 반사, 감각 기관 검사로 진단한다.
• 피부: 피부 질감, 색소 침착, 맥관 상태, 머리카락과 손발톱 모양의 변화로 toxicant 노출 가능성을 알 수 있다.
• 혈액: 적혈구, 백혈구, 헤모글로빈, 혈소판 수치를 확인한다.
• 신장 기능: 소변의 성분을 분석해 확인한다.
• 간 기능: 혈액이나 소변 검사로 확인한다.

3. Toxicant의 영향을 정량화하기

체내에 들어온 toxicant의 영향을 정량화하려면 먼저 다음을 정해야 한다.

1. Toxicant: 화학적 조성과 물리적 상태가 확인되어야 한다.
2. Test organism: 어떤 생물로 시험하는가
3. Dose 단위: 체내 전달 방법에 따라 다르다.
4. Test duration: 장기 노출인가, 단기 노출인가

Gaussian distribution

같은 양의 toxicant에 노출되어도 생물체마다 response가 다르다. 사람마다 체형, 체중, 성별 등이 다르기 때문이다. 하지만 중요한 점은, 많은 사람을 대상으로 독성 시험을 하면 response가 Gaussian distribution(정규 분포)을 따른다는 것이다.

$$f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{1}{2}\left(\frac{x-\mu}{\sigma}\right)^2}$$

여기서 $\mu$는 평균 response, $\sigma$는 표준편차다.

독성 물질 노출에 대한 생체 반응의 Gaussian distribution (직접 작성)

Dose-response curve

여러 dose에서 response를 측정해 그리면 dose-response curve가 된다. 각 점의 error bar는 그 dose에서 response의 표준편차(±σ)를 나타낸다. 즉 "이만큼 투여하면 response가 이 정도 범위로 나온다"를 보여 주는 곡선이다.

이를 확률로 다루기 쉽게 가로축을 log(dose)로 바꾸면, 대칭적인 S자 곡선이 된다. Response가 사망이면 이 곡선을 lethal dose curve라고도 한다.

Dose-response curve와 log dose-response curve (개념도, 직접 작성)

LD₅₀, ED, TD

Toxicant끼리 상대적으로 비교할 때는 보통 50%의 response를 보이는 dose를 쓴다.

• LD₅₀ (lethal dose 50%): 시험 대상의 50%가 사망에 이르는 dose다. 기체는 농도로 나타내 LC₅₀(lethal concentration)을 쓴다.
• ED (effective dose) curve: response가 경미하고 바로 회복 가능한 영향일 때의 log dose-response curve다.
• TD (toxic dose) curve: 죽지는 않지만 간이나 폐 손상처럼 독성이 나타나는 경우의 log dose-response curve다.

ED, TD, LD 곡선의 비교 (개념도, 직접 작성)

그림처럼 같은 물질이라도 ED < TD < LD 순서로 곡선이 오른쪽(높은 dose)에 위치한다.

참고: Crowl & Louvar, 『Chemical Process Safety』, Figure 2-2, 2-6, 2-7, 2-8 (개념도로 재구성)

정리

• Toxicant의 영향은 irreversible(carcinogen, mutagen, teratogen 등)과 가역적일 수 있는 영향(hepatotoxic, nephrotoxic, neurotoxic 등)으로 나뉜다.
• 호흡기 영향은 spirometer로 FVC, FEV₁, FEF_25–75%, RV를 측정해 확인한다.
• 생체 response는 Gaussian distribution을 따르며, log(dose)에 대해 그리면 S자 dose-response curve가 된다.
• 독성 비교에는 LD₅₀(기체는 LC₅₀)을 쓰며, 영향의 정도에 따라 ED < TD < LD 곡선으로 구분한다.