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연구 보고서
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세포배양 및 실험동물을 이용한 란탄산화물(La2O3)의 독성연구
- 연구책임자
- 임철홍
- 수 행 연 도
- 2014년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목 세포배양 및 실험동물을 이용한 란탄(La2O3)의 독성연구 2. 연구 필요성 및 목적 란탄은 희토류에 속하는 원소이다. 희토류는 란탄(La)부터 루테튬(Lu)까지의 란탄족 15개 원소와 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)을 포함하여 17개 원소를 총칭하는 물질들로 금속과 비교하면 상대적으로 부드럽고 탄성과 연성을 가지고 있다. 희토류는 세라믹, 고성능 자석, 금속합금, 촉매, 유리, 2차 전지 등 첨단산업에서 사용량이 증가하고 있으며 이미 연간 사용량이 20만 톤을 넘어서고 있다. 따라서 희토류로부터 취급근로자의 건강장해 예방을 위하여 사전 예방적 차원의 유해성·위험성 평가가 필요하다. 희토류 중 유해성·위험성 평가를 위한 독성자료가 가장 풍부한 원소는 세륨이다. 산화세륨에 대해서 13주 반복 흡입독성시험 등 유해성·위험성 평가를 위한 일부 독성자료가 생산되었으며, 최근 OECD의 WPMN(Working Party of Manufactured Nanomaterials, 제조나노물질작업반)에서는 나노 산화세륨을 평가대상물질로 선정하였다. 유럽연합에서는 NanoReg를 통하여 나노 및 마이크로 입자에 대한 발암성평가가 이미 수행되고 있다. 그러나 세륨과 사용량이 유사한 란탄에 대해서는 유해성·위험성 평가를 위한 독성연구가 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 란탄의 유해성·위험성 평가를 위한 독성학적 특성을 규명하기 위하여 란탄의 독성확인 1단계 연구로 입자크기가 다른(나노입자와 마이크로입자) 산화란탄을 이용하여 세포독성 및 기도주입에 의한 독성을 확인하고자 하였다. 3. 연구내용 및 방법 입자 크기가 다른 3종류의 산화란탄 LO1(제조사 제공 입자크기 15 ㎚)은 Ditto Technology(Korea)에서, LO2(제조사 제공 입자크기 100 ㎚ 미만)는 Aldrich(USA)에서, LO3(제조사 입자크기 파우더)은 Aldrich (USA)에서 각각 구입하였다. 구입한 시험물질은 BET(Brenauer-Emmett-Teller) 비표면적, DLS(Dynamic Light Scattering, 동적광산란) 입자크기 측정, 전자현미경 관찰을 통하여 입자특성을 확인하였다. 세포독성시험은 2종류의 세포(마우스 대식세포에서 유래한 RAW 264.7과 사람 폐포 상피세포에서 유래한 A549)를 사용하여 시험물질을 초음파를 처리한 것과 처리하지 않은 것 각각에 대하여 실시하였다. 실험동물을 이용한 독성연구는 LO2와 LO3을 기도로 5 ㎎/㎏ 주입하여 실시하였다. LO2와 LO3 기도주입 후 3일, 4주, 13주에서 폐, 혈액, 혈청, 신장, 비장, 간, 뇌에서 란탄을 정량하여 체내분포 특성을 확인하고 기관지에서의 염증성 반응, 폐에서의 병리조직학적 이상, 혈액 및 혈액생화학적 변화 등의 독성학적 영향을 확인하였다. 4. 연구결과 BET 비표면적에 의한 입자 크기가 각각 32.5, 103.6, 869.6 ㎚인 LO1, LO2, LO3의 세포독성은 RAW264.7에서 IC50(Inhibitory Concentration 50, 반수억제농도)이 초음파를 처리하지 않았을 때에는 각각 8.4 ㎎/㎖, 2.08㎎/㎖, 26.5 ㎎/㎖이었으며, 초음파를 처리하였을 때에는 각각 11.36 ㎎/㎖, 0.24 ㎎/㎖, 4.15 ㎎/㎖이었다. A549에서는 LO1, LO2, LO3 각각 초음파를 처리하지 않았을 때에는 IC50이 200 ㎎/㎖ 초과, 50.58 ㎎/㎖, 172.9 ㎎/㎖이었으며 초음파를 처리한 때에는 175.9 ㎎/㎖, 3.6 ㎎/㎖, 28.2 ㎎/㎖이었다. 세포독성시험결과 LO2와 LO3은 초음파에 따른 영향, 세포에 따른 영향이 특이적인 경향을 보였으나(즉, 입자크기가 작거나, 초음파를 처리하여 표면적이 넓어지면 세포독성이 증가), LO1은 실험별로 상이한 결과가 나타나 세포에 대한 영향을 평가할 수 없었다. 따라서 실험동물을 이용한 산화란탄의 독성 및 체내분포 연구는 LO2와 LO3으로 실험하였다. 실험동물을 이용한 산화란탄의 독성 및 체내분포 연구는 LO2와 LO3을 각각 5 ㎎/㎏의 용량으로 실험동물에 1회 기도주입 한 후 3일, 4주, 13주에서의 영향 및 체내분포를 확인하는 방법으로 실시하였다. LO2, LO3은 모두 기도주입 후 회복기간에 관계없이 기관지폐포세척액에서의 염증성세포(총세포, 다핵형백혈구(Polymorphonuclear leukocyte, PMN)) 및 세포손상지표(albumin, Lactate dehydrogenase (LDH))를 증가시켰다. 또한 LO2, LO3은 모두 폐중량을 증가시켰으며, 폐에서 단백화와 염증반응을 유발시켰다. 폐에 대한 영향은 LO3보다 LO2에서 심하게 나타났지만, 기도 주입 후 회복기간 및 지표에 따라 영향은 차이가 있었다. 기관지폐포세척액에서 총세포 수 증가는 LO2, LO3 기도주입 후 시간이 지남에 따라 전체적으로 낮아졌으나(LO2, LO3 각각 기도주입 3일 후에는 10.3배, 7.1배 증가시켰다. 4주 후에는 각각 9배, 2.2배 증가시켰으며, 13주 후에는 3.8배, 2.7배 증가 시켰음), 세포손상 지표인 albumin과 LDH의 농도는 기도주입 13주 후에도 기도주입 3일 후에서와 유사한 수준을 유지하였다. 폐에 대한 직접적인 영향은 회복기간 동안 회복되지 않았다. 좌폐 중량의 경우, LO2, LO3에 의해 각각 3일 후에는 17%, 4.9% 증가하였으나 4주 후에는 각각 64.6%, 25%, 13주 후에는 41.5%, 35.8% 증가하였다. 병리조직학적 증상은 13주의 회복기간 후에 단백화가 회복되지 않았다. LO2, LO3 기도주입 후 3일, 4주, 13주에서 폐, 혈액, 혈청, 간, 신장, 비장, 뇌에서 란탄을 정량한 결과, 란탄은 혈액 및 혈청에서는 검출되지 않았고,간, 신장, 비장, 뇌에서도 미량만 검출되었다. LO3이 LO2보다 폐에서 빠르게 제거되었다. 즉 LO3을 기도주입 한 경우에는 기도주입 후 3일, 4주, 13주 후에 폐에서의 란탄양은 각각 276.5 ㎍/g, 148.1 ㎍/g, 146.1 ㎍/g이었으나, LO2를 기도주입 한 경우에는 각각 444.1 ㎍/g, 351.7 ㎍/g, 205.0 ㎍/g이었다. 결론적으로, 산화란탄은 입자크기가 작아지면 세포독성을 증가시켰다. 기도주입에 의한 흰쥐에서의 영향도 세포독성과 유사하게 미세입자보다 나노입자가 강하였다. 그러나 독성차이의 정도는 세포독성보다는 적었다. 기도 주입에 의한 흰쥐에서의 미세입자와 나노입자의 독성의 차이는 산화란탄의 폐에서의 분포 특성과 높은 상관성을 가지는 것으로 판단되었다. 산화란탄의 폐에 대한 영향은 시간이 지나도 회복되지 않았다. 5. 활용 및 기대효과 본 연구는 란탄의 유해성·위험성 평가를 위한 독성학적 자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다. 1단계 연구에서의 목표는 배양세포 및 실험동물에서의 입자 크기에 따른 산화란탄의 독성 및 체내분포 특성을 확인하는 것이다. 본 연구의 후속연구는 나노 산화란탄의 반복흡입독성시험을 통한 유해성·위험성 평가의 필수자료인 NOAEL(No observed adverse effect level, 관찰무영향수준)을 구하는 연구가 될 것이다. 란탄에 대한 2단계의 독성 연구에 의해 생산된 NOAEL 등 독성자료는 유해성·위험성 평가를 위한 필수적 독성 자료로 활용되어 란탄에 대한 근로자의 건강장해 예방대책을 수립하기 위한 중요한 자료로 활용될 것이 기대된다. 6. 중심어 란탄, 입자 크기, 흡입 독성, 희토류
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