독성도
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1. 개요
독성도는 생물체에 유해한 영향을 미치는 물질의 특성을 의미하며, 고대 그리스어 '톡시콘'(독성의)에서 유래되었다. 독성은 화학적, 생물학적, 물리적, 방사성 및 행동적 유형으로 분류되며, 인류는 독성을 도구로 활용해 온 역사를 가지고 있다. 독성은 투여 경로, 노출 시간, 농도, 개인의 건강 상태 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 반수 치사량(LD50)과 같은 측정 방법을 통해 평가된다. 또한, 급성 및 만성 노출에 대한 정의가 존재하며, 용량-반응 관계의 대안으로 새로운 독성 지수(DTI)가 제안되기도 한다.
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| 독성도 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 독성은 물질이 생물체에 해로운 영향을 미치는 정도를 의미함. |
| 특징 | 독성은 복잡한 문제이며, 간단한 모델로 해결할 수 있음. 독성 연구는 다양한 최종점과 시험을 포함함. |
| 영향 요인 | |
| 용량 | 독성은 용량 의존적임. 즉, 동일한 물질이라도 양에 따라 유익할 수도, 해로울 수도 있음. |
2. 어원
고대 그리스 의학 문헌에서 형용사 'τoξικόν|톡시콘grc'(영어: toxic|독성영어)은 "죽음이나 심각한 쇠약을 일으키거나 감염 증상을 나타내는" 능력이 있는 물질을 설명하는 데 사용되었다.[3] 이 단어는 그리스어 명사 τόξον|톡손grc(활을 의미)에서 유래되었으며, 이는 무기로서의 활과 독화살의 사용을 가리킨다.[3]
인류는 독성을 단순한 위험 요소로 인식하는 것을 넘어, 사냥과 전쟁 등 다양한 목적의 도구로 활용해 왔다. 고고학자들은 남아프리카의 동굴에서 발견된 72,000년에서 80,000년 전의 뼈 화살촉을 연구한 결과, 일부 화살촉에 치명적인 효과를 높이기 위해 특별히 제조된 독이 사용되었을 가능성을 제기했다.[5] 비록 당시의 과학적 장비로는 이를 확실하게 증명하기는 어렵지만, 독 화살 제작 관행은 구석기 시대부터 여러 문화권에서 널리 퍼져 있었을 것으로 추정된다.[6][7] 남아프리카의 산족은 이러한 전통을 현대까지 이어오고 있는데, 독성 딱정벌레와 식물 추출물을 혼합하여 만든 독을 화살촉에 발라 사용하며, 이 독은 몇 달에서 1년 이상 효력을 유지한다.[8]
일반적으로 독성에는 화학적 독성, 생물학적 독성, 물리적 독성, 방사선 독성, 행동적 독성의 다섯 가지 유형이 있다.
영어를 사용하는 미국 문화에서는 유해한 대인 관계나 성격 특성(예: "유해한 남성성")을 설명할 때, '독성'에 대한 몇 가지 비유적인 용법을 채택했다.[4]
3. 역사
4. 종류
4. 1. 화학적 독성
화학적 독성 물질에는 납, 수은, 불산, 염소 가스와 같은 무기물과 메탄올, 대부분의 약품, 생물 유래의 독물 등 유기 화합물이 포함된다. 우라늄과 같은 일부 약한 방사성 물질도 화학적 독물이다. 한편, 물질과의 화학적 상호 작용보다는 물질 자체에서 생성되는 전리 방사선에 의해 유해한 영향 (방사선 중독)이 유발되는 라듐과 같은 강한 방사성 물질은 화학적 독물에 해당하지 않는다.
4. 2. 생물학적 독성
일반적으로 독성에는 화학적, 생물학적, 물리적, 방사성 및 행동적 독성의 다섯 가지 유형이 있다. 이 문서에서는 주로 생물학적 독성에 대해 설명한다.
질병을 일으키는 미생물과 기생충은 넓은 의미에서 독성이 있지만, 일반적으로 독성 물질보다는 병원체라고 불린다. 병원체의 생물학적 독성은 역치 용량이 단일 유기체일 수 있기 때문에 측정하기 어려울 수 있다. 이론적으로 하나의 바이러스, 세균 또는 벌레가 번식하여 심각한 감염을 일으킬 수 있다. 숙주가 온전한 면역 체계를 가지고 있다면, 유기체의 고유한 독성은 숙주의 반응에 의해 균형을 이루게 되며, 유효 독성은 이러한 조합이 된다. 예를 들어 콜레라 독소와 같은 경우, 질병은 유기체 자체보다는 유기체가 분비하는 비생물체 물질에 의해 주로 발생한다. 이러한 비생물학적 생물 독성 물질은 미생물, 식물 또는 균류에 의해 생성되면 일반적으로 독소라고 불리며, 동물에 의해 생성되면 독액이라고 불린다.
4. 3. 물리적 독성
물리적 독성 물질은 물리적 특성으로 인해 생물학적 과정을 방해하는 물질이다. 예로는 석탄 먼지, 석면 섬유, 미세하게 분할된 이산화 규소가 있으며, 이들은 모두 흡입 시 치명적일 수 있다. 부식성 화학 물질은 조직을 파괴하기 때문에 물리적 독성을 가지지만, 생물학적 활동을 직접 방해하지 않는 한 직접적으로 독성이 있는 것은 아니다. 물은 극도로 높은 용량으로 섭취할 경우 신체 내의 과도한 물로 인해 필수 이온의 농도가 급격히 감소하므로 물리적 독성 물질로 작용할 수 있다. 질식 가스는 환경에서 산소를 대체하여 작용하기 때문에 물리적 독성 물질로 간주될 수 있지만, 화학적으로 독성이 있는 가스가 아닌 불활성 가스이다.[10]
4. 4. 방사선 독성
방사선은 생물에 유해한 영향을 미칠 수 있다.[9] 우라늄과 같은 일부 약한 방사성 물질은 화학적 독물이지만, 라듐과 같이 강한 방사성 물질은 물질 자체에서 생성되는 전리 방사선에 의해 방사선 중독을 유발하므로 화학적 독물에 해당하지 않는다.
5. 측정
독성도는 목표물(생물, 기관, 조직 또는 세포)에 대한 영향으로 측정할 수 있다. 일반적으로 개체는 동일한 용량의 독성 물질에 대해 다양한 정도의 반응을 보이기 때문에, 개체군 내 개체에 미치는 결과의 개연성과 관련된 개체군 수준의 독성 척도가 자주 사용된다. 그러한 척도 중 하나가 반수 치사량(LD50)이다.[11]
발암 물질의 독성을 평가할 때는 최소 유효 용량이 있는지, 또는 위험이 너무 작아서 보이지 않는지 여부가 확실하지 않기 때문에 추가적인 문제가 발생한다. 또한, 암세포로 변형된 단일 세포만으로도 완전한 효과를 발휘하는 데 충분할 수 있다는 "one hit" 이론(단일 타격설)도 고려해야 한다.[31]
5. 1. 안전 계수
일반적으로 개인은 동일한 독성 물질의 투여량에 대해 서로 다른 수준의 반응을 보인다. 따라서 특정 개인에게 나타나는 결과의 확률을 연관시키는 인구 집단의 독성 측정법이 사용되는데, LD50이 그 중 하나이다. 이러한 데이터가 없을 경우, 알려진 유사한 독성 물질 또는 유사한 유기체에서의 유사한 노출과 비교하여 추정치를 산출한다. 그런 다음 데이터 및 평가 프로세스의 불확실성을 고려하기 위해 "안전 계수"를 추가한다. 예를 들어, 실험 쥐에게 안전한 독성 물질의 투여량이 있다면, 인간에게는 그 투여량의 1/10이 안전할 것이라고 가정하여, 두 포유류 간의 종 간 차이를 고려하기 위해 안전 계수 10을 사용할 수 있다. 물고기 데이터의 경우, 두 척삭동물 강(물고기와 포유류) 간의 더 큰 차이를 고려하여 100의 계수를 사용할 수 있다. 임신 중이거나 특정 질병이 있는 등 독성 영향에 더 취약한 개인에게는 추가 보호 계수를 사용할 수 있다. 새롭게 합성되어 이전에 연구되지 않은 화학 물질이 다른 화합물과 효과가 매우 유사하다고 여겨지는 경우, 효과의 가능한 차이를 고려하기 위해 10의 추가 보호 계수를 할당할 수 있다. 이 접근 방식은 매우 근사하지만, 이러한 보호 계수는 의도적으로 매우 보수적이며, 광범위한 응용 분야에서 유용한 것으로 밝혀졌다.[11]5. 2. 화학 혼합물의 독성
각 성분이 자체적인 독성을 나타내고 성분들이 상호 작용하여 강화 또는 감소된 효과를 생성할 수 있기 때문에, 순수한 화학 물질보다 화학 혼합물의 독성을 결정하는 것이 더 어렵다. 일반적인 혼합물에는 가솔린, 담배 연기, 산업 폐기물 등이 있다. 더욱 복잡한 상황은 화학 물질과 생물학적 제제 모두를 포함하는 오작동하는 하수 처리장에서의 방출과 같이, 독성 실체가 두 종류 이상인 경우이다.[11]5. 3. 전임상 독성 시험
다양한 생물학적 시스템에 대한 전임상 독성 시험은 조사 제품의 종, 기관 및 용량별 독성 효과를 보여준다. 물질의 독성은 (a) 물질에 대한 우발적인 노출 연구, (b) 세포/세포주를 사용한 시험관 내 연구, (c) 실험 동물에 대한 생체 내 노출을 통해 관찰할 수 있다.[11] 독성 검사는 주로 암, 심장 독성, 피부/눈 자극과 같은 특정 유해 사건 또는 특정 종말점을 검사하는 데 사용된다. 독성 검사는 또한 무독성량(NOAEL) 용량을 계산하는 데 도움이 되며, 임상 연구에도 유용하다.[32]6. 분류
규제되고 적절하게 처리되어야 하는 물질은 적절하게 분류되고 표시되어야 한다. 분류는 승인된 시험 측정 또는 계산, 그리고 정부와 과학자가 설정한 무해 작용량, 허용 한계 농도, 1일 섭취 허용량 등의 컷오프 수준에 의해 결정된다. 농약은 잘 확립된 독성 등급 시스템과 독성 라벨의 예를 제공한다. 현재 많은 국가가 시험 유형, 시험 수, 컷오프 수준 등에서 서로 다른 규정을 가지고 있지만, 세계 조화 시스템[12][13]의 구현으로 이러한 국가들을 통합하기 시작했다.
전 세계적인 분류는 물리적 위험(폭발 및 화공품)[14], 건강 위험[15], 환경 위험[16]의 세 가지 영역을 다룬다.
6. 1. 건강 유해성
물질이 전신을 죽이거나, 특정 장기를 죽이거나, 중대하거나 경미한 손상을 입히거나, 암을 유발할 수 있는 독성의 종류를 말한다. 이는 세계적으로 인정된 독성의 정의이다.[15]6. 1. 1. 급성 독성
급성 독성은 경구(입으로 섭취), 경피(피부 접촉), 흡입(코로 들이마심)을 통해 노출된 후 나타나는 치명적인 영향을 살펴본다. 이는 치사량에 도달하기 위해 필요한 노출량에 따라 5개의 심각도 범주로 나뉜다.[39] 범주 1은 가장 적은 양으로도 치명적이며, 범주 5는 가장 많은 양이 노출되어야 치명적이다.| 투여 방법 | 범주 1 | 범주 2 | 범주 3 | 범주 4 | 범주 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 경구: LD50 (mg/kg 체중) | 5 | 50 | 300 | 2000 | 5000 |
| 경피: LD50 (mg/kg 체중) | 50 | 200 | 1000 | 2000 | 5000 |
| 기체 흡입: LC50 (ppmV, 체적 농도) | 100 | 500 | 2500 | 20000 | 미정의 |
| 증기 흡입: LC50 (mg/L) | 0.5 | 2.0 | 10 | 20 | 미정의 |
| 분진 및 미스트: LC50 (mg/L) | 0.05 | 0.5 | 1.0 | 5.0 | 미정의 |
주: 미정의 값은 경구 및 경피 투여의 범주 5 값과 거의 동일할 것으로 예상된다.
6. 1. 2. 기타 노출 방법 및 심각도
피부 부식 및 자극은 알레르기성 염증 첩포 검사와 유사한 피부 패치 검사 분석을 통해 결정된다. 이는 손상의 심각성을 조사하며, 손상이 발생한 시점과 지속 시간, 가역성 여부, 그리고 영향을 받은 실험 대상의 수를 확인한다.어떤 물질에 의한 '''피부 부식'''은 적용 후 4시간 이내에 표피를 관통하여 진피까지 침투해야 하며, 14일 이내에 손상이 회복되지 않아야 한다. '''피부 자극'''은 부식보다 덜 심각한 손상을 나타낸다. 즉, 적용 후 72시간 이내에 손상이 발생하거나, 14일 이내의 기간 동안 적용 후 3일 연속으로 손상이 발생하거나, 두 명의 실험 대상에서 14일 동안 지속되는 염증을 유발하는 경우이다. '''경미한 피부 자극'''은 적용 후 72시간 이내 또는 적용 후 3일 연속으로 나타나는 경미한 손상(자극보다 덜 심각)을 의미한다.
심각한 눈 손상'''은 21일 이내에 완전히 회복되지 않는 조직 손상 또는 시력 저하를 포함한다. 눈 자극은 21일 이내에 완전히 회복되는 눈의 변화를 포함한다.
6. 1. 3. 기타 분류
- 호흡기 과민성 물질은 물질을 흡입했을 때 호흡기 과민성을 유발한다.
- 피부 과민성 물질은 피부에 적용 시 알레르기 반응을 일으킨다.
- 발암 물질은 암을 유발하거나 암 발생 가능성을 증가시킨다.
- 신경독성은 생물학적, 화학적 또는 물리적 인자가 중추 신경계 및/또는 말초 신경계의 구조 또는 기능에 유해한 영향을 미치는 형태의 독성이다. 이는 물질, 특히 신경독소 또는 신경독성 물질에 노출되어 신경계의 정상적인 활동이 변경되어 신경 조직에 영구적 또는 가역적 손상을 일으킬 때 발생한다.
- 생식 독성 물질은 부모 또는 자손의 성 기능 또는 생식 능력에 유해한 영향을 미친다.
- 특정 표적 장기 독소는 특정 장기만 손상시킨다.
- 흡인 위험 물질은 흡입을 통해 손상을 일으킬 수 있는 고체 또는 액체이다.
피부에 대한 부식성 및 자극성은 피부의 패치 테스트 분석을 통해 결정된다. 이는 손상의 심각도, 즉 발생 시기, 지속 기간, 가역성 여부, 피해를 입은 피험자 수 등을 조사하는 것이다.
물질에 의한 피부 부식은 도포 후 4시간 이내에 표피를 통해 진피로 침투하는 것이며, 손상이 14일 이내에 회복되지 않아야 한다. 부식만큼 심각하지 않은 손상을 나타내는 것은 피부 자극성으로 간주된다. 구체적으로, 도포 후 72시간 이내 또는 14일 이내 3일 연속 도포 후 손상이 발생하거나, 2명의 피험자에게서 14일 동안 지속되는 염증을 유발하는 경우이다. 도포 후 72시간 이내 또는 3일 연속 도포 시 (피부 자극성만큼 심각하지 않은) 작은 손상은 경미한 피부 자극성으로 간주된다.
눈에 대한 심각한 손상은 21일 이내에 완전 회복되지 않는 조직 손상 또는 시력 저하를 포함한다. 눈 자극성은 21일 이내에 완전 회복되는 눈의 변화를 동반한다.
6. 2. 환경 유해성
환경 유해성 요인은 환경에 악영향을 미치는 모든 조건, 과정 또는 상태를 의미한다. 이러한 요인은 물리적 또는 화학적일 수 있으며 공기, 물, 토양에 존재할 수 있다. 이러한 조건은 생태계 내의 인간과 다른 유기체에 광범위한 피해를 줄 수 있다.[18]- 호흡기 감작성은 물질 흡입 시 호흡기 과민증을 유발한다.
- 피부 감작성 물질은 피부 접촉으로 알레르기 반응을 일으킨다.
- 발암성 물질은 암을 유발하거나 암 발생률을 증가시킨다.
- 생식 독성은 성 기능이나 생식 능력에 악영향을 미쳐 부모나 자손에게 해를 끼친다.
- 특정 표적 장기 독성은 특정 장기에만 손상을 일으킨다.
- 흡인성 호흡기 유해성은 흡입으로 손상을 일으킬 수 있는 고체 또는 액체를 의미한다.
6. 2. 1. 일반적인 환경 유해성
일반적인 환경 유해성은 환경에 악영향을 미치는 조건, 프로세스 또는 상태를 의미한다. 이러한 유해성은 물리적 또는 화학적 요인으로 발생하며, 공기, 물, 토양 등 다양한 환경 매체에서 나타날 수 있다.[18] 이러한 환경 유해성은 생태계 내의 인간과 다른 생물에게 심각한 피해를 줄 수 있다.- 물: 세제, 비료, 처리되지 않은 하수, 처방약, 살충제, 제초제, 중금속, PCB
- 토양: 중금속, 제초제, 살충제, PCB
- 대기: 미세 입자, 일산화탄소, 이산화황, 이산화질소, 석면, 지상 오존, 납(항공기 연료, 채굴, 산업 공정에서 발생)[17]
미국 환경보호청(EPA)은 검사 및 규제를 위한 우선 오염 물질 목록을 관리한다.[18]
6. 2. 2. 직업적 유해성
다양한 직업의 근로자들은 신경독성을 포함한 여러 유형의 독성에 대한 위험이 더 높을 수 있다.[19] "모자 장수처럼 미친"이라는 표현과 소설 이상한 나라의 앨리스의 "미친 모자 장수"는 모자의 모양을 제어하기 위해 유독 화학 물질(주로 수은)을 사용했던 모자 장수의 직업적 독성으로 알려진 것에서 유래되었다. 산업 위생 전문가의 평가를 위해서는 작업장 환경에서 화학 물질에 노출될 필요가 있을 수 있다.[20]- 물: 세제, 화학 비료, 하수, 처방약, 농약, 제초제, 중금속, PCB
- 토양: 중금속, 제초제, 농약, PCB
- 공기: 입자상 물질, 일산화 탄소, 이산화 황, 이산화 질소, 석면, 지상 수준의 오존, 납(항공기 연료, 광업, 산업 공정에서 유래)
6. 2. 3. 환경 유해성 매핑
미국 국립 의학 도서관(NLM) 특수 정보 서비스부에서 제공하는 지리 정보 시스템(GIS)인 TOXMAP은 미국 지도를 사용하여 미국 환경 보호국(EPA)의 유해 물질 배출량 목록 및 슈퍼펀드 프로그램 데이터를 시각적으로 탐색할 수 있도록 돕는다.[22] TOXMAP은 미국 연방 정부가 자금을 지원하는 자원이다. TOXMAP의 화학 및 환경 보건 정보는 NLM의 독성학 데이터 네트워크(TOXNET)[23] 및 PubMed, 그리고 다른 권위 있는 출처에서 가져온다.환경 유해 물질은 다음과 같다.
| 유형 | 유해 물질 |
|---|---|
| 물 | 세제, 화학 비료, 하수, 처방약, 농약, 제초제, 중금속, PCB |
| 토양 | 중금속, 제초제, 농약, PCB |
| 공기 | 입자상 물질, 일산화 탄소, 이산화 황, 이산화 질소, 석면, 지상 수준의 오존, 납(항공기 연료, 광업, 산업 공정에서 유래) |
EPA는 시험 및 규제를 수행하는 우선 오염 물질 목록을 유지 관리하고 있다.
6. 2. 4. 수생 독성
수생 독성 검사는 환경 내 특정 농도의 물질에 어류 또는 갑각류의 주요 지표종을 노출시켜 치사 수준을 결정하는 것을 말한다. 어류는 96시간, 갑각류는 48시간 동안 노출된다. GHS는 100mg/L를 초과하는 독성을 정의하지 않지만, 미국 환경 보호청(EPA)은 현재 수생 독성을 100ppm 이상의 농도에서 "실질적으로 무독성"으로 분류한다.[24]| 노출 | 범주 1 | 범주 2 | 범주 3 |
|---|---|---|---|
| 급성 | ≤ 1mg/L | ≤ 10mg/L | ≤ 100mg/L |
| 만성 | ≤ 1mg/L | ≤ 10mg/L | ≤ 100mg/L |
참고: 만성 노출에 대한 범주 4는 설정되어 있지만, 주로 불용성이거나 급성 독성에 대한 데이터가 없는 모든 유독 물질을 포함한다.
EPA는 시험 및 규제를 수행하는 우선 오염 물질 목록을 유지 관리하고 있다.[47]
비고: 구분 4는 만성 노출에 관해 확립되었으며, 수용성이 낮고 수중 용해도까지의 농도에서는 급성 독성이 나타나지 않으며, 급속 분해성이 아닌 생물 축적성을 나타내는 logKow≧4인 것이다.[39]
7. 독성에 영향을 미치는 요인
독성 물질의 독성은 투여 경로(피부 접촉, 섭취, 흡입, 주사 등), 노출 시간(단기 또는 장기간), 노출 횟수(단일 복용량 또는 시간에 따른 다중 복용량), 독성 물질의 물리적 형태(고체, 액체, 기체), 물질의 농도, 가스의 경우 분압(주위 압력이 높을 때, 주어진 농도에서 분압이 증가함), 개인의 유전적 구성, 개인의 전반적인 건강 상태 등 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
8. 용량-반응 관계의 대안
용량-반응 개념의 한계를 고려하여, 최근 새로운 추상 약물 독성 지수(DTI)가 제안되었다.[25] DTI는 약물 독성을 재정의하고, 간독성 약물을 식별하며, 기계론적 통찰력을 제공하고, 임상 결과를 예측하며, 스크리닝 도구로서의 잠재력을 가지고 있다.
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2019-06-28
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