급성 독성 시험

화학물질의 독성을 결정하는 전통적인 방법은 독성이 의심되는 화학물질을 하나의 실험동물 또는 여러 실험동물을 대상으로 투여한 후, 급성독성은 치사율을, 만성독성은 여러 조직의 병리학적 이상을 관찰하는 것이다. 독성시험 결과를 통해 사람의 위해성을 평가할 수 있으며, 여기에 사용되는 대표적인 기술은 외삽법이다. 현재 외삽 기술은 많은 장점을 가지고 있어 인간의 화학물질에 대한 독성 평가에 널리 사용되고 있다. 하지만 실험동물이 많이 필요하고, 실험에 많은 경제적 비용이 들며, 상당한 시간이 소요되는 등의 단점도 분명 존재한다. 따라서 현재는 생체 내 시험(동물을 이용한 독성 시험)을 전문화된 시험관 내 시험으로 보완하거나 대체하고 있는 추세다.

 

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1.  급성 독성 시험

급성 독성 시험은 일반적으로 LD50이나 LC50을 통해 치사율을 측정하며, 안구 자극 시험이나 피부 자극 시험도 급성 독성 시험에 포함될 수 있다.

 

(1) LD50 및 LC50 시험은 정해진 조건에서 실험동물에게 독성물질을 직접 투여하였을 때 해당 동물의 50%가 사망하는 용량(LD50), 또는 50%가 사망하는 농도(LC50)를 의미한다. LD50 테스트에는 다음과 같은 한계점이 존재한다. 첫째, 다른 급성 영향은 반영하지 않고 오직 치사율만 표시한다. 둘째, 통계적으로 신뢰할 수 있는 자료를 얻기 위해 많은 동물 수가 필요하다. 셋째, LD50 값은 종, 혈통, 성별, 연령 등에 따라 다르기 때문에 조건이 서로 다른 동물을 사용할 경우 실험실마다 결과값이 상이할 수 있다. 넷째, 만성 독성에 대한 정보를 거의 얻을 수 없다는 한계가 있다. 다섯째, 사람에게 외삽할 때 신뢰도가 낮다는 단점도 있다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 LD50 시험은 다음과 같은 필요성으로 인해 여전히 수행되고 있다. 급성 독성 시험을 적절히 수행하면 LD50뿐 아니라 사망 원인, 사망 시기, 증상학, 치명적이지 않은 급성 효과, 손상된 장기, 가역적인 비치사 반응 등 다양한 급성 영향 정보를 얻을 수 있다. 또한 치사율 곡선을 통해 독성과 해독 메커니즘에 대한 정보를 추론할 수 있으며, 급성 독성 시험 결과는 아만성 독성 연구의 기초 자료가 된다. 더불어 급성 독성 시험 결과는 작업장 근로자의 1차 위해성 예측에 유용하며, 상대적으로 단시간 내에 완료할 수 있다는 장점도 있다. 이러한 이유로 최근에는 적은 수의 실험동물만으로도 통계적으로 유의미한 자료를 확보할 수 있는 새로운 시험법들이 개발되고 있다. 결론적으로 급성 독성 시험은 새로운 화학물질에 대한 위해성 평가와 환경에서 자연적 또는 인위적으로 배출되는 물질 관리에 매우 중요한 수단이다.

 

(2) 눈 자극 시험은 화학물질의 눈에 대한 독성이 실명을 유발할 수 있어 오래전부터 중요하게 여겨져 왔다. 눈의 독성은 전신 독성으로 인한 영향을 완전히 배제할 수 없지만, 국소 급성 독성 시험법으로는 매우 적합하다. 현재 주로 사용되는 시험은 Draize 시험법의 변형으로, 백색 토끼가 실험동물로 사용된다. 실험 방법은 토끼 몇 마리를 선정한 뒤, 두 눈 중 한쪽을 대조용으로 두고 나머지 눈의 결막낭에 시험물질을 직접 투여한다. 투여 후 최소 24시간이 지나면 눈을 씻고, 1일, 2일, 3일 후 눈의 변화를 관찰하여 손상 정도를 평가한다. 주관적인 분류 방법은 각막의 불투명성, 홍채의 외형 변화, 광 반응성, 결막의 발적 및 혈관 손상, 눈꺼풀의 부종 등을 관찰한다. 보다 객관적인 분류 방법으로는 fluorescein이라는 형광색소를 사용하여 손상 부위의 염색 정도를 수치화하고, 이를 통해 여러 시험물질을 비교 평가한다.

 

(3) 피부 자극 시험 및 알레르기 반응 시험은 화학물질의 국소 급성 독성을 평가할 수 있는 방법으로, 1차 자극 시험, 피부 감작 시험, 광독성 시험, 광감작 시험의 네 가지로 구분된다. 특히 화장품, 세제, 표백제 등 피부에 직접 닿는 제품은 반드시 해당 시험을 거쳐야 한다.

① 1차 자극 시험은 흰 토끼 등의 털을 면도한 뒤 약 5cm 폭의 시험 부위를 두 군데 만들고, 한쪽은 그대로 두고 다른 쪽은 표피를 살짝 벗긴 후 각 부위에 0.5mL 정도의 시험물질을 바른다. 이후 거즈로 감싼 다음 비투과성 재질로 전신을 덮고, 23시간 경과 후 이를 제거한다. 제거 1시간 뒤에는 홍반(피부 발적)과 부종(수액 축적)에 대해 평가하며, 48시간 뒤에도 재평가를 실시한다.

② 피부 감작 시험은 면역계에 미치는 영향을 평가하기 위한 방법으로, 동일한 화학물질에 반복 노출 시 심각한 알레르기 반응이 발생하는지 확인하는 데 목적이 있다. 이는 면역계가 항원으로 인식한 물질에 대한 기억 반응으로, 초기보다 훨씬 적은 용량에서도 강한 반응이 유도된다. 기니피그가 주로 사용되며, 2,4-디니트로클로로벤젠 같은 양성 대조 물질을 함께 이용한다. 3일 간격으로 2주간 반복 투여 후, 2주 휴식기를 거쳐 재노출시킨 다음 발병률과 증상 정도로 평가한다.

③ 광독성 시험과 광감작 시험은 자외선 등 빛과 상호작용을 일으키는 화학물질이 대상이다. 시험 원리는 빛에 의해 화학물질이 여기에너지를 얻어 흥분 상태로 변화하고, 다시 원래 상태로 복귀하며 프리 라디칼을 생성한다. 이 프리 라디칼이 세포 내 대분자와 반응하여 손상을 일으키며, 그 정도를 측정하여 독성을 평가한다. 이 시험은 자외선 조사 외에는 1차 자극 및 감작 시험과 동일하게 진행된다.

 

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2. 아만성 독성 시험

아만성 독성 시험은 급성 독성 시험보다 긴 시간에 걸쳐 반복 투여함으로써 나타나는 독성을 평가한다. 대표적인 시험은 쥐 또는 개를 대상으로 한 90일 경구 독성 시험, 30일 피부 독성 시험, 30~90일 흡입 독성 시험이 있다. 이 시험의 목적은 다음과 같다. 첫째, 발암성 및 기타 만성 독성에 대한 정보를 제공하고, 만성 시험에 필요한 적정 용량을 결정한다. 둘째, 무관찰 독성 용량(NOEL; No Observable Effect Level)을 산출하는 데 사용되며, 이는 생체에 유해하거나 비정상적 영향이 나타나지 않는 최고 용량으로 정의되어 위해성 평가의 핵심 지표로 활용된다. 셋째, 표적 장기 또는 조직에 축적될 수 있는 화학물질의 잠재 독성에 대한 정보를 제공한다.

(1) 90일 경구 시험은 매우 복잡하므로 전 과정에서 주의가 필요하며, 독성 자료의 신뢰성 확보를 위해 실험 변수와 생물학적 변수를 모두 고려해야 한다. ① 실험 변수는 온도, 습도, 광주기 등 환경적 요인으로, 이탈 시 실험동물에 스트레스를 유발한다. 동일 공간에 여러 종을 사육하는 것도 스트레스를 유발하므로 주의해야 한다. 사육장의 청결, 온도, 광주기 등의 통제는 필수다. ② 생물 변수는 동물 종에 대한 선택을 포함하며, 설치류(흰쥐)와 비설치류(개) 두 종을 동시에 사용하는 것이 이상적이다. 인간과 약물 대사 유사성이 있는 종이 특히 적합하다. F344 흰쥐와 B6C3F1 마우스는 발암물질에 민감하면서도 자발적 종양 발생률이 낮아 실험에 적합한 종으로 인정된다. 사육 전 일정 기간 격리와 영양 고려된 사료 공급, 정기적인 수의학적 검진도 필수다.

 

(2) 30일 피부 시험은 피부를 통한 노출이 예상되는 화학물질, 특히 산업용 화학물질이나 살충제에 중요하다. 시험물질은 원액 또는 희석된 형태로 동물의 털을 제거한 부위에 바른다. 대조군에는 용매만 바르되, 대부분의 용매가 자극성을 갖기 때문에 주의가 요구된다. 옥수수기름, 에탄올, CMC(carboxymethyl cellulose) 등이 주로 사용된다. 환경 조건, 투여 용량, 동물 선택 기준은 90일 경구 시험과 유사하며, 관찰 종말점도 동일하다.

 

(3) 30~90일 흡입 독성 시험은 폐를 통한 화학물질 노출을 모사하며, 동물을 밀폐된 공간에서 하루 6~8시간씩 주 5일 노출시킨다. 사료는 시험물질과의 간섭을 피하기 위해 실내에서는 제공하지 않는다. 환경 및 생물 변수는 아만성 시험과 동일하며, 비강과 폐는 가장 높은 노출농도를 갖기 때문에 이들 장기에 대한 정밀한 관찰이 필요하다.