환경 물질과 호흡기 독성

호흡기 경로는 특히 작업장에서 독성물질에 노출되는 매우 중요한 경로이며, 폐는 많은 종류의 흡입된 물질을 흡수하기에 적합한 구조를 갖고 있다.

폐는 수많은 물질들의 전신 흡수를 위한 경로일 뿐만 아니라 일부 화학물질에 대해서는 주요한 표적장기가 된다.

제초제인 paraquat와 같은 물질은 소화기나 다른 노출경로로 흡수되어도 폐 손상을 유발한다. 화학물질의 침입에 대해 폐세포는 강력한 화학물질을 분비하게 되는데 이로 인하여 폐 기능에 심각한 부작용이 발생할 수 있다.

호흡기 구조

호흡기의 부위 별 침착되는 독성물질은 다음과 같다.

비인강부위에서는 큰 입자들은 걸러지고 수용성이 큰 가스는 흡착되기 때문에 폐를 보호하는데 중요한 역할을 한다. 만약 비인강부위의 보호 기능이 없이 formaldehyde나 염산과 같은 자극성이 큰 가스를 흡입하게 되면 매우 격렬한 폐반응이 일어나게 된다.

크롬에 노출된 근로자에게 관찰되는 비중격 천공 외에 비인강 부위는 역사적으로 독성 발생 부위로서 큰 주목을 받지 못했다. 그러나 포름알데하이드에 장기간 노출된 흰쥐에서 코암이 유발된다는 실험 보고서가 발표되면서 근래에 관심이 모아지고 있다.

기관 – 기관지 부위는 다양한 상피세포와 분비세포들에 의해 생성된 얇은 점막층으로 덮여있기 때문에 황산이나 담배연기와 같은 물질들에 의하여 점막층이 손상을 받게 되면 독성물질이나 세균에 대한 감염의 가능성이 매우 높아진다.

폐부위는 성인의 경우 약 3억 개의 폐포가 있기 때문에 비록 폐포의 크기는 아주 작을지라도 독성물질에 노출될 수 있는 총 면적은 무려 140~150m²로 피부 총 면적의 약 70배에 해당하는 만큼 수많은 독성물질에 의하여 손상될 확률이 매우 높다.

호흡기 독성물질

일반적으로 가스는 실온과 대기압에서 기체 상태로 존재하는 물질이며, 증기는 실온과 대기압에서 고체 혹은 액체이던 것이 가스 상태로 된 물질을 말한다. 에어로졸은 공기 중에 고체 입자나 액체방울들이 비교적 안정되게 떠있는 상태를 일컫는 용어이다.

환경 내 또는 작업장에서 이들 에어로졸의 각 유형들은 다양한 혼합물의 형태로 존재한다. 먼지는 연마 절삭, 폭파 등에 의해 생성되는 고체 입자들이다. 연기는 연소, 승화 등에 의해 생성된 물질로서 일반적인 크기가 0.1㎛ 이하이다. 미스트와 연무는 공기 중에서 입자성 액체가 응축되거나 흡습성 입자에 의해 흡수됨으로써 생성되는 액체 방울들이다. 또한 스모그는 흔히 자동차 배기가스 중의 입자들과 가스들의 혼합물이다.

가스와 입자들 사이의 물리화학적 상호작용은 매우 복잡하며 수증기의 존재, 용해도 반응성에 따라 달라진다. 가스와 증기는 에어로졸의 표면에 흡착되거나 작은 물방울들에 용해될 수 있는데 일례로서는 에어로졸의 표면에 흡착된 상태로 존재하는 PAHs를 들 수가 있다.

입자의 호흡기계 침착에 관련된 인자

입자의 호흡기계 침착 부위는 공기흐름, 입자의 거동을 지배하는 물리적 인자, 기도의 해부학적 구조에 따라 좌우된다. 호흡기 독성평가는 단순히 침착된 물질의 총량보다는 오히려 침착부위를 중요한 척도로 잡는다.

독성물질이 어느 부위에 침착되느냐 하는 문제는 기도 조직의 손상 정도, 독성물질의 전신 흡수도, 생체 내에서 입자의 제거 비율 등에 따라 달라진다.

독성물질에 대한 호흡기의 반응

폐는 많은 유해한 입자와 가스 및 감염 미생물에 노출되고 있지만 자체적으로 특이적 혹은 비특이적 방어 메커니즘을 가지고 있기 때문에 질병의 발생을 효과적으로 차단할 수 있다. 독성가스의 흡입이나 입자의 공격을 받으면 포유동물의 호흡기 계는 다양한 메커니즘으로 독성물질을 중화시키거나 제거할 수 있는데 다음과 같은 여러 가지 방법이 있다.

첫째는 점액층의 섬모운동 혹은 대식세포나 호중구에 의한 식작용 등 비특이적 방법으로 제거한다.

둘째는 특이한 세포의 항원이나 항체에 의해 매개되는 면역반응을 통한 제거 방법이다.

한편 유해가스나 입자에 대한 면역반응의 결과로 나타나는 염증반응과 과민반응 그리고 기타 생체반응들은 폐와 기도에 다양한 손상을 초래할 수도 있다. 기도의 경우에는기관지 수축, 기도 부종, 기도과민 반응 등이 나타날 수 있으며, 말초 폐의 경우는 염증세포들이 분비하는 각종 염증 매개물에 의한 급성 폐 손상이 나타날 수 있다. 기도 손상을 일으키는 물질에 급성으로 노출될 경우 나타나는 기도 과민반응은 천식의 주 증상으로서 histamine이나 methacholine과 같은 물질에 의한 가역적인 기도의 수축으로 정의 된다. 천식 환자의 경우 sulfur dioxide에 특히 과민하여 0.4ppm 정도의 낮은 농도에서도 심각한 기도 협착으로 인한 천명과 호흡곤란을 겪게 된다.

급성 폐 손상의 주원인이 되는 염증 반응의 초기 단계에는 대식세포, 호중구, 호산구, 비만세포 등의 세포들이 분비하는 각종 매개물로 인하여 혈관 내의 투과성이 증가되고 혈액에서 염증세포들이 손상 부위로 모여들게 된다. 염증세포로부터 분비되는 염증 매개 물질들(eicosanoids, kinins,cytokines, histamine, proteases, 보체 성분, 활성산소 등)이 급성 또는 만성의 폐 손상을 초래한다.

오존, 이산화질소, 금속 및 디젤 배기가스에 노출되면 대식세포의 운동능력과 탐식 능력이 손상을 받아 생체방어 기능이 저하되어 미생물 감염 등에 의한 호흡기질환이 증가하게 된다. 만성적인 폐 손상은 고농도의 독성물질에 노출되어 손상된 폐의 방어 메커니즘이 회복될 수 없거나 낮은 농도의 독성물질에 반복적으로 노출될 경우 일어날 수 있다. 또한 손상의 정도와 회복의 결과에 따라 만성 폐색성 폐 질환, 암 및 섬유성 폐 질환 등의 각종 폐 질환이 발생될 수 있다.

근래에는 만성 폐색성 폐 질환, 폐 기종, 만성 기관지염, 기관지천식 등의 발생 빈도는 급속히 증가되고 있는 실정이다. 폐기종의 경우 말초 세기관지가 파괴되어 일생에 걸쳐 호흡곤란, 천명, 기침 등의 기능적 무력감이 계속된다. 기관지천식은 산성 에어로졸, 오존과 같은 대기오염물, TDI, 백금 또는 크롬염 등 작업장에서 주로 발생되는 화학물질들에 의해 발생된다.