화학물질의 신경계 독성 영향력

신경계는 인체를 구성하는 세포나 조직의 기능을 조절하고, 생체를 질서 있는 상태로 지키는데 필수 요소이다.

하지만 많은 화학 물질이 동물 및 인간의 신경계의 만성적인 장애를 일으키고 있으며, 산업이 발달함에 따라 사람들은 신경계 독성이 확인된 화학 물질뿐만 아니라 신경계에 대한 독성이 명확히 밝혀지지 않은 수많은 화학 물질에 노출됨으로써 다양한 신경 장애를 경험하고 있는 실정이다.

이러한 화학물질이 신경계에 가져다주는 해로운 작용을 신경독성이라고 한다.

신경자극 전달 매커니즘

정상 상태의 신경막은 자극의 전달이 이루어지지 않는데, 이는 능동적 투과 시스템과 이온에 대한 선택적 투과성으로 인하여 신경막 내외에 전기 화학적 기울기가 형성되어 세포 밖은 양전하를 띠게 되고 세포 안은 음전하를 띠게 됨으로써 약 – 60~-90mV의 막전압이 형성된다.

그러나 자극이 가해지면 신경세포의 일부분인 축삭이 나트륨 이온에 대한 투과성이 증가되어 나트륨 이온이 전기 화학적인 기울기가 낮은 세포 내로 유입됨으로써 탈분극이 일어나는데 정방향 피드백 사이클을 통해 활동전위가 급증하게 된다.

동시에 한 부분의 탈분극 현상은 인접 부분의 막 투과성과 이온 농도 차이에도 영향을 주어 인접 부위의 탈분극을 유도함으로써 전기 화학적인 자극이 신경세포를 타고 전달된다. 신경 세포들 사이의 자극 전달은 신경계에서 시냅스를 통해 이루어지며 정상적인 신경전달 작용은 시냅스에서 몇 가지의 가역적 반응을 수반한다.

자극이 신경 말단에 도달하면 신경 전달 물질인 acetylcholine이 전 시냅스(presynapse)에서 방출되어 후 시냅스(postsynapse)에 있는 단백질 수용체와 결합함으로써 다음 신경으로의 자극 전달, 즉 후 시냅스막의 탈 분극화가 일어나게 된다.

신경자극 전달에 영향을 주는 독성물질

신경자극 전달 매커니즘에서 독성물질은 전기적인 자극을 유도하는 이온의 출입을 변화 시키거나 자극을 다음 신경으로 전달하기 위해 방출되는 신경 전달 물질의 활성을 변화 시킴으로써 신경 전달에 영향을 줄 수 있다. 신경 전달 물질은 신경 전달 차단제, 탈분극제, 자극 억제제, 수용체 길항제, anticholinesterase 등으로 세분할 수 있다.

유기염소계 농약인 DDT는 나트륨 이온의 투과성을 증가시켜 전 시냅스 신경말단을 반복적으로 탈분극시킴으로써 전신경련, 근육의 이완, 수축의 반복과 경직을 일으키고 결국에는 심한 신경쇠약과 신경마비를 초래한다.

Toluene, xylene, stylene 등의 방향족 유기용매들은 중추신경계를 억제하며 사염화탄소, 부탄, halothane 등의 휘발성 유기용매와 알코올 등도 나트륨 및 칼륨의 출입을 방해하여 신경세포의 기능을 저하 시킨다.

Atropine은 후 시냅스의 acetylcholine 수용체와 결합함으로써 acetylcholine이 수용체와 결합하는 것을 방해하는 수용체 길항제이다. Cholinesterase 길항제로는 유기 인산계 살충제와 카바메이트계 살충제를 들 수 있는데, 이들은 후 시냅스막의 탈 분극화를 좋료시키기 위하여 수용체에서 떨어져 나온 acetylcholine을 가수분해하는 acetylcholinesterase에 결합하여 그 작용을 저해함으로써 독성을 일으킨다.

따라서, acetylcholinesterase에 의해 가수분해되지 않은 acetylcholine은 반복하여 수용체와 결합함으로써 지속적으로 신경을 자극하게 된다.

신경 손상의 형태

신경 손상의 유형은 크게 신경세포 병변, 축삭 병변, 수초 병변, 신경전달 이상 등으로 구분될 수 있다.

신경세포 병변(neuronopathy)은 신경세포의 손상을 의미하며 신경세포체(핵 주위부)의 파괴, 수지상 돌기, 축삭 및 수초의 변질 또는 탈락 등이 여기에 해당되며, 신경세포에 대한 초기 손상이 세포 괴사로 이어져 영구적인 손상을 초래할 수 있다.

신경세포 병변을 일으키는 대표 화학물질은 Aluminum, Bismuth, Carbon monoxide, Carbon tetracholoride, Methanol, Methyl mercury, Hydrogen sulfide 등이 있으며 이들은 서로 다른 신경세포 아군(subpopulation)에 대하여 선택적으로 독성을 일으키며 손상의 정도는 다르지만 대체적으로 독성작용은 비슷하다.

축삭 병변(axonopathy)에서는 축삭의 퇴행과 함께 축삭을 싸고 있는 수초가 퇴행 되지만 신경세포체는 손상되지 않은 채 남아있다. 일반적으로 길이가 긴 축삭일수록 독성 물질에 민감하다. 중추신경계와 말초신경계에 있어서 축삭 퇴행의 차이는 말초신경계 축삭은 다시 재생되지만 중추신경계는 재생이 어렵다는 점에서 다르다. 따라서 말초신경계의 경우 경미한 손상이면 회복이 가능하다.

수초는 중추신경계에 있어서는 과돌기 신경교세포, 말초신경계에 있어서는 schwann세포에 의해 형성된다. 수초는 신경세포 돌기에 전기적 절연성을 제공하여 신경섬유에 의한 자극 전달속도를 빠르게 한다. 따라서 수초의 손상은 전기 자극전달을 지체시키고 인접 돌기와의 자극전달 역시 교란된다.

어떤 독성물질은 수초판을 분리함으로써 수초 내 부종 혹은 수초의 부분적 손실, 즉 탈 수초화를 일으킬 수 있다. 수초내 초기 부종은 어느정도 회복이 가능하지만 악화되면 대상 탈 수초화(segmental demyelination)로 진행된다.대상 탈 수초화는 수초 세포에 대한 직접 독성작용으로 인하여 발생될 수도 있다. 대상 탈 수초화 후 회복 과정인 재 수초화(remyelination)가 말초신경계에 일어날 수 있으나 중추신경계에 있어서는 매우 제한적으로 일어난다. 수초 병변의 증세로 중추신경계의 경우는 우울, 불안, 기억상실, 근육 경련, 치매 등이 있으며 말초신경계의 경우는 신경염, 마비, 근육약화, 감각장애 등을 들 수 있다.