독성물질의 생체 유입 경로

환경독성학적 관점에서 보면 사람의 경우 독성물질의 주요한 유입 경로는 피부, 호흡기, 소화기 등을 들 수가 있다.

특히 동물 세포의 경우 세포막 외부는 간질액으로 채워져 있어, 정맥 유입의 경우를 제외하고는 독성물질이 유입되는 경로와는 상관없이 일단은 세포벽(피부, 장관 점막, 기도 내면)을 통과하여 간질액에 모이게 된다.

이후 간질액의 독성물질은 모세혈관을 통하여 혈액으로 들어간 다음 전신으로 골고루 분포된다.

피부를 통한 유입

피부는 환경과 인체를 격리시키는 보호 장벽의 역할을 한다. 과거에는 독성물질이 피부를 통과하지 않는 것으로 생각하였다. 그러나 대부분의 독성물질들이 속도는 느리지만 피부를 통과할 수 있다는 최근 연구결과에 따라 이러한 개념은 더 이상 통용되지 못하게 되었다.

따라서 피부 역시 사람과 동물에 있어 독성물질의 주요한 유입 경로 중의 하나로 인식되고 있다.

피부는 세 층으로 이루어져 있다. 외피와 많은 관으로 이루어져 있는 최외각의 보호층, 진피로 불리는 결체 조직인 중간층, 하피로 불리는 지방과 결체 조직으로 이루어진 최내층 등으로 구성되어 있다. 이외에 진피층까지 뻗쳐 있는 모낭, 피지선, 한선 및 땀샘 등이 있다.

피부 유입에는 세 가지 경로가 있는데, 표피를 통한 진피층으로의 확산, 땀샘을 통한 이동, 모낭을 통한 이동이 있다.

땀샘과 모낭을 통한 경로는 혈관이 많은 진피층에 비교적 쉽게 도달할 수 있을 것으로 생각되지만, 사실은 넓은 표면적 때문에 독성물질의 주된 유입 경로는 표피세포이다.

독성물질이 피부를 통과하는 데 있어 주된 장벽은 각질층이라 불리는 표피의 최외각막이다. 각질층은 건조하고 납작한 케라틴 세포로 이루어진 몇 겹의 층으로 구성되어 있으며 혈관은 없고 대사 활성도 존재하지 않는다. 그러나 표피의 좀 더 낮은 기저층은 혈관은 없지만 화학물질을 생체내변환 시킬 수 있는 높은 대사 활성을 지니고 있다.

각질층을 통한 독성물질의 유입은 단순확산 방식에 의해 일어난다. 세포막을 통과하는 장소는 독성물질의 성질에 따라 다르다. 즉, 극성 물질은 단백질을, 비극성 물질은 지방질을 거쳐 세포막을 통과하는 것으로 생각된다.

각질층이 수화되면 극성 물질이 통과하기 쉬워진다. 이때 전해질은 주로 비이온화 형태로 통과하기 때문에 피부를 수화시키는 용액의 pH가 통과 정도에 영향을 준다.

독성물질의 피부에 대한 투과성은 정도는 생물종 간에서 혹은 생물종 내에서도 각질층의 두께와 확산 능력에 따라 달라진다. 그러나 일반적으로 가스상 물질이 액상 물질보다 투과가 쉬운 경향이 있다.

고형의 독성물질은 피부 분비물에 용해되어 용질의 형태로 흡수된다. 피부흡수는 시간 의존적인 과정으로서 각질층의 통과속도가 전체 과정의 율속단계(rate-limiting step), 즉 통과속도를 결정하는 단계가 된다. 따라서 독성물질 노출에 따른 독성을 감소시키기 위해서는 노출시간이 중요한 변수이며 무엇보다도 피부에서 독성물질을 빨리 제거하는것이 중요하다. 독성물질의 피부 유입을 동태학(kinetics)적으로 분석해 보면 통과속도가 느리다는 점 외에는 위 – 장관 흡수와 매우 유사한 것으로 밝혀졌다.

호흡기를 통한 유입

호흡기는 다음과 같이 크게 세 부위(비인강, 기관 – 기관지, 폐)로 이루어져 있다.

비인강부위는 점막선이 분산되어 있는 섬모상피로 이루어져 있으며 흡입된 큰 입자를 제거하고 공기의 습도와 온도를 조절하는 역할을 한다.

기관 – 기관지 부위는 기관, 기관지, 세기관지로 이루어져 있으며 비인강부위에서 폐부위까지 좁은 관이 계속 가늘게 나누어진다. 이들 좁은 관은 섬모상피세포와 배세포로 구성되어 있으며 흡입된 입자를 폐의 깊은 영역에서 구강으로 밀어내어 입자들이 객담과 함께 배출되거나 식도로 삼켜지도록 한다. 이 기능을 점막섬모운동이라 한다. 기관-기관지부위에서 끝부분인 세기관지에 이르면서 기도는 좁아지지만 전체적인 표면적은 증가한다.

폐부위는 세기관지(대략 길이 1mm, 폭 0.5mm인 작은 관으로서 한쪽 끝이 폐포로 이어짐)와 폐포로 구성되어 있다. 폐포는 외기와 혈액 사이에 가스교환이 일어나는 장소로, 구조는 폐모세혈관으로 둘러싸여 있고, 혈액을 접하는 부위의 조직은 아주 얇아 산소와 이산화탄소의 확산이 쉽게 일어날 수 있다.

폐포에는 몇 가지 종류의 세포가 있다. Type I 세포는 모세혈관이 붙어있어 주로 가스교환 기능을 담당하며 세포수가 많으며 모양이 편평한 세포이다. Type II 세포는 입방형의 세포로서 표면 활성물질을 분비하는 세포로, 폐포 형태의 유지와 손상 시 회복에 관여한다. 그 외에 식균작용을 갖는 대식세포와 알레르기 반응에 관여하는 비만세포 등도 있다.

여기서, 독성물질의 호흡기계 유입의 고려해 보면, 수용성이 큰 가스의 경우는 비인강부위와 기관 – 기관지 부위에서 물리적으로 어느 정도 제거함으로써 그 이상의 하부 호흡 기계를 보호할 수 있으나 가스가 혈액 내로 이동하는 것을 막을 수는 없다.

난용성 가스의 경우는 비인강부위에서 습기로 인하여 다소 희석되지만 결국에는 폐포까지 도달한다.

또한 독성물질은 액상 에어로졸 형태로 폐포까지 도달할 수 있는데, 이 경우 독성물질이 지용성이면 단순확산에 의해 쉽게 폐포막을 통과할 수 있다.

소화기를 통한 유입

소화기로 유입된 독성물질의 흡수는 구강과 식도로부터 시작된다. 그러나 대부분 이 부위에서 머무는 시간은 매우 짧기 때문에 미미한 흡수만 일어난다.

식도를 통과한 독성물질은 위에서는 음식물, 산, 소화효소 및 세균 등과 섞인다. 이 모든 것들이 독성물질의 흡수에 영향을 줄 수 있으며, 그 결과 독성도 변하게 된다. 독성물질이 음식물과 함께 유입될 경우와 공복에 유입되는 경우는 독성에 차이가 있다.

음식의 흡수는 대부분 소장에서 일어난다. 위 – 장관은 탄수화물, 아미노산, 칼슘, 나트륨 등과 같은 일부 영양소에 대한 특이수송체를 가지고 있다. 일부 독성물질은 이 경로를 통해 세포막을 통과하지만 단순확산 방식으로도 들어간다. 지용성 유기산과 염기는 비이온화 형태로 확산 방식을 통하여 흡수된다.

또한 직경이 수 nm인 입자는 세포흡수방식으로 위 – 장관에서 흡수되어 림프계를 통해 순환계로 들어간다.

위 – 장관에서 흡수된 독성물질의 일부는 전신 순환계에 들어가기 전에 생체 내 변환 과정을 거치게 되고, 나머지는 원래 형태로 전신으로 분포된다.

흡수된 독성물질은 림프계를 통해 순환계로 들어가거나 문맥순환을 통해 간을 거쳐 순환계로 들어간다.

기타 경로

독성물질은 앞의 세 가지 주 경로를 통하여 유입되지만 경우에 따라서는 복강과 정맥, 근육, 피하 등의 부경로를 통하여 유입될 수도 있다. 여기서 대부분의 부경로는 독성물질의 생체 내 대사나 동태 연구를 위하여 인위적으로 투여하는 경로로서 활용하는 것이 대부분이다.