독성물질의 용량-반응 평가

독성물질의 사람에 대한 위해성을 평가하기 위하여 실험동물을 통하여 얻은 용량-반응 곡선 자료를 바깥쪽으로 삽입할 경우 다음과 같은 두 가지 인자에 대한 이해가 필요하다.

생물 외삽

독성물질의 사람과 실험동물에 나타나는 독성 반응을 비교해 보면 다양한 차이를 관찰할 수 있다. 이는 실험동물의 경우, 실험 목적을 위하여 혈통을 인위적으로 잘 조절하여 균일한 특성을 갖도록 유도하지만 너무나 다양한 민족, 혈통, 그리고 가계가 있어 이를 인위적으로 관리 혹은 조작한다는 것이 불가능하기 때문이다.

따라서 실험동물에서 얻은 독성 용량을 사람 생활에서 실제로 노출되는 농도로 어떻게 환산하느냐가 환경 독성학 분야의 주요한 과제로 대두되고 있다. 이 경우 현재 상용되고 있는 여러 가지 방법은 다음과 같다.

실험동물의 자료를 사람에게 있어서 “하루에 걸쳐 단위 몸 무게 당 노출되는 독성물질의 mg”으로 직접 환산하는 방법.
실험동물의 자료를 사람에게 있어서 “하루에 걸쳐 단위 피부 면적당 노출되는 독성물질의 mg”으로 직접 환산하는 방법.
실험동물의 자료를 사람에게 있어서 “평생에 걸쳐 단위 몸 무게당 노출되는 독성물질의 mg”으로 직접 환산하는 방법.
공기, 음식, 물 등에 포함된 독성물질의 농도를 ppm으로 표시한 경우에는 실험동물을 대상으로 얻은 자료를 사람의 경우에도 똑같은 단위로 표시하는 방법.

다음 그림은 외삽 방법에 따라 사람에게 미치는 독성 평가 얼마나 달라질 수 있는지를 보여주고 있다. 즉, 독성 평가치에서 두 배 이상의 차이가 날 수 있음을 보여주고 있다.

일전에 미국의 국가연구위원회에서는 실험동물과 사람을 대상으로 특정 장기에 대한 독성물질의 고형암 발생 비율을 비교함으로써 외측 삽입의 필요성을 검토한 적이 있다. 즉, 다섯 종류의 독성물질과 담배 연기를 대상으로 “평생에 걸쳐 단위 몸 무게당 노출되는 독성물질의 mg 양”으로 환산하는 방법으로 고형암 발생비율을 비교한 결과 다음과 같았다.

N-N-bis(2-chloroethyl)-2-naphthyl amine과 benzidine, 그리고 담배 연기의 경우는 사람에게서 동물실험 자료에 의하여 예측한 결과와 비슷한 정도의 발생률을 확인할 수 있었다.
Aflatoxin B1, diethyltilbestrol, 그리고 vinyl chloride의 경우는 사람에게서 동물실험 자료에서 예측한 결과보다 1/10에서 1/500까지 낮은 발생률을 확인할 수 있었다.

이러한 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내렸다.

“어떤 독성물질의 사람에 대한 위해성을 평가할 경우, 동물실험에서 얻은 결과를 이용하여 사람에게 바깥쪽으로 삽입하는 방법은 많은 한계성에도 불구하고 현재로서는 매우 유용한 방법이 될 수 있다. 또한 바깥쪽으로 삽입할 때 많은 불확실 요인의 존재함에도 불구하고 독성물질의 용량과 노출 횟수가 사람에 대한 위해성 발생 확률을 예측하는 데 있어서 결정적인 요소로서 작용한다는 점을 염두에 두어야 한다”라고 언급함으로써 외삽의 필요성을 강조하였으며 무엇보다도 노출 용량과 횟수를 정확히 할 수 있다면 불확실성을 상당히 줄일 수 있다는 점도 함께 지적하였다.

생물을 이용한 독성시험 자료의 외삽 시 발생하는 또 다른 문제점은 사용한 실험동물 종이 두 종 이상인 경우에 독성 반응이 다를 경우이다. 예를 들어, 두 실험동물 종이 같은 독성물질에 대하여 현저하게 반응이 다를 경우(한 동물 종만이 독성 작용을 보이는 경우) 결과를 어떻게 해석하느냐 하는 문제이다. 여기서 실험동물 자료를 취급하는 문제에 대한 다양한 이견이 존재하지만, 이 경우 역시 외삽 시 사용되는 실험동물의 자료는 보다 민감한 동물 종을 기준으로 해야 한다는 전문가들 사이의 원칙이 있다.

수치외삽

발암 독성의 경우, 생물 검증을 통하여 의미 있는 결과를 도출하기 위해서는 해당 실험동물에 강력한 발암물질을 고용량으로 노출할 필요가 있다. 이 경우 얻을 수 있는 정상적인 누적 용량 – 반응곡선은 다음과 같다. 그러나 사람의 경우 일반적으로 실험동물에 노출한 용량보다 훨씬 낮은 환경 내 농도에 노출된다. 따라서 낮은 농도에서의 암 발생률은 생물검정에서 나타나는 비율보다 훨씬 적을 수밖에 없다(아랫 부분 참조). 여기서 생물 검증에서 일반적으로 적용하는 농도보다 훨씬 낮은 실제적인 환경 농도에서의 용량-반응곡선은 기존 곡선의 추정치를 통하여 저농도까지 연장함으로써 가능해진다. 이 경우 일반적으로 활용되는 방법은 다음과 같이 3가지가 있다.

첫째, 가장 빈번하게 사용되는 외삽법으로서 가장 낮은 용량 – 반응곡선의 끝점에서 영점까지 바로 직선으로 연결하는 선형외삽법이 있다.
둘째, 곡선의 아래로 직선을 연장하는 외삽법으로서 이는 생물 검증에서 얻은 용량 점들을 기초로 하여 수학적 곡선식을 구한 후 이를 바탕으로 영점까지 연장하는 내선형 외삽법이다. 그러나 이 경우에는 불행하게도 수학적 곡선식을 유도하는데 필요한 용량 점들을 충분히 확보할 수 없다는 것(일반적으로 3~4개 정도)이 단점이다.
셋째, 곡선의 위쪽으로 직선을 연장하는 초 선형외삽법으로서 어떤 특정한 용량 점에 논리적인 가중치를 주지 않고 일련의 가상선을 그리는 방법이다. 이 방법은 기본적으로 생물검정의 경우 낮은 농도에서는 높은 농도보다 훨씬 독성 반응이 크게 일어난다는 가정하에서 외삽하는 기법이다. 따라서 이 방법의 문제점은 높은 용량의 경우 암이 발생하기도 전에 독성물질의 독성에 의하여 실험동물이 대부분 죽는 관계로 고용량에서는 오히려 암 발생률이 낮아지게 되는 모순을 안고 있다는 점이다.

이상의 세 가지 방법을 B 방법을 기준으로 비교하면 A 방법은 독성이 과대평가되는 경향이 있으며 반대로 C 방법은 과소평가되는 경향이 있다. 여기서 염두에 두어야 할 점은 이들 외삽법이 기본적으로 어떤 독성물질도 암을 발생시키지 않는 한계농도가 없다는 것이다. 즉, 만약 어떤 독성물질이 암을 일으키지 않는 용량이 없다면 이는 실험동물 수를 증가시키면 반드시 암을 관찰할 수 있다는 의미가 된다.

여기서 참고로 결장 직장암 유발 의심 물질의 용량 – 반응 평가를 위해 필요한 동물에 대하여 생각해 보자. 미국에서 결장 직장암 발생률은 평균 2000명당 1명이다(1년당 인구 245,000,000명당 120,000건), 하나의 종양 발생을 증명하기 위해서는 용량별 암수 각각 2000마리의 동물이 필요할 것이다. 계산하면 동물 수가 12000마리에 이른다. 따라서 한 그룹 동물에서 하나의 종양 발생은 통계적으로 의미가 있기는 어렵다. 더욱 의미 있는 숫자의 종양 발생을 증명하기 위해서는, 예를 들어 10개의 종양이라고 하면 120,000마리의 동물이 필요할 것이다. 명백히, 이러한 규모의 실험은 비용적인 측면에서 너무 비쌀 뿐만 아니라, 물리적으로 수행하기도 불가능하다.

용량 – 반응 평가는 용량 – 반응곡선의 외측 삽입 모델에 따라서 상당히 달라진다. 선형외삽법과 비교할 때 내선형 모델은 종양 발생률을 과소평가하는 경향이 있으며, 초 선형모델은 과대평가하는 경향이 있다. 여기서 이 모든 모델이 갖는 한계점은 일반적으로 받아들여지는 개념인 어떤 용량 이하에는 종양이 발생하지 않는다는 역치 용량이 존재하지 않는다는 점으로서 이는 어떤 방법으로도 증명하거나 반증할 수도 없다. 왜냐하면 어떤 용량 이하에서는 종양이 나타나지 않더라도 더 많은 동물을 사용하면 종양이 나타날 수도 있기 때문이다.

음성 결과

어떤 화학물질의 용량-반응 평가에서 100마리 실험동물에서 종양이 전혀 발견되지 않았다는 사실 즉 음성의 결과는 위해성이 전혀 없다는 것을 의미하지는 않는다. 왜냐하면 통계적 해석에 따르면, 종양이 존재하지 않는다는 의미는 실제 종양 발생률이 0.45%보다 높지 않을 가능성이 95%이라는 해석에 불과하기 때문이다. 이러한 종양 발생을 계산은 100마리의 동물을 대상으로 한 실험에서 측정 범위를 벗어난 종양 발생이 95%의 상위 신뢰 구간에 있을 수도 있다는 것을 의미한다. 따라서 환경 독성물질의 정량적 암 위해성 평가는 매우 가설적이라고 결론지을 수 있다.