서 론
미토콘드리아의 언커플러(uncouplers)는 미토콘드리아 내막을 가로지르는 수소이온 농도 기울기를 방해하여 전자 전달을 통한 ATP 생성 효율을 저해하는 물질을 말한다. 미토콘드리아에서는 셔틀링을 통해 세포질의 tricarboxlic acid cycle, 해당과정 등에서 생성된 NADH를 NAD+로 전환하는 전자 전달계를 거쳐 수소이온을 막간 공간으로 펌핑한다. 이 농도 차를 이용해 ATP 합성효소에 의해 ATP가 생성된다. 언커플러는 수소이온이 ATP 합성효소를 거치지 않고 미토콘드리아 기질로 다시 흐르도록 하여 이 기울기를 소멸시키며, ATP 생성을 줄이는 동시에 열 생성을 증가킨다. 이러한 작용은 갈색지방세포에서 생체 내 체온 유지를 위한 수단으로 활용되는 것으로 알려져 있는데, 이것은 교감신경이 활성화되면 터모제닌(thermogenin)을 증가시켜 열을 생성하며 이는 생체의 요구에 따라 조절된다.
이에 반해, 언커플러에 의한 수소이온 농도 파괴는 통제되지 않고 미토콘드리아 막 전위(ΔΨm)를 지속적으로 방해하여 세포사멸(apoptosis)에 중요한 역할을 한다. 막 전위 파괴는 시토크롬 c와 같은 세포사멸 촉진 인자방출을 유도한다. DNP (2,4-dinitrophenol) 또는 FCCP (carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone)와 같은 언커플러는 미토콘드리아 내막을 가로지르는 수소이온 농도 차를 지속적으로 감소시켜 ATP 생산 손실에 의한 세포 에너지 소실을 초래한다. 미토콘드리아 투과성 전이 와 시토크롬 c 방출은 미토콘드리아 투과성 전이 기공을 열어 세포질로 카스파제(특히 카스파제-9)를 활성화하며 이로 인해 세포사멸이 유발된다. 미토콘드리아 분리는 활성산소 생성을 증가시켜 산화 스트레스를 유발하여, 미토콘드리아 및 세포 구성 요소를 손상시키고 세포사멸 신호를 더욱 가속한다. 또한 Bax 및 Bak와 같은 친세포사멸 단백질이 활성화되어 외부 미토콘드리아 막의 투과성을 용이하게 함으로써 세포사멸을 촉진한다[1-3].
언커플러는 메커니즘에 따라 4가지로 분류된다. 프로토노포어(protonophore)로 불리는 전통적인 화학적 언커플러는 미토콘드리아 막 사이의 pH에 따라 수소이온 또는 다른 양이온과 붙거나 떨어진 상태로 통과하며 수소이온 농도 기울기를 파괴한다. 수소이온을 통과시키는 물질로 DNP [4], carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone [5], FCCP [6] 등이 있고, 칼륨이온과 수소이온을 교환하는 nigericin [7], 펩타이드인 gramicidin A [8] 등이 있다. UCPs (endogenous uncoupling proteins)라 불리는 단백질 기반 언커플러는 갈색지방조직에서 열을 발생하는 데 관여하는 UCP1 (thermogenin), 대사와 산화 스트레스에 관여하는 것으로 알려진 UCP2, UCP3 등이 있다[9]. 다른 이온(예를 들면, K+, Na+)의 이오노포어(ionophore)를 경유해 미토콘드리아 막전위를 교란하여 간접적으로 수소이온 농도 구배를 파괴하는 물질로 valinomycin [10] 등이 있다. 마지막으로 연구 및 치료 목적으로 개발된 화합물로 DNP의 독성을 감소시킨 BAM15 [11], SR4 [12] 등이 대사질환 개선을 위해 약물로 연구되고 있다.
언커플러의 독성은 일반 독성물질과 같이 강도, 지속시간, 노출량에 따라 차이를 보이지만, 독성 발현이 독성동력학과 독성동태학에 비례하지 않는 특성이 있다. 이는 노출량, 물질의 분리 강도에 따라 세포사멸이 지속되어 세포와 조직의 기능이 상실되는데 수일에서 수주까지 걸리기 때문이다.
이러한 언커플러의 독성학적 특성은 이들 물질의 검출 및 독성학적 해석에서 다른 독성물질과 차별화되는 특징으로 사인과 관련된 법독성학적 해석 시 유의하여야 한다.
방 법
연구원에서 감정된 사례 중(2018-2022년) 언커플러로 작용하는 물질의 사례와 국내외 임상 논문을 검토하였다.
서론에 언급된 언커플러 중독 사례는 발견되지 않았으나, 언커플러로 알려진 살충제로 클로르페나피르(chlorfenapyr)에 대한 감정사례가 다수 발견되었다. 이 물질에 대한 감정사례와 국내외 임상 논문을 바탕으로, 이 물질에 대한 독성 및 독성학적 평가, 물질의 특징에 따른 사인 판단의 고려사항 등을 고찰하였다.
클로르페나피르의 독성학적 고찰
1. 기원
클로르페나피르는 국내에서 섹큐어, 나방앤드, 미네아, 엔젤팜, 올래팜, 충레스, 충방패, 충킥, 클린메이커, 킬체인, 트럼프, 티큐어, 팜큐어, 패스트롱, 하이충, 헌티드, 렘페이지 등의 액상수화제 또는 유제의 형태로 생산 판매되고 있으며 유효 성분 함량은 10%이다. 이 밖에도 흑기사 등과 같이 아바멕틴과 혼합제제로도 판매된다.
2. 작용기전
클로르페나피르는 전구체 농약으로 활성을 나타내려면 대사 활성화가 필요하다. 표적 유기체에 들어가면 혼합 기능 산화 효소에 의해 N-에톡시메틸기가 산화적으로 제거되어 활성 대사산물인 트랄로피릴(tralopyril, CL303268)로 전환되어 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다(Fig. 1). 이 대사산물이 ATP 생성을 억제하고 세포사멸 신호를 발생시켜 활성을 나타낸다[13].
클로르페나피르 자체는 언커플러로 작용하지 않으며, 시토크롬 P450 효소에 의한 대사된 트랄로피릴이 언커플러로 작용한다. 트랄로피릴이 명확한 언커플링 기전이 밝혀지지는 않았으나, nigericin이나 valinomycin 등과 같이 이온과 복합체를 형성할 수 있는 구조가 아니어서 이오노포어로 작용할 수 있는 물질로 보이지 않는다. 트랄로피릴의 예측 pKa 값이 10.24±0.50 정도이며, 수소이온이 결합한 상태에서도 pyrrol ring에 하전이 분산되어 지질 막에 용해가 쉬워야 하는 FCCP 등과 같은 프로토노포어의 특징을 가지고 있어, 프로토노포어로 작용할 것으로 생각된다.
언커플러에 의한 독성은 미토콘드리아 내막의 수소이온 기울기의 손상으로 유발되어 다양한 생화학적, 생리학적 문제를 일으켜 세포사멸 신호를 발생시키고 조직을 손상시킨다. 언커플러는 전자전달계에서 생성된 proton motive force (PMF)를 약화해, ATP 생성을 감소시켜 ATP에 의존하는 세포 내 생화학 반응이 손상된다. 이때 소실된 PMF는 열로 방출되고, 대사 증가로 인해 세포 스트레스가 증가한다[14]. ATP부족은 Na+/K+-ATPase 등과 같은 이온 전달이나 단백질 합성과 같은 에너지 의존적 생화학 반응이 손상되고, 고에너지를 요구하는 뇌나 심장에 영향을 미쳐 발작이나 부정맥이 유발될 수 있다[15]. 수소이온 이동과 에너지 생성의 분리로 전자전달계 활동을 가속해 전자전달계 복합체 I과 III에서 전자 누출이 발생시켜 과산화물 생성을 촉진한다. 이 과산화 물에 의한 산화적 스트레스는 산화 스트레스는 미토콘드리아 DNA, 지질, 단백질을 손상시켜 세포사멸 신호를 발생시킨다[16]. PMF의 붕괴는 미토콘드리아 막 전위(ΔΨm)를 감소시키고 미토콘드리아 투과성 전이공(mitochondrial permeability transition pore)이 개방되어 미토콘드리아에서 세포질로 칼슘(Ca²+) 방출을 유도해 세포질의 Ca²+ 농도를 증가시켜 세포사멸 신호를 활성화한다. 세포질 칼슘 농도의 증가는 칼페인 및 카스파제를 활성화해 세포사멸 신호를 촉진하고, 근육 수축 및 신경전달물질 방출 등에도 문제를 일으킨다[17]. 세포질에 수소이온 농도 증가는 세포질의 pH를 낮추고, ATP 부족은 해당 과정(glycolysis)을 촉진해 젖산 생성을 시켜 산증을 일으키며, 이로 인해 효소 등 각종 단백질 기능을 저해해 메스꺼움 등을 유발하고 심한 경우 장기부전의 원인이 된다[18]. 또한, PMF의 과도한 붕괴는 고열을 발생시켜, 효소 등 기능성 단백질 기능을 저해하고 세포 구조를 손상시키고, 심한 경우 다중 장기부전이 초래된다[19]. 클로르페나피르 복용 사례에서 보이는 경미한 증상으로 메꺼움, 일부 효소 기능 억제 등이 나타나고, 복용양에 따라 고열 다중 장기 부전 및 심혈관 붕괴 등 일련의 독성 발현은 언커플러가 보이는 다양한 독성 작용과 부합해, 활성화된 대사산물인 트랄로피릴도 다른 언커플러와 같은 기전으로 에너지 고갈을 일으키고 고열을 발생시키며 세포사멸을 유도하고, 전신 장기 부전을 일으키는 것으로 생각된다.
3. 임상 사례와 중독 증상
클로르페나피르 제제는 대부분 유제로 과량 음독 시 함유된 용제에 의해 수시간에서 수일 내에 사망에 이를 수 있지만, 용제에 의한 독성에서 회복하더라도 클로르페나피르 중독은 노출량에 따라 수일-수주의 잠복기를 거칠 수 있는데, 이것은 언커플러로 작용함으로써 지속적인 수소이온 농도 기울기 파괴로 사포 사멸을 유도하여 사망에 이를 수 있다. 이러한 지연은 대사 후 독성을 나타내는 이 물질의 특성과 미토콘드리아 내의 축적, 세포사멸의 정도가 사망에 이르는 데 걸리는 시간과 관련 있을 것으로 생각된다. 국내에서도 드물지 않은 임상 사례가 보고되어 있다. 클로르페나피르 노출 후 시신경 병변[20], 광범위한 뇌병변[21], 지연 독성으로 인한 사망 사례[22] 등이 보고되어 있다. 사망사례의 경우 약 90 mL 정도 음독하였음에도 이와 유사하게 크레아틴키나아제, 아밀라아제, 췌장 아밀라아제, 리파아제가 증가하는 혈액검사 소견이 있었으나, 초기에는 그 정도가 심하지 않다가 급격히 악화하며 사망하였다[22]. 클로르페나피르를 음독하였을 때에는 발열, 오한, 피로, 빠른 호흡, 오심, 구토, 의식변화, 횡문근융해증, 췌장염 등이 발생할 수 있으며, 소량을 음독하였을 경우에서도 양쪽 다리의 운동 약화와 감각 저하가 발생할 수 있다[23]. 클로르페나피르 함유 농약 10 mL를 음독한 환자에서 경증의 횡문근융해증, 급성췌장염이 발생한 사례가 있으며[24], 20 mL 이상 음독 시 대부분 사망하는 것으로 보고되어 있다. 또 다른 사례로 55세 남성이 250 mL을 음독하고 내원 후, 횡문근 융해증, 발한, 시야 흐림 등을 호소하다 5일 후 사망하였다[25]. 소량 음독 후 사망한 사례로는 41세 여성이 약 20 mL 음독 후 14일간 무증상이다가 메스꺼움, 전신 쇠약으로 내원 후 횡문근융해증, 발열, 발한, 의식변화, 혼수로 사망한 보고가 있다[26]. 소량 음독 후 회복한 사례로 61세 여성이 약 10 mL를 음독하고 한 시간 경과 후 내원하여 활성탄을 투여하였으며, 1일 차 대사성산증, 췌장염을 보이다, 2일 차 발열, 횡문근융해증을 보였으며 증상이 호전되어 19일 후 퇴원한 예가 있었다[27]. 외국 사례로 알 수 없는 양의 클로르페나피르 농약을 음독한 28세 여성이 10일 지난 후 내원한 사례에서 내원 7일 후 발열, 구토, 설사, 기침, 호흡곤란 등을 보이며 의식불명으로 사망한 사례가 있다[28].
4. 주요 감정 사례
독성학과 자체연구보고서(2023년)에 따르면 2018-2022년 클로르페나피르 중독 사례는 14건으로 글리포세이트(176건), 글루포시네이트(125건), 파라콰트(26건), 카부퓨란(22건), 메토밀(20건)에 이어 14건으로 농약 중독사 6위에 해당한다. 임상 사례, 지연 독성으로 인해 부검을 시행하지 않은 사례 등을 고려하면 중독은 이보다 빈번하게 일어날 것으로 보인다. 대표적인 사례는 다음과 같다.
(1) Case 1
63세 남성으로 내원 전일 섹큐어(상품명, 유효성분 클로르페나피르)를 살포하였으며, 구토, 발한을 주소로 응급실 입원 후 익일 중환자실로 이송되었으나 수일 후 사망하였다. 감정 결과 심장혈액에서 0.52 mg/L, 말초혈액에서 0.42 mg/L의 클로르페나피르가 검출되었으며, 위내용물에서는 검출되지 않았다.
5. 클로르페나피르 독성의 특징
클로르페나피르는 언커플러로 미토콘드리아 기능손상으로 인한 세포사멸과 관련이 깊지만, 발열 에피소드는 다른 물질과 구별되는 언커플러의 특징이다.
대표적인 ATP 합성효소 억제제로 도꼬마리(창이자) 독성 성분인 카르복시아트락틸로사이드(carboxyatractyloside)나 파라콰트와 달리 클로르페나피르는 뇌, 간, 췌장, 근육, 시신경 등 대부분의 장기에 손상을 일으킬 수 있다. 카르복시아트락틸로사이드는 주로 간독성을 나타내는데 이는 천연물의 특성상 노출량이 제한적이고 배당체로 분포하는 특성에 기인한다[29]. ATP 합성효소의 직접적 억제는 노출량에 따라 수 시간 내 사망하거나 세포사멸에 따른 질환으로 나타나기도 하지만 일반적으로 발열 에피소드를 보이지는 않는다.
산화환원 균형을 파괴하여 산화적 손상으로 독성을 나타내는 파라콰트는 산소 및 NADPH 농도가 높고 미토콘드리아가 많은 장기인 간과 폐에 집중적으로 독성을 나타낸다. 특히, 파라콰트는 수용성이 커 뇌혈관장벽의 통과가 어려워 뇌에 영향은 거의 보고된 바 없다. 이는 분포에 의한 영향과 더불어 폐와 간의 독성이 빠르고 강력하게 진행하여 나타나는 특징이다.
이와 달리 언커플러는 지용성이 커 뇌를 포함한 전신 장기에 분포하여 미토콘드리아를 가지고 있는 모든 세포에서 사멸이 유도될 수 있다. 언커플러의 특이적인 독성은 하루-수일의 잠복기를 거쳐 나타나는 발열 에피소드이다. 이 잠복기는 노출량, 대사되어 활성을 나타내는 특징으로 인한 개체의 대사능과 상관성이 있으며, 발열의 강도와 지속시간은 예후와 밀접한 관련성을 가질 것으로 생각된다. 초기 위장관 기능 저하에 따른 구토, 복통, 설사 등을 보이며 원인 미상의 발열이 나타나고, 세포사멸이 본격화되면 횡문근융해증과 이에 따른 소변 저류 등을 보이며, 전신 세포의 사멸이 가속되어 췌장염 등 각종 장기 염증, 시각 이상, 뇌 손상 등으로 사망에 이르게 된다.
클로르페나피르 중독사는 지연되어 나타나기 때문에 사망 당시 클로르페나피르와 대사체인 트랄로피릴은 1 ppm 이하(수십-수백 ppb) 수준으로 일반적인 스크리닝에서 무시될 가능성이 있다. 특히, 위내용물에 중독원인 물질이 남아있지 않아 검출이 곤란할 수 있다. 이러한 특징은 법독성학자에게 큰 어려움일 수 있다. 이를 극복하기 위해서는 사건 개요를 면밀히 파악하고, 부검소견에서 전신적인 장기 손상, 특히 뇌손상 등에 대한 조직학적 병변 유무에 대해 부검의와 논의하여, 클로르페나피르 중독을 고려할 수 있는지 적극적으로 검토하여야 한다. 또한, 클로르페나피르의 지연독성은 혈중 농도가 낮아져 조직에서 혈액으로 재분포하는 시점에는 높은 지용성으로 인해, 법독성학적 시료로서 혈액보다 간, 뇌 등 조직에서 이들 물질의 농도가 높을 것으로 예상되므로, 대체시료로 조직을 활용을 고려해 볼 수 있다. 특히, 클로르페나피르는 지용성이 트랄로피릴보다 커 분포가 용이하고, 대사가 거의 일어나지 않는 뇌조직에서 농도가 높을 것으로 생각된다. 사건 개요, 진료 기록 등에서 원인 불명의 발열 에피소드가 있다면, 미토콘드리아의 기능 저하를 일으켜 세포사멸을 유도하는 여러 물질군 가운데 클로르페나피르와 같은 언커플러 중독이 원인일 수 있다.
결 론
지연 독성은 위내용물에 원인 물질이 남아 있지 않고 혈중농도가 낮아 부검소견, 임상 증상, 사건 개요 등을 심도있게 고려하여 평가하여 원인 물질을 찾아야 한다.
발열 에피소드, 세포사멸 등의 조직학적 소견이 보임에도 클로르페나피르가 검출되지 않는 경우 다른 언커플러에 대한 확인이 필요할 것이다. 이와 같은 관점에서 클로르페나피르 외의 언커플러에 대해 접근성 등을 고려하여 우선순위를 정하고 그에 따른 스크리닝 및 분석법을 개발함으로써 유사 계열 물질에 의한 중독사 발생에 대비하여야 할 것이다.
더불어, 국내 보고된 임상 사례에 추정 음독량을 종합적으로 고려하면, 클로르페나피르는 약 20 mL의 제품 음용만으로도 수주 내 사망에 이를 수 있는 것으로 보이고 농약 사용 중 흡입으로도 사망한 사례가 보고되어 있다. 별다른 해독제가 없는 치사율이 높은 농약이라는 점에서 이의 사용에 대한 사용상의 주의를 강화하고 강력한 규제나 대체 농약의 개발로 중독사를 줄여야 할 것으로 생각된다.
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