| Histopathologic Study on the Effect of Tracheal Mucosa after Inhalation of O-Chlorobenzylidene Malononitrile(CS) in the Rats. |
| Hyung Seok Lee, Hyun Soo Kim, Joo Mook Kim, Kyung Rae Kim, Kyung Sung Ahn |
| Department of Otolaryngology, College of Medicine, Hanyang University, Seoul, Korea. |
| 최루제에 의한 흰쥐 기관점막의 병리조직학적 변화 |
| 이형석 · 김현수 · 김주묵 · 김경래 · 안경성 |
| 한양대학교 의과대학 이비인후과학교실 |
|
|
|
|
|
| ABSTRACT |
|
This study was undertaken to investigate the histopathological change in the tracheal mucosa of rats by light microscope following acute exposure to ortho-chlorobenzylidene malononitrile(CS). 2.0g/m3 of CS was inhalated to experimental rats for 20 minutes per day during 3 days in a plastic chamber. The experimental animals were sacrificed at 12 hours, 24 hours, 3 days, and 5 days after CS gas exposure. Specimens were obtained from upper most part of tracheal mucosa of the rats. After H and E stain and PAS stain were performed, all specimens were observed by light microscope. The result were as follows: 1) At 12 hours after exposure , there were some cilia destruction, widening of lamina propria, and infiltration of inflammatory cells in subepithelial layer. Epithelial lining and goblet cells were well preserved. 2) At 24 hours after exposure, epithelial lining and basement membrane were destructed and goblet cells were decreased in number. Infiltration of inflammatory cells in subepithelial layer were as sustained and vascular congestion was observed. 3) At 3 days after exposure, regeneration of epithelial layer, goblet cells, and basement membrane were identified. In subepithelial layer, a few inflammatory cells were infiltrated. 4) At 5 days after exposure, intact epithelial layer and numerous normal goblet cells were appeared. Lamina propria was narrowed and no inflammatory cells were in subepithelial layer. The results suggested that the tracheal mucosa of the rats shows a siginificant degenerative change after acute exposure to ortho-chlorobenzylidene malononitirile. However, it was temporary and reversible change. |
| Keywords:
CSㆍOrtho-chlorobenzylidene malononitrileㆍTracheal mucosa |
서론
최루제인 ortho-chlorobenzylidene malononitrile(이하 CS라함)은 1928년에 Corson과 Stoughton12)에 의해 합성된 독성물질로 우리나라 및 구미 각국에서 소요진압과 화생방 교육훈련에 많이 사용되고 있다. 이 물질은 연기나 에어로졸 상태로 사용되며 현재까지 알려진 최루제중 가장 강한 최루성을 가지고 있다. CS gas의 생체내의 독성작용과 병변유발에 관한 연구는 여러 학자들에 의해 밝혀져 왔으며 주로 눈, 피부 및 상기도에 심한 자극을 가하여 여러가지 증상을 유발한다.6)15) 눈에 폭로시 통증, 출혈, 유루 및 안검경련이 초래되고 피부에 접촉시 동통, 홍반, 수포가 형성된다.16) 코에 대한 자극으로는 재채기와 비루가 지속되며 인두및 후두에 대한 자극으로는 통증, 이물감, 작열감, 흉통 등이 나타날 수 있으며 위를 자극하여 구토를 유발하기도 한다.9) 이러한 증상을 나타내는 CS의 독성은 조직내에서 malononitrile이 cyanide로 분해되어 세포독성을 야기하여 산소공급의 방해 및 사립체의 전달체계에 작용하여 ATP 형성억제 등 조직내 독성변화와 병변을 일으킨다고 알려져 있다.17)
이상과 같이 CS가스가 인체에 미치는 생리적인 영향에 대한 연구는 다수 보고되어 있으나 형태적 연구는 소수에 불과하다. 이에 저자들은 CS를 실험동물에 폭로했을 때 기관 점막에 미치는 형태학적 변화를 폭로 후 시간 경과에 따라 규명하고자 하였다.
실험재료 및 방법
본 실험에 사용된 실험동물은 동일한 조건상에서 사육된 150gm내외의 건강한 Sprague-Dawley계 흰쥐로서 대조군 10마리와 실험군 40마리로 배정하였으며 실험군은 CS투여후 12시간, 24시간, 3일 및 5일 경과군으로 세분하였다. 본 실험에 사용한 CS gas는 한영화학(주)에서 제조한 분말형의 ortho-chlorobenzylidene malononitrile을 사용하였고, 실험용으로 제작한 1m 3의 플라스틱 chamber에(Fig. 1) CS분말 2gm을 투입한 후 소형fan을 이용하여 chamber내에 고르게 분산시켰다. 실험동물을 chamber에 넣어 20분간 CS gas를 흡입시켰으며 이때 질식을 방지하기 위해 chamber내에 분당 2리터의 산소를 계속 공급하였다. 1일 1회씩 3일 연속으로 CS를 흡입시킨 다음 12시간, 24시간, 3일 및 5일 경과 후에 희생시켜서 기관점막을 관찰하기 위하여 윤상연골 직하부의 기관 내강의 점막과 연골을 채취하였다. 10% formalin 고정액에 24시간 고정한 조직은 paraffin 포매과정을 거쳐 약 5μm 두께로 박절하여 인접한 2개의 절편을 얻고 이 2개의 절편을 100μm 간격으로 2군데서 얻어 모두 4개(2개씩 2쌍)의 절편을 얻었다. 이 2쌍의 절편중 한 쌍은 Hematoxylin & Eosin(이하 HE라 함) 염색을 하였고 다른 한쌍은 Periodic Acid Schiff(이하 PAS라 함)염색을 한 후 광학현미경 200배율에서 관찰하였다.
결과
1. 대조군
흰쥐 기관점막 상피는 위중층 섬모원주 상피의 형태이고 그 아래로 기저막, 고유층 및 기관연골이 관찰되었다. PAS stain상에서는 상피층 내에 세포질이 분홍색으로 염색되는 배세포 및 상피세포 상연의 섬모층이 잘 보였다(Fig. 2, 3).
2. 실험군
1) CS투여 후 12시간 경과군의 호흡상피세포에서는 상피층 및 배세포는 잘 유지되고 있으나 섬모의 손상이 약간 있고 고유층이 넓어지면서 상피하층에 염증세포의 침윤소견을 보였다(Fig. 4, 5).
2) CS 투여 후 24시간 경과군에서는 상피층의 탈락을 보이고 배세포도 소실되며, 기저막이 파괴되어 병적상태의 전구단계를 보였다. 한편 점막하층의 염증세포 침윤도 지속되고 주위 혈관의 충혈 소견도 관찰되었다(Fig. 6, 7).
3) CS 투여 후 3일 경과군에서는 상피하층의 염증세포의 침윤이 지속되기는 하지만 병적상태가 심했던 상피층 및 배세포와 기저막의 재생소견이 관찰되었다(Fig. 8, 9).
4) CS 투여 후 5일 경과군 에서는 고유층이 다시 좁아지고 상피층 및 배세포가 완전히 재생된 모습이며 상피하층의 염증세포의 침윤도 없는 정상소견을 보였다(Fig. 10, 11).
고찰
CS가 인체의 눈, 피부 및 호흡기도에 미치는 독성에 대한 연구는 이 물질이 합성되고 사용되어진 이후 계속되어 왔으며, 증상및 치사량에 대한 연구뿐만 아니라 조직학적, 미세구조적 및 면역화학적 방법에 의한 연구도 발표되었다.
실험동물에 대한 CS의 반치사량(LD50)은 Ballantyne 및 Swanston8)에 의하면 흰쥐의 경우 정맥내 투여시 20∼40mg/kg이며, 복강내 투여시 25∼100mg/kg, 구강 투여시 500∼1590mg/kg으로 보고하였고, 김 등2)4)에 의하면 CS 2.5gm을 dimethylsulfoxide(DMSO) 용매 10ml에 용해시킨 용액을 생쥐의 구강 투여시 LD50는 1.75g/kg이고 복강 투여시는 LD50가 1.5g/kg이라고 하였다. CS에 의한 급성 흡인성 독성은 Ballantyne과 Callaway6)에 의하면 자극제의 대기중농도(c)와 노출된 시간(t)에 영향을 받으므로 반치사량을 표시할 때는 L(ct)50을 mg.min/m 3로 표시해야 한다고 하였다. CS에 대한 흰쥐의 L(ct)50은 88,480mg.min/m3, 가토는 54,090mg.min/m3, 기니픽은 67,200mg.min/m3, 생쥐는 50,010mg.min/m 3로서 반치사량이 50,010∼88,480mg.min/m3 범위이다.7)14) 위의 반치사량을 기준으로 본 연구에서는 반치사량보다 낮은 농도인 CS분말을 m3당 2.0 gm을 20분씩 3일간 폭로시켰다.
CS gas가 인체에 폭로되었을 때 눈, 상부기도 및 피부에 극심한 자극을 유발하고 눈에서는 유루와 충혈이 발현되고, 흡입하게 되면 상부기도에 자극을 주어 숨을 막히게 하고 재채기 및 기침을 동반하면서 흉통을 느끼게 하며, 더욱 농도가 짙어지면 구토를 유발하기도 한다.18)19) 이러한 동물 및 인체에 대한 독성효과는 동물의 종류나 인체의 건강상태 혹은 과민성에 따라 다를 수가 있다.20)
CS가스에 의한 급성 흡인성 독성에 대한 연구는 이미 Ballantyne과 Callaway에 의해 보고된 바 있으며5)6) 고농도인 m3당 4gm을 5∼20분간 흡입시키면 실험동물의 반수가 사망하는데 사망의 원인은 CS가 폐포 미세혈관 내피에 직접손상을 가하여 폐 부종과 폐포 출혈로 인한 모세혈관 투과성에 변화를 일으키므로 폐 조직에 혈행정지 및 울혈로 인하여 사망하게 된다고 하였다.6)
Ballantyne과 Swanston8)에 의하면 CS에 폭로된 후 48시간내에 사망한 실험동물의 변화를 보면 폐의 경우는 울혈, 부종 및 출혈 등의 소견이 나타나며, 기관에서는 울혈 및 다량의 점액 등이 있었다. 폐에 대한 조직학적 소견은 폐포의 모세혈관이나 폐내의 정맥 등에 중등도에서 고도의 심한 울혈과 폐포간 혹은 폐포내 출혈소견이 있었으며 세기관지나 종말기관지초 등에 다량의 분비물이 있었다고 하였다. 또한, CS에 폭로된 후 사망한 실험동물의 경우 간, 신장, 비장 및 소장 등에 울혈이 심하였으며 특히 폐에 심한 병변이 있는 동물군일수록 신장의 피질이나 수질의 소관 괴사(tubular necrosis)등이 있다고 하였다.
Colgrave와 Creasey11)에 의하면 흰쥐에 CS를 m3당 90,000, 60,000, 30,000mg/min를 단위시간 15분에서 일정한 시간 간격으로 2일까지 흡입시킨 후 폐장의 형태적 변화를 광학 현미경으로 관찰한 결과 심한 울혈, 폐포 출혈 및 폐부종을 관찰하였으며 전자 현미경 소견은 폐포 상피와 간질(interstitium)의 변화가 생겨 폐포간막(alveolar septum)의 교원질층(collagen containing area)과 상피층(membrane layers)사이에 액체가 축적이 되고, 이로 인해 상피층과 내피층의 변성으로 모세혈관이 파열되거나 용해되었다고 하였다.10)13)
최근에는 CS gas에 의한 호흡상피의 미세구조의 변화를 전자현미경 및 면역화학적 방법을 통해 관찰하기도 하는데, 김 등1)에 의하면 폭로후 시간경과에 따라 섬모 및 사립체의 소실, 조면내형질세망의 단절, 음소포 및 이차용해소체의 증가 등을 관찰하였으며 이는 폭로후 4일 경과후에는 정상화 된다고 보고하였다. 이 등3) 은 CS폭로가 비강내 호흡상피세포의 섬모형성에 관여하는 tubulin의 세포내 합성을 일정기간 동안 억제하는 것을 관찰하였다.
이상에서 CS에 의하여 호흡기 점막은 분비물의 증가, 상피세포 및 섬모의 손상, 점막내 미세혈관의 손상이나 확장에 의한 부종 등이 유발된다고 생각한다. 저자들의 실험에서는 흰쥐의 기관점막을 이용하여 CS투여에 의한 점막 변화를 규명하고자 CS를 흡입시킨 후 시간 경과에 따라 관찰한 결과 12시간에서 24시간까지 상피세포의 탈락을 보이지만 3일내지 5일째 조직학적으로 정상화되었다. 즉, CS는 매우 자극적인 물질이 틀림없지만 급성폭로의 경우 그것으로 인한 기관 점막의 변화는 일시적이고 가역적인 것이었다.
결론
소요진압 및 화생방 교육에 사용되고 있는 CS가스는 강한 자극성 냄새가 있으며 상기도에 심한 자극을 가하여 호흡기 점막에 손상을 야기시킬 것으로 생각되어 CS 가스에 폭로된 후 시간 경과에 따라 기관점막에 미치는 형태적 변화를 광학현미경으로 관찰한 결과는 다음과 같다.
1) CS투여 후 12시간 경과군의 호흡상피세포에서는 상피층 및 배세포는 잘 유지되고 있으나 섬모의 손상이 약간 있고 고유층이 넓어지면서 상피하층에 염증세포의 침윤소견을 보였다.
2) CS투여 후 24시간 경과군에서는 상피층의 탈락을 보이고 배세포도 소실되며, 기저막이 파괴되어 병적상태의 전구단계를 보였다. 한편 점막하층의 염증세포 침윤도 지속되고 주위 혈관의 충혈 소견도 관찰되었다.
3) CS 투여 후 3일 경과군에서는 상피하층의 염증세포의 침윤이 지속되기는 하지만 병적상태가 심했던 상피층 및 배세포와 기저막의 재생소견이 관찰되었다.
4) CS 투여 후 5일 경과군 에서는 고유층이 다시 좁아지고 상피층 및 배세포가 완전히 재생된 모습이며 상피하층의 염증세포의 침윤도 없는 정상소견을 보였다.
이상과 같이 일시적이며 반복적인 CS흡입이 초기의 흰쥐 기관 점막에 형태학적 변화가 초래되나 3일내지 5일 후에는 조직학적으로 거의 정상화 됨을 관찰하였다. 그러나 다량의 흡입이나 장시간 반복적인 흡입이 있을 때에는 비가역적이며 심한 변성을 일으켜 호흡기 계통의 질병을 유발할 수도 있을 것으로 사료된다.
REFERENCES
1) 김승호·안경성·이형석：최루제 흡입이 흰쥐 비점막의 호흡상피 미세구조에 미치는 영향에 대한 전자현미경적 연구. 대한이비인후과학회지, 37：942-953, 1994
2) 김종관·주현석·조기승：최루성 작용제(CS 및 CN)의 독성에 대한 생의, 생화학적 연구. 한양대학교 산업 과학연구소, 산업과학논문집, 31：273-279, 1990
3) 이기득·전영희·백태경 등：CS gas가 흰쥐의 호흡점막내 섬모세포에서 Tubulin 합성에 미치는 영향. 대한해부학회지, 29：49-55, 1996
4) 주현석·김종관·이종호 등：생쥐에서 최루성작용제(CS 및 CN)의 생화학적 및 CS의 잔류성 연구. 한양생명과학학술지, 1：84-91, 1992
5) Ballantyne B：Biomedical and health aspects of the use of chemicals in civil disturbances. In Medical Annual 1977(RB Scott, J Frazer, eds) P7. Bristol：Wright and Sons 1977
6) Ballantyne B, Callaway S：Inhalation toxicology and pathology of animals exposed to O-Chlorobenzylidene malononitrile(CS). Med Sci Law 12：43-65, 1972
7) Ballantyne B, Gazzard MF, Swanston, DW：Irritancy testing by respiratory exposure. In Current Approaches in Toxicology(B Ballantyne, ed) P129. Bristol：Wright and Sons, 1977
8) Ballantyne B, Swanston DW：The Comparative Acute Mammalian Toxicity of 1-Chloroacetophenone(CN) and 2-Chlorobenzylidene Malononitrile(CS). Arch Toxicol 40：75-95, 1978
9) Beswick FW, Holland P, Kemp KH：Acute effects of exposure to Ortho-chlorobenzylidene malononitrile(CS) and the development of tolerance. Brit J industri Med 29：298-306, 1972
10) Bils RF：Ultrastructural alterations of alveolar tissue of mice due to heavy Los Angeles smog. Arch Environ Health 12：689-697, 1966
11) Colgrave HF, Creasey JM：Ultrastructure of rat lungs following exposure to O-Chlorobenzylidene malononitrile(CS). MED Sci Law 15：137-197, 1975
12) Corson BB, Stoughton RW：Reaction of Alpha, Beta-Unsaturated Dinitriles. J Amer Chem Soc 50：2825, 1928
13) Cottrell TS, Levine OR, Senior RM, et al：Electromicroscopic alterations at the alveolar level in pulmonary edema. Circ Res 21：783-797, 1967
14) Cucinell SA, Swentzel KC, Biskup R：Biochemical interactions and metabolic fate of riot control agents. Fed Proc 30：86-91, 1971
15) Finn DH, Hogg MAP, Crichton D：Improvements in apparatus for controling riots, CS Patent No 967660 London
16) Holland P, White RG：The cutaneous reactions produced by O-chloroben-zylidene malononitrile and w-chloroacetophenone when applied directly to the skin of human subjects. Brit J Derm 86：150-154, 1972
17) Janes GRN, Israel MS：Mechanism of toxicity of injected CS gas. Nature 228：1315-1316, 1970
18) Punte CL, Owens EJ, Gutentag PJ：Exposures to Ortho Chlorobenzylidene malononitrile-contolled human exposure. Arch environm Health 6：366-374, 1963
19) Punte CL, Weimer JT, Ballard TA, et al：Toxicologic studies on o-chlo-robenzylidene Malononitrile. Toxicol Appl Pharmacol 4：656, 1962
20) Schindel JH：Assessment of health effects of CS Nature 232：815-817, 1974
|
|
PDF Links
Full text via DOI 
Download Citation 
