Toxicity mechanism of multi-walled carbon nanotubes in murine lung

Abstract

다중벽탄소나노튜브는 높은 탄성과 인장강도를 가져 보강물질로서 큰 관심을 받고 있으나, 석면과 유사한 큰 종횡비로 인하여 인체에 독성을 유발 할 수도 있다는 가능성이 제기되었다. 다중벽탄소나노튜브는 다른 나노 입자들과는 달리 입자의 물리화학적 특성에 대한 조건 조절이 힘들기 때문에, 독성학자들이 입자의 독성 원인에 대한 연구를 하기에 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는, 다중벽탄소나노튜브에 물리화학적 특성 변화를 주고, 이렇게 준비된 다양한 다중벽탄소나노튜브의 독성 결과를 비교함으로써, 입자 특성과 독성의 상관 관계를 규명해 보고자 하였다. 먼저, 화학증착법으로 합성한 그대로의 다중벽탄소나노튜브(PMWCNT)와 산처리를 통해 친수성 기능기를 도입한 다중벽탄소나노튜브(TMWCNT)의 물질 특성을 확인하고, 마우스 폐에서의 염증 반응, 청소율, 발암성의 차이를 비교하였다. 마우스 폐로, 대조군은 멸균 식염수, 저농도군은 0.01 mg/kg, 고농도군은 0.1 mg/kg으로 기관지 점적 방법으로 물질을 투여 하고, 최장 일년간 관찰 하였다. 실험 결과, 합성 상태 그대로의 다중벽탄소나노튜브는 산처리 한 다중벽탄소나노튜브 보다, 더 심한 급성 염증반응을 유발하며, 폐에서의 청소율이 더 느린 것으로 나타났다. 세포 증생(hyperplasia)과 분열상(mitotic figure), 세포질 부등 (anisocytosis), 핵부등 (anisokaryosis)과 같은 가역적 전암병변인 이형 변화(dysplastic change)는 두 입자 모두에서 육아종성 염증이 대부분 사라진 4개월 후에도 관찰되었으나, 발암성 비교 실험 결과, 합성 그대로의 소수성 다중벽탄소나노튜브를 투여한 군에서만 폐암의 발생을 관찰 할 수 있었다. 이러한 암 발생은 cathepsin-D와 Bcl-2의 발현이 증가된 것과 관련되어 있었으며, 암 발생 그룹에서는 혈관신생인자(VEGF)와 증식세포핵항원(PCNA) 또한 증가되어 있었다. 다중벽탄소나노튜브의 물리화학적 특성과 세포 독성과의 상관 관계를 자세히 알아보기 위하여, 다른 생산 방법, 후처리 방법에 의해 준비된 여덟 종류의 다중벽탄소나노튜브를 이용하여 세포 독성과 높은 상관관계를 갖는 물리화학적 결정인자를 확인 하였다. 결과, 여러 독성 유발 인자들 가운데, 600℃에서의 열처리 혹은 산처리에 의해 발생되는 탄소-탄소 연결의 끊어짐으로 인한 파이 오비탈의 불안정화, 그로 인한 표면 반응성의 증가가 가장 큰 세포 독성의 원인으로 작용함을 확인 할 수 있었다. 이는 기존에 알려진 라만 스펙트럼의 ID/IG 외에도 탄소-탄소 연결의 끊어짐을 나타내 주는 G peak 중심의 이동 정도가 다중벽탄소나노입자의 독성을 결정 짓는데 매우 중요한 예측인자로 사용 될 수 있음을 보여준다. 또한 직선형인 아크방전으로 합성된 입자와 달리, 화학증착방식으로 합성된 굽어져 뭉쳐 있는 형태를 나타내는 다중벽탄소나노입자의 경우는 길이와 철의 농도가 오히려 세포 독성과 음의 상관관계를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 이는 길이가 길수록 오히려 세포의 ATP 생성량을 증가시켜 세포의 증생을 증가시킨다는 것을 의미하며, 이는 앞선 발암성 연구와 일맥 상통한다. 본 연구는 다중벽탄소나노튜브가 그 특성과 종류에 따라 독성의 기전이 다름을 보여준다. 본 연구에서 얻어진 다중벽탄소나노튜브의 물리화학적 특성에 따른 생체에서의 반응 차이와 세포 독성과 물리화학적 특성의 상관관계에 대한 분석은, 다양한 방법으로 합성된 다중벽탄소나노튜브의 독성을 예측하는데 활용되어, 산업현장에서의 안전한 다중벽탄소나노튜브의 사용에 적용 될 수 있을 것이라 생각된다.

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) have gained great interest owing to their ultrahigh elasticity and tensile strength, which make them promising reinforcements for composite materials. However, the high aspect ratio of CNTs, a feature they share with asbestos, is suspected to be the key factor for their adverse effects in humans. In the current study, we compared the toxicological differences between pristine MWCNTs and MWCNTs after post-treatment, which permitted the elucidation of toxicological distinctions according to the specific physicochemical characteristics of the material. To clarify the distinctive systemic response and clearance of pristine (PMWCNTs) and acid-treated MWCNTs (TMWCNTs), both types of MWCNTs were administered intratracheally into murine lungs and the potential toxic effects were observed. PMWCNTs induced a more severe acute inflammatory response than TMWCNTs and showed delayed clearance compared to that for TMWCNTs. PMWCNTs caused tumors in the lungs of mice after 1 year of administration, whereas TMWCNTs did not. PMWCNT-induced lung tumors were associated with increased protein expression of cathepsin D and Bcl-2 and increased VEGF and PCNA expression also supported tumorigenicity in PMWCNT-treated mice. In addition to performing systemic studies, we also compared cellular ATP amounts for eight different MWCNTs that were generated by different synthetic methods and post-treatments. From this, we found major physicochemical characteristics determinants of toxicity among various factors. Creation of binding sites on tube walls by breaking the C–C bonds had a pivotal role in the increased toxicity, since π-orbital misalignment between adjacent carbon atoms has an influence on increment of overall reactivity that may attack important cellular molecules. This C-C bond break could be clearly described and expected by the Raman G peak shift as well as ID/IG ratio. The results of this study suggest that physicochemical determinants affect toxicity and may be considered as criteria when using MWCNTs in industries and for predicting their toxicity.