Biomarkers of arsenic, cadmium, lead, and mercury for human exposure assessment

Abstract

Heavy metals and metalloids (referred to as metals) are naturally existing substances and widely distributed in the environment such as soil, water, and air. Among them, selenium, copper, zinc, manganese, etc. are essential elements for maintaining body homeostasis. However, cadmium (Cd), lead (Pb), mercury (Hg), and arsenic (As) are highly toxic substances and can cause adverse health outcomes. In addition, exposure sources and pathways are diverse due to their ubiquitous characteristic and they can be exposed as a mixture in daily life. Biomonitoring can be an important tool to investigate internal exposure. Therefore, national biomonitoring surveys of many countries have measured metals, including Cd, Pb, Hg, and As in urine and/or blood. These data can be utilized in exposure assessment and epidemiological studies. In Korea, the Korean National Environmental Health Survey (KoNEHS) includes urinary Cd, blood Pb, urinary Hg, and blood Hg measurements to investigate metal exposure in general populations. Although the exposure levels of Cd, Pb, and Hg in the general populations of Korea were gradually decreasing, they were still considerably high compared to other countries. Meanwhile, As was removed from the measurement after KoNEHS I (2009-2011) despite its importance, making it difficult to determine the temporal trend of exposure level and compare it to other populations. Moreover, studies on As exposure biomarkers are scarce in comparison to those on Cd, Pb, and Hg, so studies on biomarkers of As in the general Korean population are required. Consequently, a biomonitoring study focused on As was conducted in this dissertation to fill knowledge gaps in current metal biomonitoring. Furthermore, exposure assessment and epidemiological studies were conducted separately as case studies on how to utilize biomonitoring data. In the first study, As speciation was performed in urine and blood to reveal the levels of As species and to suggest the proper exposure biomarker of iAs. Samples were collected by the Korean Ministry of Food and Drug Safety (MFDS) from 2017 to 2018. Six As species (i.e., arsenate (As(V)), arsenite (As(III)), monomethylarsonic acid (MMA), dimethylarsinic acid (DMA), arsenobetaine (AsB), arsenocholine (AsC)) were analyzed using ultra-high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (UPLC-ICP/MS). Concentrations and distribution of As species in the different biological media and related characteristics of the population were investigated. AsB, a non-toxic As compound, was the predominant species in both urine (51.1%) and blood (53.5%). The distributions of inorganic As (iAs) and its metabolites (i.e., MMA, DMA) were significantly different in urine and blood – the proportion of iAs in blood (20.2%) was higher than in urine (2.18%). Drinking water type and consumption of multigrain rice were associated with increased iAs concentration in urine. Consumption of blue-backed fish was associated with increased AsB concentration in both urine and blood. Methylation efficiency of iAs was higher in females, whereas it decreases in adolescents and smokers. Overall, a high total As level in urine of the Korean population was affected by organic As from seafood, indicating that As speciation is essential for As biomonitoring. In addition, urinary As had a significant association with exposure sources rather than blood As species, suggesting that urine is a more appropriate media in terms of exposure assessment. In the second study, the biomonitoring-based exposure assessment was conducted using urinary Cd, blood Pb, blood Hg, and urinary iAs measured from the samples from MFDS. Concentrations of Cd, Pb, and Hg were analyzed using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP/MS) and iAs was analyzed using UPLC-ICP/MS. Reverse dosimetry using physiologically-based toxicokinetic (PBTK) modeling was conducted for the estimation. Then, a probabilistic scenario-based exposure assessment was performed to predict exposures to Cd, Pb, Hg, and As from multiple sources and routes (EDISCN), and compared with biomonitoring-based estimates (EDIPBTK). EDIsPBTK (median) were found to be 0.21-0.72 μg/kg/day for Cd, 0.50-0.97 μg/kg/day for Pb, 0.023-0.053 μg/kg/day for MeHg, and 0.09-3.51 μg/kg/day for iAs. EDIsPBTK of Cd were similar to EDIsSCN in adults and young children, but 1.7-2.8 times higher in the other age groups. EDIPBTK for Pb was 2.3-6.1 times higher in all age groups. In the case of MeHg and iAs, direct comparison between the two methods was not possible because total Hg and total As were targeted in the scenario-based exposure assessment. When two different approaches were compared, some similarities and differences arise, implying the importance of understanding the strengths and limitations of each approach. For reverse dosimetry, the representativeness of the exposure biomarker, the characteristics of the PBTK model (e.g., model compartments, parameters, and exposure routes), and the assumption of oral exposure might cause estimation uncertainty. Meanwhile, a lack of exposure data (e.g., exposure algorithms, factors, and media concentration) can lead to uncertainties in scenario-based exposure model, implying the need for continuous monitoring of exposure sources and factors. In further studies, the factors that cause these uncertainties need to be improved. In the third study, the effect of the metal mixture (Cd, Pb, Hg, and iAs) on blood pressure (BP) was investigated in the general population of Korea, including children and adolescents. Both urine and blood samples collected by MFDS were used for the study. For the analysis, several statistical methods were used, including conventional linear regression and novel mixture modeling approaches – Bayesian kernel machine regression (BKMR) and weighted quantile sum (WQS) regression. Populations were divided into adults (≥ 19 yrs) and non-adults (< 19 yrs) for the analysis. In linear regression analysis, UPb and UCd levels were associated with increased DBP in non-adults (p < 0.040 and p < 0.023, respectively), whereas adults had no association between the metal mixture and BP. In both BKMR and WQS analysis, the overall effect of the metal mixture on BP was significant in non-adults but was less evident in adults. In addition, Pb was the most contributing metal (WQS index = 34.2%) in the urinary mixture, followed by Cd (29.6%), iAs (28.2%), and Hg (8.0%). This study suggests that the non-adults might be more susceptible to the cardiovascular-related health effects of metals than adults, despite the lower exposure level. In addition, urinary Pb was found to be associated with elevated BP. Overall, this thesis performed the biomonitoring of four metals in both urine and blood and utilized the data in exposure assessment of metals and epidemiological study. Three studies suggested insights into what / where to measure and how to interpret data in terms of biomonitoring of metals. In future research, it is needed to confirm the results of the present study. Additionally, since the present studies did not focus on the mechanisms of metals in humans, detailed studies on the early biologic effects of metal co-exposure need to be performed.

중금속은 자연적으로 존재하는 오염물질로 토양, 물, 공기 등 환경에 널리 분포한다. 이 중 셀레늄, 구리, 아연, 망간 등의 원소들은 체내 항상성을 유지하는데 필수적이지만, 특히 카드뮴, 납, 수은, 비소와 같은 물질들은 독성이 매우 높아 다양한 건강 문제를 야기할 수 있다. 또한 중금속은 자연계에 널리 존재하는 물질인만큼 노출원과 노출경로가 매우 다양하며, 일상생활에서 복합적으로 노출될 수 있다. 중금속의 실질적인 내적 노출 수준은 바이오모니터링을 통해 평가할 수 있으며, 노출평가를 비롯하여 건강영향과의 연관성을 분석하는데 활용할 수 있다. 이에 국내외 다양한 국가바이오모니터링 사업에서는 중금속, 특히 카드뮴, 납, 수은, 비소를 측정해오고 있다. 국내에서는 국민환경보건기초조사(이하 기초조사)와 같은 국가바이오모니터링 사업을 통해 중금속의 노출 수준을 확인하고 있으며, 대상물질은 소변 중 카드뮴, 혈중 납, 소변 중 수은, 혈중 수은이다. 비소 역시 노출 특성과 독성을 고려하였을 때 중요하게 고려되어야하는 물질이나, 제 1기 기초조사 (2009-2011) 이후로는 대상 물질에서 제외되었다. 국내 일반인구집단의 카드뮴, 납, 수은의 노출 수준은 점차 감소하고 있는 추세이나, 국외의 국가바이오모니터링 자료와 비교하였을 때 상당히 높은 수준임을 확인할 수 있었다. 그러나 비소의 경우, 국내 인구집단의 노출 수준을 대표할 만한 자료가 부족하여 노출의 경시적인 변화나 국외와 비교하였을 때 어느 정도의 수준인지 확인이 어렵다. 또한 일반인구집단에서 카드뮴, 납, 수은은 혈중 및 소변 중 마커의 특성이 잘 알려져 있는 편이지만, 비소는 관련 연구가 상대적으로 부족한 실정이다. 따라서 본 학위논문에서는 비소를 중심으로 바이오모니터링 연구를 수행하여 기존 중금속 바이오모니터링에서 미흡했던 부분을 보완하고자 하였다. 또한, 4종 금속(카드뮴, 납, 수은, 비소)을 중심으로 바이오모니터링 자료를 해석·활용하는 방법을 보여주는 사례연구로써 노출평가와 역학 연구를 각각 수행하였다. 첫 번째 연구에서는 식약처에서 2017-2018년도에 전국민들을 대상으로 수집한 혈액과 소변(이하 식약처 표준인체시료) 총 2,025건으로부터 고성능액체크로마토그래프 및 유도결합플라즈마 질량분석기 (UPLCICP/MS)를 사용하여 비소종 6종(arsenate(As(V)), arsenite(As(III)), monomethylarsonic acid(MMA), dimethylarsinic acid(DMA), arsenobetaine(AsB), arsenocholine(AsC))의 분리 분석을 수행하고, 매체별 농도 대푯값과 비소종의 구성비를 확보하였다. 또한 소변 및 혈중 비소 농도 및 구성비와 관련있는 인구사회학적 및 노출 특성을 확인하였다. 우리나라 사람들의 비소종 농도의 합은 국외 고노출 지역과 비슷한 수준이었으나 소변과 혈액 내 비소 대부분은 독성이 낮은 유기비소인 AsB인 것으로 나타났다 (각각 51.1%, 53.5%). 또한, 무기비소와 그 메틸화 대사체(MMA, DMA), AsC의 구성비는 소변과 혈액에서 유의미한 차이를 보였으며, 독성이 큰 무기비소가 차지하는 비율은 소변(2.18%)보다 혈액(20.2%)에서 더 큰 것으로 나타났다. 무기비소의 주요 노출원인 음용수 종류와 잡곡밥 섭취 여부는 소변 중 무기비소 농도 증가와 관련이 있었으며, 등푸른 생선류의 섭취는 소변과 혈액 중 AsB 농도 증가와 관련이 있는 것으로 나타났다. 해당 결과는 독성이 큰 무기비소의 노출평가를 위해서는 무기비소의 종 분리 분석이 필수적임을 시사한다. 무기비소와 MMA, DMA 농도로 계산한 무기비소의 메틸화 효율은 청소년과 흡연자에서 낮았으며, 여성의 경우 메틸화 수준이 남성보다 높았다. 종합하자면, 우리나라 사람들의 높은 총 비소 수준은 해산물 섭취로 인한 유기비소에 영향을 받은 것으로 이는 비소 바이오모니터링에서는 종분리분석이 필수적임을 의미한다. 또한, 혈중 비소종보다 요중 비소종이 노출원과 유의미한 관계가 있는 것으로 나타났는데 이는 요중 비소종이보다 적절한 노출바이오마커임을 시사한다. 그러나 혈액의 경우 무기비소의 구성비가 소변보다 높았다는 점에 있어 건강 영향과 연관한 추가적인 연구가 필요하다. 두 번째 연구에서는 식약처 표준인체시료로부터 측정한 생체시료중 카드뮴, 납, 수은, 무기비소의 농도를 이용하여 카드뮴, 납, 메틸수은, 무기비소의 연령 집단별 노출량을 산출하였다. 첫 번째 연구와 동일한 인구집단에서 비소종 외에 추가적으로 카드뮴, 납, 수은을 유도결합플라즈마 질량분석기 (ICP/MS)로 분석하였다. 노출량 추정에는 4종 금속의 인체 생리학적 독성동태(PBTK) 모델을 사용하였으며, 사용한 각 물질별 바이오마커는 소변 중 카드뮴, 혈중 납, 혈중 수은, 소변 중 무기비소였다. 수은의 경우에는 혈중 수은 중 메틸수은의 비를 이용하여 혈중 메틸 수은 농도를 추정하였다. 다음으로, 확률론적 시나리오 기반 노출평가를 수행하여 다양한 매체와 노출경로로부터 카드뮴, 납, 수은, 비소의 노출량을 구한 뒤, 시나리오 기반 노출평가로 추정한 노출량과 비교하였다. 표준인체시료에서의 중금속 농도는 다른 국내 인구집단에서의 중금속 농도와 비슷하거나, 혈중 납의 경우 약 2배 정도 높은 수준이었다. PBTK 모델로 이용한 바이오모니터링 기반 노출량 추정치는 중위수 기준 카드뮴 0.21-0.72 μg/kg/day, 납 0.50-0.97 μg/kg/day, 메틸수은 0.023-0.053μg/kg/day, 무기비소 0.09-3.51 μg/kg/day였다. 이는 식약처의 노출허용기준과 비교하였을 때 카드뮴과 메틸수은은 전 연령에서 기준치보다 낮은 수준이었으나, 납은 전 연령에서 기준치를 초과하였으며 무기비소는 영유아와 미취학아동 집단에서 기준치를 초과할 가능성이 있었다. 시나리오 기반 노출평가 결과와 비교하였을 때, 중위수 기준으로 카드뮴은 성인,미취학아동 집단에서 두 방법의 추정치가 서로 비슷하였으나 다른 연령 집단에서는 바이오모니터링 기반 추정치가 1.7-2.8배 더 높았다. 납은 전 연령 집단에서 바이오모니터링 기반 추정치가 2.3-6.1배 더 높았다. 메틸 수은과 무기비소의 경우 시나리오 기반 노출평가에서 총수은과 총비소를 대상으로 하였기에 두 방법 간 직접 비교는 불가능하였다. 서로 다른 두 가지 노출평가 방법의 추정치는 물질과 집단에 따라 비슷하거나 차이를 보였는데, 이는 노출평가 시 각 방법의 장단점을 고려할 필요성이 있음을 의미한다. 바이오모니터링 기반 노출평가의 경우, 내적 노출을 반영할 수 있지만 바이오마커 농도의 대표성, PBTK 모델의 특성(컴파트먼트 구성, 모델 파라미터, 노출 경로), 노출량 역산 시의 가정(경구 노출만 발생)이 예측치의 불확실성을 증가시킬 수 있다. 한편, 시나리오 기반 노출평가의 경우, 개별 노출원/노출경로의 기여 수준을 확인할 수 있지만 노출 관련 정보(시나리오, 노출계수, 오염도)가 부정확 할수록 예측값의 불확실성이 커질 수 있다. 각각의 방법을 사용할 때는 사용 목적에 따라 내재된 한계점을 고려할 필요가 있으며, 본 연구에서 검토한 한계점들은 이후 보다 정확한 노출평가를 수행하기 위해 개선될 필요가 있다. 세 번째 연구에서는 식약처 표준인체시료의 중금속 4종(카드뮴, 납, 수은, 무기비소)의 측정치와 참여자들의 혈압 자료를 이용하여 중금속의 복합노출과 혈압과의 연관성을 조사하였다. 이 때 전통적인 선형회귀분석과 베이지안 커널 머신 회귀(BKMR), 가중 분위수 합 회귀(WQS) 분석을 이용하였다. 인구집단은 미성년(만 19세 미만)과 성인으로 나누었으며, 중금속 측정치는 소변과 혈액으로 나누어 분석하였다. 선형회귀모형 분석결과, 다른 중금속들을 보정하였음에도 소변 중 납(p < 0.040)과 카드뮴(p < 0.023)이 미성년 집단에서 확장기 혈압(DBP) 증가와 유의미한 연관성이 있는 것으로 나타났으나, 성인에게서는 소변, 혈액에서 네 물질 모두 유의미한 결과를 보이지 않았다. 한편 성인의 경우, BKMR 분석 결과 소변 중 4종 금속의 복합 노출이 수축기 혈압(SBP)를 유의미하게 증가시키는 것으로 나타났으나, WQS 분석에서는 유의미하지 않았다(p =0.684). 미성년 집단의 경우 BKMR 분석에서 소변 중 금속의 복합 노출과 SBP와 DBP 모두 유의미하게 증가하는 것으로 나타났으며, WQS 분석에서는 SBP가 유의미하게 증가하였다(p < 0.007). 이 때, 소변에서 혈압 증가에 미치는 물질은 납(WQS index = 34.2%), 카드뮴(29.6%), 무기비소(28.2%), 수은(8.0%) 순이었다. 본 연구결과는 성인보다 미성년 집단이 노출 수준이 낮음에도 불구하고 중금속으로 인한 건강영향에 보다 민감할 수 있음을 시사한다. 또한, 여러 통계 분석 결과에서 공통적으로 소변 중 납이 혈압과 관련된 유의미한 마커인 것으로 보이며 이에 대한 추가적인 검증이 필요하다. 본 연구에서는 하나의 한국인 일반 인구집단으로부터 수집한 시료로부터 기존에 잘 알려지지 않았던 비소를 중심으로 바이오모니터링 연구를 수행하고, 4종 금속의 바이오모니터링 자료를 이용하여 노출평가와 역학 연구를 수행하였다. 그리고 이를 통해 바이오모니터링 시 어떤 마커·매체를 선택해야하는지, 수집한 자료를 어떻게 해석·활용할 것인지에 대한 답을 주고자 하였다. 본 연구는 개별 연구들이 모두 동일한 인구집단 자료를 이용하였다는 점, 전 연령을 포함한다는 점, 4종 중금속 을 소변과 혈액에서 모두 측정했다는 점, 그리고 현재까지 잘 알려지지 않았던 한국인에서의 비소 노출 수준을 종분리 분석을 통하여 확인하고 이후 연구에 해당 자료를 활용하였다는 점에 의의가 있다. 다만 본 연구에서는 단면조사를 통해 얻어진 시료와 건강영향 자료를 분석하였다는 점에서 한계가 있으므로 이를 보완한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.