독성물질의 신비

Hormesis에 관한 논쟁 데일리환경l승인2015.04.10 22:17

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진정일 고려대학교 KU-KIST융합대학원 석좌교수 학회지 발표문
▲ 박하.

1. 들어가기

부모님들을 위해 자주 사드리는 강력 종합비타민 성분을 자세히 살펴보면 절로 입이 벌어진다. 그렇게 독성이 강하다고 알려진 여러 가지 중금속이 들어있지 않은가! 크롬, 구리, 마그네슘, 니켈, 바나듐, 아연, 망간, 올리브덴은 물론 셀레늄, 보론(붕소)등이 들어있다. 이 어찌된 일인가? 그렇게 여러 가지 중금속들이 건강유지에 필요하다는 말인가?

많은 음주가 건강을 해친다는 것은 너무나 잘 증명된 일이지만 하루에 한․두잔 정도는 오히려 심장혈관질환 방지에 좋다니 이는 어찌된 일인가? 그뿐이 아니다. 동물을 사용한 실험결과에 의하면 약한 γ-선 조사가 오히려 방사선 노출에 의한 백혈병유발 등에 저항성을 증가시킨다니 방사선 동위원소의 유용가치가 크게 늘지도 모르겠다.

적당한 운동이라는 애매한 표현도 재미있다. 과도한 운동은 나이든 사람들에게 지나친 육체적 스트레스를 주고 부작용을 일으키지만, 약간의 스트레스를 주는 정도라면 신체적 건강을 증진시켜 노화를 지연시킨다고 믿는다. 소식장수라는 현상도 같은 부류의 현상으로 설명한다.

우리들에게 익숙지 못한 호르메시스(hormesis)라는 단어가 있다. 영한사전에는 고사하고 커다란 영영사전에도 나오지 않는 단어다. 이 단어는 1943년 C. M. Southam과 J. Ehrlich (Phytopathology, 33, 517-541(1943))이 처음 사용한 단어로 적당한 우리말은 아직 정해지지 못한 것 같다. 어쨌든 이 단어는 매우 낮은 양의 독성물질이나 스트레스가 보여주는 바람직한 생물․생리학적 반응을 뜻한다. 인터넷에 응내성(應耐性)이라는 표현이 어느 곳엔가 눈에 띄는데, 아마도 약한 독성이나 스트레스에 감응하여 내성을 증가시키는 현상을 간단히 표현하려한 듯하다.

2. 역사적 고찰

▲ 진정일 고려대학교 KU-KIST융합대학원 석좌교수.

독일 약학자 Hugo Schulz는 효모 성장이 소량의 독성물질에 의해 오히려 자극을 받아 빨라진다고 1888년에 주장하였다. 후에 독일 의사 Rudolph Arndt는 동물 실험을 통해 Schulz의 주장을 뒷받침함으로써 Arndt-Schulz 법칙을 탄생시켰다. 우습게도 노벨상 수상자 Robert Koch(결핵에 관한 연구공로로 1905년 노벨 생리 의학상 수상)연구실에서 공부하던 Ferdinad Hueppe도 1896년에 Arndt-Schulz 법칙의 중요성을 재차 강조하였다. 이들의 관찰이 독일의 Leipzig를 중심으로 의사들에게 homeopathy법(유사(類似) 또는 동독(同毒) 요법)으로 번지고 있었다. Homeopathy는 소량의 투약이 건강한 사람에게는 치료된 병과 동일한 증상을 일으킨다는 생각이다. 예컨대 복통과 구토증을 보여주는 환자에게 소량의 아르센(비소, As)를 투약하는 것과 같다. 비소중독도 이런 증상을 보여주기 때문이다. 그러나 동독요법에서 투약하는 독성물질의 양은 앞에서 잠깐 소개한 hormesis 경우보다 그 투약양이 매우 낮아 이 둘을 동일시해서는 안된다. 따라서 지금에 와서 보면 Arndt와 Schulz처럼 동독요법을 권장했던 사람들이 hormesis의 창시자라고 볼 수는 없다. 동독요법은 1920-1930년대를 거치면서 그 신빙성이 의심을 받게 되어 의료계에서 점차 무시당하게 되었다. 다른 한편에서는 1898년에 발견된 X-선을 치료방법으로 사용하고 있을 뿐만 아니라, 라디움 같은 방사선 동위원소를 치료제로 사용하고 있었다. 그러던 중 1932년 3월에 당시 미국의 유명한 실업가(Eben M. Byers)가 라디움 치료법을 사용하다가 골수암으로 죽었음이 알려지면서 방사선 hormesis는 끝을 맺었다. 그후 환경보호운동가들이 DDT와 다이옥신같은 독성물질의 피해를 강조함에 따라 homeopathy와 hormesis 얘기는 사라지는 듯 했다. 그러나 Edward Calabrese라는 화학독성학자의 노력에 의해 hormesis에 관한 관심이 다시 증폭하기 시작했다. Calabrese는 현재 미국 매사추세츠 대학교의 공공보건학교 교수다.

3. Edward Calabrese와 Hormesis

Calabrese의 얘기를 읽으며 나 자신의 경험이 헛된 망상이 아님을 확인했다. 정원의 잔디밭에 잡초가 항상 귀찮게 구는지라 잡초제거제를 뿌리기로 했다. 그런데 잡초제거제가 제법 비싸 병에 기술된 사용양보다 훨씬 적은 양을 살포하고는 그 효과를 기다렸다. 아뿔사! 잡초들이 서서히 시들기는커녕 오히려 더 왕성히 자라는 느낌이었다. 그 후 지시대로 양을 늘려 사용하니 잡초들이 시들어 죽었다. Calabrese는 1960년대 Bridgewater State College(미국 매사추세츠 주) 학생이면서 박하식물에 포스폰(phosfon)이라 부르는 식물 성장 방지제를 갖고 실험을 했다. 이 상용 제품은 인과 염소를 포함하고 있었다. 박하 성장이 저해를 받기는커녕 오히려 정상 박하보다 더 잘자라는 것이 아닌가?! 담당교수(Kenneth Howe)도 놀랄 수밖에 없었다. 곧 학생들 실험에 포스폰을 지나치게 묽게 사용했음을 알았다. Calabrese는 같은 실험을 포스폰의 농도를 바꾸어가며 철저히 반복했다. 아니나 다를까. 포스폰을 매우 묽게 사용했을 때 박하의 성장이 촉진된 반면, 고농도에서는 박하들이 시들어 버렸다. Calabrese와 Howe는 1976년에 이 결과를 논문으로 발표했다. 그러나 다른 식물의 성장에도 포스폰이 자극제 노릇을 한다는 보고가 있음을 알았다. 단순히 chemical hormesis뿐만 아니라 radiation hormesis도 다시 사람들의 관심을 끌기 시작했으며 급기야 1989년에 Science지는 hormesis에 관한 논전을 실었다(L.Sagan and S.Wolff, On Radiation, Paradigms and Hormesis, Science, August 11, 1989, 574-575).

Leonard Sagan은 radiation hormesis에 크게 관심을 지니고 있었으며 Calabrese를 자기가 조직하는 학술대회에서 chemical hormesis에 관해 연구 발표를 해 달라고 요청했다.

▲ Edward Calabrese.

이듬해 (1990) Calabrese는 자기가 가르치고 있는 매사추세츠 대학으로 10여명의 과학자를 초청했고, hormesis에 관해 더 깊은 연구가 집단적으로 재개하게 되었다. 또한 BELLE(Biological Effects on Low Level Exposure) 학술회의를 매년 개최해오고 있다. www.belleonline.com을 방문하면 hormesis 연구현황을 알아볼 수 있다. 예컨대 작년 4월 26-27일에는 10th Annual Conference DOSE-RESPONSE 2011: Implications for Toxicology, Medicine, and Risk Assessment가 Amherst(미국 매사추세츠 주)에서 개최되었다. 또 BELLE Newsletters는 이 분야 연구 진전 및 hormesis가 독성과학, 사회, 위험분석 등에 미치는 영향 등을 분석한 논문들을 보여주고 있다.

 4. 되돌아온 Hormesis 주장들

Hormesis(희랍어 horme: 활성화에서 유래했음)라는 표현을 처음으로 1943년에 사용한 Southam과 Ehrlich는 나무를 썩게 하는 버섯류의 성장을 막는 천연항생제의 영향을 조사하였다. 그들은 천연항생제를 적삼목에서 추출해 사용했다. 그들이 항생제 양을 fungus 생장저해 필요양보다 적게 사용했을 때 fungus의 성장이 오히려 촉진되었다.

2차 세계대전 후반기에 미국은 항생제의 부족을 어떻게 해결할지 묘안을 찾고 있었다. 궁여지책으로 권장사용량 이하로 사용량을 조절할 것을 검토했다. 그러나 Miller 등의 연구(Nature, 1945, 155, 210-211)는 그를 허락지 않았다. 그들 연구 결과에 따르면 권장 사용량보다 항생제 복용량을 낮추면 병균들이 오히려 더 왕성하게 자라는 것이었다. Hormesis의 권위자였던 Thomas Luckey는 항생제를 가금의 성장 촉진제로 사용하는 연구를 수행했다(1956). 그 후 Davis와 Hidu는 조개와 굴의 배아 발달과 larvae 성장에 소량의 농약이 오히려 촉진제 노릇을 한다는 보고를 했다. 이런 관찰과 보고에도 불구하고 충분한 과학적 설명이 불가능하여 hormesis에 관한 관심이 사라지나 싶었다.

Calabrese와 그와 생각을 같이하는 과학자들의 노력으로 hormesis 이론의 지지가 최근에 확산되어 가는 추세다. 박테리아, 곤충, 식물, 물고기류 다양한 바이오계에서 hormesis가 관찰되고 있으며, 젖먹이 동물에서는 논란이 아직도 크지만, 지지층이 두터워지고 있다. Calabrese와 Baldwin은 2003년에 ‘Toxicology Rethinks Its Central Belief’ 라는 제목의 글을 Nature(2003, 2월 13일, Vol. 421)지에 실었다. 그는 ‘호르메시스는 생물과학 전역에서 투약량-반응에 대한 패러다임의 변화를 말해준다.’ 라고 결론을 내렸다. 같은 해에 Science지는 Calabrese의 주장을 조사한 내용을 Sipping from a Poisoned Chalice' ('Science, 10월 17일(2003))라는 제목하에 4-페이지 기사를 싣고 ‘과학계에서 믿지 않던, 호르메시스가 놀랍게도 되돌아오고 있다’고 논평하였다. 연이어 Fortune, U.S. News &World Report 등도 이 내용을 2003년과 2004년에 크게 다루고 있다.

초창기에는 생명체가 필요로 하는 지극히 소량의 원소, 예컨대 중금속 또는 인(P)과 같은 원소 등을 공급해 주기 때문에 호르메시스가 관찰되는 것이라고 생각했다. 그러나 복용량을 매우 낮은 수준으로 낮출 때 호르메시스가 관찰되지 않는 경우가 드물기 때문에 새로운 법칙(law)을 이야기하고 있다고 주장하는 과학자도 있다.

5. 호르메시스의 예

지금부터 호르메시스가 확실시되는 몇 가지 예를 들어보기로 한다.

알코올

소량의 알코올 섭취는 심장병과 뇌졸중 방지에 좋다고 믿고 있다. 최근에 UCLA의 한 연구팀은 생물실험에서 자주 사용하는 Caenorhabditis elegans(예쁜 꼬마선충)의 수명이 소량의 알코올(0.005%)에 의해 두배로 증가함을 발견했다. 알코올양을 0.4%로 증가했을 때는 장수효과가 없었다. 카페인과 니코틴의 이로운 효과도 언급되고 있다. 물론 이들은 모두 고농도에서는 독성을 보여준다.

메틸수은

Gary Heinz등은 지난 2010년에 Environmental Toxicology & Chemistry지에 놀랄만한 논문을 발표하였다. 그들은 메틸수은을 소량 물오리에 먹이니까 물오리 알의 부화를 촉진했다고 보고하면서 호르메시스의 분명한 예라고 주장하였다. 그러면서도 자기들이 사용한 물오리들이 감염되어 있었으며, 메틸수은이 감염을 없앴기 때문에 그런 결과를 얻었을 가능성을 완전 배제하지는 않았다.

노화 감속과 수명연장

노화학자들 중에는 세포나 기관을 약한 스트레스에 노출시키면 적응능력이 향상되어 여러 가지 생물학적 이점이 생긴다고 즉 hormesis를 믿는 사람들이 많다. 약한 스트레스를 주는 가장 간단한 방법은 반복적으로 하는 가벼운 운동과 소식을 예로 들 수 있다. 이런 생활 방식은 노화를 느리게 하고 수명을 연장한다고 믿는다. 일부 약초나 양념성분의 소량 섭취도 호르메시스 현상을 보여준다.

방사선 호르메시스

자연적인 백그라운드 수준보다 약간 강한 방사선을 쬐여주면 생체의 수선(복구) 메카니즘을 활성화시킨다는 주장이 방사선 호르메시스다. 세계적으로 유명한 유방암 전문가인 Mina Bissell은 약한 방사선이 DNA 수선 메카니즘을 더 활발하게 해준다고 믿는다. 우리들이 항시 자연계 라돈방사선에 노출되어 있는데 미국의 한 연구진(Richard E. Thompson 등)은 자연방사선 수준보다 아주 조금 더 높은 방사선에 노출시키면 폐암에 걸릴 위험이 감소한다는 내용을 발표하였다. 쥐와 개를 실험동물로 사용한 경우 저수준의 γ-선에 노출시키면 오히려 방사선에 의한 암발병률로 낮춘다는 보고는 종종 있어왔다. 사람의 경우는 실험이 어려운 관계로 매우 제한된 연구결과만 있어 결론을 내리기 어렵다. Wikipedia의 Radiation hormesis를 찾아보면 더 다양한 이야기를 접할 수 있다.

6. Hormesis와 다이옥신이야기

월남전에서 미군이 1967-1970년 사이에 사용한 고엽제(Agent Orange)속에 불순물로 들어있던 다이옥신의 영향(발암과 기형아 탄생), 1976년 이탈리아 세베소(Seveso)에 있던 Hoffman-LaRoche 화학공장 폭발로 의한 다이옥신의 확산, 미국 뉴욕주의 나이아가라 폭포 가까이 있는 Love Canal을 오염시킨 Hooker 화학회사의 폐기물 중에 들어있던 다이옥신이 1970년대 말에 미국을 뒤흔든 사건, 1982년에 미국 미주리주의 Times Beach 근처에 있는 살균제 제조공장으로부터 흘러나온 다이옥신의 발견 등이 전 세계에 경각심을 일으켰다. 다이옥신의 독성이 얼마나 큰지 세계 사람들을 놀라게 했다. 성급히 미국의 질병컨트롤센터(Centers for Disease Control, CDC)는 다이옥신의 허용량을 1ppb으로 정했다. 이 숫자는 100만인이 평생 지속적으로 1ppb의 다이옥신에 노출되면 그렇지 않은 경우보다 추가적 암발생이 한사람 더 생기리라는 추론에 근거하였다. 이 추론은 복용량(dose)과 위험(risk) 사이에 선형관계(linearity)가 성립한다는 가정에서 출발했다. 그러나 이런 접근법이 얼마나 잘못된 것인지 곧 판명됐다.

세베소 공장 폭발시 약 900에이커가 다이옥신으로 오염되었으며, 다이옥신 오염도는 500ppb나 되었다. CDC 기준의 500배나 되었다. 그러나 주민들의 병력을 면밀히 검토한 결과 한건도 이상 증후를 발견하지 못했다. 1991년에 미국의 환경보호청(EPA)은 다이옥신의 독성을 재검토하였다. 현재로는 다이옥신이 아스베스토스, 라돈, 니켈, 크롬화합물이나 흡연보다 훨씬 독성이 낮은 것으로 이해되고 있다. 사실 인류는 이 지상에 태어날 때부터 다이옥신에 노출되어 있어 그에 대한 대항력이 큰 편이다. 산불이 가장 큰 다이옥신 배출처라면 모두 놀랄지 모르겠다. 더구나 hormesis 신봉자들에게 힘을 실어주는 실험적 사실이 쌓이고 있다. 실험용 쥐 사료에 다이옥신을 소량 첨가하면 발암률이 현격히 감소하였다. 다이옥신이 예상과 달리 쥐를 암으로부터 보호하는 것이 아닌가! 이 얼마나 신기한 일인가.

7. 맺음말

필자의 연구분야는 독성학과는 거리가 먼지라 hormesis의 과학적 뒷받침에 관해 발표된 생물․생리 및 병리학적 이론이나 설명은 시도하지 않기로 한다. 이에 관심있는 독자들은 BELLE Newsletter(http://www.belleonline.com/newsletters.htm)를 방문하면 최근의 연구결과 및 hormesis와 독성물 규제 등 광범위한 논전을 접할 수 있다. 필자에게는 A.R.D. Stebbing의 글 ‘A Theory for Growth Hormesis' (BELLE Newsletter, 6(1), September 1997)가 hormesis를 이해하는데 많은 도움을 주었다. 이 글에서도 말하고 있지만 아래처럼 호르메시스를 요약할 수 있다.

1. Hormesis는 특수(독성)물질에 국한되지 않고 다양하게 관찰되며,

2. 복용량- 반응관계 곡선이 일관되게 β-곡선형을 보여주고,

3. 호르메시스는 생물계가 보여주는 일반적인 적응반응의 결과로 이해된다.

아직 미국을 포함한 세계적 환경․보건 기구들은 호르메시스에 의한 새로운 규제(오히려 규제 해제)는 하지 않고 있다.

단정적으로 말할 수 있으려면 훨씬 더 많은 연구가 필요하지만, hormesis가 정말 새로운 발견이라면 독성의 정의를 이제 다시 내려야할 때가 오고 있는 모양이다.<진정일 석좌교수와 학회지의 동의에 의해 게재함을 밝힙니다.>


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