담배의 독성화학물질

서울대학교 약학과   정 진 호

1. 담배 중의 화학물질에 의한 인체독성의 특성

   담배를 통하여 인체에 노출되는 수많은 화학 물질들은 각각 고유한 물리, 화학적 및 독성학적 특징을 갖는다. 따라서 담배 중에 함유된 화학물질은 다양한 인체 위해성(risk)을 갖고 있다. 여기서 말하는, 위해성(risk)은 어떤 화학물질이 갖고 있는 인체 독성정도와 그 물질이 체내에 얼마나 노출되었는지 그 강도 두 가지 요소에 의하여 결정될 수 있다. 

1)  화학물질에 의한 용량-독성반응 관계

   담배속에 함유된 다양한 화학물질의 독성은 정성적이기 보다는 정량적이기 때문에, 그것을 평가하는 데는 용량-독성반응관계 (dose-response relationship)를 알아야 한다. 즉 흡연을 통하여 독성 효과를 나타낼 때에는, 흡연량(dose)과 독성효과를 지칭하는 반응(response)을 다 표시해 주어야 하며 담배속에 함유된 화학물질마다 다양한 curve를 나타낸다 (Fig. 1).  용량-독성반응 관계를 구하는 첫 번째 방법으로 가장 보편적으로 사용하고 있는 동물실험이 있다.  그러나 동물실험에 각종 화학물질을 단기간, 다량 사용하기 때문에 실제로 사람에  미량, 장기간 노출되는 독성효과를 정밀히 예측하는데 어려움이 있다.  두 번째 방법은 역학적인 접근으로써 실제로 화학물질의 노출에 의한 사람에 발생한 경우의 용량-독성반응 관계를 구하는 것이다.  예를 들면 흡연량과 폐암과의 상관성 연구들이 있으며 흡연을 통한 화학물질과 인간의 독성작용에 대한 많은 보고가 있다. 
그리고 담배속의 화학물질은 단일 화학물질에 의한 노출이 아니라 혼합물질에 노출되는 경우가 있는데 일반적으로 혼합물질에 의한 노출은 단일물질보다 독성이 증가될 가능성(additive, potentiation)이 높다.  즉 A라는 화학물질의 독성이 1이며 B라는 화학물질의 독성이 3 이라고 가정했을 때, A와 B가 동시에 노출되어 독성이 4가 되는 경우는 상가효과(additive effect)라고 하며 10이 되는 경우는 증폭효과(potentiation)라 한다.

 

2)  담배 흡연 기간 및 흡연 빈도

    담배속의 화학물질에 노출되고 나서 독성반응이 얼마 만에 나타나는지에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 급성(acute) 독성은 단일화학물질에 대해 노출 된지 24시간 내에 독성이 나타나는 경우이다. 일반적으로 흡연은 만성(chronic) 독성으로써 그 화학물질에 반복하여 장기간 노출되는 경우에 생기는 것으로 만성 독성은 암을 유발 시킨다거나(발암성 물질) 기형아 출산 위험을 높이는 경우(최기형성 물질)가 이에 해당된다.  일반적으로 흡연기간이 길어질수록 흡연빈도가 많을수록 독성도 증가된다. 

3) 담배의 화학물질의 주요 인체노출 경로

    화학물질이 노출되는 경로는 호흡계, 피부 접촉, 소화관 흡수, 주사 등 크게 4가지로 나눌수 있다.  그러나 담배에 의한 화학물질 노출은 주로 호흡계 및 부분적으로 소화관을 통하여 인체에 노출된다.

   호흡계는 혈관이 풍부할 뿐만 아니라 폐공 표면과 혈관사이는 불과 1-2 μm의 얇은 간격으로 구성되어 있으며 표면적이 피부에 비하여 약 50배 정도 넓기 때문에 담배에 함유된 화학물질의 침투를 받기 매우 쉽다. 

   호흡계를 통해 체내에 노출되는 화학물질의 상(phase)은 크게 기체상(gas phase)과 고체상(solid phase) 등 두 가지로 나눌 수 있다. 기체상(gas phase)의 물질도 물에 잘 녹는 것과 물에 대한 용해도가 적은 두 가지로 세분된다. 담배 중 화학물질인 아세톤, 메탄올, 암모니아 및 포름알데히드는 수용성이 커서 증기형태로 코나 기관지 같은 상기도에 흡착, 침착 되어 독성을 일으킨다. 이에 반하여 이산화질소 같이 수용성이 적은 기체들은 폐공 같은 하기도까지 침투가 가능하다. 

   고체상(solid phase)의 화학물질은 입자 크기(size)에 따라 호흡계에 미치는 독성작용에 차이가 있다.  지름이 5 μM 이상의 입자는 코와 같은 상기도에, 1-5 μM 입자는 기관지, 1 μM 미만이면 폐포(alveolar) 까지 도달하기 때문이다.

4) 담배중의 발암물질 (Carcinogenesis)

 담배속의 많은 화학물질은 만성적으로 노출되었을 때 암을 일으킬 수 있는 발암물질(carcinogen)이 될 수 있다.  화학물질에 의한 암을 일으키는 기전은 크게 둘로 나뉜다. Initiation은 DNA에 비가역적인 변화를 일으키는 것으로 담배중의 많은 화학물질이 initiator로써 작용하고 있으며, promotion은 자체는 carcinogen이  아니지만 이미 initiated cell에는 저농도만 있어도 암발생을 증가시켜 주며 promotor로 알려진 대표적인 화학물질은 estrogen, phorbol ester 등이 있다. 

화학물질을 인간 및 동물시험을 통하여 미국 환경청(EPA)에서는 다음의 5단계로 분류하였다 (Table 1).   Table 1에서 보는 바와 같이 담배중의 많은 화학물질이 A 등급 및 B 등급에 해당하고 있다. 

  Table 1. 발암물질 등급 및 담배 함유 화학물질 (미국 환경청, 1987)

A : 역학조사를 통하여 인체발암성 확인   

     ex) Benzene, Vinyl chloride, Arsenic

B : 아마도 인체 발암물질 (Probable human carcinogen)

     ex) Formaldehyde, Chloroform 

C : 인체에 발암 가능성 (Possible human carcinogen)                  

    ex) Chlorodibromomethane, 1,1,-Dichloroethylene

D : 실험동물에서는 발암성이 있으나 사람에게는 분명치 않음

    ex) Diethylphthalate

E : 실험동물 및 역학조사에서 발암성이 분명치 않음

 
5) 담배중의 최기형성물질

   최기형성 물질은 임산부에게 노출되었을 때 유산, 기형아를 일으키는 화학물질을 말한다. 임신 기간 중에서도 'critical period(임신 3-7주)'가 있어(Fig. 2), 이 기간에 최기형성 물질에 노출되면 가장 위험하다. 왜냐하면 critical period 동안에는 세포분화 및 장기형성(organogenesis)이 완성되기 때문이다.  현재까지 최기형성이 있는 걸로 알려진 담배 속의 화학물질은 페놀, 벤젠, Quinolines, indoles, 2-cyclopenten-1-ones 등이 있다.

 

2. 담배중의 유해한 화학물질

  담배는 ‘죽음의 칵테일 (lethal cocktail)’이라고 불릴 만큼 많은 종류의 유해한 물질들을 함유하고 있다. 담배연기 내의 주요 성분은 타르 (tar)와 니코틴 (nicotine)인데 담배 연기를 한 번 들이 마실 때에 약 50cc의 연기가 폐속으로 들어가는 것으로 알려져 있으며, 이때 이산화탄소 전량과 니코틴의 90%, 타르의 70%가 몸속으로 흡수되는 것으로 나타났다. 니코틴과 타르 이외에도 담배에는 약 4000가지 정도의 화학적 성분이 포함되어 있는 데 이들 중 약 600종의 화합물은 합법적인 첨가물로 커피 추출물 (coffee extract), 설탕 (sugar), 바닐라 (vanilla), 코코아 (cocoa), 멘톨 (menthol), 카라멜 (caramel), 클로로필 (chlorophyll) 등이다. 반면 담배 내에는 아세톤 (acetone), 메탄 (methane), 크레졸 (cresol), 나프탈렌 (naphtha-lene), 시안화물 (cyanide), 암모니아 (ammonia), 벤조피렌 (benzopyrene) 등의 수많은 독성물질이 함유되어 있는데 약 40여 종의 물질들이 발암물질로 알려져 있으며, 최근에는 강력한 발암물질로 알려진 다이옥신 (dioxin)이 담배 속에 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다.

하루 4개비 이상의 흡연을 하는 사람들 중에 85-90%는 정기적인 흡연자가 된다고 한다. 미국 The Surgeon General의 보고서도 담배의 니코틴이 헤로인이나 코카인과 같은 물질과 같이 강한 의존성을 가지고 있다고 발표했다. 이 때문에 흡연에 중독된 사람은 의학적 측면에서 습관성 약물 중독자와 같은 상태로 분류한다.

 

￭ 담배 속의 주요 유해 물질들은 다음과 같은 용도로 사용되는 물질이다.

- 비 소: 개미 살충제로 사용됨.

- 암모니아: 세척제로 사용됨.

- 부 탄: 불붙이는 점화액으로 사용됨.

- 카드뮴: 재충전 배터리에 사용됨.

- 일산화탄소: 차 배기가스에 포함됨.

- 시안화물: 쥐약으로 사용됨.

- 포름알데히드: 시체 방부제로 사용됨.

- 메탄올: 제트기 연로로 사용됨.

이 중 흡연시 발생하는 수많은 화학물질 중 인체건강에 가장 해로운 다음을 설명하고자 한다.

1) 니코틴 (nicotine)

 담배 내에 존재하는 대표적인 습관성 물질로 니코틴이 뇌에 작용하면 신경전달물질인 도파민 (dopamine)의 생성을 증가시켜 기분이 상승되도록 하는 작용이 있다는 것이 최근에 밝혀졌다. 연구 결과 니코틴은 마약류보다도 중독성이 더 강한 것으로 나타났는데, 이러한 중독성으로 인하여 금연을 시도하는 사람들 중에서 단지 7%만이 금연에 성공하는 것으로 파악되었다.

니코틴은 매우 유독하여 일시에 약 60 mg (담배 30개피의 양)이 흡수되면 대부분의 사람은 사망에 이르게 된다. 한 모금의 담배연기를 흡입하는 경우에 0.1-0.2 mg의 니코틴이 체내에 흡수되는 것으로 알려지고 있다. 흡입된 니코틴은 구강이나 비강의 피부나 점막층으로 흡수되거나 호흡을 통해 폐에서 흡수되는데, 담배 연기 흡입 후 약 10초 내에 뇌로 니코틴이 이행되는 것으로 밝혀졌으며 시가나 파이프 담배의 경우는 주로 구강의 점막으로 흡수되므로 궐련보다 전신으로 퍼지는 속도가 느리게 나타났다.

니코틴은 체내에 작용하여 정신적 안정감, 기억 증진, 긴장감 해소, 스트레스 감소를 나타내는 장점이 있으나 모세 및 말초혈관을 수축시키고, 혈압상승, 심박동 항진, 기침, 불임, 위궤양, 습관성을 일으킨다. 흡연을 쉽게 중지하지 못하는 주된 원인이 니코틴에 의한 금단현상의 발생 때문인데  금연 후 1시간 내에는 손이 허전한 느낌을 갖게 되고, 금연 후 3시간이 경과하면 불안감과 초조함이 커지고 손이 부자연스럽게 느껴진다. 금연 후 2일이 경과되면 가슴 통증과 두통이 발생하고, 금연 후 3일이 경과되면 온몸에 가려움증을 느끼게 된다. 이러한 금단현상은 약 14일후에는 모두 사라지는 것으로 알려져 있다.

2) 타르 (tar)

 담배연기에서 추출되어 나온 미세한 물질들 중에서 물과 니코틴을 뺀 나머지 물질을 통틀어 타르라고 부른다. 담배가 우리 건강에 주는 해독의 대부분은 바로 이 타르 속에 들어 있는 각종 독성물질과 발암물질에 의한 것이다. 담배가 약 800℃ 정도로 연소될 때 타르는 작은 입자로 되어 기관지나 폐로 들어가며, 이중 크기가 1 ㎛ 정도의 입자들은 약 60% 이상이 폐 속으로 들어가 배출되지 않고 호흡기 점막의 섬모상피세포와 폐포세포에 손상을 일으키는 것으로 나타났다.

타르는 단일성분이 아니고 약 200종 이상의 성분들의 혼합물인데, 약 20여종의 A급 발암물질을 포함한 다양한 종류의 발암물질들을 함유하고 있어 흡연으로 인한 발암의 주요원인으로 파악되고 있으며, 그중에서 대표적인 발암물질은 벤조피렌 (benzopyrene)이다.

3) 일산화탄소 (carbon monoxide: CO)

 일산화탄소는 무연탄 냄새로 이미 우리에게 잘 알려진 물질로 담배를 피우는 것은 마치 적은 양의 무연탄 냄새를 지속적으로 맡고 있는 것과 같다, 담배연기 속에 최고 45,000 ppm이 함유된 일산화탄소는 혈액의 산소운반 능력을 감퇴시켜 장기 흡연의 경우 만성 저산소증 현상을 일으켜 신진대사에 장애를 주고 조기 노화현상을 일으킨다. 일산화탄소의 혈액 내 농도가 2%에 도달하면 중추신경계의 기능이 둔해지고 기억력이 감퇴되며 두통 발생, 현기증, 권태, 시력저하, 오심, 구토감이 오며, 심장 박동이 증가하고, 호흡곤란이 나타나고, 혈액 내 일산화탄소의 농도가 50-60%에 이르면 혼수상태와 발작을 일으키고 그 이상이 되면 사망하게 된다.

4) 벤젠 (Benzene)

 Benzene을 폐의 내부까지 흡입시키면 폐부종이나 접촉부위에 출혈이 일어난다. 중독증상은 졸음, 어지러움, 두통, 의식상실 등이다. 따라서 benzene의 급성독성은 주로 중추신경계에 대한 영향에 의한다고 생각해도 된다.  Benzene의 만성노출은 중추신경이나 위, 장관에 대해서도 영향을 주는 것 같은데 가장 중요한 독성이 나타나는 부위는 조혈조직의 손상에 관한 것이며, 골수에 대한 독성에 이 화합물의 특징이 있다고 말할 수 있다.  제일 먼저 나타나는 독성은 혈액의 응고력이 저하되는 것으로 혈액의 모든 성분이 감소되어 백혈구 감소증(pancytopenia) 및 재생불량성 빈혈(aplastic anemia)이 발생한다. 만성적으로 노출되면 골수가 과다증식하여 백혈병을 일으키는 것으로 알려져 있지만, 재생불량성 빈혈이 만성적인 건강문제로 대두될 가능성이 많다.

5) 톨루엔 (Toluene)

  Benzene에 비교하면 독성은 상당히 약하다. 200～300 ppm인 toluene에 8시간 노출된 사람에서 중추억제, 피로, 착란과 같은 증상이 보고되고 있다. 접착제에 쓰이는 용제를 흡입하는 소위 신나놀이에서 때로 심한 toluene의 급성중독이 나타난다. 그 같은 예에서 간이나 신장에 심한 손상이 보이며 황달이 발생하며 단백뇨도 나타난다.

6) 염화비닐 (Vinyl chloride)

Polyvinyl chloride 생산공장의 직업병으로 골연화증이 있다. 이것은 염화 vinyl의 중합솥의 청소자에 한해서 발병하며 뼈가 연화하는 병이다. 이것과는 달리 간혈관종이라는 매우 드문 병으로 사망하는 예가 보였다는 점에서 vinylchloride의 발암성이 주목을 받게 되었다. 미국의 역학적 조사결과를 보면 염화 vinyl 공장노동자가 일반인에 비해 간 및 담관암에 의해 사망하는 사람이 많다고 보고되고 있다.

7) 기타 화학물질

위에 열거한 화학물질을 제외한 담배중에 599종의 화학성분의 구조가 밝혀진바 있으며, 이 중 설탕, 바닐라 추출물, 식초 등 인체에 별로 해롭지 않은 물질을 포함하고 있지만, 니코틴 보다 훨씬 독성이 강한 물질도 흡연을 통하여 노출될수 있다. 

 

3. 흡연을 통한 질병 발생

1) 흡연으로 인한 유병률의 증가

 흡연을 통하여 많은 화학물질이 노출됨으로써 만병의 원인으로 주목되고 있다. 10년 이상의 장기 흡연자는 일반인보다 성인병을 앓고 있는 유병률이 2배 이상 증가하는 것으로 보고되었고, 만성호흡기질환과 기관지천식 등 흉부질환의 경우 장기흡연자 유병률이 일반인의 4.8배에 이르며, 고혈압 유병률도 흡연자가 23%인데 비해 일반인은 9.2%이며, 고지혈증 유병률 역시 일반인이 4.6%였으나 흡연자는 8.7%로 높게 나타났다. 간질환은 장기 흡연자 유병률이 17.2%이고 일반인은 14.2%로 나타나 흡연자들의 유병률이 비흡연자보다 현저히 높게 나타나고 있으며, 장기 흡연자는 비흡연자보다 약 7년의 수명이 단축되는 것으로 보고되고 있다.

2) 흡연에 의해 발생하는 질병

 많은 발암물질이 노출됨에 따라 흡연이 유발하는 질환은 암 종류만도 폐암, 구강암, 인두암, 췌장암, 후두암, 방광암, 신장암 등 8가지에 달한다. 또 폐결핵, 폐렴, 독감, 기관지염, 폐기종, 천식, 만성기도장애와 같은 호흡기질환, 류머티스성 심장질환, 고혈압, 폐성 심장질환, 뇌혈관질환, 동맥경화, 대동맥류와 같은 심혈관질환을 일으키고, 체중미달아, 신생아호흡장애증후군, 신생아돌연사증후군 등 소아질환도 유발한다.

3) 흡연으로 인한 사망

 전 세계적으로 흡연자는 약 11억명으로 세계 인구의 약 1/3을 차지하고 있으며 세계의 남성의 47%, 여성의 12%가 흡연을 하고 있고 매년 350만명의 인구가 흡연 관련 질환으로 사망하는 것으로 나타나고 있다. 이는 8명중 1명 꼴로 흡연으로 인한 원인으로 사망하는 높은 수준인데 1일에 약 10,000명이 사망하는 정도이며, 선진국에서는 흡연자들이 서서히 감소하는데 비하여 개발도상국에서는 지속적으로 흡연자들이 증가되고 있어 현재 사망자중 70%가 개발도상국의 국민으로 알려지고 있다. 흡연으로 인한 사망자의 수는 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상되어 2020년에는 매년 1000만명이 사망할 것으로 예측되고 있다. 미국내에서는 약 4700만명에 달하는 흡연자들이 존재하고 매년 40만명 이상이 흡연과 관련된 원인으로 사망하는 것으로 보고 되었으며, 미국내에서 흡연으로 인한 질병과 사망으로 지불하는 의료비의 총액은 매년 약 730억 달러 이상으로 미국내 총 의료비의 11%를 차지하고 있다. 국내에서는 흡연으로 인한 추가의료비가 연간 2조 3천억원이 소요되고, 직간접적인 경제적 손실이 3조 5천억원에 이르는 것으로 추산되고 있다.

미국인을 대상으로 하여 흡연으로 인한 사망자의 사망원인을 분석한 결과 가장 높은 사망원인이 폐암으로 나타났으며, 이어서 만성 폐혈관질환, 허혈성 심장질환, 간접흡연, 다른 종류의 암, 뇌일혈의 순으로 나타나 흡연과 폐암으로 인한 사망의 긴밀한 연관성을 보여주고 있다.  이는 담배를 연소시킬때 인체에 노출되는 다양한 발암성물질이 체내에 유입되어 암을 일으키는 것으로 사료된다.

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