복강 내 및 정맥 투여된 생물합성 구리 및 산화아연 나노입자의 랫트 내 생체 내 독성 평가
초록
구리(Cu)와 산화아연(ZnO) 나노입자(NPs)는 화장품, 식품 첨가제, 의약품에서 항균제로 널리 사용됩니다. 그러나 인간과 생태계에 대한 잠재적 독성은 여전히 중요한 우려사항입니다. 본 연구는 수컷 Wistar 랫트에서 복강 내(i/p) 또는 정맥(i/v) 투여된 생물합성 CuNPs(Bio-CuNPs)와 ZnONPs(Bio-ZnONPs)의 체내 거동과 안전성 프로필을 조사했습니다. 용량은 항균 연구에서 사용되는 농도를 반영하여 Bio-CuNPs 6.1-19.82 µg kg⁻¹, Bio-ZnONPs 11.14-30.3 µg kg⁻¹ 범위로 설정했습니다. 28일간 사망률, 체중, 행동, 혈액학, 혈청 생화학(크레아티닌, ALT, AST, ALP), 장기 무게, 간·신장·비장·뇌의 조직병리학을 모니터링했습니다. 두 그룹 모두 사망은 발생하지 않았습니다. Bio-ZnONPs는 투여 경로에 관계없이 간·신장 바이오마커를 변화시키지 않았고, 체중 변화도 미미했습니다. 반면 Bio-CuNPs는 9.5-11.7 µg kg⁻¹(i/v)에서 혈청 ALT, AST, ALP의 경도-중등도 상승을 유발하여 28일까지 지속되었으며, 비장과 간 지수 감소와 간공포화 및 신장 세뇨관 손상의 조직병리학적 증거를 동반했습니다. 복강 내 투여는 이러한 영향을 완화했습니다. 전반적으로 Bio-ZnONPs가 더 유리한 안전성 프로필을 보였으며, 정맥 내 생물의학 적용에 적합할 잠재력을 시사합니다.
배경
구리와 아연은 필수 미량 원소이나, 나노입자 형태의 과도한 노출은 용혈, 위장 자극, 장기 독성을 유발할 수 있습니다. 금속 기반 나노입자가 소비자 및 의료 제품에서 급속히 확대됨에 따라, 이들의 생물학적 상호작용과 잠재적 위험을 이해하는 것이 최우선 과제가 되었습니다. 이전 생체 내 연구들은 CuNPs와 ZnONPs의 비강, 기관 내, 경구 노출을 조사했으나, 정맥(i/v)과 복강 내(i/p) 같은 전신 경로에 대한 데이터는 여전히 부족합니다. 본 연구는 항균 효능 연구에 맞춘 용량 범위에서 16-96 nm 생물합성 CuNPs와 ZnONPs의 독성동역학과 장기 수준 효과를 수컷 Wistar 랫트에서 평가함으로써 이 간극을 메웁니다.
실험 방법
생물합성
CuNPs와 ZnONPs는 비병원성 Enterococcus faecalis 상등액을 이용해 세포외에서 생성했으며, 구형 입자로 CuNPs 12-90 nm, ZnONPs 16-96 nm 크기를 얻었습니다(FeSEM 및 TEM 확인).
동물 실험 설계
16-17주령 수컷 Wistar 랫트(160-200 g)를 1주일간 순화시킨 후 투여했습니다. 랫트를 경로별(i/p, i/v)로 6개 그룹에 무작위 배정했으며, 각 그룹당 6마리씩 구성했습니다. 용액은 멸균수(50 mg mL⁻¹ 스톡)로 제조하고 Bio-CuNPs 6.1-19.82 µg kg⁻¹, Bio-ZnONPs 11.14-30.3 µg kg⁻¹로 희석했습니다. 대조군은 증류수를 투여받았습니다. 모든 절차는 우수실험기준(GLP)을 따르고 기관 동물실험윤리위원회 승인(승인번호 346/CPCSEA)을 받았습니다.
관찰
임상 징후를 매일 기록했으며, 사료·음수 섭취량, 체중, 행동을 이틀마다 모니터링했습니다. 혈액학(적혈구, 백혈구, 헤모글로빈, 혈소판)과 혈청 생화학(크레아티닌, ALT, AST, ALP)은 14일과 28일에 측정했습니다. 사후 장기 무게를 측정하고 장기 지수를 계산했습니다: OX = (장기 무게/동물 무게) / (대조군 장기 무게/대조군 동물 무게). 간, 신장, 비장, 뇌의 조직학적 절편을 H&E 염색하여 현미경으로 검사했습니다.
통계 분석
데이터는 평균 ± SD (N = 6/group)로 표현했습니다. 통계적 유의성은 ANOVA와 사후 검정으로 평가했으며, p < 0.05를 유의한 것으로 간주했습니다.
결과 및 고찰
체중 및 임상 관찰
모든 랫트가 28일 기간을 생존했습니다. 체중 감소는 두 나노입자 유형 모두에서 미미했습니다(<5%)且一过性。Bio-ZnONPs가 가장 작은 체중 변화를 보였으며, Bio-CuNPs는 최고 i/v 용량(11.7 µg kg⁻¹)에서 28일째 통계적으로 유의한 감소를 보였습니다(p < 0.05).
혈액학
14일째 혈액학에서 Bio-CuNPs(i/v)가 IC₅₀와 TLC에서 적혈구, 백혈구, 혈소판 수가 약간 감소했으나 유의하지 않았습니다. 28일째에는 혈액학적 매개변수가 기준선으로 회복되어 지속적인 조혈 독성이 없음을 나타냈습니다. Bio-ZnONPs는 어떤 용량이나 경로에서도 혈액학적 지표를 변화시키지 않았습니다.
혈청 생화학
크레아티닌 수치는 모든 그룹에서 정상 범위 내에 있었습니다. Bio-CuNPs(i/v)는 ALT(최대 67.7 mg dL⁻¹), AST(70 IU L⁻¹), ALP(128 IU L⁻¹)의 완만한 상승을 유발하여 28일까지 지속되었으며, 이는 간세포 손상과 담즙정체를 반영합니다. 대조적으로 Bio-ZnONPs(양쪽 경로)는 어떤 용량에서도 ALT, AST, ALP를 유의하게 변화시키지 않았습니다. 복강 내 경로는 Bio-CuNPs의 간 효소 상승을 완화하여 경로 의존적 독성을 강조했습니다.
장기 지수 및 조직병리학
간과 비장 지수는 Bio-CuNPs(i/v)에서 IC₅₀와 TLC에서 유의하게 감소했습니다(p < 0.05), 반면 Bio-ZnONPs는 감지 가능한 변화를 일으키지 않았습니다. 조직학은 이러한 결과를 뒷받침했습니다: Bio-CuNPs(i/v)는 간세포질 공포화, 중심정맥 울혈, 신장 세뇨관 괴사를 유발한 반면, Bio-ZnONPs는 정상 구조를 보존했습니다. Bio-CuNPs(i/v) 비장 절편에서는 적색 수질 세포성 감소가 나타났으나, Bio-ZnONPs 노출 후 비장 구조는 온전했습니다.
경로 의존적 독성
정맥 투여는 복강 내 투여에 비해 Bio-CuNPs에 대해 일관되게 더 큰 생화학적 및 조직병리학적 변화를 유발했습니다. Bio-ZnONPs는 두 경로 모두에서 잘 견디며, 미미하고 가역적인 체중 변화 외에 장기 손상이 없었습니다.
결론
이 포괄적인 생체 내 평가는 생물합성 ZnONPs가 전신 투여 시 랫트에서 CuNPs보다 우수한 안전성 프로필을 가짐을 입증합니다. CuNPs는 특히 정맥 경로에서 용량 의존적 간독성과 신장 손상을 유발한 반면, ZnONPs는 비교 농도에서 무시할 만한 부작용만 일으켰습니다. 이러한 결과는 정맥용 ZnONPs의 생물의학적 적용 가능성을 추가 탐색할 것을 지지하며, CuNPs는 장기 독성을 완화하기 위해 신중한 용량과 경로 최적화가 필요함을 시사합니다.
약어
- ALT
- 알라닌 아미노전달효소
- AST
- 아스파르트산 아미노전달효소
- ALP
- 알칼리성 인산분해효소
- Bio-CuNPs
- 생물합성 구리 나노입자
- Bio-ZnONPs
- 생물합성 산화아연 나노입자
- IC₅₀
- 반수 억제 농도
- NOAEC
- 관찰된 유해 영향 없는 농도
- TLC
- 전량 치사 농도
- i/p
- 복강 내 경로
- i/v
- 정맥 경로
