심박변이도(HRV)는 자율신경계(ANS) 균형의 민감한 지표이자 심혈관 예후 예측 인자입니다. 우리 연구실의 선행 연구에서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 흡입이 쥐의 교감신경과 부교감신경 긴장을 모두 증가시켜, 엔지니어링 나노입자(ENs)가 심혈관 기능을 변화시킬 수 있음을 보였습니다. 본 연구는 MWCNT 흡입 후 실시간 혈압, 심박수, 심장 성능을 기록하고 이를 HRV 변화와 연관지어 이러한 관찰을 확장합니다.
수컷 스프라그-도울리 쥐(275-300 g)에 원격 측정 송신기(HD-S21, Data Sciences International)를 외과적으로 이식하고 5 mg/m3 MWCNT 에어로졸에 5시간 노출시켰습니다. 노출 전, 중, 후 1일과 7일에 지속적인 심전도(EKG)와 혈압 데이터를 수집했습니다. 마취된 쥐에서 압력-용적(PV) 루프 카테터(Millar SPR-901)와 단계적 도부타민 주입(1.25-10 µg/kg)으로 심기능을 평가했습니다.
MWCNT 흡입으로 수축기, 이완기, 평균 동맥압(MAP)이 빠르게 용량 의존적으로 상승해 5시간 노출 기간 동안 지속되었습니다(p < 0.01). 1일 후에도 약간 상승한 상태가 유지되었습니다(p < 0.05). 노출 중 심박수는 감소 추세를 보였습니다(p = 0.054). 마취 쥐에서 MWCNT 노출은 기저 박동량(SV), 박동일량(SW), 심박출량(CO)을 약간 감소시켰고, 1일 후 도부타민 유도 SV, SW, CO 증가를 현저히 억제했습니다(p < 0.01). 7일 후에는 유의한 차이가 없었습니다. 도부타민에 대한 혈압 반응은 군 간 차이가 없었습니다.
폐를 통한 MWCNT 노출은 쥐에서 일시적으로 혈압을 상승시키고 심장 반응성을 저하시키며, 이는 교감신경과 부교감신경 경로의 동시 활성화로 ANS 균형이 변하기 때문으로 보입니다. 이러한 자율신경 교란이 감수성 집단에서 심혈관 사건을 촉발할 수 있는지 조사할 필요성을 시사합니다.
나노소재 산업적 사용 증가로 직업적 노출이 늘고 있으며, 동물 연구에서 엔지니어링 나노입자(ENs) 단기 폐 노출이 폐 염증, 섬유증, 발암과 연관됨이 밝혀졌습니다. 새로운 증거는 ENs가 염증, 이동, 신경 메커니즘을 통해 심혈관 건강에도 영향을 미침을 나타냅니다. 우리 연구는 초미세 이산화티타늄(UFTiO2)과 MWCNT 저농도 노출이 폐 염증을 경미하게 유발하면서도 말초 신경전달물질 합성을 일시적으로 증가시키고 HRV 변화를 일으켜, 직접적 심장 접촉보다는 신경 매개임을 시사했습니다.
ANS는 심혈관 항상성을 유지하며, 교란 시 고혈압, 부정맥, 뇌졸중으로 이어질 수 있습니다. 역학 데이터는 초미세 입자를 포함한 미세먼지 단기 흡입도 ANS 균형 변화를 통해 심혈관 이환율을 높임을 보여줍니다. 나노 크기 입자는 폐포 깊숙이 침투해 점액섬모 청소를 우회하므로 폐 감각 신경을 지속적으로 자극해 중추 자율 조절을 변화시킬 수 있습니다.
수컷 스프라그-도울리 쥐를 1주일 순화시키고 특정 병원체 없는 환경에서 사육하며 건강을 모니터링했습니다. 모든 절차는 NIOSH 동물실험윤리위원회 승인을 받았습니다.
쥐를 개별적으로 밀폐된 케이지에 넣고 정전기 방지 튜브로 메인 에어로졸 챔버와 연결했습니다. 5 mg/m3 MWCNT 에어로졸(질량 중간 공기역학적 직경 5 µm)을 발생시키고 캐스케이드 임팩터와 중량 분석으로 특성화했습니다. 쥐당 추정 폐 부담량은 ~5-7 µg로 직업적 노출 수준과 유사합니다.
이소플루란 마취 하에 복부 대동맥에 원격 측정 카테터를 삽입하고 장치를 복벽 아래 고정했습니다. 수술 후 진통제를 투여하고 3주 회복 기간 후 노출시켰습니다.
마취 쥐에서 Millar PV 루프 카테터를 경동맥을 통해 좌심실로 진입시켰습니다. 도부타민 단계적 주입(1.25-10 µg/kg) 전 20분간 기준선 기록을 안정화했습니다. 신호는 1 kHz로 샘플링하고 MPVS-Ultra 시스템으로 분석했습니다.
혈압을 노출 전 24시간, 5시간 노출 중, 노출 후 1일과 7일에 연속 기록했습니다. 데이터를 Excel로 내보내 반복측정 ANOVA와 Fisher's LSD로 분석했으며, p < 0.05를 유의수준으로 삼았습니다.
Figure 1은 에어로졸 크기 분포(질량 중간 공기역학적 직경 1.4 µm)를 보여줍니다. 노출 중 수축기, 이완기, 평균 동맥압이 필터 공기 대조군 대비 유의하게 증가했습니다(Figure 2). 1일 후 압력 상승은 지속되었으나 통계적 유의성은 없었으며, 7일째에는 기준선으로 돌아왔습니다.
심장 PV 루프 분석(Figures 3-5)에서 MWCNT 노출은 기저 SV, SW, CO를 약간 낮추고 1일 후 도부타민 유도 상승을 현저히 억제했습니다. 7일째에는 차이가 없었습니다. 도부타민에 대한 평균 혈압 반응은 변하지 않았습니다(Figure 6).
우리 연구 결과는 폐 MWCNT 노출이 자유롭게 움직이는 쥐에서 혈압을 상승시킴을 확인하며, 이는 교감신경 활성화를 통한 것으로 보입니다. 동시에 심박수는 감소하고 β-아드레날린 자극에 대한 심장 반응성은 둔화되어 부교감신경 긴장 증가를 시사합니다. 교감신경과 부교감신경 활성이 동시에 증가하는 것은 단순한 압수용체 반사가 아닌 복잡한 ANS 조절을 나타냅니다.
가능한 메커니즘으로는 흡입 입자에 의한 중추 자율 핵 직접 자극이나 압수용체 반사를 우회한 말초 신경 활성화가 있습니다. 중요하게도 이러한 자율신경 변화는 빠르게 발생하고 수일 내 회복되지만, 감수성 개인에서는 심혈관 사건의 방아쇠가 될 수 있습니다.
MWCNT 흡입은 쥐에서 혈압을 상승시키고 심기능을 손상시키는 일시적 자율신경 변화를 유도합니다. 이러한 효과가 기저 질환이 있는 집단에서 심혈관 위험을 악화시킬 수 있는지 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
나노물질
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