KR20040080452A - 뇨 중 5-하이드록시트립토폴을 이용한 한국형 음주측정용바이오마커 - Google Patents

뇨 중 5-하이드록시트립토폴을 이용한 한국형 음주측정용바이오마커 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인체 소변 중의 세로토닌 대사산물인 5HTOL(5-Hydroxytryptophol)과 5HIAA(5-hydroxyindoleaceticacid)를 바이오마커로 이용하여 음주를 측정하는 한국형 음주측정용 바이오마커에 관한 것이다. 본 발명의 바이오마커는 인체 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율이 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우 1.017 내지 1.821 (pmol/nmol) % 범위이고 알코올 섭취 후 9.697 내지 1.326 (pmol/nmol) % 범위인 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 바이오마커는 알코올 섭취 후 16시간 경과까지 음주 측정하는 것이 바람직하다.

Description

뇨 중 5-하이드록시트립토폴을 이용한 한국형 음주측정용 바이오마커 {Development of kit and determination of Biomaker cut-off in Korean for the detection of alcohol drinking using urinary 5-hydroxytryptophol}
본 발명은 인체 소변 중의 세로토닌 대사산물인 5HTOL(5-Hydroxytryptophol)과 5HIAA(5-hydroxyindoleaceticacid)를 바이오마커로 이용하여 음주를 측정하는 한국형 음주측정용 바이오마커에 관한 것이다. 본 발명의 바이오마커는 인체 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율이 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우 1.017 내지 1.821 (pmol/nmol) % 범위이고 알코올 섭취 후 9.697 내지 1.326 (pmol/nmol) % 범위인 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 바이오마커는 알코올 섭취 후 16시간 경과까지 음주 측정하는 것이 바람직하다.
고대로부터 술은 인류 역사와 함께 가장 오랫동안 공존하며, 약물로써 또는 사랑 받는 기호식품으로 축제나 종교의식, 약용 등으로 공헌하며, 우리의 생활 속에서 이어져 오고 있다. 문헌상으로도 중국에서는 지금으로부터 3200년 전, 고대 바빌로니아인들은 45000년 전에 이미 술을 제조하여 먹었다는 기록이 있으며, 우리 나라에서는 약 6000년 전에 술이 처음 담구어 졌다고 여겨지는 유물들이 발견되고 있다. 알코올(alcohol)은 화학적으로 에탄올(ethanol) 또는 순수한 우리말로 술이라고 부르며 당 또는 전분을 효모(yeast)로 발효시켜 얻어지는 것으로서식품(food), 약품(drug) 또는 중독성 물질(toxic poison)로 분류되며 사람이 사회 생활을 하는 데 필요한 윤활유의 역할, 즉 기분 전환제(mood-altering effect) 또는 정신 자극 약품(psychoactive drug)으로 작용한다고 볼 수 있다.
식품으로서 알코올은 1g당 7.1kcal의 에너지를 가지고 있으며 단백질과 탄수화물의 4kcal보다 높다. 그러나 알코올은 에너지 외에 다른 영양소가 전혀 포함되어 있지 않기 때문에 "empty calories"라고 부르며, 항영양소(antinutrient)로서 취급되어 다른 영양소의 소화·흡수, 저장 및 대사에도 지장을 초래한다. 따라서 다량의 알코올을 상습적으로 마시는 사람의 경우에는 필요한 에너지를 음식물로부터 얻기보다는 알코올로부터 얻기 때문에 단백질, 지방, 탄수화물로부터의 에너지 섭취 비율이 감소되고 일상 섭취하는 음식물의 영양적 보충도 저하된다. 약품으로서의 알코올은 내성(tolerance)이 생기므로 마약(narcotic)으로도 분류된다. 어떤 사람에게는 습관성 약품(addictive drug)으로 중독자가 되기도 한다. 특히 알코올중독자(alcoholism)는 건강상의 문제로 암, 고혈압, 뇌일혈(stroke), 심장병, 치매(dementia), 간경화 등 질병의 요인이 되기도 한다. 또한 중추신경계에 작용하여 기능저하, 더 나아가서는 주의력, 집중력, 기억력 및 판단력을 저하시켜서 작업능률의 저하, 사회적 범죄유발, 교통사고 유발 등을 일으킨다. 그러나 적당량의 알코올은 인체에 이로운 영향을 주기도 한다. 약간의 알코올은 신체의 피로와 권태감을 줄여 주며, 긴장·흥분·압박감등으로부터 해소되어 편안함과 낭만적인 기분을 갖게 해준다. 이 외에도 알코올은 소화액의 분비를 자극함으로써 식욕을 증대시키기도 한다.
섭취되어진 알코올은 소화과정을 거치지 않으므로 위와 소장에서 매우 빨리 흡수된다. 위에서 섭취된 알코올의 20%가 흡수되며 80%는 소장 벽에서 흡수되어 1분 이내에 혈액으로 운반된다. 흡수된 알코올의 일부(∼10%)는 대사 되지 않은 채 폐를 통하여 또는 소변 및 땀으로 배설되고 나머지는 주로 간에서 산화되어 제거된다. 간에서의 알코올 대사는 주로 세포의 세포질(cytoplasm)에 존재하는 NAD+-연관 효소(NAD+-linked enzymes), 즉 알콜 탈수소효소(alcohol dehydrogenase) (ADH)의 작용으로 아세트알데히드(acetaldehyde)로 산화되고 다시 아세트알데히드 탈수소효소(ALDH)에 의해 아세테이트로 산화되어진다. 대부분의 아세테이트는 아세틸-CoA로 전환되어진 후 에너지를 발생하게 되고 나머지는 지방산 합성 경로를 거쳐 중성지방(triglyceride, TG)으로 합성되어 축적된다. 또한 아세트알데히드는 유독한 물질로 작용하여 막 변화(membrane change)와 세포괴사(cell necrosis)를 유발시키며, 알코올 탈수소 효소가 처리할 수 있는 이상의 알코올을 섭취하였을 때 다른 효소 체계(microsomal ethanol oxidizing system, MEOS)를 이용하여 알코올을 대사 시킨다. MEOS는 약물(drug)과 이물질(foreign compounds)을 대사 시킬 때 사용되어지는데 많은 양의 알코올을 섭취하면 간은 알코올을 이물질로 간주하여 MEOS를 이용한다. MEOS가 활성화되면 알코올의 내성이 증가되어 알코올 대사율도 증가하게 된다. 이로 인해 술은 마실수록 주량이 늘어나게 되는 것이다. 지나치게 알코올을 마신 후 나타나는 여러 가지 불쾌한 부작용은 아세트알데히드 때문이다.
ALDH는 4개의 아이소지짐(isozyme) 중 ALDH-Ⅰ이 초기아세트알데히드(acetaldehyde) 대사에 가장 중요한 역할을 한다. 하라다(Harada) 등은 일본 사람의 약 52%에서 ALDH-Ⅰ이 결핍되어 있음을 발견하였고 ALDH-Ⅰ이 결핍된 사람만이 음주 후 얼굴이 붉어지는 등 신체적 불편감을 경험하는 것으로 나타났다. ALDH-Ⅱ는 미토콘드리아 효소로 아세트알데히드의 분해 능력이 높은데 동양인은 이 효소가 없는 사람이 많기 때문에 높은 수준의 아세트알데히드로 인해 두통이 오고, 말초혈관 확장으로 얼굴이 빨개지고, 심장이 뛰는 등의 부작용을 초래하게 된다. 알코올은 대사과정에서 NAD+를 사용하는데 젖산(lactate)의 대사에서도 NAD+를 필요로 하기 때문에 상호경쟁이 일어난다. 즉, 알코올의 농도가 높으면 알코올 대사에 NAD+가 쓰이게 되어 젖산 대사는 원활하지 못해 젖산으로부터 피루베이트(pyruvate)로의 전환이 불가능해지고, 또 젖산은 미토콘드리아로 이동이 불가능하므로 세포질 내의 농도가 증가되어 젖산 중독(lactate acidosis)을 일으키게 된다. 이로 말미암아 혈장의 pH가 떨어지고 이는 신장에서 요산(uric acid)의 배설을 저해하여 결국 통풍(gout)을 유발시킨다.
알코올이 산화됨에 따라 간의 세포질 내에 NADH : NAD의 비율이 증가되어 산화환원차를 변경시키므로 정상적인 NADH : NAD의 비율을 유지시키기 위해서 피루브산을 젖산으로 전환시키고 또 옥살로아세테이트(oxaloacetate)를 말레이트(malate)로 전환시킨다. 따라서 젖산과 말산의 생성량이 증가된다. 결과로 피루브산과 옥살로아세테이트의 생성이 저해되므로 포도당 합성에 필요한 포스포놀 피루베이트(phosphoenol pyruvate) 생성이 억제되어 포도당 합성(gluconeogenesis)이 저해되는 결과를 가져온다. 따라서 굶은 상태에서 알코올을 섭취하게 되면 저혈당(hypoglucermia) 상태가 초래된다. 알코올은 과삼투압(hyperosmolarity), 위근육, 중추신경, 그리고 국소신경 등을 직접적으로 자극하여 위 배출에 영향을 준다. 또한 체중 1kg당 1g의 알코올 섭취는 십이지장의 융모 끝에 출혈성 장애를 초래하며, 만성 알코올 섭취 시 소장 상피세포의 구조적 변화를 나타낸다. 또한 세포막 결합 효소인 Na+, K+-ATPase작용을 저해하여 능동적 흡수 방식으로 흡수되는 포도당, 아미노산, 전해질, 티아민과 같은 영양소들의 흡수를 저해하는 것으로 알려져 있다. 알코올은 거대 분자(macromolecules)의 소장 내 유입을 증가시킴으로써 독성 분자의 흡수를 용이하게 한다는 보고도 있다. 이처럼 알코올은 일차적으로 장 및 췌장 기능에 손상을 미치고 이차적으로 영양소의 소화·흡수 장애와 체내 이용률 저하를 가져와 영양소의 결핍을 초래한다.
자극적인 물질인 알코올은 위에서 위산 분비를 증가시키고 소화기내의 점막 조직을 손상시켜 위염이나 식도염을 초래할 수도 있다. 심하면 위와 십이지장에 궤양을 초래한다. 알코올 섭취로 인하여 가장 영향을 받는 기관으로 알코올 대사의 약 80% 이상이 간에서 일어난다. 간세포는 원래 에너지원으로 지방을 분해하여 사용하지만 알코올이 있을 때는 우선적으로 알코올부터 분해하기 때문에 미세소관 지방물질(macrovesicular fat droplet)이 간세포에 지나치게 축적되어 지방간(fatty liver)을 형성하여 간의 기능에 영향을 주게 된다. 즉 알코올의 대사 중간 산물이 아세트알데히드의 증가는 미세소관과 결합하여 미세소관을 짧고 두껍게 만들어 미토콘드리아의 기능장애를 가져온다. 미세소관의 손상은 간세포의 세포내 단백질의 수송과 분비기능을 억제하여 지방, 단백질, 물, 전해질 등이 저류하게 되어 간세포의 증대와 간의 크기 및 무게를 증가시킨다. 간에 단백질이 축적되면 단백질 자체의 양보다 10배가 넘는 수분을 보유하게 되어 간이 부어오르게 된다. 그리고 아세트알데히드는 시스테인(cysteine)과 GSH와 결합하여 간에서의 GSH작용을 감소시킨다. GSH는 독성유리 라디칼의 제거 역할을 하는데 GSH감소 자체만으로 지질 과산화의 충분한 원인이 되는 것으로 보여지지는 않는다. 그러나 만성 음주자에서 관찰되는 비타민 E의 감소가 있을 경우는 GSH감소는 지질과산화로 생성된 유리라디칼의 간세포 손상과 교원질 합성을 촉진하는 것으로 보인다. 알코올성 간염과 간경변증을 포함하는 알코올성 간질환의 모든 단계에서 간의 수소화효소(peptidylproline hydroxylase)의 활성도가 증가 되어 있는데 아세트알데히드는 교원질합성을 자극한다. 따라서 계속적으로 음주를 하게 되면 알코올성 간염으로 발전하게 된다. 알코올은 뇌에서 생성되는 신경전달물질인 세로토닌과 엔돌핀(endolphin)의 생성에 영향을 미친다. 알코올은 중추신경계와 말초 신경계에 직접적으로 영향을 미칠 수도 있어 만성 알코올 환자는 종종 신경 장애를 일으킨다.
세로토닌(serotonin) (5-hydroxytryptamine, 5HT)은 뇌, 송과체, 장크롬친화성세포(enterochromaffine cell)에서 음식물에서 섭취되는 아미노산인 트리토판(trytophan)에 5-모노옥시게나제와 방향족아미노산 디카르복시라제가 작용하여 합성되고 ATP와 결합하여 세포과립에 저장된는 신경전달물질(neurotransmitter)이다. 신체 내에서 세로토닌은 효소에 의하여 산화되어 최종적으로 5HIAA (5-hydroxyindoleaceticacid)로 변하여 소변에 섞여 배출된다. 세로토닌은 흔히 내장의 분비물이나 신경조직 그리고 혈액내의 혈소판에서 검출된다. 보통 세로토닌의 양을 측정할 때에는 뇌 신경조직 안의 세로토닌 양을 측정하여서 뇌신경의 세로토닌의 양을 추정하는 간접 방법을 흔히 사용한다.
세로토닌은 신체 내에서 많은 역할을 담당하는데, 중뇌의 봉선핵(rapheal nuclei)에서 시작하는 뉴우론의 신경전달물질로 작용하며 수면발현이나 조울병(affective psychosis)에 관계한다. 장운동을 촉진하고 위액의 분비를 억제하며 폐·신장혈관·기관지의 수축을 촉진한다. 세로토닌은 혈소판에도 고농도 함유되어 있으며 혈소판이 혈관벽에 점착할 때 방출되어 모세혈관을 수축시키는 것으로 지혈기구에 관여한다. 또 사구체여과 감소와 물 재흡수 증가로 요량을 감소시키며 히스타민과 에피네프린(epinephrine)을 유리시키는 작용이 있다. 또한 세로토닌은 송과체에서 멜라토닌을 합성하는 과정의 중간체이다. 그 중 뇌신경계통에 대한 영향력은 크다. 사람의 뇌 속에서 세로토닌은 뇌와 혈관사이의 막을 통과하지 못하기 때문에, 뇌는 혈관으로부터 세로토닌을 공급받을 수 없다. 따라서 뇌의 신경세포는 스스로 세로토닌을 합성해야 하므로 뇌의 하부에 위치한 뇌 신경세포들이 이일을 감당하고 있다. 이와 같이 뇌가 스스로 세로토닌을 생산해야 할 정도로 세로토닌은 뇌의 신경세포의 활동에 중요한 역할을 담당하고 있다. 그러므로 세로토닌이 뇌 속에서 균형 있게 생성되지 못하면 뇌 신경계통에 끼치는 영향력도 평형을 잃게 된다. 세로토닌이 과잉으로 되면, 카르시노이드 증상(carcinoid syndrome)이 발생하며 증상으로 브래디키닌(bradykinin)에 의한 피부의 돌발성 홍조, 물같은 대변, 기관지수축 발작, 혈압강하, 부종과 복수가 나타난다. 또한 중추신경계의 시냅스(synapse)내에 모노아민계 신경전달물질(neurotransmitter)인 세로토닌, 노르에피네프린(norephinephrine), 도파민(dopamine) 등이 부족하게 되면 우울증이 유발된다고 한다. 이러한 세로토닌 불균형은 아동들의 극심한 부주의와 주의력 산만, 우울증, 공포심, 극렬 행동, 식사부조, 만성적 고통증세(chronic syndrom) 및 기타 여러 가지 신경정신 증상을 유발하게 된다.
자폐 장애아동과 세로토닌의 측정과 관련된 연구의 시초는 1961년 미국의 샤인(Schain)과 프리만(Freeman)의 연구팀에 의하여 신경계통 및 정신적 증상을 보이는 23명의 자폐 장애환자를 대상으로 연구한 결과 그 중 6명에게서 정상보다 높은 양의 세로토닌이 측정되었다고 보고하였다. 1976년 골드스타인(Goldstein) 연구팀이 72명의 자폐 아동들을 대상으로 한 연구에서 혈액 내 높은 양의 세로토닌을 확인하였다. 그 후 1981년에 예일대학의 영(Young) 연구팀은 자폐 아동 인구의 약 33%가 정상보다 높게 상승된 세로토닌 보유자라는 연구결과를 보고하였다.
세로토닌(5-hydroxytryptamine)의 대사는 주로 소장, 신장, 간, 그리고 폐에서 MAO(monoamin oxidase)에 의하여 5HIAL(5-hydroxyindole-3-acetaldehyde)의 형태로 산화 탈아민(oxidative deamination) 된다. 이 알데히드 대사산물은 ALDH(aldehyde dehydrogenase)에 의하여 5HIAA(5-hydroxyindole-3-acetic acid)로 산화되거나, ADH(alcohol dehyddrogenase)에 의하여 5HTOL(5-hydroxy- tryptophol)의 형태로 환원된다.(도 1 참조)
사람의 경우에 소변 중에 배설되는 5HIAA는 주된 세로토닌 대사산물이므로,5HTOL의 배설량은 일반적으로 5HIAA형태로 배설되는 양의 1% 미만이라고 한다. 소변 중에 배설되는 세로토닌대사 산물인 5HIAA는 유리형태로 배설되는 반면 5HTOL은sulfuric acid나 glucuronic acid와 결합하여 소변에 배출되는데 이때 관여하는 효소는 UDP(urine diphosphate) 글루쿠로노실-트랜스퍼라제(glucuronosyl-transferase)와 페놀 설포트랜스퍼라제(phenol sulfotransferase)가 작용하여 접합(conjugation)을 형성한다. 사람을 포함한 포유동물에서 이러한 접합(conjugation)은 중요한 해독 과정(detoxification processes)에 해당한다. 5HTOL이 UDPGA(urine diphosphoglucuronic acid)와 반응하여 글루쿠로니드 접합체(glucuronide conjugates)를 형성할 때 마이크로소말(microsomal)에 존재하는 효소인 UDP 글루쿠로노실-트랜스퍼라제(glucuronosyltransferase)가 작용하게 된다. 5HTOL의 설포접합(sulfoconjugation)은 PAPS(3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate)와의 반응하는 것이고, 이때 관여하는 효소는 페놀 설포트랜스퍼라제가 작용한다. 일반적으로 배설되는 5HTOL의 접합의 형태 중 황산(sulfuric acid)과 결합하여 배설되는 정도는 약 17%라고 한다.
알코올의 섭취가 일어나면 소변에 배설되는 세로토닌의 대사산물 중 5HTOL은 급격하게 상승한다. 이러한 대사의 변화는 알코올의 산화에 의해 생성되는 아세트알데히드에 의해 ALDH의 경쟁적 저해 때문이라고 한다. 5-HT가 풍부한 식품(바나나, 월넛, 파인애플, 키위 등)을 섭취하게 되면 5HIAA와 5HTOL의 배설이 증가된다고 보고되어 있다.
알코올과 바이오겐 아민(biogenic amines)은 일부 대사적 효소들을 공유하며, 알코올 산화 동안에 세로토닌(5HT, 5hydroxytryptophol)의 전환은 5HIAL이라는 중간산물에서 5HIAA로의 산화방향에서 5HTOL를 형성하는 환원방향으로 대사이동일 일어난다. 이는 에탄올에 의해 형성되는 아세트알데히드에 의해 ALDH의 경쟁적 저해 때문이다. 그 결과로써 NADH/NAD+ 비율로 증가한다. 또한 5HTOL의 ADH매개 재산화(re-oxidation)는 알코올에 의해 저해되고, 이는 세로토닌 대사의 전환을 유도하게 된다. 사람의 경우, 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율은 혈액과 뇨 중 알코올 농도가 정상수준으로 감소된 후 여러 시간 동안 증가된 상태로 남는다. 급성으로 알코올을 마시게 되면 생성된 세로토닌이 분해되어 배설되므로 그 양을 측정하여 알코올 섭취의 유무를 판단할 수 있다. 헤겐(Hagan)과 헬란데르(Helander)는 11명의 남녀를 대상으로 체중 Kg당 0.6g의 알코올을 마시게 한 후 11-16시간 동안 5HTOL/5HIAA의 비율을 측정한 결과 pmol/nmol% 이상으로 유지하였다고 보고하였다. 따라서 소변 중 5HTOL 농도가 지속적으로 상승되는 현상은 치료중인 알코올중독자나 비중독자의 금주를 모니터화하기 위해 사용되는 임상연구에 이용될 수 있고 따라서 가까운 시간 안에 알코올 음용에 대해 바이오마커(biomarker)로 이용될 수 있다.
최근 알코올을 섭취했는지를 바로 측정하는 방법(enzyme assay, headspace gas chromatography, 또는 extrapolated breath alcohol 분석)은 혈 중 알코올을 측정하는 방법들이다. 이들 분석방법들은 시간 경과함에 따라 알코올 농도가 감지되지 못하거나 선택된 분석 방법에 대한 알코올의 양과 검출이 쉽지 않다. 현재까지 선택된 분석방법에 대한 양과 검출에 한계가 있다. 알코올 섭취에 대한 몇 가지 마커가 널리 사용되고 있다. GGT(γ-glutamyl transferase), MCV(mean corpuscular volume), HDL-cholesterol, AST(aspartate aminotransferase), AST(alanine aminnotransferase), 혈청 트랜스아민아제 등이 포함된다. 이런 임상수치들은 비록 그 민감성에 넓은 변형(variation)을 가지더라도 만성알코올 섭취의 유용한 지표로 알려져 있다. CDT(serum carbohydrate deficient transferrin)은 알코올 소비에 대한 새로운 지표이다. CDT도 만성 알코올 중독의 지표로써 널리 사용된다. 그러나 급성 알코올지표로써 세로토닌 (5-hydroxytry ptamine, 5HT)의 대사산물인 5HTOL (5-hydroxytryptophol)측정방법이 시도되고 있다.
신경전달물질 세로토닌(5HT)은 아미노산 tryptophan으로부터 유래된다.(도 1) 세로토닌(5HT)의 대사는 효소 monoamine oxidase에 의한 aldehyde(5HIAL)로의 산화적 탈아미노반응에 의해서이다. 알데히드 탈수소화효소(Aldehyde dehydrogenase)에 의한 5HIAL의 산화는 5HIAA(5-hydroxyindol-3- acetic acid)을 생산케 하고, 5HIAA는 세로토닌의 우세한 최종산물이다. 알콜 탈수소화효소(Alcohol dehydrogenase)나 알데히드 환원제(aldehyde reductase)에 의한 5HIAL의 환원은 상대적으로 적은 양의 5HIAA의 대사산물을 초래한다.
소변의 5HTOL의 농도는 정상 시 5HIAA수준의 1% 미만이다. 알코올 섭취가 이루어지면 5HTOL의 대사산물은 증가하게 된다. 세로토닌 대사에서 이러한 이동은 아세트알데히드에 대한 ALDH의 상호 경쟁적 억제에 기인되고, 에탄올과 아세트알데히드 산화로 보다 높은 NADH를 초래한다. 5HT가 풍부한 식품(바나나, 웰넛, 파인애플, 키위 등)을 섭취하게되면 5HIAA와 5HTOL의 배출 증가를 관찰할 수 있다.5HTOL/5HIAA의 비율은 혈액과 소변의 알코올 농도가 제로에 이른 후 몇 시간 동안에 증가됨을 유지한다. 소변 중 5HTOL농도의 이러한 긴 상승은 치료중인 알코올 중독자와 비슷한 비중독자의 금주를 모니터함을 설계된 임상 연구에 이용될 수 있다.
숙취는 술에 몹시 취한 뒤의 수면에서 깬 후에 특이한 불쾌감이나 두통, 또는 심신의 작업능력감퇴 등이 1∼2일간 지속되므로 장거리 운전이나 군인들의 경우 알코올 섭취로 인한 업무 파행으로 인해 치명적인 사고가 일어날 수 있다. 항공 조종사, 항공 승무원, 장거리 운전수들 사이에 음주가 만연하고 있으므로 알코올을 섭취했는지를 감지하기 위한 방법을 향상시킬 필요가 있다.
알코올 섭취 여부를 일찍 발견해야 사고의 불행을 사전에 막을 수 있으므로 현재까지 제시되어 있는 호흡 중 알코올 농도나 혈 중 알코올 농도만 가지고는 정확하게 섭취 정도를 측정할 수 없다. 따라서 알코올 섭취 여부를 민감하게 감지하기 위한 바이오 마커(bio-marker)로 뇨 중의 5-HTOL의 양을 측정하는 방법이 외국에서는 제시되어 있는데 세로토닌의 대사물질인 5-HTOL의 양을 측정하면 음주 24시간 후에도 음주 여부를 밝힐 수 있다.
국내외에서는 지금까지 알코올 농도 측정으로 주로 호흡과 혈 중 알코올의 농도를 측정한 논문이 많지만 대부분이 임상은 한 번으로 끝나고 주로 동물실험의 결과를 보고하였는데 동물실험의 결과가 반드시 임상에도 적용되는 것이 아니기 때문에 본 발명에서 모든 연구는 임상을 통하여 실제 이용 가능하도록 한 것이다. 또한 국내에서는 장거리 운행자에 대해서 임상적으로 유효할 것으로 기대되는 뇨 중에 배설되는 세로토닌의 대사물인 5-HTOL을 정량하는 연구는 전혀 없다.
한편, 외국에서 시도하려는 뇨중 5-HTOL 량을 1.5 pmol/nmol%로 컷오프(cutoff)로 정하려고 하는데 미국 사람을 위주로 한 시도이므로 한국 사람에게 있어서는 생체적 조건, 식이관계 등이 적합하지 않을 수도 있다. 따라서 본 발명에서는 한국형 바이오 마커(bio-marker)로서 뇨 중의 5-HTOL의 양을 측정하여 한국 사람에게 맞는 컷오프(cutoff)를 설정한 것이며 나아가서 간편하면서도 신속 정확한 키트(kit)를 개발하기 위한 기초자료로 활용하여 최종적으로 키트를 개발하는 것을 목적으로 한 것이다.
본 발명의 예상되는 효과 및 활용 방안은 항공 조종사 및 승무원, 장거리 운전수들 사이에 음주가 만연하고 있으므로 알코올 섭취 여부를 감지하기 위한 뇨 중의 5-HTOL의 양은 알콜섭취에 대한 비파괴적 바이오 마커로 임상에 널리 이용될 것이며 따라서 미연에 사고를 방지하고 직무 능률을 높이는데 큰 도움을 줄 것으로 판단되며 5-HTOL의 양을 측정하여 혈중 알코올농도와의 상관관계를 밝혀 한국사람에게 적합한 컷오프를 제시하여 법의학에 이용 가능하며 공군 조종사에게도 이용 가능하다. 또한 바이오 마커를 이용하여 음주 여부를 간편하고 신속 정확하게 검색할 수 있는 키트의 개발도 가능하며 뇨를 시료로 하기 때문에 비파괴적 검사로서 임상에 유망하다.
혈 중 알코올 농도를 알아내는 마커인 ADH나 ALDH의 활성도는 체중과 섭취한 알코올 양에 근거한 계산 값이며, 혈 중 알코올 농도는 섭취 후 5∼7시간 동안만측정 가능하므로 항공 조종사 및 승무원, 장거리 운전수들의 경우에는 5∼7시간이 지난 후에는 혈 중 알코올농도 측정만으로는 알코올을 섭취 했는지의 여부를 판단할 수 없지만 뇨 중의 5-HTOL 양과 혈 중 알코올 농도와는 상관관계가 성립된다. 미국 사람 기준의 5-HTOL 양 1.5 pmol/nmol는 한국사람에게 생체적 조건과 식이 관계로 적합하지 않을 수도 있으며 5-HTOL와 발색단을 형성하는 물질을 탐색하여 이를 바이오 마커로써 신속 정확하게 측정할 수 있는 키트의 개발이 가능하다.
도 1은 세로토닌 대사작용을 나타낸 것이다.
도 2는 에탄올과 세로토닌 대사작용을 나타낸 것이다.
도 3은 1차 임상실험의 호흡에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 4는 1차 임상실험의 혈액에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 5는 2차 임상실험의 호흡에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 6은 2차 임상실험의 혈액에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 7은 3차 임상실험의 호흡에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 8은 4차 임상실험의 호흡에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 9는 4차 임상실험의 혈액에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 10은 5차 임상실험의 호흡에서 알콜의 농도를 나타낸 것이다.
도 11은 실험에 참가한 피실험자들에게 알코올을 1g/kg을 섭취하게 한 후 일정 시간 간격으로 소변을 받아 실험한 뇨 중의 5HTOL 농도를 나타낸 것이다.
도 12는 실험에 참가한 피실험자들에게 알코올을 1g/kg을 섭취하게 한 후 일정 시간 간격으로 소변을 받아 실험한 뇨 중의 5HIAA 농도를 나타낸 것이다.
도 13은 비알콜 그룹에서 뇨 중의 5HTOL/5HIAA 비율을 나타낸 것이다.
도 14는 알콜 그룹에서 뇨 중의 5HTOL/5HIAA 비율을 나타낸 것이다.
도 15는 알콜 그룹에서 뇨 중의 5HTOL/5HIAA 비율을 나타낸 것이다.
본 발명은 인체 소변 중의 세로토닌 대사산물인 5HTOL(5-Hydroxytryptophol)과 5HIAA(5-hydroxyindoleaceticacid)를 바이오마커로 이용하여 음주를 측정하는 한국형 음주측정용 바이오마커에 관한 것이다. 본 발명의 바이오마커는 인체 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율이 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우 1.017 내지 1.821 (pmol/nmol) % 범위이고 알코올 섭취 후 9.697 내지 1.326 (pmol/nmol) % 범위인 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 바이오마커는 알코올 섭취 후 16시간 경과까지 음주 측정하는 것이 바람직하다.
뇨 중의 5-HTOL은 세로토닌(5HT)의 대사물질로서 급성 알코올 섭취에 관한 비파괴적 마커로서 임상에 유용할 것으로 기대되고 있다. 식이 섭취로 인한 5-HTOL치 상승과 뇨 희석을 보정 하기 위하여 5-HTOL/5-HIAA의 비율로 사용하며, 미국에서는 그 컷오프를 1.5pmol/nmol%로 규정하려고 하고 있으나 한국 사람에 있어서 그 기준이 적합한지는 의문이다. 따라서 본 발명에서는 이 기준이 적합한지의 여부를 장거리 운전수와 정상 대학생에게 일정량의 알코올을 섭취케 한 후 호흡 및 혈 중알코올 농도는 개체에 따라 다르지만 일반적으로 60분에서 90분일 때 최고를 나타내지만 섭취한 후 일정기간(1∼7시간) 혈 중 알코올 농도를 측정하고 1∼24시간 동안 뇨를 채취하여 뇨 중의 5-하이드록실트립토폴의 양을 측정하여 혈 중 알코올 농도와의 상관관계를 밝혀 한국사람에게 적합한 컷오프를 제시하고자 하며 나아가서 최종적으로는 바이오마커로 신속 정확하게 측정할 수 있는 키트를 개발하고자 한다.
<실험예 1>
간 및 신장 기능의 장애가 없는 20∼26세의 신체 건강한 남녀 대학생과 직장인 및 장거리 운전사 등 100여명을 연구 대상으로 하였다. 연구 개시 전 연구자는 본 연구 내용에 대해 동의를 구한 후 연구를 시작하였으며 선정된 피실험자에게는 실험일 1주일 이전부터 알코올 섭취를 금지시켰고, 음주 실험 12시간 이내에 기침 물약, 알코올을 함유하는 음식물의 복용을 금지시켰다. 또한 실험 당일 임상실험에 들어가기 전에 체중(kg)과 신장(m)를 조사하여 BMI치를 구하였고, 실험군 선정에 있어 임의로(random) 분포하도록 하였다.
<1차 임상실험>
<2차 임상실험>
<3차 임상실험>
<4차 임상실험>
실험예 2: 시료
임상실험자의 알코올 섭취량을 1차 실험에서는 참이슬 소주(알코올 22% 함유) 1½병(540ml)를 섭취하게 하였으며, 2차와 3차 임상실험에서는 참이슬 소주 1병(360ml)를, 4차와 5차 임상실험에서는 1g/kg의 양에 해당하는 알코올을 섭취하게 하였다.
실험예 3: 임상실험
공복 대조군을 뺀 모든 피실험자들에게는 알코올 음용 2시간 전 간단한 식사를 제공하여 실험 중 음식이나 음주량이 체내 에탄올 동태에 미치는 효과를 최소화하게 하였다. 식사 종료 90분 후 22%알코올 540ml/person, 360ml/person, 및 1g/kg의 양을 1시간에 걸쳐 일정한 속도로 나누어 음용 하되 음용 중 체내 에탄올에 영향을 주지 않을 정도의 안주(오징어, 땅콩)를 제공하게 하였다. 알코올 음용이 끝나고 일정 시간 간격으로 호흡 중의 알코올농도는 알코올 측정기(Lion Alcoholmeter SD-400)로 측정하였으며, 혈액 및 뇨를 채취하였다.
실험예 4: 혈액의 채취
간호사가 피실험자의 좌측 전박에 catheter를 삽입하여 각 시간별로 2ml씩 채혈하고 혈액 응고 방지를 위하여 heparinized cap을 채워놓았다. Heparinized vacutainer tube에 채혈된 혈액 중 반은 혈 중 알코올 농도 측정에 이용하였고 나머지 반은 3,000rpm에서 20분간 원심분리 하여 상등액을 취한 후 냉동 보관하였다.
실험예 5: 뇨의 채취
알코올 음용 후 일정시간 간격으로(0, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24 hrs) 실험대상자의 뇨를 받아 4℃에서 12,000 rpm으로 원심분리 한 후 상등액을 취하여 실험할 때 까지 -70℃에서 보관하였다.
실험예 6: 호흡 중 알코올 농도 측정
알코올 음용 후 일정 시간 간격으로 (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240분) 알코올 측정기기 (Lion Alcolmeter SD-400)를 이용하여 호흡 중 알코올 농도를 측정하였다.
실험예 7: 혈 중 알코올 농도 측정
혈 중 알코올 농도는 에탄올 분석 키트(ethanol assay kit) (SIGIMA사 332-B)를 이용하여 측정하였다. 전혈 0.2ml에 6.25%(w/v) 1.8ml의 트리클로로아세크산(trichloroacetic acid) 용액으로 단백질을 제거한 후 2,000rpm에서 5분 동안 원심분리 한 후 상층액을 분리하였다. 10ul의 상층액과 3ml의 NAD-ADH용액을 섞은 후 실온에서 10분간 방치한 후 색의 변화를 파장 340nm에서 흡광도를 측정하였다. 실험과정에서 혈 중의 알코올이 휘발되지 않도록 분석 전 과정을 통해 캡을 반드시 씌우도록 하였으며, 흡광도 측정은 10분안에 이루어지도록 하였다.
실험예 8: 뇨의 5-HTOL 및 5-HIAA의 정량측정
고속액체크로마토그래프-전기화학 검출법( HPLC-EC)으로 5-HTOL 및 5-HIAA를 측정하였다. 디하이드록시벤질아민(internal standard)을 함유한 4℃의 완충액(1mM disodium EDTA 및 1mM 소듐 옥탄술폰산(sodium octanesulfonic acid)을 함유한 0.1M 인산염(monobasic sodium phosphate) (포화 구연산 용액을 이용하여 pH를 4.0으로 맞춘다)과 아세토니트릴을 7:3의 용적 비율로 섞어 만들었다. 준비한 뇨 검액 20㎕를 취하여 HPLC에 주입하였다. 워터사(Milford, MA)의 HPLC(elctrochemical detector, model 460)와 5㎛, 4.6㎜×15㎝ C18 컬럼(Young-in pak;Ginsco), column inlet filter(type 73xx;Rheodyne, Corati, Calif.)를 사용하였다. 검출기의 전압은 Ag/AgCl 기준 전극에 대해 0.55 V로 유지하고 이동상은 0.1M monobasic sodium phosphate/10%acetonitrile(1mM disodium EDTA, 1mM sodium actane-sulfonic acid 함유)로서 포화 구연산 용액을 이용하여 pH를 4.0으로 맞추었다. 유속은 1ml/min으로 하였다. 시료내 5-HTOL의 함량은 5-HTOL/DHBA의 피크 높이 값의 비로부터 산출하였다.
모든 실험결과의 통계처리는 SAS 통계 프로그램(SAS institute, 1990)을 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 평균값과 표준오차로 표시하였다. 시료의 효과를 검증하기 위해 ANOVA로 분석하였다.
실험예 8: 호기와 혈 중의 알코올 함량 측정
<1차 임상실험>
1차 임상실험에 참여한 피실험자 16명(male = 7, female = 9)의 나이는 20-27세로 평균나이는 22 ± 1.8세, 키는 167 ± 7.3cm, 몸무게는 62.8 ± 11/4 Kg, BMI는 22.5 ± 3 이었으며 군간의 유의성은 없었다. (표 1 참조)
표 1. Anthropometric measurements of the subject
알코올 음용 후 20, 40, 60분 경과 후 호흡 중 알코올의 농도를 측정한 결과는 표 2와 도 3과 같다. 간단한 식사를 하지 않고 알코올을 섭취한 공복대조군(non-diet alcohol group, NDAG)은 알코올 섭취 20분 후 호흡 중 알코올 농도 수치는 0.086 ± 0.01%(w/v)로 나타났고 간단한 식사를 하고 알코올을 섭취한 알콜 그룹은 0.068 ± 0.005%(w/v)로 나타났다. 알코올 섭취 40분과 60분에 공북대조군 각각 알콜 그룹보다 호흡 중 알코올 농도가 다소 높게 나타났으며, 계속 증가의 경향을 나타내어 공복대조군이 알코올의 흡수가 빠르게 나타났다.
표 2. Alcohol Concentration in Respiration (1차 임상실험)
혈 중 알코올 농도의 결과는 표 3과 도 4에 나타나 있다. 알코올 음용 10분 후 공복 후 알코올을 섭취한 Empty 알콜 그룹은 8.766 ± 1.426 (mg/dl), 식사 후 알코올을 섭취한 알콜 그룹은 7.621 ±1.302 (mg/dl)로써 유의적 차이는 보이지 않았으나 60분 후에 49.079 ± 8.441 (mg/dl)과 35.914 ± 1.166 (mg/dl)로 최고치를 나타내었다.
표 3. Alcohol Concentration in Blood (1차 임상실험)
슘테(Shuamte) 등에 의하면 혈 중 알코올 농도는 알코올 경구투여 후 30분 이내에 섭취량의 약 60 - 90 %가 흡수되고 60분에는 95%, 90분에는 100% 모두 흡수되므로 혈 중 알코올 농도는 음주 후 60-90분 사이에 최고치를 나타낸다고 하였는데, 본 임상실험에서는 식사를 하지 않고 알코올을 섭취한 non-diet 알콜 그룹과 식사를 한 후 나머지 알코올을 섭취한 알콜 그룹의 대부분 피실험자가 알코올 180ml를 한꺼번에 마시게 한 후, 360ml를 50분에 나눠 마시게 한 결과 알코올이 과다하여 참여한 여대생 모두가 구토 증상과 만취한 상태가 되어 알코올 섭취 60분 후에는 호흡 중 및 혈액 중 알코올 농도 측정이 불가능하였다.
<2차 임상실험>
2차 임상실험에 참여한 피실험자 20명(male = 16, female = 4)의 평균나이는 23 ± 1.6세, 키는 171 ± 4.5 cm, 몸무게는 65.6 ± 8.8 Kg, BMI는 22.3 ± 2.6으로 군간의 유의성은 없었다. (표 1 참조)
1차 임상실험에서 여대생이 많아 음주 1시간 이후의 측정이 불가능하여 2차 임상실험에서는 주로 남학생을 대상으로 피실험자를 모집하였고, 알코올 음용량도 540ml에서 360ml로 줄였다. 2차 호흡 중 알코올농도의 임상실험 결과는 표4와 도 5에 나타내었다. 알코올 음용 30분 후 호흡 중 알코올 농도는 0.103 ± 0.001 %(w/v)이었고, 60분 후에는 0.134 ± 0.019%(w/v)로 최고값을 나타내었다. 알콜 그룹의 경우 알코올 음용 3시간이 지난 후에도 호흡중의 알코올 농도는 0.083 ± 0.003 %(w/v)으로 음주 운전의 경우 운전면허자격정지의 수치(0.050 - 0.099 %w/v)를 유지하는 값을 나타내었다.
표 4. Alcohol Concentration in Respiration (2차 임상실험)
혈 중 알코올 농도는 음주 후 60-90분의 혈 중 사이에 최고치를 기록한다고 알려져 있고 1차 임상실험에서도 60분 전에는 뚜렷한 차이가 없어 혈 중 알코올 농도는 알코올 음용 60분, 120분, 180분의 3회를 측정하였으며, 그 결과는 표 5와 도 6에 나타나 있다. 호흡 중 알코올 농도는 알코올 음용 60분에서 최고치를 나타낸 반면 혈 중 알코올 농도는 알코올 음용 후 120분(27.393 ± 2.516 mg/dl)에서 최고치를 나타내었다.
표 5. Alcohol Concentration in Blood (2차 임상실험)
<3차 임상실험>
3차 임상실험에 참여한 피실험자 11명(male = 8, female = 3)의 평균나이는 21.3 ± 1.9세, 키는 172.5 ± 5.7 cm, 몸무게는 66.7 ± 9.2 Kg, BMI는 22.5 ±3.2으로 군간의 유의성은 없었다. (표 1 참조)
호흡 중 알코올농도는 2차 임상실험과 동일하게 실시하였고, 혈 중 알코올농도는 혈액채취 30분 간격으로 음주 후 3시간까지 채혈하였다. 그 결과는 표 6과 도 7에 나타나 있다. 알코올 음용 30분 후 호흡 중 알코올 농도는 알콜 그룹의 경우 0.084 ± 0.007%(w/v)로서 음주 운전의 경우 자격정지에 해당하고, 60분 후에는 0.117 ± 0.001 %(w/v)로서 운전면허 자격취소에 해당하는 알코올 농도를 나타내었다. 또한 90분 후 최고값인 0.133 ±0.001 %(w/v)를 나타내었고 그 이후에는 감소하기 시작하였다. 2차 실험에서는 최고 알코올농도가 알코올 섭취 후 60분에 나타났으나 3차 임상실험에서는 90분 후에 최고치를 나타났고, 이는 피실험자들의 개인차에 의한 것으로 사료된다. 음주 3시간이 지나도 호기 중 알코올의 농도는 0.081 ±0.001 %(w/v) %(w/v)로서 높게 나타났다. 혈 중 알코올농도 채혈과정의 오류로 인하여 혈 중 알코올 농도 측정은 불가능하였다. 그러나 3차 임상실험은 2차의 재현성을 검증한 결과였다.
표 6. Alcohol Concentration in Respiration (3차 임상실험)
<4차 임상실험>
4차 임상실험에 참여한 피실험자 16명(male = 16)의 평균나이는 24.5 ±2.2세, 키는 173.4 ± 5.5 cm, 몸무게는 71.4 ± 8.5 Kg, BMI는 23.7 ± 2.2으로 군간의 유의성은 없었다. (표 1). 2차와 3차 임상실험에서는 360ml/person의 양으로 알코올을 섭취하게 하였으므로 개인차에 의한 알코올 섭취는 고려되지 않았다. 따라서 4차 임상실험에서는 피실험자의 체중을 고려하여 1g/kg의 알코올을 섭취하게 하였다. 또한 알코올 섭취 후, 2차와 3차는 3시간까지 호기와 혈액을 측정하였으나 4차에서는 알코올 섭취 후 1, 2, 4, 6 및 8시간 간격으로 호기 중의 알코올 농도를 측정한 결과는 표 7과 도 8과 같다. 알코올 섭취 후 1시간에서 0.1036 ± 0.033 %(w/v)의 최고 값을 나타내었고, 음용 후 4시간이 지나도 0.0574 ± 0.025 %(w/v)의 값으로 음주운전 시에 운전면허 정지의 값을 나타내었다. 6시간이 지나야 호기 중의 알코올량은 0.366 ± 0.019 %(w/v)이었으며 8시간에서 거의 정상치에 가까운 0.0126 ± 0.012 %(w/v)값을 나타내었다.
표 7. Alcohol Concentration in Respiration (4차 임상실험)
혈액 중의 알코올량은 대조군의 경우 0.0011±0.0016 ∼ 0.0081±0.0033%(w/v)의 값을 나타내지만 알코올을 섭취한 알콜 그룹의 경우에는 알코올 섭취 후 2시간에서 0.1307± 0.0622 %(w/v)을 나타내었고 8시간 이후에는 호기 중의 알코올량과 유사한 0.0123± 0.0193 %(w/v)의 값을 나타내었다.
표 8. Alcohol Concentration in Blood (4차 임상실험)
<5차 임상실험>
1-4차 임상실험은 건강한 대학생을 대상으로 실험하였으나 5차 임상실험에서는 회사원을 대상으로 호기 중의 알코올농도를 측정하였으며 그 결과는 표 9와 도 10에 나타나 있다. 대학생을 대상으로 한 이전의 실험과는 다르게 호기 중 알코올 농도가 알코올 섭취 후 1시간 지난 후 0.0923± 0.0296 %(w/v)의 값을 나타내었고 그 이후에는 점차 감소의 추세를 나타내었다. 알코올 섭취 후 4시간이 지난 후에는 0.0483 ± 0.0068 %(w/v) 의 값을 나타내었다. 따라서 대학생들의 경우 1차 실험 시 0.182 ± 0.022 %(w/v), 2차 실험 시 0.134± 0.019 %(w/v), 3차 실험 시 0.133 ± 0.001 %(w/v), 4차 실험 시 0.1036 ± 0.033 %(w/v)의 경우와는 다소 낮은 값을 나타내었다. 이는 체내의 알코올 해독능력에서 잦은 술자리를 마련하는 회사원들의 경우 ADH(alcohol dehydrogenase)나 ALDH(aldehyde dehydrogenase)에 의한 해독효과 뿐 아니라 MEOS(microsomal ethanol oxidasing system)의 작용이 활성화되어 나타난 결과라 사료된다. 건강한 대학생들과 회사원간에 약간의 차이로 인정할 수 있었다. 그러나 회사원은 호기실험은 실시하였으므로 혈 중 알코올농도나 뇨 채취는 더 진행할 수가 없었으므로 차후 재실험이 요구된다.
표 9. Alcohol Concentration in Respiration (5차 임상실험)
따라서 1-5차 혈액 및 호기 중의 알코올 농도를 측정함에, 호기 중 알코올 농도는 1시간에서 1시간 30분 대에서 최고의 값을 나타낸 반면 혈액 중의 알코올 함량은 1시간 30분에서 2시간대에 최고의 값을 나타내었고 개인차는 있으나 4시간 이후에는 호기 중의 알코올 함량측정 방법으로는 음주의 유무를 측정하기에는 어려움이 있으리라 본다. 혈 중 알코올의 함량 또한 알코올 섭취 후 6시간이후에는 음주 유무를 측정하기에 다소 어려움이 있다.
실험예 9: 뇨 중의 5HIAA와 5HTOL의 농도변화
실험에 참가한 피실험자들에게 알코올을 1g/kg을 1시간동안 섭취하게 한 후 일정 시간 간격(0, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24시간)으로 소변을 받아 실험한 결과는 표 10-13과 도 11-15에 나타나 있다. 소변 중에 배설되는 세로토닌대사 산물인5HIAA (5-hydroxyindole acetic acid)는 유리형태로 배설되는 반면 5HTOL (5-hydroxytryptophol)은 황산 또는 글루쿠로닉산과 결합하여 소변에 배출되는데, 알코올의 섭취가 일어나면 소변에 배설되는 세로토닌의 대사산물 중 5HTOL은 급격하게 상승한다. 도 11에 나타난 것처럼 시간에 따른 5HTOL의 농도는 시간이 지나면서 증가하여 알코올 섭취 후 6시간에서 최대값 28.0664pmol의 값을 나타내었고 그 이후 감소하여 16시간에서도 대조군 1.2694pmol 에 비해서 다소 높은 2.4515pmol의 값을 나타내었다. 반면 뇨 중에 존재하는 5HIAA의 농도는 표 11과 도 12에서 나타난 것처럼 알콜 그룹이 대조군에 비하여 4-8시간대에 다소 낮은 값을 나타내었다. 알코올과 바이오겐 아민(biogenic amines)은 일부 대사적 효소들을 공유하며, 알코올 산화 동안에 세로토닌(5HT, 5hydroxy- tryptophol)의 전환은 5HIAL이라는 중간산물에서 5HIAA로의 산화방향에서 5HTOL를 형성하는 환원방향으로 대사이동일 일어난다. 이는 에탄올에 의해 형성되는 acetaldehyde에 의해 ALDH의 경쟁적 저해 때문이다. 그 결과로써 NADH/NAD+ ratio로 증가한다. 또한 5HTOL의 ADH매개 재산화(re-oxidation)는 알코올에 의해 저해되고, 이는 세로토닌 대사의 전환을 유도하게 된다.
실험 시, 뇨 희석에 의하여 야기되는 5HIAA와 5HTOL의 농도에서 이러한 대사의 변화를 보완하기 위하여 5HTOL/5HIAA ratio로써 계산되어진다.
표 10. The 5HTOL concentration in urine
표 11. The 5HIAA concentration in urine
표 12. The 5HTOL/5HIAA ratio in urine
표 13. The 5HTOL/5HIAA ratio (pmol/nmol) in urine
실험예 10: 뇨 중의 5HTOL/5HIAA ( pmol/nmol) ratio의 변화
신경전달물질 세로토닌(5HT)은 아미노산 트립토판(tryptophan)으로부터 유래된다.(도 1) 세로토닌(5HT)의 대사는 효소 모노아민 옥시다제(monoamine oxidase)에 의한 알데히드(5HIAL)로의 산화적 탈아미노반응에 의해서이다. 알데히드 탈수소화제( aldehyde dehydrogenase)에 의한 5HIAL의 산화는 5HIAA(5-hydroxyindol-3-acetic acid)을 생산케 하고, 5HIAA는 세로토닌 의 우세한 최종산물이다. 알콜 탈수소화제(alcohol dehydrogenase)나 알데히드 환원제(aldehyde reductase)에 의한 5HIAL의 환원은 상대적으로 작은5HIAA의 대사산물을 초래한다.
알코올 섭취에 따른 뇨 중의 5HTOL/5HIAA ratio에 대한 실험의 결과는 표 12-13과 도 13-15에 나타나 있다. 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우, 소변의 5HTOL/5HIAA비율이 1.017 - 1.821 (pmol/nmol)%의 범위로써 평균 1.27 %의 값을 나타내었다. 반면 알콜 그룹의 경우에는 시간 경과함에 따라 알코올 섭취 후, 6시간에 9.69 %의 최고치를 나타내고 그 이후에는 점차 감소하여 16시간이 지난 후에도 1.326 %의 값으로 대조군의 값보다는 다소 높은 값이었으나 비교적 대조군의 평균값 1.27 %과 유사하였다.
사람의 경우, 소변 중의 5HTOL/5HIAA ratio는 혈액과 소변 알코올 농도가 정상수준으로 감소된 후 여러 시간 동안 증가된 상태로 남는다. 정상 시 5HIAA수준의 1% 미만이지만 알코올 섭취가 이루어지면 5HTOL의 대사산물은 증가하게 된다. 미국 사람 기준의 5-HTOL 양 1.5 %를 알코올 섭취의 유무를 판정하는 cutoff로 설정하려 한다. 본 실험에서는 알코올 섭취 후 4시간 이후에는 호기로 측정하기 어려우며 혈액을 통한 실험에서도 6시간 이후에는 혈액을 이용하여 알코올의 섭취유무를 판단함에는 어려움이 있었다. 반면 뇨 중의 세로토닌 대사 산물의 변화를 통하여 음주의 유무를 판단함에는 15-16시간대에까지 대사의 변화를 유지하므로 음주에 대한 섭취유무를 측정함에 호기나 혈액의 알코올 농도 측정방법보다 연장된 시간 후에도 체크가 가능하리라 보며, 미국에서 추진중인 컷오프의 기준을 한국에서 사용하여도 무리는 없으리라 보지만 보다 다양한 계층을 대상으로 한 보충의 연구가 뒤따라야 하리라고 본다. 이를 기초로 하여 한국형의 컷오프 비율은 최근 음주에 대한 생화학적 마커로써 제공될 수 있다.
본 발명은 한국형 음주 바이오마커의 컥오프 설정을 위한 임상실험을 5차에 걸쳐 건강한 남자대학생과 회사원 약 80여명을 대상으로 실시한 결과이며 혈액 및 호기 중의 알코올 농도를 측정한 결과, 음주 후 호기 중 알코올 농도는 1시간에서 1시간 30분 대에서 최고의 값을 나타낸 반면 혈액 중의 알코올 농도는 1시간 30분에서 2시간대에 최고의 값을 나타내었다. 개인차는 인정되었으나 4시간 이후에는호기 중의 알코올 농도를 측정하는 방법은 의의가 없었다. 혈 중 알코올 농도 또한 알코올 섭취 후 6시간 이후에는 알코올이 대사 되거나 배설되어 버리므로 측정의 의의가 없다. 사람의 경우, 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율은 혈액과 소변 알코올 농도가 정상수준으로 감소된 후 여러 시간 동안 증가된 상태로 남는다. 정상인의 경우,5HTOL의 양은 5HIAA수준의 1% 미만이지만 알코올 섭취가 이루어지면 5HTOL의 대사산물은 증가하게 된다. 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우, 소변의 5HTOL/5HIAA비율이 1.017 - 1.821 (pmol/nmol) %의 범위로써 평균 1.27 pmol/nmol%의 값을 나타내었다. 반면 알콜 그룹의 경우에는 시간 경과함에 따라 알코올 섭취 후, 6시간에 9.697 %의 최고치를 나타내고, 그 이후에는 점차 감소하여 16시간이 지난 후에도 1.326 %의 값으로 대조군의 값보다는 다소 높은 값이었다. 본 발명은 뇨 중의 세로토닌 대사 산물인 5HTOL과 5HIAA를 바이오마커로 이용하여 음주 후 16시간까지는 검색이 가능하였다. 최근 미국에서 추진 중인 5HTOL/5HIAA 비율의 컷오프 기준을 1.5 pmol/nmol%로 설정하려고 하는데, 이 기준을 한국사람에게 적용하여도 무리는 없으리라 보지만, 다양한 계층을 대상으로 한 보충의 연구가 필요하다. 본 발명은 한국형의 바이오마커의 컷오프 설정은 단순히 알코올 섭취유무 판단 뿐 만 아니라 장거리 운전자나 항공조정사 및 승무원, 법의학 등에 이용함으로써 알코올로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있으며 더 나아가서 정확하고도 신속히 검색할 수 있는 키트로 이용할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

  1. 인체 소변 중의 세로토닌 대사산물인 5HTOL(5-Hydroxytryptophol)과 5HIAA(5-hydroxyindoleaceticacid)를 바이오마커로 이용하여 음주를 측정하는 것을 특징으로 하는 한국형 음주측정용 바이오마커.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이오마커는 인체 소변 중의 5HTOL/5HIAA 비율이 알코올을 섭취하지 않은 대조군의 경우 1.017 내지 1.821 (pmol/nmol) % 범위이고 알코올 섭취 후 9.697 내지 1.326 (pmol/nmol) % 범위인 것을 특징으로 하는 한국형 음주측정용 바이오마커.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바이오마커는 알코올 섭취 후 16시간 경과까지 음주 측정하는 것을 특징으로 하는 한국형 음주측정용 바이오마커.
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