국부 마취제로 이용되는 리도케인이 신경세포막의 팽창에 미치는 영향

최 숙 영, 오 성 근, 이 주 성

한양대학교 응용화학공학부

Effects of Lidocaine Compounds on the Expansion of Lipid Monolayer at the Air/Water Interface

Suk-Young Choi, Seong-Geun Oh, and Ju-Seong, Lee

Department of Chemical Engineering and Industrial Chemistry, College of Engineering, Hanyang University, Seoul, 133-791, Korea

1. 서 론

국부 마취제는 신체의 제한된 부위에서 신경 섬유의 신호 흐름을 가역적으로 차단하여 감각을 잃게 하므로 국부 수술시에 통증 감소제로 많이 이용되고 있다. 이와 같은 작용은 마취제 분자가 Na+ 이온의 신경세포 내로의 침투를 저지하여 일어나는 것으로 일부 가설에 의하면 국부 마취제 분자들이 이중막 구조를 갖는 세포벽의 친유성 부분으로 침투되어 들어가 세포벽의 부피를 팽창시켜 세포벽 내에 인지질과 함께 존재하는 단백질의 구조를 변형시켜 단백질내에 형성된 이온통로를 막아 Na+이온의 통과를 차단한다고 설명한다(1). 또 다른 가설은 세포벽에 존재하는 단백질내 이온 통로에 존재하는 국부 마취제 수용체에 직접 흡착되어 이 통로를 막아주므로  Na+ 이온의 통과가 차단되어 마취된다고 주장한다(2). 이외에 여러 가지 가설이 제안되고있으나 마취기작에 대해 아직까지 정확히 설명되고 있지 않다.

동식물의 세포벽은 주로 40-50 %의 리피드와 50-60 %의 단백질로 구성되어 있으며 리피드는 한 분자내에 두 개의 탄소사슬로 이루어진 소수성 부분, 인산염 혹은 카르복실릭 에스터로 구성된 친수성 부분과 수소결합이 가능한 중간지역 (intermediate region)으로 이루어져 있다. 세포벽의 이중막을 형성하는 대표적인 지질에는 phosphatidyl choline(PC), phosphatidyl ethanolamine(PE), phosphatidyl inositol, phosphatidyl serine 등의 인지질과 sphingomyelin(SP)과 같은 sphingolipid 등이 있다(3).

본 연구에서는 국부 마취제로 널리 이용되는 lidocaine 분자들이 세포막 구성 성분인 리피드 분자 배열의 팽창에 미치는 영향을 Langmuir-Blodgett film balance의 공기/물 계면에서  리피드/lidocaine 혼합물의 monolayer를 형성 시킨 후lidocaine의 함량에 따른 혼합물의 area/molecule 측정을 통하여 조사 하였다. Lidocaine의 세포막 즉 인지질 이중막의 팽창에 미치는 영향 연구를 위하여 이중막 자체가 아닌 간단한 단분자 막계를 모사 씨스템으로 도입하였으나 이들의 상호 작용에 대한 많은 정보를 얻을 수 있었으며 lidocaine이 마취효과를 발휘하는 과정에 대하여 정확히 설명하는 데 도움을 줄 수 있었다(4).

2. 실 험

시 약

본 실험에서 사용한 phosphatidylcholine (>99%, PC), phosphatidyl ethanolamine (>99%, PE), sphingomyeline (>99%, SP), DS-PL95E(PC:75.2, PE:15.3, SP:2.1%)은  두산에서, lipoid 80(PC:81.7, PE:7.8, SP:2.5, lysoPC:1.7, P:3.78%)은 동국제약에서 구입하였으며 모든 lipid는 계란 노른자에서 추출한 것으로서 hydrocarbon chain의 길이가 16에서 22사이로 다양하다.

국부 마취제로 lidocain(>99%, sigma)을, 용매로는 chloroform(>99%, Matsunoen, Japan)과 methanol(>99%, carlo erba, France)을 사용하였다. Subphase용 증류수는 Milli Q Plus system(Millpore, France)으로 제조한 3차 증류수이며 공기/물 표면에 단분자 막을 형성 시키기 위하여 Langmuir-Blodgett Film Balance system (KSV 5000 Langmuir system, Finland)을 이용하였다.

실험방법

Lidocaine에 PC, PE, SP, DSPL-95E, lipoid 80 각각을 몰비율 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 변화시켜 혼합하였다. 이것을  chloroform과 methanol을 4:1 로 혼합한 혼합용매에 농도가 2 mg/ml 이하가 되도록 용해시켰다. LB trough안에 매 실험시 일정한 양(1□)의 증류수를 채우고 subphase water의 표면에 있는 불순물은 suction pump로 이용하여 깨끗이 제거했다. Wilhelmy plate를 1/3정도 subphase water에 잠기게 한후 영점을 맞추고 barrier를 움직여 표면압의 변화가 0.1mN/m 이하가 되도록 하여 물 표면이 먼지나 용액내 다른 물질에 의하여 오염되지 않은 상태임을 확인한후 혼합용액을 microsyringe (250□, Hamilton Company)를 사용해서  초기 surface pressure가 0.2mN/m가 될 때까지 분산시켰다. Chloroform은 물보다 무거우므로 분산시 한번에 떨어지는 양이 많으면 용액이 물에 가라앉게되어 리피드의 단분자 막을 형성 시키지 못한다. 따라서 각 drop을 3□이하로 하여 subphase의 표면 전체에 균일하게 분산했으며 20분을 두어서 용매가 완전히 증발할 수 있게 하였다. barrier의 속도는 15 mm/min. 로 일정하게 유지 하였다. 표면압의 측정 정확도는 ± 0.01mN/m이며 위 모든 실험을 2번씩 반복하여 평균값을 취하였다.

3. 결과 및 고찰

(1) 리피드/lidocaine 혼합물의 area/molecule

Langmuir trough에서 barrier를 움직여 단분자 막을 압축 하면 그림 1과 같이 물 표면에서 한 분자가 차지하는 면적이 감소됨에 따라 표면압이 증가되고 어느 한계점을 넘으면 더 이상의 증가없이 일정하게 유지되며 이 점 이상에서는 단분자막의 구조가 깨져 이중막의 구조로 변환 되거나 혼합물들이 물 내부로 가라앉게 된다. 단분자막 구조를 유지 하면서 최대로 압축 되었을 때 한 분자가 차지하는 면적을 포화 면적/분자라 하며 PC, PE, SP, DS-PL95E, lipoid와 lidocaine을 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 의 혼합비로 섞었을 때 공기/물 표면에서 혼합 단분자 막의 □-A curve를 얻은 후 한 분자가 차지하는 포화면적을 표1에 구하였다.

Lidocaine은 단일성분 단분자 막을 형성 시키지 못하고 분자들끼리 뭉치거나 cluster를 만들기때문에 lidocaine의 area/molecule를 측정하지못해 각각의 리피드의 □-A curve에 외삽하여  lidocaine의 area/molecule을 구하였다.

공기/물 표면에 형성된 리피드의 단분자 막에서 lidocaine이 리피드 분자 배열의 팽창에 미치는 영향을 알아보기 위하여 혼합 단분자 막에서 분자들의 excess area를 구하였다(5). 그림 2에 계산 결과가 나타나 있으며 대부분 리피드는 lidocaine과 혼합시 단분자막이 수축됨을 알 수 있었으나  PE의 조성이 0.4일 때는 오히려 반대로 팽창되었다. 이는 대부분의 리피드 이중막에서 lidocaine이 마취효과를 나타내는 것은 세포막의 팽창에 의한 것이 아니라 단백질내 lidocaine 수용체(receptor)에 직접 흡착되어 이온의 통과가 차단 되기 때문일 것으로 추정된다.

리피드 단분자 막이 수축되는 비율은 리피드의 종류와 리피드/lidocaine의 혼합 비율에 따라 변화되나 실험에 이용된 모든 리피드에서 리피드/lidocaine 혼합 비율이 3:1 일 때 최대가 되었다. 이는 리피드와 lidocaine 분자들이 가장 잘 상호작용 할 수 있는 육각형 분자배열을 이루기 때문으로 추측된다(6). Lidocaine에의한 리피드/lidocaine의 혼합 단분자 막 수축은 DS-PL95E, PC, SP, lipoid 순 이였으며 DS-PL95E는 여러 종류의 리피드가 혼합되어 있어 리피드간 상승효과 때문에 lidocaine에 의한 수축 효과가 최대인 것으로 생각된다.

Table 1. Saturated area/molecule (Å2) in the mixed monolayer of lidocaine and            lipids at various mixing ratios.

Mixing ratio between lipid and lidocaine Lipids	100:0	75:25	50:50	25:75	0:100
Phosphatidyl choline	89.7	59.1	39.7	19.6	5.6
Phosphatidyl ethanolamine	75.2	64.7	40.9	20.0	5.6
Sphingomyelin	68.4	46.5	29.1	16.2	5.6
DS-PL95E	96.5	63.7	42.1	21.1	5.6
Lipoid	90.7	63.8	43.5	23.6	5.6

(2) 리피드/lidocaine monolayer에서 혼합 자유 에너지 계산

실험에 이용된 리피드와 lidocaine의 단분자 막내 혼합성을 조사하기 위하여 □-A curve 결과를 이용하여 다음식으로부터 혼합 excess Gibbs free energy를 계산하고 그 결과가 그림 11에 나타나 있다(7).

[eqn: DELTA { G}^{ex }~~~ = ~~~DELTA { G}_{12} ~~- ~~DELTA { { G}_{12 } }^{id }]

[eqn: = INT _{ 0}^{ pi }~ ( { A}_{ 12} - { N}_{1 } { A}_{1} - { N}_{ 2} { A}_{2 } )~~ d pi]-------------(1)

여기서 □Gex는 혼합 단분자 막내에서 리피드와 lidocaine의 혼합 excess Gibbs free energy, □Gid는 두 성분이 단분자 막내에서 이상적으로 혼합 할 때의 자유에너지 변화를 나타낸다.

그림 3에 나타난 바와같이 표면압력이 10, 20, 30 40 dyn/cm 일 때 PC, SP, PE,  DS-PL95E, lipoid와 lidocaine이 혼합시 단분자 막내에서 혼합 자유에너지가 음의 값이므로 혼합이 자발적으로 일어남을 확인 할 수 있었다. 따라서 lidocaine이 세포 근처에 위치하게 되면 자발적으로 세포벽 이중막 내부로 침투되어 분자 차원에서 리피드와 균일하게 혼합된다는 것을 추론 할 수 있다.

4. 감  사

본 연구는 한국과학재단 핵심전문연구(과제번호 : 981-1105-022-2)에 의하여 지원된 결과이며 이와함께 한양대학교 신소재공정 공학원의 장학지원에 감사 드립니다.

5. 참 고 문 헌

Fig. 2. Excess area/molecule at the   lipid/lidocaine mixed monolayer

1. A. R. Patel, "Encyclopedia of Chemical Technology", John Wiley & Sons, Inc., 3rd. ed., vol. 2, p 684, New York (1980).

2. B. G. Covino, "Basic and Clinical Pharmacology of Local Anesthetic Drugs" in     "Anesthesia", M. D. Miller, ed., Churchill-Livingstone, New York (1986).

3. A. L. Lehninger, D. L. Nelson, and M. M. Cox, □Principles of Biochemistry",2nd. ed., Worth Publishers, Inc., New York (1993).

Fig.1. □-A curves for PC/lidocaine      mixtures at various mixing ratios

Fig. 3. Change in Gibbs free energy by mixing     between lidocaine and lipid at the monolayer

4. J. H. Fendler, "Membrane Mimetic Chemistry", chap. 1, John Wiley & Sons, Inc., New York (1982).

5. A. W. Adamson, "Physical Chemistry of Surfaces", 5th. ed., John Wiley &  Sons, Inc., New York (1990).

6. D. O. Shah, J. Colloid and Interface Sci., 37, 744 (1971).

7. G. L. Gaines, "Insoluble Monolayers at the Liquid-GasInterface",Interscience Publishers, New York (1966)