Investigation of Dermal Toxicity of Ionic Liquids

Abstract

최근 이온성액체는 화학 산업 분야에서 기존에 사용하던 휘발성 용매에 대한 친환경적인 대체 용매로 각광받고 있다. 이온성액체는 이온으로만 구성되어 있어, 증기로 배출되는 것이 거의 없고 다양한 양이온과 음이온의 조합으로 용매의 성질을 조정할 수 있다. 이러한 이상적인 성질 및 수많은 구조적 다양성은 촉매를 이용한 합성, 배위화학, 분석화학, 고분자재료, 나노기술 등과 같은 다양한 분야에 적용이 가능하다. 그러므로 이온성액체를 사용하기 전에 인간 및 환경에 대한 평가가 필요하다. 현재까지는 이온성액체는 환경 독성과 HeLa, CaCo-2, PC12와 같은 세포에서만 독성이 평가되어 있다. 일반적으로 독성 물질이 직접적으로 노출되는 조직 중의 하나는 피부이다. 그래서 본 연구에서는 인간으로부터 유래한 각질세포인 HaCaT 및 섬유아세포인 Hs68을 이용하여 이온성액체의 피부 독성과 그 기전을 확인하고자 하였다. 먼저, 이온성액체의 양이온은 [EMIM]으로 고정하고, 음이온은 [TFSI], [PF6], [BF4], [DCA]로 다양하게 변화시켜 피부 독성을 평가하였더니, 다른 음이온에 비하여 [TFSI]의 독성이 현저하였다. 다음으로, 이온성액체의 음이온은 앞서 독성을 보였던 [TFSI]로 고정하고, 양이온을 [EMIM], [BMPY], [TBA], Zn(II)로 변화시켰더니, 독성은 감소하지 않았다.[TFSI]의 독성 기전을 확인하기 위해, [BMPY][TFSI]를 각질세포에 처리하고 형광현미경 및 유세포분석기로 세포사 멸양상을 분석하였더니, 농도의존적으로 괴사가 유의하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 괴사의 원인을 파악하기 위하여 세포 내의 활성산소종을 검출하였다. 활성산소종은 농도의존적으로 증가하였고, 증가된 ROS는 항산화제인 N-acetylcysteine으로도 반전되지 않았다. 더욱이 세포내에서 산화적 스트레스에 대항하는 중요한 항산화제로 알려져 있는 glutathione의 양 또한 감소하였다. 이 결과는 [TFSI]로 구성된 이온성액체가 활성산소종의 증가와 glutathione의 감소로 인하여 괴사를 유도할 수 있음을 시사한다. 본 연구를 통하여 [TFSI]가 피부 독성을 나타냄을 알 수 있으므로, 무해한 것으로 입증된 이온성액체를 사용하거나 [TFSI]로 구성된 이온성액체를 사용하는 경우에는 독성을 보이지 않는 농도를 설정하는 등의 방안을 모색할 필요가 있다.;Recently, ionic liquids have received a spotlight in the chemical industry as potential green substitutes for traditional solvents. Desirable properties and enormous structural diversities of ionic liquids provide an immense potential for the application in various fields. Until now, many researches for toxicity of ionic liquids have been performed mainly concerning environmental toxicology and cytotoxic effects on such as HeLa, CaCo-2, and PC12. However, there is little information on the toxicity of ionic liquids on the skin, one of the tissues directly exposed to toxic compounds. Here, we evaluated the dermal toxicity of ionic liquids using human keratinocyte cell line and fibroblast cell line, and investigated the toxic mechanism. In this study, dermal toxicity of ionic liquids was evaluated by changing several anions, such as bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, hexafluorophosphate, tetrafluoroborate, and dicyanamide with cation fixed as 1-ethyl-3-methylimidazolium. As a result, it showed significant toxicity of ionic liquid composed of bis(trifluoromethanesulfonyl)imide salt compared to other anions. Even when cations were changed diversely with anion fixed as bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, toxicity was not decreased. To investigate the toxic mechanism, we analyzed the pattern of cell deaths by fluorescence microscope and flow cytometry, which revealed that exposed cells underwent necrotic cell death. Cellular reactive oxygen species (ROS) was also dose-dependently increased by bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, which was reversed by antioxidant, N-acetylcysteine. Furthermore, the amount of glutathione was decreased. Next, we use 3D reconstituted human full skin model to identify dermal toxicity of ionic liquids with in vivo-like morphological and growth characteristics. The dermal toxicity was increased significantly. It is necessary to suggest alternatives like using another ionic liquid known as harmless or setting up the safe concentration of [TFSI] salt.