다목적용액에서 천연보존제로서의 Allyl 유도체의 항균활성 <하>

▣ 결과 및 고찰 ▣
das, 안질환 유발 세균 성장억제…항균 효과

일반적인 보존제로 항미생물 작용이 있는 benzyl alcohol은 하나의 aromatic 고리를 가진 일차 알코올로 대부분의 그람양성균과 효모, 곰팡이 그리고 candida 등에 대한 항균작용(antimicrobial activity)를 나타낸다‘19,20’. 그러나 이것은 고농도에서 항균작용을 나타내며, 중요한 안질환 세균인 녹농균과 같은 그람음성균에 대한 효과는 적다‘21’.
따라서 대부분의 mps에는 benzyl alcohol이 고농도로 포함되어 있다.

benzalkonium chloride역시 4개의 암모늄을 가진 4가 양이온 화합물로 mps 뿐만 아니라 점안항생제 등에 포함되어 있는 보존제성분인데 그 항균활성은 잘 알려져 있다‘22,23’. 또한 이러한 양이온 화합물은 최근 점안액에 첨가되어 각막 투과도(permeability)를 증가시켜 점안액의 흡수를 돕는다고 보고되었다‘24,25’. 뿐만 아니라 meyer(2007)등은 임산부에서 신생아의 산도 감염을 일으키는 β-포도상구균(streptococcus agalactiae)의 감염에 대해 효과적으로 치유할 수 있다고 보고하였다‘21’. 그러나 이러한 이점에도 불구하고 많은 연구에서 mps에 포함된 이러한 합성화합물이나 비천연 화학보존제가 각막상피나 결막세포등에 노출될 경우 심각한 손상을 초래할 수 있다고 보고되어 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 합성보존제와 동일한 항균활성을 가지면서도 세포독성이 없는 식물유래 천연물을이용하여 안질환 세균에 대한 항균작용을 시험하였다. 마늘의 allyl 유도체들은 다양한 미생물(microbe)에 대한 항균과 살균작용이 있으며 특히, candida와 같은 진균류에도 효과가 있다고 알려져 있다‘15,16’. 따라서 allyl 유도체das를 농도별로 배지에 처리하여 녹농균과 황색포도상구균의 생육억제에 대한 효과를 알아보았다(fig. 1). 두 종류의 세균의 생육곡선(data not shown)을 통해 가장 활발한생육활성을 보이는 시간이 20시간으로 나타났으므로 이후의 실험은 모두 das를 농도별로 20시간 처리하였다. 실험결과 녹농균(fig. 1a)과 황색포도상구균(fig. 1b) 모두에서 농도 의존적으로(r2<0.9) 세균의 생장을 억제하였다. 50%의 생육억제(ic50)를 나타내는 das농도는 녹농균과 황색포도상구균 각각 0.25%와 0.64%의 농도로 배지에 처리하였을 때이다. 따라서 das는 렌즈관리 소홀로 흔히 감염될 수 있는 녹농균에 대한 항균 감수성이 더욱 높은 것으로 사료된다.

본 연구결과에 의하면, das는 녹농균에 대해 더욱 높은 항균 활성을 보였다. 이러한 연구 결과는 das가 그람음성균에 비교적 그 항균활성이 약하며, 그람양성균에 대해서도 고농도에서 작용하는 일반적인 화학보존제인benzalkonium chloride를 대신하여 부작용이 없으면서 효과적으로 대처할 수 있는 안전한 천연물 유래 보존제로 개발 가능성이 있음을 시사한다. 또한 효모, candida와 같은 진균류에 대한 항균활성이 보고되고‘28-30’ 있기 때문에 여러 가지 화학 보존제나 항균제의 첨가없이 마늘의 allyl유도체만으로도 다양한 세균이나 진균류 등으로 오염될 수 있는 mps의 보존제로 그 유용성이 높다고 할 수 있다.

다음은 100%의 항균활성을 나타내는 das의 농도를 알아보았다(fig. 2). 녹농균은 0.6%의 das를 처리하였을 때 100%의 생육억제를 나타내었으며(fig. 2a), 황색포도상구균은 1.0%의 das를 처리하였을 때 100%의 생육억제를 보였다(fig. 2b). 따라서 das는 녹농균에 대한 항균 감수성이 더욱 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 낮은 농도의das를 항균제로 사용하더라도 효과적으로 항균과 살균(disinfection)을 할 수 있을 것으로 사료된다. 0.2%의 das를 처리하였을 때 녹농균은 44.3%까지 생육을 억제한 반면, 황색포도상구균은 0.52%만이 생육을 억제하였다.

마늘 성분은 candida 세포내 단백질, 지방과 핵산 등의 합성을 저해하는 항 캔디다 활성(anti-candidal activity)도 가지고 있다‘29,30’. 최근 효소 없이도 마늘이나 alliin을 가열하였을 때의 생성되는 열분해물질인 allyl alcohol에 의해서도 항균작용을 갖는 것으로 보고되고 있다‘31’. 마늘을 가열하여 매운 성분을 제거 하였을 때에도 효모 등에 대한 항균활성이 10배 이상 증가한다고 보고되었다‘31’. 이와 같이 마늘유래 allyl 유도체는 다양한 범위의 미생물(microbe)에 효과적이다. 따라서 다양한 미생물에 오염될 수 있는 콘택트렌즈 용품이나 착용과정에 생기는 감염에 대해 방어할 수 있는 천연 항균물질이 될 수 있다.

현재 마늘의 여러 가지 추출물의 항미생물 작용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 수많은 마늘 유래 유도체에 따른 특이적인 항미생물 작용에 대한 구체적인 연구가 더욱 요구되고 있는 실정이다. 또한 이처럼 마늘은 우수한 생리활성을 가지고 있음에도 불구하고 휘발성 향기성분이 나타내는 고유의 매운 맛과 향으로 인해 mps의 보존제로 개발에 어려움이 있지만 최근 다양한 분야에서 무취화 마늘소재 개발연구‘32’가 활발히 진행되고 있어 이러한 점만 보완이 된다면 mps첨가 천연보존제로 개발가능성이 더욱 높을 것으로 사료된다.

2. 녹농균과 황색포도상구균에 대한 mpss의 생육억제효능 비교

천연물유래 항균활성물질의 다양한 효능을 더욱 효과적으로 적용하기 위해서는 다목적용액의 항균작용에 있어서의 비교분석이 필요하기 때문에 시중에 판매되고 있는mps의 항균활성들을 조사하였다. a와 b사의 mps의 항균활성을 비교실험 하였으며, 두 회사 제품에서 살균과 살충작용을 한다고 알려진 주요성분과 그 작용을 table 1에나타냈다. 실험한 농도범위에서 a사의 mps는 녹농균과 황색포도상구균 모두에서 유의성 있는 항균활성을 보이지 않았다(fig. 3a, b and c). 그러나 b사의 mps는 두 종류의 세균모두에 대한 항균효과가 있는 것으로 나타났다. 항균활성을 가지고 있는 b사 mps의 50% 생육억제를 나타내는 농도인 ic50은 녹농균과 황색포도상구균에 대해서 각각 11%과 10%로 그람음성과 그람양성 세균에 대한 유의한 차이는 보이지 않았다.

table 1에서 나타낸 두 회사의 제품에 첨가되어 있는 살균제인 pq-1(b사의 제품 첨가제)과 phmb(a사 제품의첨가제)는 모두 benzalkonium chloride와 유사한 구조이며, 알려진 살균 기전이 유사하다. 이들은 모두 소수성의 탄화수소 사슬 뼈대를 기본으로 하여 여러개의 양이온을 가지는 화합물이다. 따라서 음전하를 띠며 동시에 소수성의 지질 이중층으로 구성된 세포막과 결합하여 세균의 세포막을 파괴함으로써 항균활성을 나타낸다. phmb는 5개의 암모늄기를 가지고 있는데 이러한 양이온들이 세균의 세포막의 음이온 분자와 결합하여 막의 구성을 제배치하여 막을 파괴시킨다‘33’. a사 제품에 포함되어 있는 phmb는 b사 제품에 포함된 pq-1보다 많은 수의 양이온을 가지지만 본 연구의 실험결과 b사의 제품이 더 큰 항균활성을 나타내었다. 일반적으로 mps는 렌즈 보관시 원액을 사용하고 있으나, 본 실험에서는 10배에서 100배까지 희석한 용액을 사용했기 때문에 이러한 낮은 농도에서 항균활성이 나타지 않은 것으로 사료된다. a사의 mps는 희석하여 사용되거나 콘택트렌즈의 세균 오염도가 클 경우 충분히 살균되지 않기 때문에 mps 사용시 정확히 그 사용법을 준수하여 사용하여야 할 것이다.

3. mps에 첨가된 das의 항균활성

a사의 mps는 처리한 농도범위(0∼15%)에서 유의한 항균활성을 나타내지 않았기 때문에 5%의 a사 mps가 첨가된 배지에 das를 농도별로 함께 처리하여 두 세균에 대한 항균활성 실험을 하였다. mps와 함께 처리된 das는 녹농균과 황색포도상구균 모두에서 유의성 있게 항균활성을 나타내었으며(fig. 4), fig. 1의 실험결과와 일관성 있게 녹농균에서 항균활성이 더 높은 것으로 나타났다. 마늘은 항미생물 작용(antibacterial, antifungal, antiviralactivity) 뿐만 아니라 심장혈관계 질환예방이나 항암작용 등 매우 광범위한 기능을 가지는데, 이러한 강한 생물학적 활성을 가지는 것은 마늘에 존재하는 황화합물에 기인하며, 현재 활발한 연구가 되고 있는 것들 역시 황화합물이다. 본 연구 결과에서, 마늘 유래 allyl 유도체인 das는 mps에 첨가되어 그람양성균인 황색포도상구균 뿐만 아니라 그람음성균인 녹농균에 대해서도 생육을 억제시키는 활성이 뛰어난 것으로 나타났다.

기존에 사용되고 있는 mps의 보존제인 benzalkonium chloride와 같은 합성 화합물은 그람음성균에 대한 활성이 상대적으로 낮다. 따라서 여러 가지 합성 화합물을 복합적으로 사용하여야 한다. 이와 비교하여 마늘 유래 allyl 유도체는 많은 양을 한꺼번에 섭취하지 않는 이상 인체에 무해하기 때문에 보다 안심하고 사용할 수 있으며‘34’, 그람음성균과 양성균 모두에 항균작용을 함으로써 보다 효과적이라고 사료된다. 또한 benzalkonium chloride를 대신하여 안과적으로 사용되는 약품제제에도 사용할 수 있어 광범위한 적용이 가능할 수 있다. 그러나 allyl 유도체는 화학적으로 불안정하며, 강한향과 휘발성의 성질을 가지고 있으므로 보다 안정하고, 무취화 시키는 방법이 더 개발되어야 상업적으로 적용할 수 있을 것이다. 마늘 성분 중 열에 보다 안정하면서도 항균활성이 강한 allyl alcohol과 같은 것이 대처 방안이 될 수 있을 것이다.

다양하고 복합적인 기능을 모두 가지고 있어 mps로서의 기능이 뛰어나다고 알려진 b사의 mps는 a사의 제품보다 일반적으로 가격이 높다. 오늘날의 소비자들은 높은가격을 지불하더라도 고품질의 제품을 선호하는 경향이있다. 그러나 이러한 제품은 높은 항균활성으로 인해 콘택트렌즈 관리에 있어서는 용이하나, 보고된 바와 같이 세포독성과 각막세포막의 투과성의 변화 등 안전하게 사용되지 않는 과정에서 일어날 수 있는 2차적인 위험에 노출될 수 있을 것이다. 식품 등에서도 합성화합물로 일관된 보존제에 대한 우려가 높아지고 있으며, 천연 유기농 식품이 그 가치를 높여가고 있는 이때, mps에 첨가되는 인체에 안전한 천연물 유래 보존제에 대한 개발이 더욱 절실하다. 본 연구에서 실험한 das와 같은 allyl 유도체뿐만 아니라 마늘의 다양한 성분을 복합적으로 사용한다면 더욱 효과적이고도 인체에 안전한 보존제가 될 것이라 사료된다. 따라서 본 연구 결과는 천연물 유래 항균활성을 가진 mps 보존제의 개발에 기초자료가 될 수 있을 것이라 사료된다.

◆ 결 론 ◆

마늘유래 allyl 유도체인 das는 황색포도상구균과 녹농균 모두에서 더욱 강한 항균활성을 나타냈으며, 특히 녹농균에서 항균활성도가 높았다. mps의 항균활성 실험에서 a사 제품은 희석하였을 때 항균효과가 없었으며 b사 제품은 두 균 모두에서 동일한 항균활성을 보였다. mps에 첨가된 das 역시 항균활성을 나타내었다. 따라서 마늘성분과 같은 천연물유래 das가 더욱 효과적이고 안전한 mps의 보존제로 개발 가능성이 있음을 시사한다.