The Effect of Deferoxamine Mesylate, Allopurinol, and Superoxide Dismutase on Prevention of Kanamycin Ototoxicity in Guinea Pigs

Park, Geun Hwan; Lee, Chung Hoon; Jang, Young Ju; Rhee, Chung-Ku

Original Article

Phamacology

Korean Journal of Audiology 2000;4(2):117-120.

The Effect of Deferoxamine Mesylate, Allopurinol, and Superoxide Dismutase on Prevention of Kanamycin Ototoxicity in Guinea Pigs

Geun Hwan Park, Chung Hoon Lee, Young Ju Jang, Chung-Ku Rhee

Department of Otolaryngology, Dankook University School of Medicine, Cheonan, Korea

기니픽에서 Kanamycin 이독성의 예방에 대한 Deferoxamine Mesylate와 Allopurinol 그리고 Superoxide Dismutase의 효과에 대한 연구

박근환^, 이창훈^, 장용주^, 이정구

단국대학교 의과대학 이비인후과학교실

Abstract

Increasing evidence suggests that aminoglycoside ototoxicity is mediated by the formation of an aminoglycosideiron complex and that the creation of this complex is a preliminary step in generation of free radical species and subsequent hair cell death. In this study we have assessed the efficacy of the iron chelator (deferoxamine) and the free radical scavengers (allopurinol and superoxide dismutase；SOD) to protect the hearing loss induced by the aminoglycoside kanamycin. Experiments were carried out on guinea pigs and they were divided in four group；kanamycin alone group, kanamycin plus allopurinol group, kanamycin plus deferoxamine group, and kanamycin plus SOD group. Changes in auditory threshold were measured by monitoring shift in auditory brainstem evoked potential (ABR) threshold. Results show that animals receiving kanamycin alone suffered a mean threshold shift about 36.4±4.1 dB at 21 days after initiation of injection. And mean threshold shift was respectively 26.1±3.7 dB, 21.1±2.1 dB, and 13.9±1.9 dB in SOD group, allopurinol group, and deferoxamine group at 21 days after initiation of injection. A statistical comparison of each groups showed a significant difference in groups receiving cotherapy with kanamycin and deferoxamine and with kanamycin and allopurinol (p<0.05). These results provide further evidence of the intrinsic role of iron in aminoglycoside ototoxicity and suggest that deferoxamine and allourinol may have a therapeutic role in attenuating the cytotoxic action of aminoglycoside antibiotics.

Keywords: Aminoglycosides;Free radical scavengers;Iron chelators.

교신저자：장용주, 330-714 충청남도 천안시 안서동 산 29
전화) (0417) 550-3977, 전송) (0417) 556-1090, E-mail) yjang＠anseo.dankook.ac.kr

서 론

Aminoglycosides 약물은 1940년대에 streptomycin이 처음 소개된 이후,¹⁾ 그람 음성균에 대한 뛰어난 항균력이 인정되어 널리 사용되어 왔으나 이독성 및 신독성이 심각한 부작용으로 대두되면서 이의 사용에 많은 제한이 따랐다. 그러나 aminoglycosides는 그람음성균에 대한 뛰어난 항균력 및 저렴한 가격 때문에 오늘날까지도 널리 사용되는 항생제이다. 이러한 장점 때문에 1950년대 이후로 이 약물의 항균작용을 유지하면서 이독성 및 신독성을 줄이는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이러한 연구 결과 최근에 free radicals이 aminoglycosides 이독성을 일으키는데 중추적인 역할을 하며,^2-4) free radicals들이 형성되는 데에 세포 대사에 필수적인 iron이 필요하다는 결과가 보고되었다.⁵⁾ 이에 따라 free radical scavengers들과 ron chelators가 aminoglycosides에 의한 이독성 및 신독성의 예방에 효과적일 수 있다는 가설이 제시되었고, 실제로 이것을 연구한 논문이 최근에 보고되고 있다.^6-9)
그러나 aminoglycosides 이독성의 예방에 대한 이러한 free radical scavengers와 iron chelator의 효과에 대해서 아직 논란의 여지가 많은 실정이다.¹⁰⁾¹¹⁾ 이에 저자들은 aminoglycoside 중에서도 와우에 대한 이독성이 특히 강한 kanamycin을 사용하여 iron chelator와 free radical scavenger가 aminoglycosides 이독성의 예방에 얼마나 효과적인지를 기니픽을 이용한 실험을 통하여 알아보고자 하였다.

재료 및 방법

실험 동물

체중 300~350 gm 사이의 외견상 건강하고 현미경 소견상 중이 내에 염증이 없는 기니픽 28마리(56귀)를 암수 구별 없이 사용하였다. 실험 동물은 무작위로 각 군당 7마리씩(14귀) kanamycin만 투여 받은 군(Kanamycin 군), kanamycin과 superoxide dismutase(SOD)를 같이 투여 받은 군(SOD 군), kanamycin과 deferoxamine mesylate를 같이 투여 받은 군(Deferoxamine 군) 및 kanamycin과 allopurinol을 같이 투여 받은 군(Allopurinol 군)으로 분류하였다.

연구 재료

Aminoglycosides는 와우에 대한 이독성이 강한 것으로 알려진 kanamycin을 사용하였고(한 임상 연구에 의하면 약 80% 이상에서 청력 감소를 보이는 것으로 보고되었다¹²⁾), iron chelator는 deferoxamine mesylatef를, free radical scavenger로는 allopurinol과 superoxide dismutase(SOD)를 이용하였다.

연구 방법

네 군 모두 2주간 매일 한번씩 400 mg/kg의 kanamycin을 기니픽에 근육 주사하였다. SOD 군은 kanamycin을 근육 주사한 뒤 1시간 후에 0.3 mg/kg의 SOD을 복강 내에 투여하였고, allopurinol 군은kanamycin을 근육 주사한 뒤 1시간 후에 50 mg/kg의 allopurinol을 복강 내에 투여하였다. Deferoxamine 군은 kanamycin을 근육주사하기 1시간 전과 1시간 후에 각각 150 mg/kg의 deferoxamine mesylate를 근육 주사하였다.

결과 측정

실험 결과 측정은 먼저 기니픽을 ketamine hydrochloride(30 mg/kg)과 Xylazine hydrochloride(2 mg/kg)로 근육 주사하여 마취한 후, 뇌간유발전위검사를 이용하여 청력 역치를 측정하였다. 뇌간유발전위검사시 자극음은 특정한 주파수의 음을 주지 않고 1000~4000 Hz 사이의 클릭 음으로 주었고, 기니픽에서의 청력 역치값은 반복적인 시행에도 분명한 wave를 일으키는 가장 적은 강도의 음으로 잡았다.
약물을 투여하기 전에 먼저 기저청력 역치를 측정한 후에, 약물을 투여한 날부터 5일 간격으로 5일, 10일, 15일에 각각 청력역치를 측정하였고, 약물 투여가 끝난 뒤 1주일 후인 21일 째에 한 번 더 청력 역치를 측정하였다.

통 계

약물을 투여하기 전의 기저청력 역치값을 5일, 10일, 15일, 21일 째의 청력 역치값과 비교하여 각 기간별 변화값을 네 군간에 서로 비교하였다. Kanamycin 군과 다른 세 군과의 차이를 비교하기 위해서 paired t-test를 이용하였으며 5%의 유의수준에서 통계적 분석을 하였다.

결     과

Kanamycin 군에서는 기저청력 역치값과 비교했을 때, 시간이 지남에 따라 점차적인 청력 감소를 보여 5일, 10일, 15일, 21일 째에 각각 8.4±1.2 dB, 13.2±2.5 dB, 18.5±3.1 dB, 36.4±4.1 dB의 청력 역치 변화가 있었다. 즉 kanamycin 투여 전의 기저청력 역치값과 비교했을 때, 21일 째에는 36.4±4.1 dB 만큼 청력이 떨어진 것이다. 그리고 5일, 10일, 15일, 21일 째에 각각 SOD 군에서는 8.2±0.8 dB, 12.1±2.2 dB, 15.7±3.3 dB, 26.1±3.7 dB의 청력 역치변화가, allopurinol 군에서는 4.2±0.6 dB, 7.6±1.1 dB, 10.4±1.5 dB, 21.1±2.1 dB의 청력 역치 변화가, deferoxamine 군에서는 2.2±0.4 dB, 4.3±0.7 dB, 7.1±1.4 dB, 13.9±1.9 dB의 청력 역치 변화가 있었다(Table 1).
Kanamycin 군과 deferoxamine 군 사이와 kanamycin 군과 allopurinol 군 사이에는 p값이 0.05 미만으로 통계적으로 유의한 차이가 있었으나, kanamycin 군과 SOD 군 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(Fig. 1).

고     찰

Free radicals은 unpaired electron을 가진 정상적인 세포내 대사산물로서 산화성이 높고 조직 손상을 일으키며, 세포내에서 DNA, 세포내 단백질, 세포막 지질과 빠르게 결합하여 DNA 분해, 정상 단백질 대사의 장애, 지질 세포막의 파괴 등을 일으킨다. 그러나 scavenging enzyme이 생김에 따라 세포내 축적이 제한된다. aminoglycoside 이독성에 대한 최근의 연구 결과 aminoglycoside와 iron이 반응하여 먼저 Aminoglycosideiron complex가 형성되고, 여기서 와우세포에 손상을 일으키는 free radical이 생성되어 free radical에 의해 이독성이 생긴다는 보고들이 제시되고 있다.^2-5) 이와 같이 aminoglycosides에 의한 와우세포 독성에서 iron의 중추적 역할은 iron을 투여했을 때 gentamicin에 의한 이독성 및 신독성이 증가했다는 최근의 보고에 의해서도 뒷받침된다.⁸⁾ 이와 같이 aminoglycosides가 이독성을 일으키는데 iron이 중추적 역할을 한다는 이론하에 iron chelator인 deferoxamine을 주어 iron ions(Fe2＋)을 놓고 aminoglycosides와 경쟁시키면 free radicals의 생성에 꼭 필요한 단계인 aminoglycosideiron complex의 형성이 줄어들어 와우세포 파괴에 꼭 필요한 물질인 free radicals의 생성이 감소하게 됨에 따라 aminoglycosides에 의한 이독성도 줄어든다는 가정 하에 그동안 몇몇 연구가 있었다.
Song 등은 1995년에 발표한 그의 연구에서 allopurinol, benzoate, mannitol, WR-2721, dimethyl sulfoxide 등과 같은 free radical scavengers 들은 gentamicin에 의한 이독성의 예방에 전혀 효과가 없었으나, deferoxamine, 2,3-dihydroxybenzoate 등의 iron chelator 들은 매우 효과적이었다고 보고하였다.¹³⁾ 또한 1998년 Conlon 등은 실험동물에서 deferoxamine을 투여함으로써 neomycin에 의한 이독성을 줄였다고 보고하였다.¹⁴⁾
이렇게 free radicals이 형성되는 것 자체를 예방하는 것은 이미 생성된 free radicals을 중화하는 것보다 더 효과적일 수 있는데, 왜냐하면 radical scavengers와 free radicals이 같은 시기에 같은 세포 내에서 반응할 때에만 비로서 이미 생성된 free radicals 들이 제거되며 이런 상황은 항상 일어나는 것이 아니기 때문이다. 그리고 이것이 본 연구 결과에서와 같이 iron chelator가 free radical scavengers보다 aminoglycosides에 의한 이독성을 예방하는데 더 효과적일 수 있는 이론적 근거가 된다.
Deferoxamine은 Streptomyces 종으로부터 분리된 물질로서 thalassemia 환자에게 장기간 사용했을 때, 감각신경성 난청을 일으켰다는 보고가 있으나,¹⁵⁾ 고용량(6주간 600 mg/kg)으로 사용했을 때만 청력 손실을 일으키고 저용량으로 단기간 사용했을 때에는 부작용이 거의 없는 것으로 되어 있다.¹⁶⁾¹⁷⁾
비록 본 연구에서는 혈청내 kanamycin의 농도를 측정하지는 않았으나, 함께 투여한 deferoxamine이 혈청내 kanamycin의 농도에 영향을 끼치지 않았다는 연구 결과가 있었다.¹³⁾ 따라서 본 연구에서도 deferoxamine이 혈청내 kanamycin의 농도에 영향을 끼치지 않았을 것이라 생각된다.

결     론

본 연구의 결과 iron chelator인 deferoxamine mesylate와 free radical scavenger인 allopurinol이 kanamycin에 의한 이독성의 예방에 효과적일 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 같은 free radical scavenger인 superoxide dismutase(SOD)는 본 연구에서는 kanamycin 이독성의 예방에 별다른 효과가 없었다.

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