KR20210146667A - Biomarker for identification of exposure to benzene and use thereof - Google Patents

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KR20210146667A
KR20210146667A KR1020200063769A KR20200063769A KR20210146667A KR 20210146667 A KR20210146667 A KR 20210146667A KR 1020200063769 A KR1020200063769 A KR 1020200063769A KR 20200063769 A KR20200063769 A KR 20200063769A KR 20210146667 A KR20210146667 A KR 20210146667A
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류광현
이가현
최현진
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a biomarker composition for checking whether or not benzene is exposed, and a composition for checking whether or not benzene is exposed and a method for checking whether or not benzene is exposed using the same. By detecting a new biomarker checked as a metabolite of benzene from the blood of a subject suspected of being exposed to benzene, the biomarker composition for checking whether or not benzene is exposed and the composition for checking whether or not benzene, comprising an agent that detects the same, is exposed can be usefully used to determine whether or not benzene is exposed.

Description

벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 및 이의 용도{Biomarker for identification of exposure to benzene and use thereof}Biomarker for identification of exposure to benzene and use thereof

본 발명은 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 조성물 및 이를 이용한 벤젠 노출 여부 확인용 조성물, 벤젠 노출 여부를 확인하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biomarker composition for determining whether exposure to benzene, a composition for determining whether exposure to benzene using the same, and a method for determining whether exposure to benzene is present.

벤젠(benzene)은 특정 냄새를 가진 무색의 물질로 매우 휘발성이 강하며, 다양한 소재의 전구물질(precursor)로 사용되기 때문에 산업계에서도 널리 사용되고 있다 (Schnatter et al., 1996). 벤젠은 벤젠을 사용하는 산업계에 종사할 때뿐만 아니라, 그렇지 않을 때도 일상 생활에서 소량에 노출될 수 있다. 일반적인 노출 경로는 자동차 매연, 담배 연기뿐만 아니라 소량의 잔디, 페인트, 가솔린을 포함한다 (Turteltaub & Mani, 2003). 벤젠은 휘발성이 강하기 때문에 호흡기로 흡입될 수 있다. 흡입된 벤젠은 폐를 통과하기 때문에 흡수가 빠르며, 벤젠에 노출될 경우 알코올을 들이마신 것과 같이 구토를 일으킨다. 특히 장기간 노출 시 혈액암, 환각을 유발할 수 있으며, 최근 연구에서는 인슐린 발현 수준이 억제될 수 있다는 연구결과가 나왔다 (Amin et al., 2018).Benzene (benzene) is a colorless substance with a specific odor, very volatile, and is widely used in industry because it is used as a precursor for various materials (Schnatter et al., 1996). Benzene can be exposed in small amounts in daily life, both when working in industries that use benzene and when not. Common routes of exposure include automobile fumes and cigarette smoke, as well as small amounts of grass, paints and gasoline (Turteltaub & Mani, 2003). Benzene is highly volatile and can be inhaled. Inhaled benzene is rapidly absorbed because it passes through the lungs, and exposure to benzene causes vomiting, similar to inhaling alcohol. In particular, long-term exposure can cause hematologic cancer and hallucinations, and a recent study found that insulin expression levels could be suppressed (Amin et al., 2018).

벤젠에 대한 노출 정도는 벤젠을 직접 측정하거나 벤젠의 대사물(metabolite)을 측정하여 결정할 수 있다. 벤젠은 호흡(breath) 또는 혈액에서 측정되는데, 체내의 벤젠 수준보다 적은 양으로 측정되며, 혈액에서는 벤젠이 빠르게 대사되어 사라지기 때문에 매우 부정확하게 노출이 측정된다. 또 다른 방법은 뮤코산(muconic acid), S-페닐메르캅투르산(S-penylmercapturic acid)과 같은 벤젠의 요중(urinary) 대사물을 검출하는 것이다. 그러나, 페놀은 최소 10 ppm의 벤젠에 노출되어야만 측정이 가능하며, 흡연과 같은 다른 경로에서 노출된 페놀이 검출될 수 있어 부정확한 테스트가 된다. 또한, 뮤코산 측정은 요중에 존재하는 크레아틴으로 보정해야 하는 번거로움이 있다. 따라서, 현재로서는 소변에서 뮤콘산이나 S-페닐메르캅투르산을 측정하는 벤젠 노출 여부의 확인 방법에 의존적인 실정이다.Exposure to benzene can be determined by measuring benzene directly or by measuring its metabolites. Benzene is measured in the breath or blood, measured in amounts lower than the body's benzene level, and exposure is very inaccurate because benzene is rapidly metabolized and disappears from the blood. Another method is to detect urinary metabolites of benzene, such as muconic acid and S-penylmercapturic acid. However, phenol can be measured only when exposed to at least 10 ppm of benzene, and phenol exposed from other routes such as smoking can be detected, making the test inaccurate. In addition, the measurement of muco-acid is cumbersome to calibrate with creatine present in the urine. Therefore, the present situation is dependent on the confirmation method of whether or not benzene exposure by measuring muconic acid or S-phenyl mercapturic acid in urine.

이에, 본 발명자들은 종래 기술들의 문제점을 극복하기 위해 연구한 결과, 벤젠에 노출되지 않은 정상군 대비 벤젠에 노출된 노출군의 혈액에 존재하는 신규의 바이오마커를 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors completed the present invention by identifying novel biomarkers present in the blood of the exposed group exposed to benzene compared to the normal group not exposed to benzene as a result of research to overcome the problems of the prior art.

한국공개특허 제10-2004-0012511호Korean Patent Publication No. 10-2004-0012511

본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 조성물를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a biomarker composition for determining whether exposure to benzene, including the compound represented by Formula 1, is provided.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a composition for checking whether exposure to benzene comprising the composition.

또한, 본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물을 피검자의 혈액으로부터 검출하는 단계를 포함하는 벤젠 노출 여부를 확인하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for determining whether benzene is exposed, comprising detecting a compound represented by Formula 1 from blood of a subject.

본 발명의 일 양상은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention provides a biomarker composition for determining whether exposure to benzene comprising a compound represented by the following formula (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

고농도의 벤젠 (52~62 ppm)에 4시간 동안 노출될 경우, 30% 정도가 체내에 잔류하며, 그 중 16%가 대사되지 않은 형태로 호기 중으로 방출된다. 벤젠은 주로 간에서 대사되며, 일부는 골수에서도 대사가 일어난다. 벤젠은 지방함량이 높은 조직에서 생물학적 반감기가 24시간이며, 대사되어 소변을 통해 배출된다. 벤젠의 주요 대사산물은 페놀, 카테콜, 하이드로퀴논, 페닐메르캅투르산, 트랜스(trans) 뮤코산, 하이드록시퀴논 등이 있다. When exposed to a high concentration of benzene (52-62 ppm) for 4 hours, about 30% remains in the body, and 16% of it is released into the air as unmetabolized form. Benzene is mainly metabolized in the liver, with some metabolizing in the bone marrow. Benzene has a biological half-life of 24 hours in tissues with high fat content and is metabolized and excreted in the urine. The main metabolites of benzene include phenol, catechol, hydroquinone, phenyl mercapturic acid, trans muco acid, and hydroxyquinone.

본 발명자들은 질량 분석기를 이용하여 벤젠에 노출된 생쥐의 혈액을 분석한 결과, 벤젠의 대사물질로서 상기 화학식 1로 표시되는 페닐설페이트(phenylsulfate)가 새로운 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커임을 확인하였다. 상기 화학식 1의 화합물은 벤젠 노출에 의해 혈액에서 검출되는 것일 수 있다. As a result of analyzing the blood of mice exposed to benzene using a mass spectrometer, the present inventors confirmed that phenylsulfate represented by Formula 1 as a metabolite of benzene is a biomarker for confirming whether or not new benzene has been exposed. The compound of Formula 1 may be detected in blood by exposure to benzene.

본 발명의 '바이오마커'는 일반적으로 생물학적 시료에서 검출 가능한 물질로서 생체의 변화를 알아낼 수 있는 폴리펩티드, 단백질, 핵산, 유전자, 지질, 당지질, 당단백질, 당, 대사물질 등과 같은 유기 또는 무기 생체 분자들을 모두 포함한다. 이러한 바이오마커를 활용하면, 생명체의 정상 또는 병리적인 상태, 약물에 대한 반응 정도 등을 객관적으로 측정할 수 있다.The 'biomarker' of the present invention is generally a detectable substance in a biological sample, and organic or inorganic biomolecules such as polypeptides, proteins, nucleic acids, genes, lipids, glycolipids, glycoproteins, sugars, metabolites, etc. include all of By using these biomarkers, it is possible to objectively measure the normal or pathological state of an organism, the degree of response to a drug, and the like.

본 발명의 '바이오마커 조성물'은 바이오마커에 특이적으로 결합하여 그의 발현 수준을 측정할 수 있는 항체, 기질, 리간드 단백질, 펩타이드, 핵산, 화학물질, 고분자 또는 보조인자(cofactor) 등을 포함할 수 있다.The 'biomarker composition' of the present invention may include an antibody, substrate, ligand protein, peptide, nucleic acid, chemical substance, polymer, or cofactor, etc. capable of specifically binding to a biomarker and measuring its expression level. can

또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 검출하는 제제를 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 조성물을 제공한다. In addition, another aspect of the present invention provides a composition for determining whether exposure to benzene comprising an agent for detecting the compound represented by the formula (1).

상기 제제는 화학식 1의 화합물에 특이적으로 결합하는 분자를 포함하는 것일 수 있다. 상기 분자는 모노클로날 항체, 폴리클로날 항체, 기질, 리간드, 단백질, 펩타이드, 핵산, 화학물질, 고분자, 보조인자(cofactor) 등일 수 있으며, 구체적으로는 화학식 1의 화합물을 인식하는 모노클로날 또는 폴리클로날 항체; 화학식 1의 화합물과 상호작용하는 특정 단백질, 펩타이드, 핵산, 고분자 또는 화학물질; 화학식 1의 화합물과 화학반응을 일으켜 특정 화학물질로 변환되도록 가능한 화학물질 또는 화합물 등일 수 있다.The agent may include a molecule that specifically binds to the compound of Formula 1. The molecule may be a monoclonal antibody, polyclonal antibody, substrate, ligand, protein, peptide, nucleic acid, chemical, polymer, cofactor, etc., specifically, a monoclonal recognizing compound of Formula 1 or polyclonal antibodies; specific proteins, peptides, nucleic acids, polymers or chemicals that interact with the compound of Formula 1; It may be a chemical substance or compound capable of undergoing a chemical reaction with the compound of Formula 1 to be converted into a specific chemical substance.

이러한 벤젠 노출 여부 확인용 조성물은 키트로 제공될 수 있다.Such a composition for checking whether exposure to benzene may be provided as a kit.

상기 키트는 화학식 1의 화합물과 특이적으로 결합하는 분자 외에 추가적으로 항체, 단백질, 펩타이드, 핵산, 고분자 또는 화학물질에 수식(modification) 가능한 나노입자, 형광 염료(fluorescent dyes) 등의 측정 시약을 포함할 수 있다.The kit may include, in addition to molecules specifically binding to the compound of Formula 1, measurement reagents such as antibodies, proteins, peptides, nucleic acids, polymers or chemicals capable of modification (modification) nanoparticles, fluorescent dyes, etc. can

상기 키트는 면역화학 반응(immunochemical reaction) 방법, 직접 상호작용 반응(direct interaction) 방법, 화학물질 첨가에 의한 화학반응에 의한 방법 등을 이용하여 제조될 수 있다. 일례로, 항체를 이용하는 ELISA 플레이트 및 플로우-쓰로우 디바이스(flow-through device), 항체, 화학물질, 단백질, 또는 펩타이드 등각 마커에 대해 친화도를 갖는 물질을 이용한 바닥에 붙여 제조하는 마이크로 어레이 또는 비드 형태로 제조하여 측정 가능한 멀티플 디바이스(multiple device); 각 마커와의 화학반응을 통해 측정 가능한 스트립 형태 또는 화학식 1의 화합물과 특이적으로 결합하는 분자가 코팅되어 있는 칩 형태 등으로 제조될 수 있다.The kit may be prepared using an immunochemical reaction method, a direct interaction method, a method by a chemical reaction by adding a chemical, or the like. For example, an ELISA plate using an antibody and a flow-through device, an antibody, a chemical, a protein, or a microarray prepared by attaching to the bottom using a material having affinity for a protein or peptide conformal marker Multiple devices that can be manufactured and measured in a shape; It can be prepared in the form of a strip that can be measured through a chemical reaction with each marker or in the form of a chip coated with a molecule specifically binding to the compound of Formula 1, or the like.

이러한 키트를 사용하여 벤젠 노출 여부를 확인할 경우에는 화학식 1의 화합물과 특이적으로 결합하는 분자에 벤젠 노출 의심 피검자로부터 채취된 혈액을 접촉시킬 수 있다. 이때, 혈액은 전혈(whole blood)이거나 혈장으로 분리된 상태일 수 있다. 이러한 키트의 사용으로 벤젠 노출 여부를 보다 신속하고 간편하게 확인 가능하다.When benzene exposure is confirmed using such a kit, a molecule specifically binding to the compound of Formula 1 may be brought into contact with blood collected from a subject suspected of benzene exposure. In this case, the blood may be whole blood or a state separated into plasma. By using such a kit, it is possible to check whether or not benzene has been exposed more quickly and conveniently.

또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 피검자의 혈액으로부터 검출하는 단계를 포함하는 벤젠 노출 여부를 확인하는 방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a method for determining whether benzene exposure, comprising the step of detecting the compound represented by Formula 1 from the blood of a subject.

상기 피검자는 인간을 포함하는 포유동물일 수 있다.The subject may be a mammal including a human.

상기 검출은 질량 분석(mass spectrometry)에 의해 수행되는 것일 수 있다. 이때, 사용 가능한 질량 분석 장비는 당업계에 공지된 질량 분석기를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 액체 크로마토그래피-질량분석기(liquid chromatography-mass spectrometry; LC-MS), LC-MS/MS(liquid chromatography-Mass Spectrometry/Mass Spectrometry), 매트릭스보조탈착이온화-질량분석기(matrix-assisted laser desorption ionization; MALDI-MS) 또는 직접분무방식(direct infusion)을 이용한 질량분석기 등일 수 있다.The detection may be performed by mass spectrometry. In this case, the available mass spectrometry equipment can be used without limitation a mass spectrometer known in the art, for example, liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), LC-MS/MS (liquid chromatography) -Mass Spectrometry/Mass Spectrometry), matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI-MS), or a mass spectrometer using direct infusion.

상기 단계 이후, 혈액에서 화학식 1의 화합물이 검출되거나, 또는 벤젠에 노출되지 않은 정상인에 비해 화학식 1의 화합물의 농도가 낮을 경우에는 피검자가 벤젠에 노출된 것으로 판단할 수 있다.After the step, when the compound of Formula 1 is detected in the blood or the concentration of the compound of Formula 1 is lower than that of a normal person not exposed to benzene, it can be determined that the subject has been exposed to benzene.

본 발명에 따른 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 조성물 및 이를 검출하는 제제를 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 조성물은 벤젠 노출이 의심되는 피검자의 혈액으로부터 벤젠의 대사산물로 확인된 새로운 바이오마커를 검출함으로써 벤젠의 노출 여부를 판정하는데 유용하게 활용될 수 있다.The biomarker composition for confirming exposure to benzene according to the present invention and the composition for checking whether or not benzene exposure comprising an agent for detecting the same according to the present invention is benzene by detecting a new biomarker identified as a metabolite of benzene from the blood of a subject suspected of benzene exposure. It can be usefully used to determine whether exposure of

도 1은 벤젠의 물질대사 경로에 관한 개략도이다.
도 2는 혈장 내 대사물 프로파일링 결과이다: (A) PCA 모델 또는 (B) PLS-DA의 스코어 플롯은 급성 시료 (검정색), 지연 시료 (회색) 간의 벤젠 노출 값에 대한 정보를 적용하였다 (◆ 대조군, ▲ 100 ppm, ▼ 500 ppm, ● QC). (C) S-플롯은 대조군과 벤젠 노출군에서 OPLS-DA 내 급성 시료를 구분하여 확인되었다. (D) 각 후보물질 (M47, M254) 및 데이터베이스에 대한 유의성 확인을 통한 제안 물질의 m/z 값이다.
도 3은 (A) 벤젠 500 ppm 급성 노출 시료와 (B) 표준 4-페닐설폰산에 대한 크로마토그램(chromatogram)이다.
도 4는 (a) 벤젠 500 ppm 급성 노출 시료, (b) 벤젠 대사물의 페닐설페이트 시료, (c) 페놀 황산화 대사물 시료에 대한 LC-MS/MS 분석 결과이다: (A)는 SRM 모드의 크로마토그램이고, (B)는 각 시료에 생산된 이온을 측정하였다 ([M-H]-, m/z 172.9914).
1 is a schematic diagram of the metabolic pathway of benzene.
Figure 2 shows the results of profiling of metabolites in plasma: Score plots of (A) PCA model or (B) PLS-DA were applied with information on benzene exposure values between acute samples (black) and delayed samples (grey) ( ◆ Control, ▲ 100 ppm, ▼ 500 ppm, ● QC). (C) S-plot was confirmed by distinguishing acute samples in OPLS-DA from control group and benzene exposure group. (D) Each candidate substance (M47, M254) and the m/z value of the proposed substance through significance check for the database.
3 is a chromatogram for (A) a 500 ppm acute exposure sample of benzene and (B) standard 4-phenylsulfonic acid.
4 is an LC-MS/MS analysis result of (a) a 500 ppm acute exposure sample of benzene, (b) a phenyl sulfate sample of a benzene metabolite, and (c) a phenol sulfate metabolite sample: (A) is a SRM mode It is a chromatogram, and (B) is the measurement of ions produced in each sample ([MH]-, m/z 172.9914).

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이러한 예시적인 설명에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, these descriptions are provided for illustrative purposes only to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these illustrative descriptions.

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

1-1. 시약1-1. reagent

액체 크로마토그래피(liquid chromatography; LC)에서 사용된 질량 분석용 용매 물, 메탄올, 에틸에테르 및 다이클로로메테인(dichloromethane)은 Thermo fisher scientific (미국)에서 입수되었고, 클로르포름, 헥센, 에틸에테르, MTBE(methyl tert-butyl ether) 및 분석용 아세트산은 Sigma-Aldrich (미국)에서 입수되었다. NADP+(β-nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), MgCl2, KH2PO4(potassium phosphate), G6P(D-glucose-6-phosphate) 및 G6PDH(glucose-6-phosphate dehydrogenase)는 Sigma-Aldrich (미국)에서 입수되었다. 4-페닐설폰산(4-phenylsulfonic acid), 벤젠 및 페놀은 Tokyo Chemical Industry (일본)에서 입수되었다. 랫트 간 S9 분획물(pooled rat liver S9 fraction)은 Corning® (미국)으로부터 구매되었다.Solvents water, methanol, ethyl ether and dichloromethane for mass spectrometry used in liquid chromatography (LC) were obtained from Thermo fisher scientific (USA), chloroform, hexene, ethyl ether, MTBE (methyl tert-butyl ether) and acetic acid for analysis were obtained from Sigma-Aldrich (USA). NADP + (β-nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), MgCl 2 , KH 2 PO 4 (potassium phosphate), G6P (D-glucose-6-phosphate) and G6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase) are from Sigma-Aldrich (USA) was obtained from 4-phenylsulfonic acid, benzene and phenol were obtained from Tokyo Chemical Industry (Japan). The pooled rat liver S9 fraction was purchased from Corning® (USA).

1-2. 동물 실험1-2. animal testing

5주령의 수컷 C57BL/6 생쥐를 오리엔트 바이오(Orient Bio Inc, 한국)에서 입수하여 온도 23℃, 습도 45~50%, 명암 12/12시간 주기의 조건으로 사육하였다. 펠렛 사료와 음용수를 자유식으로 제공하였다. 실험군은 대조군 (n=6~8)과 급성 또는 지연 벤젠 노출군 (각각 100 및 500 ppm, n=6~8)으로 무작위로 구분되었다. 급성 벤젠 노출군은 벤젠 100 ppm 또는 500 ppm에 30분 동안 노출시켰고, 지연 벤젠 노출군은 노출 후 2주간의 회복 기간을 가졌다. 모든 실험은 차의과대학교 동물실험윤리위원회(CHA University Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았다.Five-week-old male C57BL/6 mice were obtained from Orient Bio Inc, Korea and bred under conditions of a temperature of 23° C., a humidity of 45-50%, and a light/dark cycle of 12/12 hours. Pellet feed and drinking water were provided ad libitum. The experimental group was randomly divided into a control group (n=6-8) and an acute or delayed benzene exposure group (100 and 500 ppm, n=6-8, respectively). The acute benzene exposure group was exposed to 100 ppm or 500 ppm of benzene for 30 minutes, and the delayed benzene exposure group had a recovery period of 2 weeks after exposure. All experiments were approved by the CHA University Animal Care and Use Committee.

1-3. 대사물 프로파일링 및 확인1-3. Metabolite profiling and identification

(1) 혈액 채취(1) blood collection

생쥐에 벤젠 100 ppm 또는 500 ppm을 30분 동안 노출하였다. 이후, 생쥐를 마취하고 해부하여 복강 대동맥으로부터 채취한 혈액을 급성 벤젠 노출군 시료로 사용하였다. 또한, 벤젠 노출 후 2주간의 회복 기간을 가진 후 채취한 혈액을 지연 벤젠 노출군 시료로 사용하였다. 채취한 혈액을 헤파린 (1000 unit, 7.5 mL)이 함유된 튜브에 넣어 흔들어준 후, 3,000 rcf에서 20분 동안 원심분리시켜 혈장을 수집하였다.Mice were exposed to 100 ppm or 500 ppm of benzene for 30 minutes. Thereafter, the mice were anesthetized and dissected, and blood collected from the abdominal aorta was used as a sample for the acute benzene exposure group. In addition, blood collected after a recovery period of 2 weeks after exposure to benzene was used as a sample of the delayed benzene exposure group. The collected blood was put in a tube containing heparin (1000 unit, 7.5 mL), shaken, and then centrifuged at 3,000 rcf for 20 minutes to collect plasma.

혈장으로부터 대사물을 추출하기 위해, 혈장 50 uL을 아세토니트릴(acetonitrile) 100 uL로 침전시켰다. 4℃에서 10분 동안 15,000 g로 원심분리한 후 분리된 상층액을 1.5 mL 튜브로 옮겼다. QC(quality control) 시료는 각 혈장의 원심분리된 상층액 10 uL씩을 혼합하여 준비하였고, 분석기기의 안정성과 재현성을 검증하기 위해 사용되었다.To extract metabolites from plasma, 50 uL of plasma was precipitated with 100 uL of acetonitrile. After centrifugation at 15,000 g for 10 minutes at 4 °C, the separated supernatant was transferred to a 1.5 mL tube. A QC (quality control) sample was prepared by mixing 10 uL of each centrifuged supernatant of each plasma, and was used to verify the stability and reproducibility of the analyzer.

(2) LC-MS/MS 분석(2) LC-MS/MS analysis

하기 표 1과 같은 조건으로 질량 분석기 (Thermofisher scientific Q Exactive™ Focus Hybrid Quadrupole-Orbitrap™ Mass Spectrometer)를 사용하여 혈장 시료를 분석하였다.Plasma samples were analyzed using a mass spectrometer (Thermofisher scientific Q Exactive™ Focus Hybrid Quadrupole-Orbitrap™ Mass Spectrometer) under the conditions shown in Table 1 below.

시스템system Thermo Scientific™ Vanquish™ Duo UHPLC SystemThermo Scientific™ Vanquish™ Duo UHPLC System 컬럼column Kinetex C18 컬럼(100 Х 2.1 mm i.d., 2.6 um 입자 크기)
(Phenomenex, 미국)
Kinetex C18 column (100 Х 2.1 mm id, 2.6 um particle size)
(Phenomenex, USA)
이동상 Amobile phase A 0.1% formic acid in water0.1% formic acid in water 이동상 Bmobile phase B 0.1% formic acid in acetonitrile0.1% formic acid in acetonitrile 기울기 용리
(gradient elution)
gradient elution
(gradient elution)
시간 (분)hours (minutes) 조건 (이동상 B)Condition (mobile phase B)
0-10-1 5%5% 1-81-8 30%30% 8-138-13 70%70% 14-1614-16 95%95% 17-2017-20 5%5% 유량flux 0.2 mL/min0.2 mL/min 시료 주입량 sample injection volume 5 uL5 uL 모세관 온도capillary temperature 320℃320℃ 스프레이 압력spray pressure 3500 kV3500 kV 쉬스(sheath) 가스sheath gas He, 유량 35 arbHe, flow 35 arb 예비 가스reserve gas He, 유량 12 arbHe, flow rate 12 arb s-렌즈 RF 레벨s-lens RF level 5050 전체 스캔full scan 해상도 70000; AGC target, 5.0X104 maximum IT, 100 msresolution 70000; AGC target, 5.0X10 4 maximum IT, 100 ms ddMS2 ddMS 2 해상도 17500;
collision energy, stepped NCE 20, 40, 60 eV, maximum IT, 100 ms
resolution 17500;
collision energy, stepped NCE 20, 40, 60 eV, maximum IT, 100 ms

(3) 데이터 처리 및 다변량(multivariate) 통계 분석(3) data processing and multivariate statistical analysis

혈장에서 대사물을 확인하기 위해, 분석 데이터를 Compound Discoverer 2.1 (CD, Thermo-Fisher Scientific)로 처리하여 metabolomics technique workflow를 사용하였다. 동시에, 혈장 내 대사물을 m / z cloud, HMDB, BioCyc, CHEBI와 같은 데이터베이스로 정량하였다.To identify metabolites in plasma, the analysis data were processed with Compound Discoverer 2.1 (CD, Thermo-Fisher Scientific) and metabolomics technique workflow was used. At the same time, metabolites in plasma were quantified using databases such as m/z cloud, HMDB, BioCyc, and CHEBI.

1-4. 혈장 내 벤젠 노출에 대한 후보 바이오마커 확인1-4. Identification of candidate biomarkers for benzene exposure in plasma

(1) 랫트 간 S9 분획물에 의한 벤젠 및 페놀의 체외((1) In vitro of benzene and phenol by S9 fraction of rat liver ( in vitroin vitro ) 물질대사) metabolism

노출 마커의 후보 화합물이 페닐설페이트인지 확인하기 위해, 랫트의 간 S9 분획물(RLS9 분획물)에서 벤젠 및 페놀을 각각 대사시켰다. 벤젠 10 mM과 RLS9 분획물 1 mg/mL, 0.1 M PPB(potassium phosphate buffer) (pH 7.4), NADPH 생성 시스템 (3.3 mM G6P, 1.3 mM β-NADP+, 3.3 mM MgCl2 및 G6PDH 500 unit/mL 함유) 및 PAPS 2.5 mg/mL를 혼합하여 최종 부피를 100 uL로 맞추고 37℃에서 2시간 동안 교반하면서 배양하였다. 반응물에 차가운(ice-cold) ACN 50 uL를 첨가하여 반응을 종결시키고, 4℃, 19,000 g에서 10분 동안 원심분리하였다. 상층액 중 100 uL를 대사물 분석하기 위한 LC-MS/MS 분석에 사용하였다. 페놀의 경우, 황산화(sulfation) 물질대사를 분석하기 위해 조효소 PAPS만으로 배양시켰고, 다른 조건은 벤젠과 동일하게 수행하였다. 벤젠 및 페놀은 매우 강한 휘발성 용매이므로, GC 바이알(vial)에서 배양하였다.To determine whether the candidate compound of the exposure marker was phenylsulfate, benzene and phenol were metabolized in the rat liver S9 fraction (RLS9 fraction), respectively. Benzene 10 mM, RLS9 fraction 1 mg/mL, 0.1 M PPB (potassium phosphate buffer) (pH 7.4), NADPH production system (3.3 mM G6P, 1.3 mM β-NADP + , 3.3 mM MgCl 2 and G6PDH 500 unit/mL ) and PAPS 2.5 mg/mL were mixed to adjust the final volume to 100 uL and incubated at 37°C for 2 hours with stirring. The reaction was terminated by adding 50 uL of ice-cold ACN to the reaction mixture, followed by centrifugation at 4° C., 19,000 g for 10 minutes. 100 uL of the supernatant was used for LC-MS/MS analysis for metabolite analysis. In the case of phenol, it was cultured only with the coenzyme PAPS to analyze the sulfation metabolism, and the other conditions were the same as for benzene. Since benzene and phenol are very volatile solvents, they were cultured in GC vials.

(2) LC-MS/MS 분석(2) LC-MS/MS analysis

하기 표 2와 같은 조건으로 TQMS(triple quadrupole mass spectrometer) (Shimazu 8060 MS)를 사용하여 시료를 분석하였다.Samples were analyzed using a triple quadrupole mass spectrometer (TQMS) (Shimazu 8060 MS) under the conditions shown in Table 2 below.

시스템system Shimadzu HPLC systemShimadzu HPLC system 컬럼column Kinetex C18 컬럼(100 Х 2.1 mm i.d., 2.6 um 입자 크기)
(Phenomenex, 미국)
Kinetex C18 column (100 Х 2.1 mm id, 2.6 um particle size)
(Phenomenex, USA)
이동상 Amobile phase A 0.1% formic acid in water0.1% formic acid in water 이동상 Bmobile phase B 0.1% formic acid in acetonitrile0.1% formic acid in acetonitrile 기울기 용리gradient elution 시간 (분)hours (minutes) 조건 (이동상 B)Condition (mobile phase B) 0-10-1 5%5% 4.54.5 30%30% 4.5-84.5-8 5%5% 2525 30%30% 유량flux 0.2 mL/min0.2 mL/min 시료 주입량 sample injection volume 1 uL1 uL 탈용매화 온도Desolvation temperature 250℃250℃ 가열 블록 온도heating block temperature 400℃400 스프레이 압력spray pressure 4 kV4 kV 건조 가스dry gas N2, 유량 10 L/minN 2 , flow rate 10 L/min 충돌(collision) 가스collision gas 아르곤, 압력 230 kPaArgon, pressure 230 kPa 분무(nebulizing) 가스Nebulizing gas N2, 유량 3 L/minN 2 , flow rate 3 L/min 검출 전압detection voltage 1.66 kV1.66 kV SRM
(selected reaction monitoring)
SRM
(selected reaction monitoring)
페닐설페이트
(172.9>93.0)
phenyl sulfate
(172.9>93.0)

2. 결과2. Results

2-1. 대사물 프로파일링2-1. Metabolite profiling

대사물 프로파일링 분석에서 총 518개의 분자가 확인되었고, 그 중 268개는 HMDB, mzCloud와 같은 데이터베이스에 의해 확인되었다. VIP 컷오프 (VIP > 0.7)를 수행하여 제시된 268개 중에서 의미있는 데이터만을 찾아냈다. 그 결과, PCA 스코어 플롯(score plot)에서 QC가 클러스터(cluster)를 형성한 것을 확인하고, 벤젠 500 ppm 급성 노출군을 그룹화하였다 (도 2의 A). 시료에 대한 정보를 제공하여 다시 한 번 그룹화를 확인한 PLS-DA 모델(model)의 스코어 플롯에서, 벤젠 500 ppm 급성(acute) 노출군은 대조군과 차이를 보였다. 벤젠 100 ppm 급성 노출군과 벤젠 100 ppm 또는 500 ppm 지연(delayed) 노출군는 모두 대조군과 유사한 것으로 밝혀졌다 (도 2의 B). 이후 벤젠 급성 노출군과 벤젠에 노출되지 않은 대조군의 시료를 사용하여 OPLS-DA 모델 적용 시, S-플로(plot)은 벤젠 노출에 대한 2종의 후보 노출 마커를 보여주었다 (도 2의 C). 후보 M47는 대조군과 비교하여 벤젠 100 ppm, 500 ppm 급성 노출군 모두에서 상당한 차이를 보였다. 후보 M254는 대조군과 비교하여 벤젠 500 ppm 급성 노출군에서만 유의적인 차이를 보였다 (도 2의 D). HMDB, mzCloud와 같은 데이터베이스는 후보 M47, M254를 각각 LPC 22: 6, 4-페닐설폰산(phenolsulfonic acid)인 것으로 제시하였다. 이후, 벤젠의 대사물일 것으로 예상되는 M254의 확인을 시도하였다.A total of 518 molecules were identified in metabolite profiling analysis, of which 268 were identified by databases such as HMDB and mzCloud. A VIP cutoff (VIP > 0.7) was performed to find only meaningful data among the 268 presented. As a result, it was confirmed that QC formed a cluster in the PCA score plot, and the benzene 500 ppm acute exposure group was grouped (FIG. 2A). In the score plot of the PLS-DA model, which confirmed the grouping once again by providing information about the sample, the benzene 500 ppm acute exposure group showed a difference from the control group. Both the benzene 100 ppm acute exposure group and the benzene 100 ppm or 500 ppm delayed exposure group were found to be similar to the control group ( FIG. 2B ). Then, when the OPLS-DA model was applied using samples from the acute benzene exposure group and the control group not exposed to benzene, the S-plot showed two candidate exposure markers for benzene exposure (FIG. 2C). . Candidate M47 showed significant differences in both 100 ppm and 500 ppm acute exposure groups of benzene compared to the control group. Candidate M254 showed a significant difference only in the 500 ppm acute exposure group of benzene compared to the control group (Fig. 2D). Databases such as HMDB and mzCloud suggested that candidates M47 and M254 were LPC 22: 6, 4-phenylsulfonic acid, respectively. Then, an attempt was made to identify M254, which is expected to be a metabolite of benzene.

2-2. 혈장 내 후보 노출 마커 확인2-2. Identification of candidate exposure markers in plasma

시료 분석 결과를 데이터베이스에서 예측된 표준(standard) 4-페놀설폰산과 비교하였다. 그 결과, 표준 4-페놀설폰산의 머무른 시간(retention time)이 후보 M254의 머무른 시간과 다른 것으로 확인되었다 (도 3). Sample analysis results were compared to standard 4-phenolsulfonic acid predicted in the database. As a result, it was confirmed that the retention time of the standard 4-phenolsulfonic acid was different from the retention time of the candidate M254 ( FIG. 3 ).

이후, 후보 M254와 페닐설페이트를 비교하였다. 페닐설페이트는 표준 제품으로 구하기 어려웠기 때문에, RLS9을 이용한 벤젠 또는 페놀의 물질대사를 시도하였다. 그 결과, 벤젠 대사물, 페놀 대사물의 머무른 시간이 후보 M254의 머무른 시간과 동일하고, 스펙트럼도 후보 M254와 동일하다는 것이 확인되었다 (도 4).Then, candidate M254 and phenyl sulfate were compared. Since phenylsulfate was difficult to obtain as a standard product, an attempt was made to metabolize benzene or phenol using RLS9. As a result, it was confirmed that the retention times of the benzene metabolite and the phenol metabolite were the same as the retention times of the candidate M254, and the spectrum was also the same as that of the candidate M254 ( FIG. 4 ).

결과적으로, 본 실험을 통해 페닐설페이트가 혈액으로부터 검출 가능한 벤젠의 대사물인 것으로 확인되었다.As a result, it was confirmed through this experiment that phenyl sulfate is a detectable metabolite of benzene from blood.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to preferred embodiments thereof. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 바이오마커 조성물.
[화학식 1]
Figure pat00002

A biomarker composition for determining whether exposure to benzene, comprising a compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00002

청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 벤젠 노출에 의해 혈액에서 검출되는 것인 조성물.
The method according to claim 1,
The compound of Formula 1 is a composition that is detected in blood by exposure to benzene.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 검출하는 제제를 포함하는 벤젠 노출 여부 확인용 조성물.
[화학식 1]
Figure pat00003

A composition for determining whether exposure to benzene, comprising an agent for detecting a compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00003

청구항 3에 있어서,
상기 제제는 화학식 1의 화합물에 특이적으로 결합하는 모노클로날 항체, 폴리클로날 항체, 기질, 리간드, 단백질, 펩타이드, 핵산, 화학물질, 고분자 및 보조인자(cofactor)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 조성물.
4. The method according to claim 3,
The agent is one selected from the group consisting of monoclonal antibodies, polyclonal antibodies, substrates, ligands, proteins, peptides, nucleic acids, chemicals, polymers, and cofactors that specifically bind to the compound of Formula 1 The composition that is more than one.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 피검자의 혈액으로부터 검출하는 단계를 포함하는 벤젠 노출 여부를 확인하는 방법.
[청구항 1]
Figure pat00004

A method for determining whether benzene is exposed, comprising the step of detecting a compound represented by Formula 1 from the blood of a subject.
[Claim 1]
Figure pat00004

청구항 5에 있어서,
상기 피검자는 인간을 포함하는 포유동물인 것인 방법.
6. The method of claim 5,
The method of claim 1, wherein the subject is a mammal including a human.
청구항 5에 있어서,
상기 검출은 질량 분석에 의해 수행되는 것인 방법.
6. The method of claim 5,
wherein said detection is performed by mass spectrometry.
청구항 5에 있어서,
상기 단계 이후, 혈액에서 화학식 1의 화합물이 검출된 경우, 피검자가 벤젠에 노출된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. The method of claim 5,
After the step, when the compound of Formula 1 is detected in the blood, the method further comprising the step of determining that the subject has been exposed to benzene.
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