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. 2026 Aug 28;19(37):1574–1594. doi: 10.56786/PHWR.2026.19.37.3

Impact of a Korean Behavior-Based Smoking Regimen on Cigarette Smoke Constituents and Cellular Changes

Ryeo-Eun Go 1, Su-Min Seong 1, Jihyun Kwon 1, Jieun Lee 1, Sung Hyun Kang 1,*, Younjhin Ahn 1,*
PMCID: PMC13628486  PMID: 42824499

Abstract

Objectives

This study aims to compare a Korean Behavior-Based Smoking Regimen (KO-BSR), which reflects the actual smoking behavior of Korean smokers, with international standard smoking regimens of the International Organization for Standardization (ISO) and Health Canada Intense (HCI), and to evaluate differences in selected cigarette smoke constituents and cellular toxicity.

Methods

Whole cigarette smoke condensate (WCSC) was generated using a rotary smoking machine under ISO, HCI, and KO-BSR conditions. For each smoking regimen, total particulate matter (TPM) per cigarette was quantified, and four major smoke constituents, namely nicotine, acetone, triacetin, and glycerin, were measured by gas chromatography-mass spectrometry. Korean-derived oral squamous cell carcinoma cell lines YD-9 and YD-38 were exposed to WCSC at various concentrations for 5 days, and cell viability was assessed using a water-soluble tetrazolium salt assay. In addition, the concentration at which cell viability decreased by 20% (IC20) was calculated.

Results

Compared with ISO, KO-BSR generated significantly higher levels of TPM and concentrations of nicotine, acetone, triacetin, and glycerin in the final WCSC stock (all p<0.05). Compared with HCI, KO-BSR generated significantly higher TPM levels and concentrations of acetone, triacetin, and glycerin, whereas nicotine concentration was numerically higher but did not differ significantly. In both cell lines, WCSC exposure reduced cell viability in a concentration-dependent manner, with the greatest reduction observed following exposure to WCSC generated under KO-BSR conditions. The IC20 value was lowest under the KO-BSR condition in YD-9 cells, whereas in YD-38 cells, IC20 values could only be calculated under the HCI and KO-BSR conditions.

Conclusions

KO-BSR generated higher levels of measured smoke constituents and induced greater cellular toxicity than the international standard smoking regimens. These findings support the potential use of KO-BSR as a Korean smoking behavior-based exposure scenario that may complement international standard smoking regimens. Further validation using representative distributions of smoking behavior, human biomarkers of exposure, and multiple toxicity endpoints is needed before KO-BSR can be incorporated into risk assessment frameworks.

Keywords: Whole cigarette smoke condensate, Smoking regimen, Korean smoking regimen, Cell viability, Mouth Neoplasms


Key messages

① What is known previously?

Toxicity assessments of cigarette smoke have generally relied on international standard smoking regimens, such as International Organization for Standardization (ISO) and Health Canada Intense (HCI). However, these regimens may not fully capture the smoking behavior observed among Korean smokers, and toxicity studies explicitly incorporating Korean Behavior-Based Smoking Regimen (KO-BSR) have been limited.

② What new information is presented?

Smoke generated under KO-BSR contained higher levels of total particulate matter (TPM) and the four measured constituents (nicotine, acetone, triacetin, and glycerin) than smoke generated under ISO. KO-BSR-based whole cigarette smoke condensate (WCSC) also contained higher levels of TPM, acetone, triacetin, and glycerin than HCI, whereas the difference in nicotine concentration between KO-BSR and HCI was not statistically significant. KO-BSR-based WCSC induced a more pronounced concentration-dependent reduction in cell viability in Korean-derived oral squamous cell carcinoma cell lines.

③ What are implications?

KO-BSR may produce higher levels of selected cigarette smoke constituents and greater cellular toxicity than international standard smoking regimens. These findings support the potential use of KO-BSR as a Korean smoking behavior-based exposure scenario that complements international standard regimens; however, further validation using human biomarkers and multiple toxicity endpoints is needed before its application in risk assessment frameworks.

Introduction

Although the negative effects of smoking are already widely known, people continue smoking. In addition, various novel tobacco products have emerged alongside conventional cigarettes. Recently, various types of tobacco products, such as liquid-type electronic cigarettes, heated tobacco products, and flavored tobacco products, have been introduced, but the use rate of conventional cigarettes remains the highest, and related health risk research continues to be conducted [1]. Existing smoking-related human risk assessments have been conducted based on international standard smoking regimens, such as International Organization for Standardization (ISO) and Health Canada Intense (HCI). However, these regimens do not sufficiently reflect actual smokers’ compensatory smoking or differences in smoking habits across cultures and populations [2].

According to a study by the Korea Disease Control and Prevention Agency, the puff volume per cigarette among Korean smokers is higher than the values specified under the ISO and HCI regimens, making them more likely to be exposed to relatively greater amounts of cigarette smoke constituents. In addition, the concentrations of urinary smoking biomarkers—cotinine1), trans-3’-hydroxycotinine2), and 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanol3)—have been reported to increase significantly with increases in daily cigarette consumption and puff volume per cigarette (ml) [3]. These findings suggest that the amounts of major harmful substances in the smokers’ bodies, including nicotine, total particulate matter (TPM), nicotine-free dry particulate matter (tar), tobacco-specific nitrosamines, and polycyclic aromatic hydrocarbons, may increase depending on actual smoking behavior. Therefore, risk assessment based solely on international standard smoking regimens may not adequately reflect the real-world smoking environment, potentially leading to an underestimation of the associated risks.

To compare smoking-related risks at the cellular level, an appropriate cell model and cigarette smoke exposure method are required. Smoking-related risks are particularly pronounced in the mucosal tissues of the head and neck region of a smoker, and the oral cavity, pharynx, and larynx are known to be the sites most directly exposed to mainstream smoke. Indeed, smoking has been reported to be a major risk factor for head and neck cancer [4]. Considering the site specificity, head- and neck-derived cells are suitable cell models for the comparative evaluation of smoking-related risks.

For cigarette smoke exposure, a cell culture method using a cell culture medium containing diluted cigarette smoke extract was adopted in the present study. The whole cigarette smoke condensate (WCSC) used in this study contained both cigarette smoke condensate (CSC), an extract of particulate matter in cigarette smoke, and cigarette smoke extract (CSE), an extract of gas-phase matter. WCSC confers the advantage of enabling simultaneous exposure to major harmful substances found in cigarette smoke. WCSC is suitable for repeated experiments and comparative studies across conditions because of its consistent composition and ease of concentration control. It has also been proposed as a method that can address the limitations of conventional methods involving separate exposure to CSC and CSE [5].

To date, no study has evaluated cell-based risk using WCSC generated under the Korean Behavior-Based Smoking Regimen (KO-BSR). In particular, evidence regarding the effects of the KO-BSR, which has relatively more intensive characteristics than international standard regimens, on the amounts of harmful substances generated in mainstream smoke and on cellular-level toxicity is limited. Therefore, this study aimed to apply the KO-BSR, which experimentally reproduces the actual smoking behavior of Korean smokers, including puff volume and puff interval, to WCSC preparation and to evaluate the relative risk at the cellular level in comparison with the ISO and HCI regimens.

This study aimed to compare and evaluate the differences in relative risk among smoking regimens and establish a foundation for developing a Korean-specific smoking risk assessment model. In addition, rather than aiming to estimate the absolute amount of actual human exposure, this study used cell-based models to provide toxicological information for comparing and screening relative differences in the composition of mainstream smoke extracts generated under different smoking regimens.

Methods

1. WCSC Extraction Conditions and Methods

The Tobacco Harm Analysis Laboratory is equipped with a rotary smoking machine (RM20H) manufactured by Borgwaldt (currently Koerber Technologies Instruments GmbH), and the equipment specifications and cigarette smoke generation principles are based on ISO 3308:2012 (Routine analytical cigarette-smoking machine—Definitions and standard conditions). To extract WCSC, the RM20H was operated under three smoking regimens: ISO, HCI, and KO-BSR. The KO-BSR used in this study was established to reflect the average smoking behavior of Korean smokers [3]. Specifically, Korean smokers have been reported to have a greater puff volume and a shorter puff interval than those specified under the ISO and HCI regimens and to tend to block the filter ventilation holes by placing the cigarette filter deep in the mouth (ventilation blocking). Accordingly, the puff volume, puff duration, puff interval, and ventilation blocking rate were set to the values presented in previous study (Table 1) [3], and these parameters were defined as KO-BSR.

Table 1. Smoking condition parameters applied to the smoking machine.

Smoking regimens ISO HCI KO-BSR
Puff volume (ml) 35 55 73
Puff interval (s) 60 30 9
Puff duration (s) 2 2 1.6
Ventilation blocking (%) 0 100 100

Puff volume: The volume of mainstream smoke generated by each puff. Puff interval: The time between successive puffs. Puff duration: The duration of each puff. Ventilation blocking: The extent to which the cigarette filter ventilation holes are blocked or occluded. ISO=International Organization for Standardization; HCI=Health Canada Intense; KO-BSR=Korean Behavior-Based Smoking Regimen.

To verify the suitability of the cigarette smoke extraction process of the rotary smoking machine, cigarette smoke was generated in accordance with ISO 3308, and the measured values were compared with the certified values (University of Kentucky) for the 1R6F certified reference cigarette under the ISO smoking regimen (Table 2) [6]. The mean puff count measured in this study was 7.76±0.31 puffs (n=7), and the TPM yield was 9.87±0.58 mg/cigarette (n=7). These values fell within the valid comparison ranges for the certified reference cigarette, and no significant differences were found. Therefore, the rotary smoking machine used in this study was considered to have sufficient reproducibility and reliability.

Table 2. Verification of smoking machine performance reproducibility based on University of Kentucky reference values [6].

Certified value (University of Kentucky) This study
Puff count (puff/cigarette) 7.53±0.56 (k=2.55) 7.76±0.31 (n=7)
TPM (mg/cigarette) 9.99±0.78 (k=2.04) 9.87±0.58 (n=7)

Puff count (puff/cigarette): The number of puffs taken to burn a cigarette to the predetermined endpoint. Total particulate matter (TPM, mg/cigarette): The total mass of particulate matter collected from a single cigarette. Certified value: Reference value for the 1R6F certified reference cigarette provided in the Certificate of Analysis issued by the University of Kentucky Center for Tobacco Reference Products. k (coverage factor): A numerical factor used to multiply the combined standard uncertainty to obtain the expanded uncertainty. Under an approximately normal distribution, k≈2 corresponds to an approximate 95% coverage interval.

During a single generation of cigarette smoke, CSC and CSE were simultaneously collected to prepare WCSC. For each smoking regimen, five 1R6F reference cigarettes per run were combusted using the smoking machine to generate mainstream smoke, and the generated particulate matter was collected on a 44-mm Cambridge filter pad (CFP; Borgwaldt). The CFP through which mainstream smoke had passed was completely immersed in 5 ml of methanol and then gently agitated at 150 rpm for 30 minutes to dissolve the particulate matter in methanol. Thereafter, the methanol solution was concentrated by slowly evaporating it with high-pressure nitrogen gas for approximately 2 hours, and CSC was prepared by adding 320 µl of dimethyl sulfoxide (DMSO) and redissolving the concentrate.

CSE collection was performed simultaneously with CSC preparation. The system was designed so that cigarette smoke passed through 10 ml of Dulbecco’s phosphate-buffered saline (DPBS) via a specially fabricated impinger to collect gas-phase substances, which were then used as CSE. The prepared CSC and CSE were aliquoted into amber vials and stored frozen at −20℃ (Figure 1).

Figure 1. Schematic diagram of the preparation of whole cigarette smoke condensate (WCSC).

Figure 1

DPBS=Dulbecco’s phosphate buffered saline; CSE=cigarette smoke extract; TPM=total particulate matter; DMSO=dimethyl sulfoxide; CSC=cigarette smoke condensate.

Immediately before cell exposure, CSC and CSE were completely thawed at room temperature, after which 20 μl of CSC and 560 μl of CSE were mixed to prepare the final WCSC stock solution (580 µl). In each batch wherein mainstream smoke was collected, the mean volumes of CSC and CSE recovered after the combustion of five cigarettes were approximately 340 μl and 9,500 μl, respectively. The mixing ratio of WCSC for cell exposure was established to reflect this relative recovery ratio. Based on the volume required on the day of the experiment, treatment solutions for cell exposure were prepared by directly adding the WCSC stock solution to 5% fetal bovine serum (FBS)-Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) to achieve final WCSC concentrations of 0.0625%, 0.125%, 0.25%, or 0.5% (v/v). For example, the 0.5% WCSC dilution was prepared by adding 25 μl of the WCSC stock solution to 5 ml of 5% FBS-DMEM. Intermediate dilutions were not used, and the treatment solutions were freshly prepared at each medium change. This method was based on a previous study [5], with some modifications made in consideration of the reproducibility and ease of handling of the cell exposure experiments.

2. Analysis of Four Volatile Organic Compounds in WCSC under Different Smoking Regimens Using GC-MS

To identify the major constituents in WCSC under each smoking regimen, four constituents were analyzed: nicotine, triacetin, and glycerol, which are semi-volatile organic compounds, and acetone, which is a volatile organic compound. After five cigarettes were combusted using a single CFP, WCSC was prepared by mixing approximately 340 μl of the recovered CSC with approximately 9,500 μl of the recovered CSE. WCSC was then diluted 20-fold with methanol hypergrade for liquid chromatography-mass spectrometry (Supelco) and filtered through a 0.45 μm syringe filter to prepare the sample. For quantitative analysis, standards of acetone (acetone for analysis, Supelco, 1.00014), glycerol (glycerol≥99.5%, Sigma-Aldrich, G9012), nicotine ((–)-Nicotine≥99% (GC), Sigma-Aldrich, N3876), and triacetin (triacetin 99%, Sigma-Aldrich, 525073) were used. Calibration curves were constructed using each standard at five concentrations.

Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS, Agilent 7890B GC/5977A MSD) was used to analyze the major constituents. A DB-WAX column (60 m×0.25 mm×0.25 µm) was used, with helium as the carrier gas. The flow rate was set to 2 ml/min, the inlet temperature to 230℃, and the sample injection volume to 1 µl. The oven temperature was maintained at 40℃ for 5 minutes, increased to 230℃ at a rate of 5℃/min, and then maintained at 230℃ for 10 minutes. The split ratio was set to 10:1, the split flow rate to 20 ml/min, and the detector temperature was maintained at 230℃. Quantitative analysis was performed in selected ion monitoring mode, with m/z 43, 61, 84, and 103 for acetone, glycerol, nicotine, and triacetin, respectively.

3. Culture of Korean-Derived Oral Cancer Cell Lines

In this study, the Korean-derived oral cancer cell lines YD-9 and YD-38, obtained from the Korea Cell Line Bank, were used. YD-9, derived from a squamous cell carcinoma of the buccal mucosa in a 56-year-old male, consists of slightly elongated, adherent cells, whereas YD-38, originating from a squamous cell carcinoma of the lower gingiva in a 67-year-old male, consists of polygonal, adherent cells [7].

The cell culture medium was prepared by mixing DMEM (Welgene) containing 4,500 mg/L glucose with 2% antibiotic-antimycotic solution (Welgene), 1% L-glutamine (Welgene), and 1% HEPES buffer (Welgene). The medium used for cell culture was supplemented with 10% FBS (R&D Systems), whereas the medium used for cell viability assessment was supplemented with 5% FBS. Both cell lines were cultured in an incubator at 37℃ with 5% CO2 and subcultured once weekly, and the cell culture medium was replaced every 2–3 days.

4. Method for WCSC Exposure by Smoking Regimen and Cell Viability Assessment

Cell viability was assessed using a water-soluble tetrazolium salt assay (WST assay) (EZ-Cytox; DoGENBio), and the entire procedure from cell seeding to absorbance measurement took 7 days. On Day 1, YD-9 and YD-38 cells were seeded in 96-well plates at densities of 2×103 cells/well and 1×103 cells/well, respectively, each with 100 µl of culture medium. On Day 3 (approximately 48 hours later), WCSC prepared under each of the three smoking regimens was diluted to different concentrations in 5% FBS-DMEM. All existing medium was then removed from the 96-well plates and replaced with medium containing WCSC at a final concentration of 0.5% or lower. On Day 5 (approximately 72 hours later), the medium was replaced in the same manner. On Day 7 (approximately 48 hours later), all medium was removed and replaced with cell culture medium containing 10% WST assay solution. After incubation for approximately 1 hour in an incubator at 37℃ with 5% CO2, absorbance was measured at 450 nm using a SpectraMax i3x microplate reader (Molecular Devices) to assess cell viability.

To minimize the edge effect that may occur due to differences in cell growth rates between the edges and center of the plate during long-term culture, only 60 wells, excluding the edge wells, were used in each 96-well plate. Because the WCSC treatment groups were prepared using the WCSC stock solution directly diluted in the medium, the final concentrations of DMSO and DPBS were proportional to the WCSC treatment concentration. The WCSC stock solution was prepared by mixing 20 μl of CSC with 560 μl of CSE. In the 0.5% WCSC treatment group, the final concentrations of DMSO and DPBS were approximately 0.017% and 0.483%, respectively. For the control group, a control stock solution was prepared by mixing 20 μl of DMSO with 560 μl of DPBS to match the vehicle conditions of the group treated with the highest WCSC concentration. The control stock solution was then diluted in the medium and used under the same conditions as those applied to the group treated with the highest WCSC concentration. Accordingly, the control group contained 0.02% DMSO and 0.5% DPBS.

5. Statistical Analysis

All experiments were performed at least three times independently, and the results were expressed as mean±standard deviation. Statistical analyses were performed using GraphPad Prism 5 (version 5.01; GraphPad). The results of the WCSC constituent analysis were analyzed using one-way analysis of variance (ANOVA) to compare differences among the groups for a single factor, followed by Tukey’s multiple comparisons test as the post hoc test.

Cell viability data were analyzed using two-way ANOVA to simultaneously account for smoking regimen and WCSC concentration. The Bonferroni post-test was used to compare the differences in mean values across different conditions. One-way ANOVA was used to analyze the differences in cell viability across different WCSC concentrations within the same smoking regimen, and Dunnett’s multiple comparisons test was used to evaluate the effect of each concentration relative to the control group. The statistical significance level for all analyses was set at p<0.05.

Additionally, to quantitatively compare cytotoxicity among smoking regimens, the concentration resulting in a 20% reduction in cell viability (IC20) was also calculated. IC20 values were estimated through nonlinear regression analysis using a four-parameter logistic model fitted to cell viability data across the different WCSC concentrations. Under some conditions, the reduction in cell viability was limited, resulting in low reliability of the regression curve. In such cases, the IC20 value was estimated through linear interpolation using cell viability values from adjacent concentration intervals.

Results

1. WCSC Analysis Results by Extraction Criteria

The puff counts under the ISO, HCI, and KO-BSR regimens were 7.77±0.33, 9.25±0.48, and 8.65±0.47 puffs (n=5 each), respectively. Puff counts under the HCI and KO-BSR regimens were significantly higher than under the ISO regimen (p<0.05). TPM also differed significantly among the smoking regimens (p<0.05). It was the lowest under the ISO regimen at 9.40±0.71 mg/cigarette, whereas it was 31.19±3.46 and 41.43±2.55 mg/cigarette under the HCI and KO-BSR regimens. In particular, TPM under the KO-BSR regimen was significantly higher than those under both the ISO and HCI regimens (one-way ANOVA, p<0.05).

The concentrations of the major chemical constituents (nicotine, acetone, triacetin, and glycerin) in WCSC obtained under the ISO, HCI, and KO-BSR regimens are presented in Table 3. The nicotine concentration was 252.83±39.54, 629.37±115.69, and 782.46±120.48 μg/ml under the ISO, HCI, and KO-BSR regimens, respectively, with the latter two being significantly higher than that under the ISO regimen (p<0.05). The nicotine concentration under the KO-BSR regimen was higher than that under the HCI regimen, but the difference was not statistically significant. The concentrations of acetone, triacetin, and glycerin under the HCI and KO-BSR regimens were significantly higher than those under the ISO regimen, and the concentrations under the KO-BSR regimen were also significantly higher than those under the HCI regimen (all p<0.05). TPM under the KO-BSR regimen was significantly higher than that under the ISO and HCI regimens (p<0.05).

Table 3. Comparison of puff count, total particulate matter, and major constituent concentration in final whole cigarette smoke condensate.

Parameter ISO HCI KO-BSR
Puff count (puff/cigarette) 7.77±0.33 9.25±0.48a) 8.65±0.47a)
TPM (mg/cigarette) 9.40±0.71 31.19±3.46a) 41.43±2.55a,b)
Nicotine (μg/ml) 252.83±39.54 629.37±115.69a) 782.46±120.48a)
Acetone (μg/ml) 29.31±4.68 127.83±11.74a) 143.91±3.57a,b)
Triacetin (μg/ml) 56.82±18.78 357.68±49.20a) 497.87±55.18a,b)
Glycerin (μg/ml) 220.80±11.47 577.89±44.18a) 668.31±69.94a,b)

Values are presented as mean±standard deviation. Chemical constituents are reported as concentrations in the final whole cigarette smoke condensate stock (μg/ml). Puff count (puff/cigarette): The number of puffs taken to burn a cigarette to the predetermined endpoint. Total particulate matter (TPM, mg/cigarette): The total mass of particulate matter extracted from a single cigarette. TPM is reported as mg/cigarette. ISO=International Organization for Standardization; HCI=Health Canada Intense; KO-BSR=Korean Behavior-Based Smoking Regimen. a)Significantly different from the ISO smoking regimen (p<0.05). b)Significantly different from the HCI smoking regimen (p<0.05).

These results show that the concentrations of major constituents generated in cigarette smoke differed markedly across smoking regimens. In particular, the amounts of major constituents generated under the KO-BSR regimen showed an overall increasing trend.

2. Changes in Cell Viability Following WCSC Exposure by Smoking Regimen

Following the exposure of each of the Korean-derived oral cancer cell lines YD-9 and YD-38 to WCSC prepared under three smoking regimens (ISO, HCI, and KO-BSR) for 5 days, both the smoking regimen and WCSC exposure concentration were identified as factors that significantly affected cell viability (two-way ANOVA, p<0.05). Changes according to WCSC concentration under each smoking regimen were concentration-dependent in both cell lines.

When YD-9 cells were exposed to WCSC prepared under the three smoking regimens, a significant decrease was observed in the 0.25% exposure group. Among the 0.5% exposure groups, the measured value was lower under the HCI regimen (approximately 40%) than under the ISO regimen (approximately 50%) and was the lowest under the KO-BSR regimen (approximately 20%) (Figure 2). Nonlinear regression analysis using a four-parameter logistic model estimated the IC20 values for YD-9 cells to be approximately 0.24%, 0.19%, and 0.15% under the ISO, HCI, and KO-BSR regimens, respectively. A characteristic finding in YD-9 cells was that exposure under the KO-BSR regimen resulted in a clear decrease in cell viability beginning at the intermediate concentration (0.25%), and changes in cell viability were observed even in a relatively low concentration range compared with the ISO and HCI regimens at the same concentration.

Figure 2. Changes in the viability of YD-9 human oral squamous cell carcinoma cells following exposure to WCSC generated under different smoking regimes.

Figure 2

WCSC was applied at final concentrations of 0.0625%, 0.125%, 0.25%, and 0.5% (v/v). The final concentrations of DMSO and DPBS in the WCSC-treated groups were proportional to the WCSC concentrations. The control group contained approximately 0.02% DMSO and 0.5% DPBS, corresponding to the highest WCSC treatment concentration (0.5%). Asterisks indicate p<0.05 versus the control within the same smoking regimen. ISO=International Organization for Standardization; HCI=Health Canada Intense; KO-BSR=Korean Behavior-Based Smoking Regimen; WCSC=whole cigarette smoke condensate; DMSO=dimethyl sulfoxide; DPBS= Dulbecco’s phosphate buffered saline.

In YD-38 cells, no significant changes were observed at most concentrations under the ISO smoking regimen. In YD-38 cells, the HCI 0.125% treatment group and the KO-BSR 0.0625% and 0.125% treatment groups showed significant increases in cell viability compared with the control group (p<0.05). However, these findings could not be conclusively regarded as a cell viability-promoting effect and were interpreted in this study as a non-monotonic concentration-response pattern. At the high concentration (0.5%), cell viability was significantly lower under the HCI and KO-BSR regimens than under the ISO regimen. Nonlinear regression analysis estimated the IC20 values for YD-38 cells to be approximately 0.35% and 0.33% under the HCI and KO-BSR regimens, respectively. Under the ISO regimen, no significant cellular changes were observed even in the high-concentration 0.5% exposure group; therefore, the IC20 value could not be calculated. YD-38 cells exhibited a threshold-like response pattern, with no changes in the low-concentration range followed by a rapid decrease in cell viability at the high concentration (0.5%). Nevertheless, the magnitude of the decrease in cell viability in the high-concentration range was the greatest under the KO-BSR regimen, showing a trend similar to the results obtained for YD-9 (Figure 3).

Figure 3. Changes in the viability of YD-38 human oral squamous cell carcinoma cells following exposure to WCSC generated under different smoking regimens.

Figure 3

WCSC was applied at final concentrations of 0.0625%, 0.125%, 0.25%, and 0.5% (v/v). The final concentrations of DMSO and DPBS in the WCSC-treated groups were proportional to the WCSC concentrations. The control group contained approximately 0.02% DMSO and 0.5% DPBS, corresponding to the highest WCSC treatment concentration (0.5%). Asterisks indicate p<0.05 versus the control within the same smoking regimen. ISO=International Organization for Standardization; HCI=Health Canada Intense; KO-BSR=Korean Behavior-Based Smoking Regimen; WCSC=whole cigarette smoke condensate; DMSO=dimethyl sulfoxide; DPBS= Dulbecco’s phosphate buffered saline.

In summary, comparison of cell viability and IC20 values in YD-9 and YD-38 cells demonstrated that cell viability was markedly more inhibited under the KO-BSR regimen than under the ISO and HCI regimens.

Conclusion

In this study, we established a smoking regimen reflecting the actual smoking behavior of Korean smokers and prepared WCSC based on this regimen to evaluate its chemical constituents and cellular-level risk. Comparison with the ISO and HCI regimens confirmed that the amounts of TPM and major harmful constituents (nicotine, acetone, triacetin, and glycerin) generated per cigarette increased significantly under the KO-BSR regimen. TPM is an indicator of the total amount of particulate matter generated in mainstream smoke and is directly affected by smoking regimen parameters, including puff volume, puff interval, puff duration, and ventilation blocking. Our results showed that the short puff intervals and high puff volumes of Korean smokers constitute a smoking regimen that generates more harmful substances than international standard regimens. However, these increases refer to increases in the amounts of harmful substances generated in mainstream smoke under experimental conditions. Actual human exposure levels may also vary depending on individual smoking behavior, including inhalation depth, smoking interval, and compensatory smoking. Nevertheless, the finding that the amounts of TPM and major harmful constituents increased under an intensive smoking regimen suggests that the potential exposure of Korean smokers to harmful substances may increase under this regimen.

When the Korean-derived oral cancer cell lines YD-9 and YD-38 were exposed to WCSC prepared under each smoking regimen, both the smoking regimen and WCSC concentration significantly affected cell viability in both cell lines. In particular, WCSC prepared under the KO-BSR regimen reduced cell viability to a greater extent than WCSC prepared under the ISO and HCI regimens, and both cell lines showed concentration-dependent decreases in viability. The decrease in cell viability can be interpreted as the result of cellular damage and physiological stress responses caused by exposure to harmful substances contained in CSE. Accordingly, the decrease in cell viability can reasonably be understood as a biological indicator of cellular-level susceptibility to harmful substances. Cancer cell lines, such as the head and neck cancer cell lines used in this study, are sensitive test models suitable for quantitatively evaluating concentration-response relationships at various concentrations and under various conditions because of their high responsiveness to external stimuli, rapid viability rates, and ease of culture. Many studies have used these cell lines as cellular models for comparing and screening relative differences in toxicity among chemicals [8].

The findings of this study are also significant because they address the limitations of previous studies that investigated CSC and CSE separately and, therefore, did not sufficiently reflect the characteristics of actual cigarette smoke exposure. Because the WCSC used in this study contains both TPM and gas-phase substances, it can more comprehensively simulate the characteristics of mainstream smoke exposure in actual smoking environments and can be regarded as an approach that addresses the limitations of conventional separate extraction methods [9]. In addition, although smoking risk studies have so far been conducted primarily based on the ISO smoking regimen, the recent increase in studies applying the intensive regimen proposed by HCI has highlighted the need for assessment methods that reflect more realistic smoking regimens [10]. In addition to this international research trend, this study is important because it scientifically proposed a regimen reflecting the unique smoking characteristics of Koreans.

Rather than proposing KO-BSR as an independent Korean-specific risk assessment standard, this study presents its potential use as an exposure scenario based on Korean smoking behavior that complements international standard smoking regimens. The same WCSC volumetric concentration in this study does not represent the same TPM equivalent or the same cigarette equivalent across smoking regimens and should be interpreted as a concentration-response range for comparing the relative cellular responses to WCSC generated under different smoking regimens. Future studies should verify the validity and scope of the application of KO-BSR by integrating representative smoking behavior distributions, a broader range of major harmful constituents, human biomarkers, and various toxicity endpoints, including inflammation, oxidative stress, and genotoxicity.

Acknowledgments

None.

Declarations

Ethics Statement: Not applicable.

Funding Source: None.

Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.

Author Contributions: Conceptualization: REG. Data curation: REG, SMS, JHK. Formal analysis: REG, SMS, JHK. Investigation: REG, SMS, JHK. Project administration: JEL. SHK. Supervision: SHK, YJA. Visualization: REG. Writing – original draft: REG. Writing – review & editing: SHK, YJA.

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한국인 흡연행태 기반 담배연기 유해성분이 세포 변화에 미치는 영향 연구

고 려은 1, 성 수민 1, 권 지현 1, 이 지은 1, 강 성현 1,*, 안 윤진 1,*

Abstract

목적

본 연구는 한국인 흡연자의 실제 흡연행태를 반영한 행동기반 한국 흡연조건(Korean Behavior-Based Smoking Regimen, KO-BSR)과 국제표준 흡연조건(International Organization for Standardization, ISO; Health Canada Intense, HCI)을 비교하여 담배 연기 내 유해성분 생성량과 세포 수준 위해성의 차이를 평가하고자 하였다.

방법

회전형 흡연장비를 이용하여 ISO, HCI, KO-BSR 조건에서 총주류연추출물(whole cigarette smoke condensate, WCSC)을 제조하였다. 각 조건에서 담배 1개비당 총입자상물질(total particulate matter, TPM)을 산출하고, 니코틴, 아세톤, 트리아세틴, 글리세린 4종을 가스크로마토그래피-질량분석법으로 정량 분석하였다. 한국인 유래 구강암세포주 YD-9 및 YD-38에 WCSC를 농도별로 5일간 노출한 뒤, water-soluble tetrazolium salt assay를 이용하여 세포생존율과 세포생존율이 20% 감소하는 농도(IC20)를 산출하였다.

결과

KO-BSR 조건에서 생성된 담배 연기는 ISO 조건에 비해 TPM과 최종 WCSC 내 니코틴, 아세톤, 트리아세틴 및 글리세린 농도가 모두 유의하게 높았다(p<0.05). HCI 조건과 비교하면 KO-BSR 조건은 TPM, 아세톤, 트리아세틴 및 글리세린에서 유의하게 높았으며, 니코틴은 높은 경향을 보였으나 통계적으로 유의하지 않았다. 두 세포주 모두에서 WCSC 농도 증가에 따라 세포생존율이 감소하였으며, KO-BSR 조건 WCSC 노출군에서 가장 큰 생존율 감소가 관찰되었다. IC20 값은 YD-9 세포에서 KO-BSR 조건이 가장 낮았고, YD-38 세포에서는 HCI와 KO-BSR 조건에서만 산출되었다.

결론

KO-BSR 조건에서는 국제표준 흡연조건인 ISO 및 HCI에 비해 측정한 담배 연기 성분의 생성량이 전반적으로 높았으며, WCSC 노출에 따른 세포생존율 감소도 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 KO-BSR이 국제표준 흡연조건을 보완하는 한국인 흡연행태 기반 노출 시나리오로의 활용 가능성을 뒷받침한다. 다만 KO-BSR을 위해성평가 체계에 적용하기 위해서는 대표성 있는 흡연행태 분포, 인체 노출 바이오마커 및 다양한 독성 평가 지표를 활용한 추가 검증이 필요하다.

Keywords: 총주류연추출물, 흡연조건, 한국인 흡연행태, 세포생존율, 구강암


핵심요약

① 이전에 알려진 내용은?

흡연으로 인한 위해성 평가는 그 동안 International Organization for Standardization 및 Health Canada Intense 등 국제표준 흡연조건을 기반으로 수행되어 왔다. 그러나 실제 한국인 흡연행태를 반영한 행동기반 한국 흡연조건(Korean Behavior-Based Smoking Regimen, KO-BSR)은 이러한 국제표준 조건과 차이가 있음에도, KO-BSR을 적용한 위해성 연구는 보고되지 않았다.

② 새로이 알게 된 내용은?

KO-BSR 조건에서 생성된 담배 연기는 ISO 조건보다 총입자상물질(total particulate matter, TPM)과 주요 화학성분(니코틴, 아세톤, 트리아세틴, 글리세린)이 높은 수준으로 나타났다. HCI 조건과 비교해서는 TPM, 아세톤, 트리아세틴, 글리세린이 높았으나 니코틴 농도 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 또한 KO-BSR 조건에서 제조한 총주류연추출물은 한국인 유래 구강암세포주에서 더 큰 농도 의존적 세포생존율 감소를 유발하였다.

③ 시사점은?

KO-BSR은 국제표준 흡연조건 대비 유해성분 생성과 세포 수준 위해성을 모두 증가시키는 흡연조건임을 확인하였다. 본 연구는 KO-BSR을 국제표준 흡연조건을 보완하는 한국인 흡연행태 기반 노출 시나리오로 활용할 가능성을 제시한다. 향후 인체 생체지표와 다양한 독성지표를 연계한 검증이 필요하다.

서 론

흡연의 부정적인 영향은 이미 널리 알려져 있으나, 전통적 궐련담배를 비롯한 다양한 신종담배 제품의 등장과 함께 흡연은 여전히 지속되고 있다. 최근에는 액상형 전자담배, 궐련형 전자담배, 가향담배 등 다양한 형태의 담배제품이 출시되고 있지만, 여전히 궐련담배의 사용률이 가장 높으며 이와 관련된 건강 위해 연구 역시 지속적으로 수행되고 있다[1]. 기존 흡연 관련 인체 위해성 평가는 국제표준화기구(International Organization for Standardization, ISO) 및 캐나다 보건부의 Health Canada Intense (HCI)와 같은 국제표준 흡연조건을 기반으로 수행되어 왔다. 그러나 이러한 조건은 실제 흡연자의 보상흡연(compensatory smoking)이나 문화‧인구집단 간 흡연 습관의 차이를 충분히 반영하지 못한다는 한계가 제기되고 있다[2].

우리나라 질병관리청의 연구에 따르면, 한국인 흡연자는 개비당 흡입량이 ISO 및 HCI 조건보다 높아 상대적으로 더 많은 담배 연기 성분에 노출될 가능성이 높다. 또한 일일 흡연량과 담배 한 개비당 연기 흡입량(ml)이 증가할수록 소변 중 흡연 생체지표(코티닌1), 하이드록시코티닌2), NNAL3))의 농도가 유의하게 증가하는 것으로 보고되었다[3]. 이러한 결과는 니코틴(nicotine), total particulate matter (TPM), nicotine-free dry particulate matter (tar), tobacco-specific nitrosamines, polycyclic aromatic hydrocarbons 등 주요 유해물질의 생성량이 실제 흡연행태에 따라 증가할 수 있음을 시사한다. 따라서 국제표준 흡연조건만을 기반으로 한 위해성 평가는 실제 흡연 환경을 충분히 반영하지 못해 위해성을 과소 추정할 위험이 있다.

흡연의 위해성을 세포 수준에서 비교하기 위해서는 적절한 세포모델과 담배 연기 노출방법이 필요하다. 흡연으로 인한 위해성은 특히 두경부 영역의 점막 조직에서 두드러지며, 구강‧인두‧후두 등은 담배 주류연(mainstream smoke)에 가장 직접적으로 노출되는 부위로 알려져 있다. 실제로 흡연은 두경부암의 주요 위험요인으로 보고되고 있으며[4], 이러한 부위 특이성을 고려할 때 두경부 유래 세포는 흡연 관련 위해성을 상대적으로 비교‧평가하기 위한 세포모델로 적합하다.

담배 연기 노출방법으로는 담배연기 추출물을 희석한 세포배양액에 세포를 배양하는 방식을 사용하였다. 본 연구에서 활용한 총주류연추출물(whole cigarette smoke condensate, WCSC)은 담배 연기 내 입자상 물질 추출물인 cigarette smoke condensate (CSC)와 기체상 물질 추출물인 cigarette smoke extract (CSE)를 모두 포함하는 형태로, 주요 유해물질을 동시에 노출할 수 있다는 장점이 있다. WCSC는 조성의 일관성과 농도 조절의 용이성 측면에서 반복 실험과 조건 간 비교 연구에 적합하며, CSC와 CSE를 분리하여 노출하는 기존 방식의 한계를 보완할 수 있는 방법으로 제시되고 있다[5].

현재까지 행동기반 한국 흡연조건(Korean Behavior-Based Smoking Regimen, KO-BSR)을 적용한 WCSC를 이용해 세포 기반 위해성을 평가한 연구는 보고된 바 없다. 특히 국제표준 조건보다 상대적으로 가혹한 특성을 보이는 KO-BSR 조건이 주류연 내 유해물질 생성량과 세포 수준 독성에 미치는 영향에 대한 근거는 매우 제한적이다. 이에 본 연구는 한국인 흡연자의 실제 흡연행태[흡입량, 흡입 간격(puff interval) 등]를 실험적으로 구현한 KO-BSR 조건을 WCSC 제조에 적용하고, ISO 및 HCI 조건과 비교하여 상대적 위해성을 세포 수준에서 평가하는 것을 목적으로 한다.

본 연구를 통해 흡연조건 간 상대적 위해성의 차이를 비교‧평가하고, 향후 한국인 특화형 흡연 위해성 평가 모델 구축을 위한 기초 근거를 마련하고자 한다. 또한 본 연구는 실제 인체 노출량의 절대적 추정을 목적으로 하기보다는, 흡연조건에 따라 생성되는 주류연 추출물 조성의 상대적 차이를 세포 기반 모델에서 비교‧선별(screening)하기 위한 독성학적 정보를 제공하는 데 중점을 두었다.

방 법

1. WCSC 추출 조건 및 방법

흡연폐해실험실은 Borgwaldt사(현 Koerber Technologies Instruments GmbH)의 회전형 흡연장비(RM20H)를 보유하고 있으며, 장비 규격과 담배 연기 발생 원리는 ISO 3308:2012 (Routine analytical cigarette-smoking machine—Definitions and standard conditions)에 기반한다. WCSC를 추출하기 위해 RM20H는 ISO, HCI 및 KO-BSR 등 세 가지 흡연조건을 각각 반영하여 운용하였다. 본 연구에서 적용한 KO-BSR 조건은 한국인 흡연자의 평균적인 흡연행태 특성을 반영하여 설정하였다[3]. 구체적으로 한국인 흡연자는 ISO 및 HCI 조건 대비 흡입 부피(puff volume)가 크고 흡입 간격이 짧으며, 담배 필터를 깊게 물어 환기 구멍을 차단하는 경향(ventilation blocking)을 보이는 것으로 보고되었다. 이에 따라 본 연구에서는 흡입 부피, 흡입 시간(puff duration), 흡입 간격 및 환기 차단율을 선행 보고서[3]에서 제시한 값으로 설정하였고(표 1), 이를 KO-BSR 조건으로 정의하였다.

표 1. 담배연기발생장치에 적용한 흡연조건 설정값.

흡연조건 국제표준화기구 캐나다 보건부 한국인 흡연행태
흡입 부피(ml) 35 55 73
흡입 간격(s) 60 30 9
흡입 시간(s) 2 2 1.6
환기차단율(%) 0 100 100

흡입 부피(puff volume): 흡연자가 1회 흡입하는 담배연기량. 흡입 간격(Puff interval): 흡연행위 간 사이시간. 흡입 시간(puff duration): 1회 흡입에 소요되는 시간. 환기차단율(ventilation blocking): 담배 필터의 개폐여부.

회전형 흡연장비의 담배 연기 추출 과정의 적합성을 검증하기 위해 ISO 3308 기준에 따라 담배 연기를 발생시킨 후, ISO 흡연조건 기준 인증 표준담배(reference cigarette) 1R6F의 공인값(University of Kentucky)과 비교하였다(표 2) [6]. 본 연구에서 측정된 평균 퍼프 횟수는 7.76±0.31회(n=7), TPM 발생량은 9.87±0.58 mg/cigarette (n=7)으로 나타났다. 이 값은 통계적으로 유의한 차이가 없었으므로, 본 연구에서 사용한 회전형 흡연장비는 충분한 재현성과 신뢰성을 갖춘 것으로 판단하였다.

표 2. University of Kentuchy 기준값[6] 기반 흡연장비 성능의 재현성 확인.

인증값(University of Kentuchy) 본 연구결과
퍼프 횟수(puff/cigarette) 7.53±0.56 (k=2.55) 7.76±0.31 (n=7)
총입자상물질(mg/cigarette) 9.99±0.78 (k=2.04) 9.87±0.58 (n=7)

퍼프 횟수(puff/cigarette): 담배 1개비를 기준점까지 태우기 위해 흡입하는 횟수. 총입자상물질(mg/cigarette): 담배 1개비에서 추출된 미세입자의 총 무게. 인증값: 미국 University of Kentuchy의 표준담배센터에서 제공하는 1R6F 인증표준담배의 분석 기준 값. 확장불확도(k): 측정값이 실제 값을 포함할 것으로 기대되는 범위를 정할 때 사용하는 계수(보통 약 95% 신뢰수준에서 K≈2 사용).

담배 연기 1회 발생 시 CSC와 CSE를 동시에 포집하여 WCSC를 제조하였다. 각 흡연조건 별로 1회당 5개비의 1R6F 표준담배를 흡연장비를 통해 연소시켜 주류연을 발생시켰으며, 발생한 입자상 물질은 44 mm Cambridge filter pad (CFP; Borgwaldt)에 포집하였다. 주류연이 통과한 CFP는 5 ml 메탄올에 완전히 침지한 뒤 150 rpm에서 30분간 부드럽게 교반하여 입자상 물질을 메탄올에 용해시켰다. 이후 메탄올 용액을 고압 질소가스로 약 2시간 동안 천천히 증발시켜 농축한 후, 320 µl의 dimethyl sulfoxide (DMSO)를 가하여 재용해함으로써 CSC를 제조하였다.

CSE 포집은 CSC 제조와 동시에 진행하였다. 특수 제작한 임핀저를 통해 담배 연기가 Dulbecco’s phosphate buffered saline (DPBS) 10 ml를 통과하도록 설계하여 기체상 물질을 포집하고, 이를 CSE로 사용하였다. 제조된 CSC와 CSE는 갈색 바이알에 소분하여 –20℃에서 냉동 보관하였다(그림 1).

그림 1. 총주류연추출물(whole cigarette smoke condensate, WCSC) 추출과정 모식도.

그림 1

DPBS=Dulbecco’s phosphate buffered saline; CSE=cigarette smoke extract; TPM=total particulate matter; DMSO=dimethyl sulfoxide; CSC=cigarette smoke condensate.

세포 노출 직전, CSC와 CSE를 실온에서 완전히 해동한 후 CSC 20 μl와 CSE 560 μl를 혼합하여 최종 WCSC 원액으로 조제한 뒤 사용하였다. 담배 주류연을 포집하는 각 배치에서 5개비의 담배를 연소한 뒤 회수되는 CSC와 CSE의 평균 부피는 각각 약 340 μl 및 9,500 μl였으며, 세포 노출용 WCSC의 혼합 비율은 이 상대적 회수 비율을 반영하여 설정하였다. 최종 WCSC 원액의 총부피는 약 580 μl였다. 세포 노출용 처리액은 실험 당일 필요한 부피를 기준으로 최종 WCSC 농도가 0.0625%, 0.125%, 0.25% 또는 0.5% (v/v)가 되도록 WCSC 원액을 5% 소태아혈청(fetal bovine serum; FBS)-Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM)에 직접 첨가하여 제조하였다. 예를 들어, 0.5% WCSC 희석액은 5 ml의 5% FBS-DMEM에 WCSC 원액 25 μl를 첨가하여 제조하였다. 중간 희석액은 사용하지 않았으며, 처리액은 매 배지 교체 시 새로 조제하였다. 본 방법은 선행연구[5]를 기반으로 하되, 세포 노출 실험의 재현성과 취급 용이성을 고려하여 일부 수정하였다.

2. GC-MS를 이용한 흡연조건 별 WCSC 내 휘발성유기화합물 4종 성분 분석

흡연조건 별 WCSC 내 주요 성분을 확인하기 위해, 중간휘발성유기화합물(semi-volatile organic compounds)인 니코틴, 트리아세틴(triacetin), 글리세린(glycerol)과 휘발성유기화합물(volatile organic compounds)인 아세톤(acetone) 등 총 4종의 성분을 분석하였다. 1개의 CFP에 5개비의 담배를 연소한 뒤 회수되는 CSC와 CSE를 각각 약 340 μl 및 9,500 μl를 혼합한 WCSC를 methanol (hypergrade for LC-MS, Supelco)로 20배 희석한 후, 0.45 μm 실린지 필터로 여과하여 시료를 준비하였다. 정량 분석을 위해 아세톤(acetone for analysis, Supelco, 1.00014), 글리세린(glycerol≥99.5%, Sigma-Aldrich, G9012), 니코틴((–)-nicotine≥99% (GC), Sigma-Aldrich, N3876), 트리아세틴(triacetin 99%, Sigma-Aldrich, 525073) 표준물질을 사용하였으며, 각 표준물질은 5개 농도로 희석하여 검량선을 작성하였다.

주요 성분 분석에는 가스크로마토그래피-질량분석기(GC-MS, Agilent 7890B GC/5977A MSD)를 사용하였다. 컬럼은 DB-WAX (60 m×0.25 mm×0.25 µm)를 사용하였고, 운반가스로 헬륨을 사용하였다. 유속은 2 ml/min, 주입구 온도는 230℃, 시료 주입량은 1 µL로 설정하였다. 오븐 온도 프로그램은 40℃에서 5분간 유지한 뒤, 5℃/min 속도로 230℃까지 상승시키고 10분간 유지하였다. 스플릿 비율은 10:1, 스플릿 흐름속도는 20 ml/min으로 설정하였으며, 검출기 온도는 230℃로 유지하였다. 정량 분석은 selective ion monitoring 모드로 수행하였으며, 아세톤은 m/z 43, 글리세린은 m/z 61, 니코틴은 m/z 84, 트리아세틴은 m/z 103을 선택 이온으로 설정하였다.

3. 한국인 유래 구강암세포주 배양

본 연구에서는 한국세포주은행(Korea Cell Line Bank)에서 분양받은 한국인 유래 구강암세포주 YD-9 및 YD-38을 사용하였다. YD-9은 56세 남성의 볼 점막에서 유래한 편평상피세포암으로 약간 길쭉한 형태(slightly elongated)의 부착성(adherent) 세포이며, YD-38은 67세 남성의 하악 잇몸(lower gingiva)에서 기원한 편평상피세포암으로 다각형(polygonal) 형태의 부착성 세포이다[7].

세포배양액은 4,500 mg/L glucose를 포함한 DMEM (Welgene)에 2% antibiotic-antimycotic solution (Welgene), 1% L-glutamine (Welgene), 1% HEPES buffer (Welgene)를 혼합하여 제조하였다. 세포배양용 배지에는 10% FBS (R&D Systems)을, 세포생존율 평가용 배지에는 5% FBS를 각각 첨가하였다. 두 세포주는 5% CO2, 37℃ 조건의 인큐베이터에서 배양하였으며, 주 1회 계대배양을 실시하고 세포배양액은 2–3일 간격으로 교체하였다.

4. 흡연조건 별 WCSC 노출 및 세포생존율 평가방법(WST assay)

세포생존율 평가는 water-soluble tetrazolium salt assay (WST assay) (EZ-Cytox; DoGENBio)를 이용하여 수행하였으며, 세포 분주부터 흡광도 측정까지 총 7일이 소요되었다. 1일차에는 YD-9 세포를 2×103 cells/well, YD-38 세포를 1×103 cells/well의 밀도로 96웰 플레이트에 각각 100 µl의 배양액과 함께 분주하였다. 3일차(약 48시간 후)에는 5% FBS-DMEM에 세 가지 흡연조건 별 WCSC를 농도별로 희석하여 준비한 후, 96웰 플레이트의 기존 배지를 모두 제거하고 WCSC가 최종 0.5% 이하 농도로 포함되도록 한 배지로 교체하였다. 5일차(약 72시간 후)에도 동일한 방법으로 배지를 교체하였다. 7일차(약 48시간 후)에는 모든 배지를 제거한 뒤, 10% WST assay 용액이 포함된 세포배양액으로 교체하였다. 이후 5% CO2, 37℃ 인큐베이터에서 약 1시간 배양한 후, 450 nm 파장에서 흡광도를 측정(SpectraMax i3x microplate reader, Molecular Devices)하여 세포생존율을 평가하였다.

장기간 배양 시 플레이트 가장자리와 중심부의 세포 성장률 차이로 발생할 수 있는 엣지 효과(edge effect)를 최소화하기 위해, 각 96웰 플레이트에서는 가장자리를 제외한 60개의 웰만 사용하였다. WCSC 처리군은 WCSC 원액을 배지에 직접 희석하여 조제하였으므로, DMSO와 DPBS의 최종 농도는 WCSC 처리농도에 비례하였다. WCSC 원액은 CSC 20 μl와 CSE 560 μl를 혼합하여 제조하였으며, 0.5% WCSC 처리군에서 DMSO와 DPBS의 최종 농도는 각각 약 0.017%와 0.483%였다. 대조군은 최고 WCSC 농도 처리군의 vehicle 조건과 동일하도록 DMSO 20 μl와 DPBS 560 μl를 혼합하여 대조군 원액을 제조하여 최고 WCSC 농도 처리군과 동일한 조건으로 배지에 희석하여 사용하였다. 이에, 대조군은 0.02% DMSO와 0.5% DPBS를 포함한다.

5. 실험결과의 통계방법

모든 실험은 최소 3회 이상 독립적으로 반복 수행하였으며, 결과는 평균값±표준편차로 표시하였다. 통계분석은 GraphPad Prism 5 (version 5.01; GraphPad)를 이용하여 수행하였다. WCSC 성분 분석 결과는 단일 요인 간 차이를 비교하기 위해 one-way analysis of variance (ANOVA)를 적용하였고, 사후검정(post hoc test)에는 Tukey’s multiple comparison test를 사용하였다.

세포생존율 데이터는 흡연조건과 WCSC 농도를 동시에 고려하기 위해 two-way ANOVA로 분석하였으며, 사후검정은 Bonferroni post-test를 이용하여 각 조건 간 평균값의 차이를 비교하였다. 동일 흡연조건 내에서 WCSC 농도별 세포생존율 차이를 분석할 때는 one-way ANOVA를 사용하였고, 대조군 대비 각 농도의 영향을 평가하기 위해 Dunnett’s multiple comparison test를 적용하였다. 모든 통계적 유의수준은 p<0.05로 설정하였다.

또한 흡연조건 간 세포독성의 정량적 비교를 위해 세포생존율이 20% 감소하는 농도(IC20)를 추가적으로 산출하였다. IC20 값은 WCSC 농도에 따른 세포생존율 데이터를 대상으로 4-parameter logistic model을 이용한 비선형 회귀분석을 통해 추정하였다. 일부 조건에서는 세포생존율 감소가 제한적으로 나타나 회귀곡선의 신뢰도가 낮은 경우가 있어, 이때에는 인접 농도 구간의 세포생존율 값을 이용한 선형 보간(linear interpolation)을 통해 IC20 값을 추정하였다.

결 과

1. 추출기준별 WCSC 분석 결과

ISO, HCI, KO-BSR 흡연조건을 반영하여 총 세 종류의 WCSC를 제작하였다. 각 조건에서 측정한 퍼프 횟수와 TPM 결과는 표 3에 제시하였다. ISO 조건의 퍼프 횟수는 7.77±0.33회(n=5)였으며, HCI와 KO-BSR 조건에서는 각각 9.25±0.48회(n=5)와 8.65±0.47회(n=5)로 측정되었다. ISO 대비 HCI와 KO-BSR 조건에서 퍼프 횟수가 유의하게 높았다(p<0.05). TPM 또한 흡연조건 간 유의한 차이를 보였다(p<0.05). ISO 조건의 TPM은 9.40±0.71 mg/cigarette으로 가장 낮았으며, HCI 조건은 31.19±3.46 mg/cigarette, KO-BSR 조건은 41.43±2.55 mg/cigarette으로 나타났다. 특히 KO-BSR 조건의 TPM은 ISO 및 HCI 조건에 비해 모두 유의하게 높은 수준이었다(one-way ANOVA, p<0.05).

표 3. 흡연조건 별 퍼프 횟수, TPM 및 최종 총주류연추출물(WCSC) 내 주요 성분 농도 비교.

분석항목 국제표준화기구 캐나다 보건부 한국인 흡연행태
퍼프 횟수(puff/cigarette) 7.77±0.33 9.25±0.48a) 8.65±0.47a)
총입자상물질(mg/cigarette) 9.40±0.71 31.19±3.46a) 41.43±2.55a,b)
니코틴(μg/ml) 252.83±39.54 629.37±115.69a) 782.46±120.48a)
아세톤(μg/ml) 29.31±4.68 127.83±11.74a) 143.91±3.57a,b)
트리아세틴(μg/ml) 56.82±18.78 357.68±49.20a) 497.87±55.18a,b)
글리세린(μg/ml) 220.80±11.47 577.89±44.18a) 668.31±69.94a,b)

분석값: 평균±표준편차(n=5). 주요 화학성분들은 최종 WCSC 원액 내의 농도임(μg/ml). 퍼프 횟수(puff/cigarette): 담배 1개비를 기준점까지 태우기 위해 흡입하는 횟수. 총입자상물질(mg/cigarette): Total particulate matter (TPM)으로써, 담배 1개비에서 추출된 미세입자의 총 무게. WCSC=whole cigarette smoke condensate. a)국제표준화기구 흡연조건 결과 대비(one-way ANOVA, p<0.05). b)캐나다 보건부 흡연조건 결과 대비 (one-way ANOVA, p<0.05).

ISO, HCI, KO-BSR 조건에서 얻은 WCSC의 주요 화학성분(니코틴, 아세톤, 트리아세틴, 글리세린) 함량은 표 3에 제시하였다. 니코틴 농도는 ISO 조건에서 252.83±39.54 μg/ml였고, HCI와 KO-BSR 조건에서 각각 629.37±115.69 μg/ml 및 782.46±120.48 μg/ml로 ISO 대비 유의하게 높았다(p<0.05). KO-BSR의 니코틴 농도는 HCI보다 높았으나 유의한 차이는 없었다. 아세톤, 트리아세틴 및 글리세린 농도는 HCI 및 KO-BSR 조건에서 ISO보다 유의하게 높았으며, KO-BSR 조건은 HCI 조건보다도 유의하게 높았다(p<0.05). KO-BSR 조건의 TPM은 ISO 및 HCI 조건보다 유의하게 높았다(p<0.05).

이와 같은 결과는 흡연조건의 변화에 따라 담배 연기 내 주요 성분의 생성량이 뚜렷하게 달라짐을 보여준다. 특히 KO-BSR 조건에서는 주요 성분의 생성량이 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

2. 흡연조건 별 WCSC 노출 세포생존율 변화

세 가지 흡연조건(ISO, HCI, KO-BSR)에서 제조한 WCSC를 한국인 유래 구강암세포주 YD-9 및 YD-38에 각각 5일간 노출한 결과, 흡연조건과 WCSC 노출 농도는 모두 세포생존율에 유의한 영향을 미치는 요인으로 확인되었다(two-way ANOVA, p<0.05). 흡연조건 별 WCSC 농도에 따른 변화는 두 세포주 모두에서 농도 의존적으로 나타났다.

세 가지 흡연조건을 반영한 WCSC를 YD-9 세포에 노출하였을 때, 0.25% 농도 노출군에서 유의한 감소가 확인되었으며, 0.5% 농도 노출군에서 ISO 조건(약 50%)보다 HCI 조건(약 40%)에서 더 낮았으며, KO-BSR 조건에서는 약 20% 수준으로 가장 낮았다(그림 2). 비선형 회귀분석을 통해 YD-9 세포의 IC20 값을 산출한 결과, ISO, HCI 및 KO-BSR 조건에서는 각각 약 0.24%, 약 0.19% 및 0.15%로 추정되었다. YD-9 세포에서는 KO-BSR 조건 노출 시 중간 농도(0.25%)부터 생존율 감소가 뚜렷하게 나타났으며, 동일 농도에서 ISO 및 HCI 조건보다 낮은 세포생존율 변화가 관찰되었다.

그림 2. 각 흡연조건 별 WCSC 노출에 따른 YD-9 인체구강암세포의 세포생존율 변화.

그림 2

WCSC는 최종 농도 0.0625%, 0.125%, 0.25% 및 0.5% (v/v)로 처리하였다. WCSC 처리군의 DMSO 및 DPBS 최종 농도는 WCSC 농도에 비례하였다. 대조군은 최고 농도 처리군인 0.5% WCSC와 동일하게 약 0.02% DMSO 및 0.5% DPBS를 포함하였다. 별표(*)는 동일 흡연조건 내 대조군 대비 p<0.05를 의미한다. WCSC=whole cigarette smoke condensate; DMSO=dimethyl sulfoxide; DPBS=Dulbecco’s phosphate buffered saline.

YD-38 세포에서는 ISO 흡연조건에서 대부분의 농도에서 유의한 변화가 나타나지 않았다. YD-38 세포에서 HCI 0.125% 및 KO-BSR 0.0625%와 0.125% 처리군은 대조군 대비 통계적으로 유의한 세포생존율 증가를 보였다(p<0.05). 그러나 이러한 결과는 세포증식 촉진 효과로 단정하기 어렵고, 본 연구에서는 비단조적 농도-반응 양상으로 해석하였다. 고농도(0.5%)에서는 HCI 및 KO-BSR 조건에서 ISO 조건보다 유의하게 낮은 세포생존율을 보였다. 비선형 회귀분석을 통해 YD-38 세포의 IC20 값을 산출한 결과, HCI 및 KO-BSR 조건에서는 각각 약 0.35% 및 0.33%로 추정되었다. ISO 조건에서는 0.5% 고농도 노출군에서도 유의한 세포생존율 변화가 확인되지 않아, IC20 값 산출이 불가하였다. YD-38 세포는 저농도 범위에서는 변화를 보이지 않다가 고농도(0.5%)에서 급격한 생존율 감소를 나타내는 임계형 반응(threshold-like response) 양상을 보였다. 그럼에도 불구하고, 고농도 영역에서의 세포생존율 감소 폭은 KO-BSR 조건에서 가장 크게 나타났으며, 이는 YD-9에서 도출된 결과와 유사한 경향을 보였다(그림 3).

그림 3. 각 흡연조건 별 WCSC 노출에 따른 YD-38 인체구강암세포의 세포생존율 변화.

그림 3

WCSC는 최종 농도 0.0625%, 0.125%, 0.25% 및 0.5% (v/v)로 처리하였다. WCSC 처리군의 DMSO 및 DPBS 최종 농도는 WCSC 농도에 비례하였다. 대조군은 최고 농도 처리군인 0.5% WCSC와 동일하게 약 0.02% DMSO 및 0.5% DPBS를 포함하였다. 별표(*)는 동일 흡연조건 내 대조군 대비 p<0.05를 의미한다. WCSC=whole cigarette smoke condensate; DMSO=dimethyl sulfoxide; DPBS=Dulbecco’s phosphate buffered saline.

종합하면, YD-9 세포 및 YD-38세포에서 세포생존율과 IC20 값을 비교한 결과, KO-BSR 조건은 ISO 및 HCI 조건과 비교하여 더 큰 세포생존율 감소를 확인하였다.

결 론

본 연구에서는 한국인 흡연자의 실제 흡연행태를 반영한 흡연조건을 설정하고, 이를 기반으로 WCSC를 제작하여 화학적 성분과 세포 수준 위해성을 평가하였다. ISO 및 HCI 조건과 비교한 결과, KO-BSR 조건에서는 담배 1개비당 생성되는 TPM과 최종 WCSC 내 니코틴, 아세톤, 트리아세틴 및 글리세린 농도가 유의하게 증가함을 확인하였다. TPM은 주류연에서 생성되는 입자상 물질의 총량을 반영하는 지표로서, 흡입 부피(puff volume), 흡입 간격(puff interval), 흡입 시간(puff duration), 환기차단율(ventilation blocking) 등 흡연조건의 직접 영향을 받는다. 본 연구 결과는 한국인 흡연자의 짧은 흡입 간격과 높은 흡입량이 국제표준 조건 대비 더 많은 유해물질이 생성되는 흡연조건임을 보여준다. 다만, 이러한 생성량 증가는 실험적 조건에서 산출된 주류연 내 유해물질의 양을 의미한다. 또한, 실제 인체 노출 수준은 흡연자의 흡입 깊이, 흡연 빈도, 보상흡연 등 개인별 흡연행태에 따라 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 가혹한 흡연조건에서 TPM 및 주요 유해성분의 생성량이 증가한다는 본 연구 결과는 해당 조건 하에서 한국인 흡연자가 유해물질에 노출될 잠재적 가능성이 증가할 수 있음을 시사한다.

흡연조건 별로 제조된 WCSC를 한국인 유래 구강암세포주 YD-9 및 YD-38에 노출한 결과, 흡연조건과 WCSC 농도는 두 세포주의 생존율에 모두 유의한 영향을 미쳤다. 특히 KO-BSR 조건에서 제작된 WCSC는 ISO 및 HCI 조건보다 세포 생존율을 더 크게 감소시켰으며, 두 세포주 모두에서 농도 의존적인 생존율 감소가 확인되었다. 이는 담배연기 추출물에 포함된 유해물질 노출로 인한 세포 손상 및 생리적 스트레스 반응의 결과로 해석할 수 있다. 즉, 유해물질에 대한 세포 수준 감수성을 반영하는 생물학적 지표로 이해하는 것이 타당하다. 본 연구에서 활용한 두경부암세포주와 같은 암세포주는 외부 자극에 대한 반응성이 높고 증식 속도가 빠르며 배양이 용이하여 다양한 농도 및 조건에서의 농도-반응 관계를 정량적으로 평가하는 데 적합한 민감한 시험모델이다. 많은 연구에서 화학물질 간 상대적 독성 차이를 비교‧선별하기 위한 목적에 부합하는 세포모델로 활용되고 있다[8].

본 연구 결과는 CSC와 CSE를 분리하여 연구함으로써 실제 담배연기 노출 특성을 충분히 반영하지 못했던 이전연구의 한계를 보완한다는 점에서도 의의가 있다. 본 연구에서 활용한 WCSC는 TPM과 기체상 물질을 동시에 포함하므로, 실제 흡연 환경에서의 주류연 노출 특성을 보다 통합적으로 모사할 수 있으며, 기존 분리 추출 방식의 한계를 보완하는 접근법으로 평가될 수 있다[9]. 또한 흡연 위해성 연구는 그동안 주로 ISO 흡연조건을 기반으로 수행되어 왔으나, 최근에는 HCI가 제시한 가혹조건을 적용한 연구가 증가하고 있어 보다 현실적인 흡연조건을 반영한 평가 방법의 필요성이 제기되고 있다[10]. 본 연구는 이러한 국제적 연구 흐름에 더해 한국인 고유의 흡연 특성을 반영한 조건을 과학적으로 제시하였다는 점에서 중요한 의의를 갖는다.

본 연구는 KO-BSR을 독립적인 한국형 위해성평가 기준으로 제안하기보다, 국제표준 흡연조건을 보완하는 한국인 흡연행태 기반 노출 시나리오로 활용할 가능성을 제시한다. 본 연구의 동일 WCSC 부피농도는 조건 별로 동일한 TPM-equivalent 또는 동일한 개비당량을 의미하지 않으며, 서로 다른 흡연조건에서 생성된 WCSC의 상대적 세포 반응을 비교하기 위한 농도-반응 범위로 해석하여야 한다. 향후 대표성 있는 흡연행태 분포, 주요 유해성분 범위 확대, 인체 생체지표 및 염증‧산화스트레스‧유전독성 등을 포함한 다양한 독성 지표를 연계하여 KO-BSR의 타당성과 적용범위를 검증할 필요가 있다.


Articles from Public Health Weekly Report are provided here courtesy of Korea Disease Control and Prevention Agency

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