Toxic action of N-dimethylphosphinothioyl carbofuran by oxidative activation process

산화적 활성화 과정을 통한 N-dimethoxyphosphinothioyl carbofuran의 독성발현

The bimolecular inhibition rate constants of carbofuran and N-dimethylphosphinothioyl carbofuran(PSC) to acetylcholinesterase(AChE) were $7.7{\times}10^{5}\;M^{-1}{\cdot}min^{-1}$ and $1.2{\times}10^{3}\;M^{-1}{\cdot}min^{-1}$, respectively. These results showed that PSC required a bioactivation process for its toxic action because it didn't inhibit the target enzyme effectively. The potency of PSC as an inhibitor of AChE increased when PSC and AChE were incubated with microsomes fortified with NADPH compared with microsome alone. Piperonyl butoxide(PBO) addition to these coupled systems greatly reduced the inhibition of the target enzyme by blocking the bioactivation process. In vivo inhibition study of mouse brain AChE, $I_{50}$ value for AChE was 28 mg/kg for PSC and the value increased to 57 mg/kg when PBO was pretreated. This result showed that cytochrome $P_{450}$ would also play a role in the bioactivation process of PSC in vivo. And conversioin of carbofuran from PSC was 55 % in a chemical oxidation system using meta-chloroperoxybenzoic acid. The oxidative activation of PSC to carbofuran was shown to be essential for showing its toxicological action and cytochrome $P_{450}$ was identified as an important enzyme which participated in this process.

Carbofuran 및 N-dimethoxyphosphinothioyl carbofuran (PSC)의 AChE에 대한 이분자 저해 속도상수(bimolecular inhibition rate constant, $k_{i}$)를 관찰하였다. Carbofuran은 $7.7{\times}10^{5}\;M^{-1}{\cdot}min^{-1}$으로 높은 저해효과를 보이고 있는 반면, PSC는 $1.2{\times}10^{3}\;M^{-1}{\cdot}min^{-1}$으로 carbofuran에 비하여 AChE에 대한 저해력이 600배 정도 낮은 저해력을 갖고 있는 것으로 관찰되어 독성발현을 위하여 활성화 과정이 필요한 것으로 확인되었다. AChE/mixed function oxidase(mfo) coupling system을 이용한 microsomal oxidative activation 실험에서 PSC의 AChE에 대한 저해력이 control에 비하여 NADPH가 첨가된 oxidase 처리구에서 800배 더 강하게 나타났으며, cytochrome $P_{450}$의 저해제를 첨가한 oxidase+PBO 처리구에서는 control의 저해 경향과 유사하였다. 또한 생쥐 뇌 AChE에 대한 PSC의 $I_{50}$은 28 mg/kg인 반면 PBO를 전처리하였을 경우 $I_{50}$은 57 mg/kg으로 나타나 cytochrome $P_{450}$ 저해제로 인하여 PSC의 저해력이 2배정도 감소된 것을 관찰할 수 있었고, PSC는 독성발현을 위하여 활성화 과정을 거쳐야 하며, 이 과정에서 cytochrome $P_{450}$ 이 작용함을 확인할 수 있었다. PSC와 MCPBA를 반응시켜 산화 과정을 통하여 생성된 독성대사물을 분석한 결과 반응산물의 약 55%가 carbofuran임을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 PSC의 활성화 과정을 통한 독성발현에 cytochrome $P_{450}$이 중요한 역할을 하는 효소임을 확인할 수 있었고, PSC의 산화적 활성화 과정을 통한 주된 독성대사물이 carbofuran임을 확인할 수 있었다.