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Original Articles 순환기：순환기：순환기：순환기：제제제제 2 7권권권권 제제제제 8호호호호 1997

Bupivacaine이 개심장 Purkinje섬유에서 막전위

및 세포내 Na 이온활성도에 미치는 영향*

전북대학교 의과대학 소아과학교실, 내과학교실,1 마취과학교실,2

약리학교실3 및 심-혈관연구소

주찬웅·김원호·고재기·이상귀·채수완

＝＝＝＝ Abstract ＝＝＝＝

Effects of Bupivacaine on the Membrane Potential and Intracellular Na ion Activity in Canine Purkinje Fibers

Chan Uhng Joo, M.D., Won Ho Kim, M.D.,1) Jae Ki Ko, M.D.,1) Sang Kyi Lee, M.D.,2) Soo Wan Chae M.D.3)

Departments of Pediatrics, Internal Medicine,1) Anesthesiology,2) and Pharmacology,3)

College of Medicine, Institute of Cardiovascular Research, Chonbuk National University, Chonju, Korea

Background：Bupivacaine is a potent, and commonly used, long acting local anesthetic. If accidentally injected into the systemic circulation, bupivacaine can cause lethal dysrhythmias and circulatory collapse. Attempts to treat bupivacaine induced cardiac toxicity have been varied and controversial, and they have not been very successful. The aim of this study was to investigate the electrophysiologic effects of bupivacaine in Purkinje fibers.

Methods：Effects of bupivacaine on the membrane potential were studied in 12 isolated canine Purkinje fibers. Purkinje fibers from ventricle were dissected and mounted in a tissue chamber perfused with Tyrode’s solution. Transmembrane potentials recorded through glass microelectrodes filled with 3M KCl in the beating or quiescent Purkinje fibers during infusions of bupivacaine at concentratons of 3×10-7M, 10-6M, 3×10-6M, 10-5M, and 3×10-5M.

Results：Bupivacaine reduced action potential duration in a dose-dependent manner. Bupivacaine produced a decrease in intracelullar sodium ion activity in driven(1Hz) and quiescent canine Purkinje fibers. Bupivacaine-induced hyperpolarization of diastolic membrane potential in quiescent Purkinje fibers was dose dependent, and the hyperpolarization by bupivacaine was attenuated by depolarization induced by high potassium extracellular concentration in part.

Conclusions：These results suggest that bupivacaine decreases the fast inward sodium current, and inhibits pacemaker current in canine Purkinje fibers. KEY WORDS：Bupivacaine·Sodium channel·Pacemaker current.

*본 논문은 1996년도 전북대학교 임상공동연구비의 일부 지원으로 이루어 졌음.

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서 론

Bupivacaine은 작용 시간이 매우 긴 국소마취제로

서, 그동안 널리 사용되어 왔던 lidocaine 보다 작용

시간이 매우 길기 때문에 수술 환자 관리와 통증 진료

영역에서 많이 이용 되고 있다1-3).

그러나 이 약제 사용으로 인한 부작용으로 심실기

외수축등 심장에 독작용이 나타날 수 있는데, 이러한

심독성으로 인한 중증 상태에서는 심장 및 순환기에

대한 응급 소생술의 효과가 매우 적은 것으로 되어 있

으며 국소적으로 상용되는 bupivacaine용양이 정맥주

사 되었을 경우 부정맥이 초래되고 정상적인 심율동

으로 회복하는데 45분 이상이 소요된다4,5). 그러나 현

재까지 이러한 bupivacaine에 의한 심독성 초래에 관

한 정확한 기전은 아직 불명확한 상태로, bupivac-

aine에 의한 심근세포막의 sodium channel에 대한

차단시 회복이 지연되었다는 실험 보고가 있으며6,7)

potassium current에 대한 억제8-10,22) 및 calcium

channel에 대한 억제 가능성등11,12이 일부 제시된 바

있다.

그러나 아직 bupivacaine이 세포내 Na＋ 활성도에

미치는 영향이 보고된 바는 거의 없어, 본 연구자들은

bupivacaine에 의한 심장 독작용 초래 기전을 이해하

기 위하여 bupivacaine에 의한 퍼킨제 섬유의 막전위

변동 및 세포내 sodium 이온 활성도 변동을 관찰하여

세포막 단위에서의 영향을 연구하고자 하였다.

연구대상 및 방법

체중 15kg 내외의 개 11마리를 암수 구별없이 실

험동물로 사용하였다. 실험동물의 두부를 타격하여 실

신시키고 개흉하여 심장을 적출한뒤 cold oxygenated

Tyrode’s solution에 놓고 다시 우심실을 열어

freerunning 퍼킨제 섬유를 잘라 얻었다. 심실로부터

얻어진 퍼킨제 섬유를 산소로 포화된 Tyrode 영양액

이 일정한 속도로 관류되는 tissue perfusion cham-

ber의 sylgard floor에 한쪽 끝을 핀으로 현미경의 관

찰하에서 고정하였다. Tyrode 용액의 성분은 137mM

NaCl, 5.4mM KCl, 1.8mM CaCl2, 11.9mM NaHCO3,

0.45mM NaH2PO4, 5mM dextrose로 구성된다. 실

험동안 tissuse chamber의 온도는 37℃로 유지하였

고, 97% O2와 3% CO2 가스를 공급하여 용액의 pH

를 7.3∼7.4 정도 되게 하였다. 실험동안 퍼킨제 섬유

의 전기자극은 전기자극기(Interval generator 1830,

WPI)로 1Hz 빈도로 stimulus isolation unit(305-R,

WPI)를 통해서 사각파로 자극하였는데 자극은 박동

이 시작되는 전압보다 50% 강한 supramaximal vo-

ltage로 2msec 동안 자극하였다. 퍼킨제 섬유의 막전

위를 측정하기 위하여 3M KCl로 채워진 미세유리전

극을 일반전극으로 이용하여 조직에 삽입하고, 전기자

극시 얻어진 활동 전압을 dual microprobe system

(K-S 700, WPI)으로 증폭한후 oscilloscope(Tek-

tronix 5113)으로 관찰하면서 bupivacaine투여 동안

막전위의 변동 양상을 polaroid film에 기록하였으며

동시에 생리기록기(Gould, RS 3200)의 기록지에 연

구 결과를 나타내었다. 또한 막전위 변동을 보기 위한

이러한 일반전극 삽입과 함께, 세포내 Na＋ 활성도를

측정하기 위하여 Simon’s neutral carrier ETH 227

을 이용하여 제작한 Na＋-선택적인 미세유리전극을

100mM NaCl로 채운 다음 퍼킨제 섬유에 이미 삽입

된 일반전극으로부터 1mm 이내의 거리에 삽입하고,

bupivacaine 투여로 인한 전압의 변동을 측정하여 세

포내 Na＋ 이온 활성도를 계산하였다. 이러한 미세유

리전극을 이용한 실험방법은 Lee등의 방법을 이용하

였다13-16).

실험동안 사용한 bupivacaine은 Tyrode 용액으로

3×10-7M, 10-6M, 3×10-6M, 10-5M, 3×10-5M

농도로 각각 희석하여 농도별로 7분정도 perfusion

chamber로 관류시키면서 막전위와 세포내 Na 이온

활성도의 변동을 관찰하였으며, fast sodium cha-

nnel blocker인 tetrodotoxin(TTX) 10-5 M을 전처

치하면서 bupivacaine 투여로 인한 과분극등의 이완

기 막전위 변동 양상을 아울러 관찰하였다. 또한

KCl 10.8mM를 투여하여 막전위를 탈분극시키면서

bupivacaine 투여로 인한 막전위의 변동을 아울러

관찰하였다. 본 실험을 5회 이상 반복하여 일정한

결과를 관찰후 가장 대표적인 결과를 본 논문에 제

시하였다.

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실 험 결 과

1) 1Hz의 자극으로 얻어진 개 심장 퍼킨제 섬유의

활동전위 기간은 bupivacaine(10-5M)를 투여로 156.3

±2.4에서 103.2±5.4 msec로 감소되었고, 이러한 활

동전위 기간의 감소는 투여 약제 농도에 비례하였다

(Fig. 1).

2) 1Hz 자극에 의한 박동 퍼킨제 섬유와 정지된 퍼

킨제 섬유에서 bupivacain(10-5M) 투여로 세포내

Na 이온 활성도가 각각 감소됨이 관찰되었으며, 박동

퍼킨제 섬유에서는 탈분극 현상이 관찰되었고, 정지

섬유에서는 이완기 막전위의 현저한 과분극(hyperp-

olarization)이 관찰되었다(Fig. 2).

3) 정지 퍼킨제 섬유에서 bupivacaine에 의한 이

완기 막전위의 과분극 현상은 약용량에 의존적이었으

며, KCl(10.8mM)로 이완기 막전위를 탈분극(depo-

lar-ization) 시켰을때 bupivacaine에 의한 과분극

초래가 일부 억제되었다(Fig. 3).

4) 정지된 퍼킨제 섬유에서 bupivacaine이 유발시

키는 이완기 막전위의 과분극 현상이 fast sodium

channel 억제제인 tetrodotoxin(10-5M) 전처치에 의

해 일부 억제되었지만 소실되지는 않았다(Fig. 4).

Fig. 3. Effects of bupivacaine on diastolic membrane potential(Vm) of a quiescent Purkinje fiber in absence and presence of KCl solution. Bupivacaine induced hyperpolarization in diastolic membrane potential were dose dependent, and the hyperpolarization were attenuated by depolarization induced byhigh potassium extracellular concentration in part.

Fig. 2. Effects of bupivacaine on membrane potential(Vm, A) and intracellular sodium activity(aiNa, B) of a driven(left panel) and quiescent(right panel) Purkinje fibers.

Fig. 1. Superimposed action potentials(Vm). Shorteningof action potential duration of a driven Purkinjefibers is showing after exposure to bupivacaine.

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고 안

Bupivacaine은 임상적으로 자주 이용되고 있는 국

소 마취제로서 lidocaine과 마찬가지로 신경조직에서

fast inward sodium current를 억제하는 것으로 알려

져 있다17-19,23,24). 그러나 임상적인 유용성에도 불구

하고 bupivacaine의 심조직에 대한 심각한 부작용이

보고되어 사용에 어려움이 있으며 bupivacaine이 정

맥주입되면 사망까지도 초래된다는 보고가 있다3-5).

그러나 이러한 심독성 초래시 그에 대한 적절한 치료

방법이 없거나 여러 치료제에 대한 반응이 대부분 성

공적이지 못한 것으로 되어있다. Kotelko 등20)에 의

하면 bupivacaine과 lidocaine의 동일 역가양을 정맥

주사후 두 약제 공히 경련등 유사한 중추신경계 독작

용을 나타냈으나 bupivacaine에 의해서는 다양한 심

실기외수축, 심실빈맥, 심실세동등 심각한 심실 부정

맥의 출현을 아울러 보고된 바 있고, Kasten과 Ma-

rtin21)에 의하면 개를 이용한 동물 실험에서 bupiva-

caine에 의한 Torsa de Pointes등의 심각한 부정맥

의 관찰을 보고하였다. 본 연구자들 역시 본 실험에

앞서 가토를 이용한 예비 실험에서 bupivacaine 2mg

/kg 정맥 투여시 1분 후에 심실기외수축과 심실세동

의 심각한 부정맥 현상을 관찰한 바 있고 15분정도

이후부터 서서히 정상박동으로의 회복이 시작하는 결

과를 얻은 바 있다.

이러한 bupivacaine에 의한 부정맥 유발등의 심독

성에 대한 정확한 기전은 아직까지 불명확한 상태인

데, Clarkson과 Hondeghem6)에 의하면 bupivacaine

의 sodium channel에 대한 차단이 lidocaine 경우와

달리 차단 시작은 빠르나 차단이 오래 계속되었다는 실

험 보고가 있으며, bupivacaine이 transient outward

potassium current을 억제한다는 보고도 있고8-10,22)

calcium channel에 대한 억제 가능성도 제시된 바 있

다11-12,25).

본 실험에서는 개심장의 퍼킨제 섬유를 잘라 얻은

후 tissue perfusion chamber에서의 in vitro실험을

통하여 bupivacaine에 의한 막전위 변동 및 세포내

sodium 이온 활성도 변동을 관찰하여 bupivacaine에

의한 부정맥 초래 기전에 대한 세포 단위의 실험 결과

를 얻고자 하였다. 실험 결과인 1Hz 자극시 퍼킨제

섬유로부터 얻어진 활동전위기간의 bupivacaine에 의

한 감소는 lidocaine의 경우와 같이 sodium channel

의 억제에 의한 것으로 추정된다. Fig. 2에서 보여지는

것과 같이 박동 퍼킨제 섬유와 정지 퍼킨제 섬유 모두

에서 bupivacaine 투여동안 세포내 sodium ion 활성

도의 감소는 sodium channel의 억제 효과에 의한 것

으로 여겨진다19,23,24). 다만 박동 섬유에서 이완기 막

전위의 탈분극 현상은 potassium channel에 대한 억

제 효과가 일부 관여되는 것으로 추정된다8-10,22). 정

지 퍼킨제섬유에서는 pacemaker current26)에 의해

이완기 막전위가 일부 탈분극 상태가 되고 bupivac-

aine 투여시 현저한 과분극 초래효과가 관찰되었는데,

이는 bupivacaine이 sodium channel을 억제함과 동

시에 pacemaker current도 억제시켜 나타난 것이라

추정할 수 있다29). 또한 정지 퍼킨제섬유에서 bupiv-

acaine의 과분극 초래는 약용양 증가에 비례 하였으

며, KCl 용액투여로 이완기 막전위의 탈분극을 임의로

유발시킨 상태에서는 bupivacaine에 의한 과분극 초

래 현상이 일부 억제되었다. 이는 KCl 용액 투여에

기인된 탈분극시 pacemaker current가 억제되면서

bupivacaine에 의한 pacemaker current 억제 효과

Fig. 4. Effects of bupivacaine on diastolic membrane potential(Vm)of a quiescent Purkinje fiber in absence and presence of tetrodotoxin(TTX).

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가 적었을 것으로 추정된다.

한편 lidocaine의 경우와는 달리, bupivacaine이

sodium channel을 억제시킬 뿐만 아니라 pacema-

ker current도 억제시키는가를 알아보기 위해 sodi-

um channel blocker인 tetrodotoxin(10-5M)를 전처

치한 결과, 정지 퍼킨제 섬유에서의 bupivacaine에

의한 이완기 막전위의 과분극 현상이 일부 억제되었

지만 완전히 소실되지는 않았다. 따라서 bupivacaine

에 의한 퍼킨제 섬유 막전위에 대한 영향으로 sodium

channel 억제, pacemaker current의 억제 효과, 그리

고 potassium channel에 대한 일부 억제등이 복합적

으로 있을 것으로 추정되며, 따라서 bupivacaine에

의한 막전위 변동과 세포막을 통한 여러 이온의 이동

에 대한 영향이 부정맥등의 심독성 유발과 관련이 있

을 것으로 생각된다. 향후 bupivacaine의 pacemaker

current에 대한 보다 구체적인 영향을 평가하기 위해

서는 cesium(Cs＋)에 의한 pacemaker current의 완

전 억제가 가능한 상태에서27,28) bupivacaine에 의한

정지섬유에서의 막전위 변동 효과등을 분석하는 실험

과 분석이 필요할 것으로 생각된다.

요 약

연구배경：

Bupivacaine은 작용 시간이 매우 긴 국소마취제로

서 수술 환자 관리등 진료 영역에서 많이 이용되고 있

다. 그러나 이 약제 사용으로 인한 부작용으로 심실

기외수축 및 심실세동 등 심장에 독작용이 나타날 수

있으며, 심할 경우에는 치료 및 응급소생술의 효과가

매우 적은 것으로 되어있다. 그러나 현재까지 bupiv-

acaine의 심독성 초래에 관한 정확한 기전은 아직 불

명확한 상태이다. 이에 본 연구자들은 bupivacaine에

의한 심장 독작용 초래 기전을 이해하기위하여 bup-

ivacaine에 의한 막전위 변동 및 세포내 sodium 이온

활성도 변동을 관찰하여 세포막 단위에서의 영향을

연구하였다.

방 법：

개를 실험동물로 사용하여 우심실의 퍼킨제 섬유를

얻은후 tissue perfusion chamber 고정하였다. 전기

자극으로 얻어진 퍼킨제 섬유의 막전위를 미세유리전

극을 이용하여 얻어 증폭한 후 bupivacaine투여 동안

막전위의 변동 양상을 관찰하였다. 또한 Na＋-선택적

인 미세유리전극을 삽입하고 bupivacaine 투여동안

세포내 Na＋ 이온 활성도 변동을 측정하여 전기자극

와 정지상태 각각에서 비교 관찰하였다. 또한 fast

sodium channel blocker인 tetrodotoxin을 전처치하

여 bupivacaine 투여로 인한 막전위 변동 양상을 관

찰하였으며, KCl을 투여하여 막전위를 탈분극시키면

서 약제에 의한 막전위의 변동을 아울러 관찰하였다.

실험결과：

1) 전기자극으로 얻어진 퍼킨제 섬유의 활동전위

기간은 bupivacaine투여로 감소되었고, 이러한 활동

전위 기간의 감소는 투여 약제 농도에 비례하였다.

2) 박동 퍼킨제 섬유와 정지된 퍼킨제 섬유에서

bupivacaine투여로 세포내 Na 이온 활성도가 각각

감소됨이 관찰되었으며, 박동섬유에서는 탈분극 현상

이 관찰되었으나 정지 섬유에서는 이완기 막전위의

현저한 과분극이 관찰되었다.

3) 정지 퍼킨제 섬유에서 bupivacaine에 의한 이완

기 막전위의 과분극 현상은 약용량에 의존적이었으며,

KCl로 이완기 막전위를 탈분극시켰을 때 bupiva-

caine에 의한 과분극 초래가 일부 억제되었다.

4) Tetrodotoxin 전처치로 bupivacaine에 의한 정

지 퍼킨제 섬유에서의 이완기 막전위의 관분극 현상

이 일부 억제되었지만 소실되지는 않았다.

결 론：

Bupivacaine은 심장 세포에서 fast sodium chan-

nel을 억제함과 동시에 pacemaker current를 억제하

는 것으로 추정되며, 이 작용이 심독성 초래 기전과

관련이 있을 것으로 생각된다.

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