니트로사민은 제조·저장 중 의약품 내에 생성될 수 있는 강력한 발암성 불순물로, 특히 각 의약품 고유의 구조를 반영하는 NDSRI(Drug Substance-Related Impurity)는 안전성 데이터가 거의 없어 AI 한계 설정이 매우 어려웠습니다. 기존에는 구조 유사체(comparator) 데이터를 활용하거나, 적합한 comparator가 없으면 보수적 기본값을 적용했으나, 이는 실제로 산업계와 규제당국 모두에 과도한 부담과 공급망 혼란을 초래했습니다.
Carcinogenic Potency Categorization Approach (CPCA)
이 문제를 해결하기 위해 FDA와 유럽의 규제기관들은 의약품 내 니트로사민 불순물의 허용섭취량(AI) 한계를 산정하는 새로운 방법론인 Carcinogenic Potency Categorization Approach (CPCA)를 공동 개발했습니다. CPCA 는 니트로사민의 화학구조(특히 알파수소의 개수와 분포, 활성화/비활성화 치환기)를 분석해 발암력 등급(1~5)에 따라 AI 한계를 예측합니다. 알파수소가 많고 활성화 치환기가 많을수록 발암력이 높게 평가되며, 비활성화 치환기(예: 3차 알파탄소, 카복실산, 전자흡인기, 베타 하이드록시기 등)가 많을수록 발암력이 낮아집니다.
각 구조적 특성에 점수를 부여해 합산한 총점으로 발암력 카테고리를 정하고, 이에 따라 AI 한계를 18~1500 ng/day 범위에서 자동 산출합니다. CPCA는 구조 정보만으로 신속·투명하게 AI 한계를 산출할 수 있어, 별도의 독성시험 없이도 규제 대응이 가능하다는 장점이 있습니다.
CPCA 평가 기준
CPCA 평가 기준을 살펴보면, 알파탄소의 수소 결합 여부, n-nitroso group의 어느 한쪽에라도 알파수소가 2개 이상 결합되어 있는지 여부를 판단하는 것으로 시작합니다. 이는 알파수소가 존재해야 대사활성화를 통해 알파 수산화가 되어 DNA와 반응할 수 있기 때문입니다. 알파수소가 존재하더라도 2개 이상 있지 않으면 대사활성화가 쉽지 않습니다. 위 기준을 통과한 니트로사민 분자들은, 대사 활성화를 촉진 혹은 방해하는 특정 구조를 보유하는지 여부로 평가하게 됩니다.
여기서 활성화(Activating)란, 니트로사민의 대사 활성화(알파수산화) 용이성을 증가시키고, 따라서 DNA 알킬화 전구체 생성이 증가하며, 결론적으로 발암성이 증가합니다. 반대로 비활성화(Deactivating)란, 알파수산화 반응 억제 또는 대체 대사 경로(무해화) 촉진을 통해 발암성을 낮추는 것을 말합니다.
활성화, 비활성화를 일으키는 NDSRI 분자 내 구조
1. Tertiary alpha carbon atom (비활성화)
기전: 알파탄소가 3개의 탄소와 결합된 3차 탄소인 경우, 알파수소가 존재하지 않습니다.
영향: 대사 활성화의 핵심 단계인 알파 수산화(alpha-hydroxylation) 가 불가능해집니다. CYP 효소가 알파수소를 탈양성자화하지 못하므로 알킬디아조늄 이온이 생성되지 않아 DNA 알킬화 능력이 완전히 차단됩니다.
예시: N-니트로소-디-tert-부틸아민은 발암성이 극히 낮습니다.
2. Carboxylic acid group (비활성화)
기전: 카복실기(-COOH)는 강력한 전자끌개기(EWG) 로 알파탄소의 전자 밀도를 감소시킵니다.
영향: 알파탄소의 친핵성(nucleophilicity)이 저하되어 CYP 효소에 의한 알파수산화 반응이 억제됩니다. 또한 수용성 증가로 인체 배설이 촉진됩니다.
3. N-nitroso group in a 5–7 membered ring (비활성화)
기전: 링 구조는 입체 장애(steric hindrance) 를 유발합니다.
영향: 효소의 활성 부위 접근이 어려워져 알파수산화 반응 속도가 감소합니다. 특히 피롤리딘(5원), 모르폴린(6원) 링은 추가 점수(+3)를 부여받습니다.
4. Chains of not less than 5 consecutive non-hydrogen atoms (비활성화)
기전: 5개 이상의 비수소 원자로 구성된 사슬은 분자 유연성 저하 를 일으킵니다.
영향: 니트로사민 분자의 구조적 경직성(rigidity)이 증가해 CYP 효소와의 결합 효율이 감소합니다.
5. Electron-withdrawing group (EWG) bonded to alpha carbon (비활성화)
기전: 할로겐(-F, -Cl), 니트로기(-NO₂) 등 EWG가 알파탄소에 결합하면 전자 밀도 감소 가 발생합니다.
영향: 알파탄소의 산화 가능성이 낮아져 알파수산화 반응이 억제됩니다. 양쪽 알파탄소에 EWG가 모두 결합되면 추가 점수(+2)가 적용됩니다.
6. Beta hydroxyl group (비활성화)
기전: 베타탄소에 결합된 하이드록시기(-OH)는 분자 내 수소결합 을 형성합니다.
영향: 활성 중간체의 에너지를 안정화시켜 DNA 알킬화 반응성을 감소시킵니다. 또한 글루쿠론산 결합 등 2단계 대사로 무해화됩니다.
7. Benzylic group bonded to N-nitroso group (활성화)
기전: 벤질기(페닐기-CH₂-)는 알파탄소에 결합 시 공명 안정화 효과 를 제공합니다.
영향: 알파수산화로 생성된 카르보카티온 중간체가 안정화되어 DNA 알킬화 능력이 증가합니다. 점수는 -1로, 발암 잠재력을 높입니다.
8. Methyl group bonded to beta carbon (활성화)
기전: 베타탄소의 메틸기(-CH₃)는 초공역 효과(hyperconjugation) 를 통해 알파탄소를 안정화합니다.
영향: 알파수소의 산성도(acidity)가 증가해 CYP 효소에 의한 탈양성자화가 용이해집니다. 점수 -1로, 발암성을 촉진합니다.
이러한 구조적 특징의 조합으로 CPCA는 니트로사민의 발암 잠재력을 5단계(PC1~PC5)로 분류하고, AI(허용섭취량)를 18~1500 ng/day 범위에서 산정합니다.
참고문헌
Naomi L. Kruhlak et al., Determining Recommended Acceptable Intake Limits for N-Nitrosamine Impurities in Pharmaceuticals. Regulatory Toxicology and Pharmacology (2024)
FDA, Determining Recommended Acceptable Intake Limits for N-nitrosamine Impurities in Pharmaceuticals: Development and Application of the Carcinogenic Potency Categorization Approach (2025)