고장성 용액을 빠르게 투여할 때 세포 밖으로 물이 이동하는 원리는?

반투막을 사이에 둔 물의 이동은 삼투압 차이에 따른다. 따라서 삼투가 가장 적절하다. 확산, 능동수송 등은 다른 상황에서 고려될 수 있으나 이 문항의 핵심 소견이나 우선순위와는 맞지 않는다. 혼동되는 보기는 먼저 해결해야 할 생명위협 문제와 평가 단계가 다른 경우가 많다.

고장성 용액(hypertonic solution)을 빠르게 투여하면 혈관 내 세포외액(extracellular fluid)의 삼투질농도(osmolarity)가 급격히 상승한다. 세포막은 물은 통과시키지만 나트륨과 같은 용질은 자유롭게 통과시키지 못하는 반투과성(semipermeable) 막으로 작용하므로, 세포 안과 밖의 삼투압 차이가 발생하면 물은 삼투압이 낮은 쪽(세포내액)에서 높은 쪽(세포외액)으로 이동한다. 이 과정이 바로 삼투(osmosis)이다. 고장성 용액 투여로 세포외액의 유효 삼투질농도(tonicity)가 높아지면 세포내 수분이 세포외로 빠져나와 세포는 쪼그라들게 되며, 이를 세포 수축(cell shrinking)이라고 한다 ^[1]. 이는 확산(diffusion)이나 능동수송(active transport)과 달리 에너지 소모 없이 반투과성 막을 통한 물의 순이동으로 설명된다.

응급구조사 실무에서 고장성 용액은 대표적으로 3% 고장성 식염수(hypertonic saline)가 사용되며, 소량으로도 혈관내 용적을 빠르게 확장시키는 소량 고장성 소생술(small volume hypertonic resuscitation)의 원리가 된다. 고장성 용액을 정맥으로 투여하면 세포외액의 삼투압이 급격히 올라가고, 이 삼투압 차이를 이용해 세포내액과 간질액(interstitial fluid)의 물이 혈관내로 이동하면서 혈장량이 증가한다 ^[2]. 즉, 투여한 용액의 부피보다 더 큰 혈관내 용적 확장 효과가 나타나는 것은 삼투에 의해 주변 구획의 물이 혈관내로 끌려오기 때문이다. 삼투압(osmotic pressure)은 용질 입자 수에 비례하는 용액의 총괄성(colligative property)으로, 생체 내에서 세포 용적과 체액 구획 간 수분 분포를 결정하는 핵심 원리이다 ^[3].

한편 세포는 고장성 환경에 적응하기 위해 베타인(betaine), 미오이노시톨(myo-inositol) 같은 양립성 유기 용질(compatible osmolytes)을 세포 안에 축적하여 삼투압을 보상하려는 반응을 보인다 ^[4]. 그러나 이러한 보상 기전은 수 시간에서 수 일에 걸쳐 서서히 일어나는 적응 반응이므로, 고장성 용액을 빠르게 투여하는 급성 상황에서는 보상이 충분히 일어나기 전에 세포내 수분이 세포외로 빠져나가 세포 수축이 먼저 나타난다. 따라서 문제에서 제시된 상황, 즉 세포외액 삼투압이 급격히 높아져 세포 밖으로 물이 이동하는 직접적인 기전은 삼투이다. 확산은 용질 입자가 농도 기울기에 따라 이동하는 현상이고, 촉진확산(facilitated diffusion)은 운반체를 통한 용질의 수동적 이동이며, 능동수송은 ATP를 사용하여 농도 기울기에 역행하는 용질 이동, 식세포작용(phagocytosis)은 세포가 큰 입자를 삼키는 현상이므로 물의 이동 원리와는 구분된다.