흡입된 나노플라스틱이 전기적 특성으로 폐 세포 파괴해...인체 치명적

한국기초과학지원연구원·전남대 공동연구
나노플라스틱 표면전하에 의한 폐포세포 영향 실시간 분석
"양전하 띠는 나노플라스틱, 세포 내 과도한 활성산소 생성 유도해 세포 사멸"

미세플라스틱의 표면 전하에 의한 폐 세포 독성 유발 모식도 /KBSI 제공

국내 연구팀이 호흡으로 흡입된 나노플라스틱 표면의 전기적 특성에 따라 폐 세포가 파괴된다는 사실을 밝혀냈다.

17일 한국기초과학지원연구원(KBSI) 광주센터 이성수 박사 연구팀과 전남대학교 생물학과 김응삼 교수 연구팀은 이와같이 밝히며, 그동안 주로 환경오염 측면에서 주목받던 미세 플라스틱 문제가 나노 크기 단위에서는 인체의 호흡기에 치명적인 영향을 미칠 수 있음 확인했다고 설명했다.

우리 생활에 유용하게 사용되지만 과도한 사용과 무분별한 배출로 인해 플라스틱은 물리적 화학적 요인으로 직경 5㎛(마이크로미터)이하의 마이크로플라스틱이나 직경 100㎚(나노미터) 이하의 나노플라스틱으로 쉽게 소형화된다.

이 중 나노플라스틱은 그 크기가 매우 작아 공기 중에 비산되기도 하고, 호흡을 통해 폐의 상피세포에 흡수 및 축적된다.

일반적으로 폐포 상피세포에 축적된 나노플라스틱은 여러 질환을 일으키는 것으로 알려져 있지만 폐에 축적된 나노플라스틱이 세로 내에서 어떻게 작용해 질환을 일으키는 지는 정확하게 알려진 바가 없다.

3차원 홀로토모그래피 현미경을 통해 관찰한 폐포 상피세포 변화 /KBSI 제공

연구팀은 인간의 호흡 주기와 유사하게 주기적으로 수축 이완되는 유연한 세포배양 환경을 조성한 폐 모사 조건에서 나노플라스틱에 의한 폐포 상피세포의 형태변화와 세포파괴과정을 실시간으로 분석했으며, 그 결과 나노플라스틱의 전기적 성질에 따라 폐포 상피세포의 변화에 큰 차이가 있음을 확인했다.

나노플라스틱 표면이 음전하를 띠는 경우 폐포 상피세포 내에서 한 방향의 규칙적인 섬유 구조를 자라게 해 세포를 자라게 하지만 세포 자체에 미치는 악영향은 없었다.

반면 양전하를 띠는 나노플라스틱은 세포 내에서 불규칙적인 섬유구조를 자라나게 하고, 세포 내에 과도한 활성산소 생성을 유도함으로써 세포를 사멸시킨다는 것을 실시간 관찰로 밝혀냈다.

연구팀은 단일 세포 수준의 미세영역에서 일어나는 폐포 상피세포에 대한 나노플라스틱의 물리 화학적 영향을 관찰하기 위해 KBSI 광주센터의 3차원 홀로토모그래피 현미경 기술과 레이저 공초점 현미경 등의 분석장비를 사용했다고 설명했다.

3차원 홀로토로그래피 현미경 기술은 빛에 대한 굴절률을 이용해 세포의 구조를 정량·정성적 분석이 가능하다.

KBSI 이성수 책임연구원은 “3차원 홀로토모그래피 기술을 응용하면, 살아있는 세포에서 일어나는 생물학적 변화 과정을 별도의 전처리 과정없이, 있는 그대로 실시간으로 관찰할 수 있다”며, “이번과 같이 나노플라스틱에 의한 폐 상피세포의 변화 과정을 관찰하는 것은 물론, 퇴행성 뇌질환 등 여러 질환의 발병기작 이해와 치료방법 개발에도 널리 응용이 가능하다”고 말했다.

살아있는 상태의 세포를 별도의 전처리 과정 없이도 실시간으로 분석할 수 있는 이 기술의 큰 강점을 이용해 다양한 질환의 발병과정을 이해하고 치료제 개발 연구에도 활용되고 있다고 한다.

연구진 사진 /KBSI 제공

KBSI 신형식 원장은 “국가적·사회적으로 주요한 이슈인 나노플라스틱이 인체에 미치는 영향을 분석한 결과로서, 분석과학이 국민의 건강과 안전한 생활을 여는 열쇠가 될 수 있음을 다시 한 번 드러낸 것이다”며, “기초(연)은 이 밖에도 미세먼지 분석이나 화석연료의 연소물 분석 등 국민 생활과 직결되는 여러 이슈와 난제에 분석과학으로 해결해 나갈 것”이라 밝혔다.

이번 연구결과는 나노 분야 국제학술지 '나노 레터스'지에 논문명 'Surface Charge-Dependent Cytotoxicity of Plastic Nanoparticles in Alveolar Cells under Cyclic Stretches'로 최근 게재되었다.

또한 과학기술정보통신부와 교육부가 지원하는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 이공학개인기초 지원사업과 한국기초과학지원연구원의 주요사업을 통해 이루어졌다.

한편 KBSI는 광주센터 노화연구시설이 보유한 3차원 홀로토모그래피 현미경, 발광·형광 전임상 분자영상시스템, 마이크로·나노 CT, 비선형다중여기시스템 등 첨단 실시간 세포생체분석장비와 퇴행성 뇌질환 모델 동물을 활용해 신규 발병 억제 기작을 규명하거나 치료제를 개발하는 후속연구를 이어나갈 계획이라고 밝혔다.