우리나라 초미세먼지 농도는 대기환경기준(연평균 15㎍/㎥)을 초과하는 상황이고, 지구온난화 및 휘발성유기화합물등 원인물질의 영향으로 2015년 27ppb이던 전국 연평균 오존 농도는 작년에 32ppb로 오히려 증가하여 이에 대한 특별한 관리가 필요한 실정이다.
이러한 상황에서 초미세먼지가 인체에 미치는 영향이 점차 규명되고 있어 예방과 치료에 밝은 전망을 보이고 있다.
지난해 8월 한국생명공학연구원 줄기세포연구센터 손미영 박사 연구팀은 장 오가노이드를 활용해 미세먼지(PM 10)에 의한 염증성 장(腸) 질환 환자의 소장 기능 저하 기전을 규명하는 데 성공했다.
1급 발암물질로 호흡기질환은 물론 심혈관질환, 신진대사 방해, 생식 이상 등 다양한 질환을 유발하는 것으로 알려진 미세먼지는 주로 호흡기를 통해 흡입되지만, 음식물이나 식수를 통해 체내에 유입되기도 한다.
음식을 통해 섭취된 미세먼지는 침, 소화액과 같은 타액에 희석되지만, 일부 유입된 미세먼지가 위나 장 점막으로 흡수되어 혈액을 타고 전신으로 퍼져 염증성 장 질환, 장내 마이크로바이옴 불균형과 같은 위장관계 장애를 유발한다는 연구 결과가 보고되고 있다.
생활 속에서 쉽게 노출되는 미세먼지는 기저질환이 있는 환자들에게 더욱 유해하다고 알려졌지만, 미세먼지와 유관 질병에 관한 연구는 천식, 아토피와 같은 질병에 집중되어 있고 유병률이 급격하게 증가하고 있는 염증성 장 질환 환자에 관한 유해성 연구는 거의 전무한 실정이다.
기존 장에서의 미세먼지 유해성 연구는 대부분 암 세포주를 활용하고 있지만, 이는 정상 세포가 아닐뿐더러 세포 다양성과 기능성 측면에서 인체와의 유사성이 낮은 한계점을 가지고 있다.
한국생명공학연구원 연구팀은 보유하고 있는 인간 전분화능줄기세포 유래 2차원 장 상피세포와 3차원 오가노이드 원천기술을 이용해 염증성 장 질환에서의 미세먼지 영향 연구를 진행하였다.
이를 통해 미세먼지에 노출된 염증성 장 질환 모델에서는 세포 내 중요한 신호전달 물질 중 하나인 칼슘의 신호전달 체계에 교란이 발생할 뿐만 아니라 단백질 분해와 흡수 기능이 저하하여 질환이 악화한다는 사실을 확인한 것이다.
이에 앞서 지난해 6월 생명연은 환경질환연구센터 정진영 박사와 한국과학기술원 전산학부 박진아 교수 공동연구팀이 초미세먼지와 세포 간의 상호작용을 실시간으로 3차원 분석하는 데 성공하였다고 밝혔다.
초미세먼지는 흙먼지뿐만 아니라 황산염이나 질산염, 검댕과 같은 다양한 독성 및 유해성분이 포함되어 있고, 크기가 매우 작아 인체에 흡입되면 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하여 각종 질환을 유발하는 것으로 알려져 있다.
그러나, 미세먼지 영향에 관한 연구는 독성에 주로 치중되어 있고 세포 내 흡수, 분포, 이동과 같은 세포와의 상호작용 연구는 미미한 실정이다.
연구팀은 상피세포와 대식세포를 PM2.5 초미세먼지에 노출시키고, 세포가 초미세먼지를 흡수하는 과정을 실시간 3차원으로 촬영하여 초미세먼지에 노출된 대식세포의 변화를 실시간으로 분석하였다.
기존 세포 흡수, 세포 내 거동과 같은 연구에는 형광물질이나 방사성 동위원소 등을 이용한 표지기술을 이용해 왔으나, 미세먼지의 경우 입자 마다의 조성, 크기, 형태가 달라 기존의 표지기술을 적용하는 데 어려움이 있었다.
이번 연구에서는 광 회절 단층촬영(ODT, Optical diffraction Tomography) 기술을 이용하여 표지 없이도 초미세먼지의 3차원 형태분석과 함께 초미세먼지가 세포에 흡수될 때의 굴절률 분포와 세기를 측정하여 세포 안에서의 초미세먼지를 정성적‧정량적으로 분석해낸 것이다.
연구팀은 초미세먼지에 노출되었을 때 대식세포는 시간이 지날수록 세포 내 PM2.5에 해당하는 굴절률이 증가한 반면, 상피세포는 굴절률이 증가하지 않는다는 사실을 확인하였다.
이는 초미세먼지에 의해 유발되는 독성학적인 현상이 대식세포와의 상호작용으로부터 일어날 수 있음을 시사하는 것이다.