매일 아침 날씨와 함께 미세먼지 농도를 확인하는 일은 이제 일상이 됐다. 미세먼지는 호흡기를 넘어 뇌와 전신 건강까지 영향을 미치며, 장기간 노출되면 폐 기능 저하뿐 아니라 여러 장기에서 염증 반응을 유발할 수 있다는 연구 결과가 이어지고 있다. 이러한 이유로 미세먼지는 국민 건강과 직결된 환경 문제로 인식되고 있다.

하지만 미세먼지가 체내에 들어온 이후 어디로 이동하고 어떻게 분포하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 기존의 미세먼지 노출 모사 실험에서도 기술적 한계로 인해 각 장기에 유입된 미세먼지를 정량적으로 분석하는 데 어려움이 있었다. 그 결과 실제 분포량을 정확히 파악하기 어려워, 지금까지는 미세먼지가 가장 많이 축적될 것으로 예상되는 폐를 중심으로 대략적인 수준만 추정해왔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 특성분석·데이터센터 유병용·이관호 박사 연구팀은 이러한 분석 기술의 한계를 극복하고, 미세먼지가 체내 각 장기에 얼마나 축적되는지를 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 분석 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 소동물에 실제 환경과 유사한 농도의 미세먼지를 노출시켰을 때, 체내 각 장기에 유입된 미세먼지를 극미량까지 ‘숫자’로 확인할 수 있는 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

연구진은 방사성 탄소(¹⁴C)로 표지된 미세먼지를 직접 제작하고, 이를 기반으로 한 노출 실험을 수행했다. 여기에 극미량의 방사성 동위원소를 구별하고 개수까지 측정할 수 있는 가속기 질량분석법(AMS, Accelerator Mass Spectrometry)*을 결합해, 체내에 유입된 미세먼지를 나노그램(ng) 수준까지 정량화할 수 있는 분석 기술을 구현했다. 이를 통해 기존에는 확인이 어려웠던 미세먼지의 체내 이동 경로와 장기별 축적량을 정밀하게 수치로 제시할 수 있게 됐다.

방사선 탄소 표지 미세먼지의 동물 노출 실험 결과, 미세먼지는 폐에 국한되지 않고 간, 신장, 뇌 등 다양한 장기에도 분포하는 것으로 나타났다. 실제 대기질 ‘매우 나쁨’ 수준(PM10 약 150 μg/m³)에서 1시간 노출만으로도 일부 입자가 여러 장기에 확인됐으며 하루 3시간씩 7일간 반복 노출할 경우 장기별 분포량이 증가하는 경향이 확인됐다. 이는 미세먼지가 노출 빈도와 시간에 따라 체내에 점진적으로 축적될 수 있음을 시사한다.

이번 기술은 향후 미세먼지 위해성 평가의 정밀도를 크게 높이고, 환경 기준 과 보건 정책 수립에 과학적 근거를 제공할 것으로 기대된다. 특히 기존의 호흡기 중심 연구를 넘어 뇌, 간 등 전신 영향까지 고려한 건강 영향 평가가 가능해지면서, 임산부·노약자·호흡기 및 심혈관 질환자 등 미세먼지 취약계층 보호 정책 수립에도 중요한역할을 할 것으로 보인다. 나아가 연구진은 이 분석 플랫폼을 미세플라스틱 등 다양한 환경 유해물질 평가로 확장해, 산업 및 환경 안전 관리 전반에 활용할 계획이다.

KIST 이관호 박사는 “이번 연구는 가속기 질량분석법을 활용해 미세먼지의 체내 유입량과 장기별 축적량을 정량적으로 제시한 첫 사례”라며 “실제 생활 환경과 유사한 조건에서도 미세먼지의 체내 분포량을 정밀하게 측정할 수 있는 기반을 마련했다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 배경훈)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 대기환경복합대응연구사업으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Environmental Science & Technology」 (IF 11.3, JCR 분야 4.9%) 최신 호에 게재됐다.
* (논문명) Quantitative Assessment of Particulate Matter Biodistribution Using 14C-Nanotracing and Accelerator Mass Spectrometry

논문 정보

□ 논문
  ○ 제목: Quantitative Assessment of Particulate Matter Biodistribution Using 14C-Nanotracing and Accelerator Mass Spectrometry
  ○ 학술지: Environmental Science & Technology
  ○ 게재일: 2026.1.13.
  ○ DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c11834 

□ 저자
  ○  송성은 학생연구원(제1저자/KIST 특성분석ㆍ데이터센터)
  ○  이관호 선임연구원(제1저자/KIST 특성분석ㆍ데이터센터)
  ○  유병용 선임연구원(교신저자/KIST 특성분석ㆍ데이터센터)

□ 내용 요약

○ 연구배경
매년 봄과 겨울, 여러 계절적 요인을 포함한 여러 가지 원인으로 인해 우리나라는 고농도의 미세먼지에 반복적으로 노출되고 있다. 서울을 포함한 대도시의 미세먼지 농도는 세계보건기구(WHO)의 권고 기준을 크게 초과하는 경우도 적지 않다. 미세먼지에 대한 기존의 연구는 주로 대기 중의 농도와 사망률 또는 질병의 발생률 간의 상관관계를 분석하는 데 초점을 두어 왔다. 그러나 “미세먼지에 노출된 후, 우리 몸 속으로 들어온 미세먼지가 어디에 얼마나 분포하는지”에 대한 질문에는 지금껏 명확하게 답을 제시하기 어려웠다. 이는 체내로 유입된 미세먼지를 정량적으로 측정할 수 있는 분석 기술이 제한적이었기 때문이다. 이러한 기술적 한계로 인해 정량적 평가가 어려워지면서, 미세먼지의 체내 이동 경로나 각 장기에 미치는 영향을 규명하는 후속 연구 역시 제한될 수밖에 없었다. 이를 극복하기 위해 본 연구진은 14C-나노트레이싱 플랫폼을 가속기 질량 분석법(AMS)과 결합해, 각 장기로 유입된 미세먼지를 나노 그램 수준까지 정밀하게 정량 할 수 있는 고감도 분석 플랫폼을 구축했다.

○ 연구내용
본 연구진은 미세먼지를 방사성 탄소 동위원소 (14C)로 표지하는 기술과 초고감도의 가속기 질량분석법 (AMS)을 결합해 체내로 유입된 미세먼지를 정량적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 구축하였다. 14C 표지 미세먼지를 이용한 동물 노출 실험을 수행하였고, 흡입된 미세먼지의 체내 장기별 농도를 측정하였다. 우리나라 기상청에서 제공하는 PM10 농도가 '매우 나쁨'(~150 μg/m³)에 해당하는 미세먼지를 단시간(1시간) 및 반복(3시간/일, 7일) 조건으로 동물 노출 실험을 수행한 뒤, 각 장기 내의 미세먼지의 농도를 정량하였다. 그 결과, 미세먼지는 폐에서 가장 높은 농도로 관찰되었으며, 단시간의 미세먼지 노출 조건에서도 일부 미세먼지가 간과 신장 및 뇌에도 분포해 있는 것을 확인하였다. 일주일 반복 노출 조건에서는 단시간 노출한 동물 실험 결과에 대비하여 더 높은 농도의 장기 내 미세먼지가 분포해 있음을 확인하였으며, 이는 미세먼지의 노출 빈도와 농도가 장기 내에 분포한 미세먼지의 농도에 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 이번 연구는 흡입된 미세먼지가 단순히 호흡기에만 국한되지 않고 전신 장기로 이동할 수 있음을 정량 데이터로 제시한 사례이다.
 
○ 기대효과
본 연구를 통해 구축된 AMS 기반 ¹⁴C 미세먼지 정량 분석 플랫폼은 실제 환경과 유사한 조건에서 체내로 유입되는 미세먼지의 이동과 축적을 ‘수치’로 제시할 수 있는 기반을 마련했다. 이를 통해 기존에 추정에 의존하던 미세먼지 위해성 평가를 정량 데이터 중심으로 전환하고, 체내 장기별 분포 농도를 직접적으로 제시함으로써 건강 영향에 대한 보다 명확한 과학적 근거를 제공할 수 있다. 특히 미세먼지와 뇌질환 등 다양한 질환 간의 연관성을 설명하는 데 필요한 정량적 지표를 확보함으로써, 관련 연구의 신뢰도를 높이고 구체적인 작용 메커니즘 규명에도 기여할 것으로 기대된다.
또한 본 기술은 미세먼지의 농도, 노출 시간, 반복 노출 조건 등에 따른 인체 영향을 체계적으로 분석할 수 있어, 환경 기준 설정과 보건 정책 수립을 위한 과학적 근거로 활용될 수 있다. 나아가 기존의 호흡기 중심 연구를 넘어 간, 신장, 뇌 등 전신 장기 영향을 고려한 통합적 건강 영향 평가로 확장될 수 있으며, 임산부·노약자 등 취약계층을 반영한 맞춤형 위해 기준 마련에도 기여할 전망이다. 아울러 본 분석 플랫폼은 미세먼지뿐 아니라 미세플라스틱 등 다양한 환경 유해물질의 체내 분포 연구에도 적용 가능하며, 독성동태학 모델링 및 환경보건 연구의 핵심 데이터로 활용될 수 있다. 더 나아가 제약·바이오 분야에서 활용되던 AMS 기반 나노트레이싱 기술을 환경 분야로 확장한 사례로서, 향후 의생명공학, 신약개발 등 다양한 산업 분야로의 응용 가능성도 기대된다.
 
연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
미세먼지가 치매와 같은 뇌질환과 관련이 있다는 연구 결과는 이미 여러 차례 보고된 바 있다. 실제로 치매 환자의 사후 뇌 조직에서 미세먼지가 발견된 사례도 있으며, 이를 바탕으로 미세먼지의 건강 영향에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 그러나 이러한 연구들에도 불구하고, ‘흡입된 미세먼지가 우리 몸의 어느 장기에 얼마나 들어가는가’라는 가장 기본적인 질문에는 명확한 답을 제시하기 어려운 상황이었다. 특히 미세먼지가 체내에 얼마나 축적되는지, 시간이 지나면서 어떻게 이동하거나 배출되는지에 대한 정량적인 데이터가 부족해, 위해성 평가나 후속 연구 방향을 설정하는 데에도 한계가 있었다. 이에 연구진은 미세먼지가 인체에 미치는 영향을 보다 정확하게 이해하기 위해, 체내 각 장기에 축적되는 미세먼지의 양을 수치로 확인할 수 있는 정량적 근거를 마련하고자 본 연구를 시작하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 연구의 가장 큰 차별점은 체내에 들어간 ‘아주 적은 양’의 미세먼지를 직접 숫자로 정확하게 측정했다는 점이다. 기존 분석 방법들은 감도가 충분하지 않아, 환경 수준의 노출 이후 조직 내 극미량의 미세먼지의 검출이 어려웠으며, 체내에 원래 존재하는 물질과 외부에서 유입된 미세먼지를 구분하기에도 어려움이 있었다. 반면 이번 연구에서는 극미량의 미세먼지까지 정밀하게 측정할 수 있어, 보다 신뢰도 높은 정량 데이터를 확보할 수 있었다. 또한 이 기술 덕분에 실제 환경과 유사한 수준(‘매우 나쁨’, 약 150 μg/m³)의 미세먼지 농도를 적용한 위해성 평가 실험이 가능해졌다. 기존 연구들은 기도로 직접 미세먼지를 주입하거나, 실제보다 훨씬 높은 농도를 사용하는 경우가 많아 현실적인 영향 평가에는 한계가 있었다. 이번 연구는 실제 우리가 숨 쉬는 환경과 가까운 조건에서 실험을 수행했다는 점에서 의미가 크다. 더불어 ¹⁴C로 표시된 미세먼지를 사용함으로써 장기간 추적이 가능하다는 점도 중요한 차별점이다. 기존에 주로 사용하던 형광 표지나, 짧은 반감기를 가진 동위원소 표지(125I)를 통한 이미지 기반 분석법은 미세먼지의 체내 분포를 짧은 기간(약 1주~1개월) 동안만 확인이 가능했다. 반면, ¹⁴C는 반감기가 약 5,730년으로 매우 길기 때문에 체내에 남아 있는 미세먼지를 오랜 시간 동안 추적할 수 있다. 특히 가속기 질량 분석법을 활용하면 매우 낮은 농도의 미세먼지까지도 지속적으로 정량할 수 있어, 장기적인 인체 영향 연구에 새로운 가능성을 제시한다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
본 연구에서 개발된 플랫폼은 미세먼지의 체내 분포를 확인하는 데 그치지 않고, 미세플라스틱이나 탄소 기반 환경 유해물질 등 다양한 물질이 몸속에서 어떻게 이동하고 쌓이는지를 연구하는 데에도 활용될 수 있다. 특히 매우 적은 양의 물질까지 정확하게 측정할 수 있기 때문에, 실제 생활 환경과 유사한 수준의 농도를 적용한 위해성 평가 연구가 가능하다는 점에서 활용도가 높다. 이 기술을 활용하면, 현실적인 농도의 유해물질이 체내에서 어떻게 흡수되고, 어떤 장기로 이동하며, 시간이 지나면서 어떻게 배출되는지를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 이는 기존의 고농도 실험 결과와는 다른 실제 인체 영향을 이해하는 데 중요한 정보를 제공하며, 향후 환경·보건 연구뿐 아니라 안전 기준 설정, 신약 및 독성 평가 연구 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
본 연구를 통해 확보된 결과는 미세먼지 위해성 평가를 위한 중요한 기초자료이자 과학적 근거로 활용될 수 있다. 특히 실제 생활 환경과 유사한 미세먼지 노출 조건을 반영한 데이터라는 점에서, 보다 현실적인 위해성 평가 기준을 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다. 이를 바탕으로 인체에 영향을 미치는 미세먼지의 농도, 노출 시간, 반복 노출 기준 등을 보다 구체적으로 설정할 수 있으며, 어린이, 노약자, 임산부와 같은 취약계층에 대한 맞춤형 안전 기준 마련에도 활용될 수 있다. 또한 기존의 호흡기 중심 연구와 정책에서 나아가, 간·신장·뇌 등 전신 장기에 미치는 영향을 함께 고려하는 방향으로 보건 정책을 발전시키는 데 기여할 수 있다. 다만 이를 실제 정책이나 산업에 적용하기 위해서는 다양한 미세먼지 성분에 대한 추가 연구와 인체 적용 가능성 검증이 필요하다. 향후에는 장기간 노출에 따른 영향 분석을 통하여 보다 신뢰도 높은 위해성 평가 체계를 구축하는 것이 과제로 남아 있다.

용어 설명

1. 가속기 질량분석법
가속기 질량분석법(AMS, Accelerator Mass Spectrometry)은 아주 적은 양의 물질도 정밀하게 측정할 수 있는 분석 기술이다. 일반적인 질량분석법은 분자의 무게를 이용해 어떤 물질인지 확인하지만, AMS는 가속기를 이용해 원자를 빠르게 움직이게 한 뒤 서로 다른 종류의 원자(동위원소*)를 구별할 수 있다. 이를 통해 시료 안에 들어 있는 탄소 동위원소의 비율(예: ¹⁴C/¹²C)을 정확하게 측정할 수 있다. 특히 ¹⁴C는 자연 상태에서 매우 적게 존재하는데, AMS는 이처럼 거의 보이지 않을 정도로 적은 양까지도 찾아낼 수 있다. 쉽게 말해, 지구 전체 표면에서 아A4 용지 종이 한 장을 구별해내는 것과 비슷한 수준의 정밀도를 가진 기술이다. 이러한 높은 감도 덕분에, 몸속에 들어간 극미량의 물질까지도 측정할 수 있다.
*동위원소: 같은 원소이지만 무게가 다른 원자

2. 14C 나노트레이싱
14C 나노트레이싱은 몸속에서 약물이나 물질이 어떻게 움직이는지를 추적하는 방법이다. 기존에는 ‘마이크로도징’이라는 방법을 사용해 아주 적은 양의 약물을 투여하고 그 움직임을 관찰했지만, 이 경우 실제 치료 용량에서의 결과와 다를 수 있다는 한계가 있었다. 반면 14C 나노트레이싱은 추적자로써 아주 적은 양의 14C로 표지된 물질을, 실제 사용하는 양의 약물과 함께 투여하는 방법이다. 이렇게 하면 몸속에서 약물이 실제와 같은 조건으로 움직이면서도, 14C를 이용해 그 이동 경로를 매우 정밀하게 추적할 수 있다. 즉, 실제 상황에 가까운 조건에서 물질의 이동과 분포를 정확하게 확인할 수 있다는 장점이 있다.