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뉴스 생명과학
초미세먼지 독성 영향 분석의 새로운 실마리 마련
Bio통신원(한국생명공학연구원)
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 환경질환연구센터 정진영 박사와 한국과학기술원 전산학부 박진아 교수 공동연구팀이 초미세먼지와 세포 간의 상호작용을 실시간으로 3차원 분석하는 데 성공하였다고 밝혔다.
이를 통해 향후 노출 가능성이 높은 환경 유해인자의 체내 상호작용 분석 연구에 활용될 것으로 기대되고 있다.
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.
연구책임자인 정진영 박사는 “이번 연구는 초미세먼지와 세포 간 상호작용을 표지없이 실시간 관찰하고, 초미세먼지의 정성적/정량적 영상분석을 3차원으로 해낸 것”이라며, “향후 다양한 입자성 물질과 세포와의 상호작용에 대한 심도 있는 연구로 확대될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
한편 이번 연구성과는 5월 23일 환경과학 전문저널인 Journal of Hazardous Materials(IF 14.224) 온라인 판에 게재되었으며,
(논문명 : Three-dimensional label-free visualization of the interactions of PM2.5 with macrophages and epithelial cells using optical diffraction tomography / 교신저자 : 생명연 정진영 박사, KAIST 박진아 교수 / 제1저자 : 생명연 이왕식 박사, KAIST 강인하 연구원)
과기정통부 기초연구사업, NST 창의형융합연구사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 초미세먼지는 직경 2.5㎛ 이하의 크기의 입자상 물질을 의미하며, 탄소, 무기 원소, 유기 원소 등 매우 다양한 조성으로 구성되어있어 인체에 노출되었을 때 악영향을 유발할 수 있어 이에 관한 독성연구가 활발히 진행되고 있다.
○ 독성연구에서 물질의 잠재적인 독성을 분석하고 예측하기 위해서는 물질과 세포와의 상호작용에 대해 이해하는 것이 중요하다. 하지만 초미세먼지는 발생 장소에 따라 구성 원소들이 달라지고, 크기분포와 형태도 매우 다양하게 존재하는데, 이는 기존 표지기술의 적용을 방해하는 요인으로 작용하고 있어 대표적인 독성물질인 초미세먼지와 세포와의 상호작용 연구는 아직 미미한 실정이다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 광회절 단층촬영(Optical diffraction Tomogrpahy, ODT) 기술을 이용해 초미세먼지의 실제에 가까운 형태를 3차원 이미지로 구현하였다.
○ 연구팀은 대식세포와 상피세포에서 초미세먼지의 세포 흡수 및 세포 내 거동의 차이가 다름을 시각적, 정량적으로 비교했다.
○ 대식세포는 상피세포와 달리 초미세먼지에 능동적으로 상호작용하여 흡수하려는 경향이 강함을 시각적, 정량적으로 증명했다.
□ 연구성과의 의미
○ 광회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography)기반 세포 내 거동 분석
- 본 연구는 광회절 단층촬영이 입자와 세포의 상호작용에 유용한 분석 도구가 될 수 있음을 보여준다. 실제 환경에서 인체에 노출될 수 있는 다양한 입자상 물질들(초미세먼지, 에어로졸, 초미세플라스틱 등)은 단일 물질이 아닌 복잡한 형태의 물질이며 기존 표지기술의 적용을 어렵게 한다. 따라서 광회절 단층촬영을 이용해 표지기술 적용이 어려운 인체 노출 가능성이 높은 환경 내 유해인자의 잠재적 위험성을 규명하는데 활용될 것으로 기대된다.
그림1. 광회절 단층촬영(Optical Diffraction Tomography) 기술을 이용한 초미세먼지와 세포 간 상호작용 3차원 영상분석
광회절 단층촬영 기술을 이용하여 별도의 표지기술 없이 초미세먼지와 대식세포의 상호작용을 3차원으로 시각화하여 실시간으로 초미세먼지가 세포 안으로 흡수되고 이동하는 모습을 관찰할 수 있으며, 정량적 분석도 가능함
그림2. 광회절단층촬영으로 초미세먼지와 세포의 3차원 시각화 성공
시료의 굴절률을 기반으로 단층촬영을 통해 볼륨데이터를 얻고 볼륨 랜더링 프로그램(Medical Imaging Interaction Toolkit, MITK)을 이용해 이를 3차원 시각화하여 초미세먼지를 처리한 대식세포의 3차원 영상분석을 가능하게 함
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