식품·화장품 속 나노입자, 태아 뇌 발달 조용히 흔든다 | 연구성과 > Bio뉴스 > 동향

Bio통신원(한국생명공학연구원) 연구성과

식품·화장품 속 나노입자, 태아 뇌 발달 조용히 흔든다

등록2026.01.08.
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등록2026.01.08.
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- 인간 뇌를 닮은 오가노이드 활용하여 나노물질이 단순 독성 넘어 뇌 발달 과정 교란 가능성 제시

- 식품·화장품·환경 분야 차세대 안전 기준 마련의 과학적 근거 확보

오늘날 우리는 머리카락 굵기의 수만 분의 1에 불과한 나노물질과 함께 살아가고 있다. 이러한 나노물질은 식품을 고르게 섞거나 화장품을 부드럽게 만들고, 의약품의 효과를 높이는 데 활용되며, 실리카 나노입자 역시 식품첨가물을 비롯해 화장품과 산업 소재 등 다양한 제품에 널리 사용되고 있다.

나노물질은 크기가 매우 작아 우리 몸의 방어벽을 비교적 쉽게 통과할 수 있으며, 일부 물질은 태반을 지나 태아에게 전달될 가능성도 보고돼 왔다. 이로 인해 성인에게는 큰 영향이 없어 보이더라도 뇌 발달이 진행 중인 태아나 영유아에게는 영향을 미칠 수 있다는 우려가 과학계에서 꾸준히 제기돼 왔다.

그동안 이러한 질문에 대한 연구는 동물실험이나 단순한 세포 실험에 의존해 왔으나, 사람과 다른 뇌 구조와 발달 과정을 지닌 동물 모델이나 평면적인 세포 실험만으로는 실제 사람의 뇌 발달 과정에서 일어나는 복잡한 변화를 직접 확인하는 데 한계가 있었다.

한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 줄기세포융합연구센터 이미옥 박사 연구팀은 국가독성과학연구소 이향애 박사팀과 공동으로 인간 줄기세포 유래 뇌 오가노이드를 활용해 기존 동물·세포 실험으로는 확인하기 어려웠던 인간 뇌 발달 초기 과정에서의 변화를 분석하여 실리카 나노입자가 미치는 영향을 규명하는 데 성공했다.

연구팀은 실제 장기의 구조와 발달 과정을 재현할 수 있는 뇌 오가노이드를 활용해 몸의 움직임과 감정 조절에 중요한 중뇌가 도파민 신경세포가 자라며 작은 환경 변화에도 민감한 부위라는 점에 주목했다.

뇌 오가노이드가 자라는 초기 단계에 실리카 나노입자를 노출한 결과, 세포가 대량으로 죽거나 사라지는 등 외형적으로 뚜렷한 이상은 관찰되지 않았지만 뇌의 바탕이 되는 세포들의 증식이 줄어들고 도파민 신경세포로 자라는 과정이 약해지는 변화가 나타났다.

또한, 뇌 발달 과정에서 중요한 역할을 하는 세포 간 신호 전달과 신경세포 간 소통이 전반적으로 약해지고, 그 결과 신경세포들이 서로 충분히 연결되지 못하는 변화가 관찰됐다. 이와 함께 뇌를 보호하는 역할을 하는 세포들이 필요 이상으로 활성화되면서 염증과 관련된 신호가 증가하는 현상도 확인됐다. 이러한 변화들은 즉각적인 손상을 일으키지는 않지만 시간이 지나면서 뇌 발달의 흐름에 영향을 미칠 수 있는 조용하지만 지속적인 변화로 작용할 수 있다.

이번 연구는 나노물질의 영향이 단순히 세포를 죽이느냐의 문제가 아니라 뇌가 자라는 과정 자체를 미세하게 변화시킬 수 있음을 보여주며, 사람의 뇌 발달을 닮은 모델을 통해 이러한 변화를 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다. 이는 앞으로 식품·화장품·환경 분야에서 나노물질의 안전성을 평가할 때 성인뿐 아니라 태아와 어린이처럼 발달 단계에 있는 사람들을 고려해야 함을 시사한다.

연구책임자인 이미옥 박사는 “이번 연구는 일상에서 사용하는 물질이 세포를 죽이지 않더라도 사람의 뇌가 자라는 과정에는 영향을 줄 수 있다는 점을 보여준다”라며, “사람의 발달 단계를 반영한 정밀한 안전성 평가가 앞으로 더욱 중요해질 것이다”라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 환경위해성 분야의 국제 저명학술지인 Journal of Hazardous Materials(IF 11.3)에 1월 1일 게재되었으며, (논문명: SiO2 nanoparticles disrupt neurodevelopmental processes in human　midbrain organoids in a redox-suppressed, non-cytotoxic manner / 교신저자: 생명연 이미옥박사, 한국독성연구소 이향애박사/ 제1저자: 생명연: 김서현, 이영선)

과기정통부 국가전임상지원체계구축사업, 인공아체세포기반 재생 치료기술 개발 사업단, 바이오의료개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연 구 결 과 개 요

□ 연구배경

○ 이산화규소(SiO₂)는 식품첨가물(E551), 화장품, 의약·바이오 및 다양한 산업 분야에서 널리 사용되어 온 물질로, 기존에는 미크론 단위 이상의 비교적 큰 입자 형태에서는 안전한 물질로 인식되어 왔다.

○ 그러나 최근 산업 공정과 소재 기술의 발전에 따라 이산화규소가 나노미터(nm) 크기의 입자 형태로 실제 활용되는 사례가 증가하고 있으며, 이러한 나노 단위 입자는 기존 큰 입자와는 다른 생물학적 특성을 가질 수 있다는 점에서 새로운 안전성 평가의 필요성이 제기되고 있다.

○ 나노미터 크기의 이산화규소 입자는 세포 내 유입, 조직 축적, 생체 장벽 통과 가능성이 상대적으로 높아, 기존 독성 평가 결과를 그대로 적용하기 어렵다. 특히 식품, 화장품, 환경 및 산업 현장을 통해 만성적·복합적으로 노출될 가능성이 있음에도 불구하고, 인체—특히 발달 단계의 신경계에 미치는 영향에 대해서는 정밀한 평가가 충분히 이루어지지 않았다.

○ 기존 연구들은 주로 동물모델이나 단순한 2차원 세포 배양계를 기반으로 수행되어, 인간 신경발달 과정의 특이성, 세포 간 상호작용, 기능적 성숙 과정을 정확히 반영하는 데 한계가 있었다.

○ 이에 본 연구는 인간 다능성 줄기세포로부터 유도한 중뇌 오가노이드를 활용하여, 나노 단위 이산화규소 노출이 인간 신경발달 과정에 미치는 영향을 인간 특이적 3차원 환경에서 체계적으로 규명하고자 수행되었다.

□ 연구내용

○ 연구진은 인간 다능성 줄기세포(hPSC)로부터 도파민 신경계가 형성되는 중뇌 오가노이드(human midbrain organoids)를 제작하고, 신경발달 초기 단계에서 SiO₂ 나노입자에 노출시켜 그 영향을 분석하였다.

○ SiO₂ 나노입자 노출 결과, 오가노이드의 전반적인 성장과 신경 전구세포 증식이 유의하게 감소하였으며, 도파민 신경 전구세포 및 성숙 도파민 신경세포 표지자의 발현이 선택적으로 저해됨을 확인하였다. 반면, 전체 신경세포 분화 자체는 크게 감소하지 않아 특정 신경계 계통에 선택적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.

○ 세포 사멸(apoptosis) 분석 결과, SiO₂ 나노입자 노출은 뚜렷한 세포 독성이나 세포 사멸을 유발하지 않았으며, 대신 성상세포 활성화 및 염증성 사이토카인(IL-6) 발현 증가 등 신경염증 반응이 관찰되었다.

○ 또한 SiO₂ 나노입자 노출은 오가노이드 내 활성산소종(ROS) 수준을 감소시키고, 칼슘 신호 전달과 신경 네트워크의 전기생리학적 활동을 저해하여, 신경세포의 기능적 성숙을 방해하는 것으로 나타났다.

○ 분자 수준 분석 결과, CREB 및 PLC-γ1 등 신경 발달과 시냅스 성숙에 중요한 신호 경로의 인산화가 감소하였으며, 전사체 분석을 통해 신경발달 및 시냅스 기능 관련 유전자 발현이 전반적으로 억제됨을 확인하였다.

□ 연구성과의 의미

○ 본 연구는 기존에 안전하다고 인식되어 온 이산화규소가 나노 단위로 노출될 경우, 인간 신경발달 과정에 세포 사멸 없이도 기능적 교란을 유발할 수 있음을 인간 오가노이드 모델을 통해 처음으로 정밀하게 입증함

- 인간 중뇌 오가노이드를 활용해, 동물모델로는 포착하기 어려운 나노 단위 이산화규소의 인간 특이적 신경발달 영향과 취약성을 규명하였다.

- 세포 독성이나 세포 사멸이 아닌, 산화환원 신호 억제, 칼슘 신호 교란, 신경염증 유도라는 비전형적 기전을 통해 신경발달이 영향을 받을 수 있음을 제시하였다.

- 특히 도파민 신경계 형성이 선택적으로 저해됨을 확인함으로써, 나노물질 노출이 인간 뇌 발달의 특정 시기와 신경계 계통에 선택적인 영향을 미칠 수 있음을 시사하였다.

- 본 연구는 인간 오가노이드 기반 플랫폼이 나노물질 안전성 평가 및 규제 과학 분야에서 동물실험을 보완·대체할 수 있는 정밀 평가 도구로 활용될 예정이다.

그림1. SiO2 나노물질의 특성검증 및 중뇌오가노이드 노출 비교 [사진=한국생명공학연구원]
a-c. TEM이미지 분석을 통한 SiO2 크기 분석 및 DLS분석을 통한 입자안정성 검증
d-f. 중뇌오가노이드 내 SiO2 흡수도 정량 평가

그림2. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 상태변화 추적 [사진=한국생명공학연구원]
a-c. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 크기변화 비교분석
d-g. 중뇌오가노이드 내 성장세포 및 줄기세포군 변화 분석
h. 중뇌 분화마커 발현변화 분화

그림3. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 기능변화 분석 [사진=한국생명공학연구원]
a. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 ROS변화
b. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 칼슘변화
c. SiO2 나노물질노출에 따른 중뇌오가노이드 전기생리학적 기능변화