뇌로 유입된 미세플라스틱으로 인한 세포 사멸의 원인과 과정 규명
DGIST 바이오융합연구부 최성균, 이성준 박사 연구팀이 입을 통해 섭취된 미세플라스틱이 뇌 안에 축적돼 신경독성 물질로 작용한다는 것을 동물실험과 면역반응 분석을 통해 확인했다.
연간 8백만 톤이 버려지고 있는 플라스틱은 자외선과 파도 등에 의해 매우 작은 조작들로 부서져 미세플라스틱으로 바뀌며, 이는 플랑크톤 등 하위 생명체들이 먹게 돼 향후 먹이 사슬 최상위에 위치한 인간에게 위협을 주고 있다.
이에 연구팀은 미세플라스틱의 유해성을 파악하기 위해 생쥐에게 2㎛ 이하의 미세플라스틱을 7일 동안 경구 투여하는 실험을 진행, 생쥐의 신장과 장, 심지어 뇌까지 미세플라스틱이 축적되는 것을 확인했다. 이 때, 2㎛ 이하 초미세플라스틱은 위험한 물질이 뇌 안으로 침투하는 것을 막는 ‘혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier)’마저도 통과해, 기체가 아닌 미세플라스틱과 같은 고체도 뇌-혈액-뇌 장벽을 통과하는 이례적인 현상을 발견할 수 있었다.
또한 연구팀은 면역염색법을 적용, 미세플라스틱이 뇌 내 미세아교세포에 축척된다는 사실도 발견하는데 성공했다. 이 때 미세플라스틱을 크기별로(0.2㎛, 2㎛, 10㎛) 실험해 본 결과, 2㎛이하 미세플라스틱이 미세아교세포의 세포질 부위에 축적, 수십 시간 이후 세포증식능력을 현저히 떨어뜨리는 것을 확인했다. 연구팀은 미세아교세포에서 미세플라스틱을 외부 위협으로 인식, 이를 먹어 제거하는 식작용(phagocytosis)이 발생하고, 이후 세포 형태변화에 따른 세포사멸로 이어지는 것이라 설명했다.
더 나아가 연구팀은 미세플라스틱이 동물 뇌에 미치는 영향과 면역반응의 변화를 분자생물학적인 수준에서 확인하는데 성공했다. 미세플라스틱 섭취 초기부터 미세아교세포에서 특이적으로 발현하는 M1지표(염증활성화)와 M2대식세포 지표(염증완화)가 감소됐으며, 7일간 이후엔 두 지표가 급격히 감소하며 세포사멸이 급격하게 증가하는 것을 확인했다. 이는 미세플라스틱이 일정 시간 이상 축적될 경우 뇌 안에서 세포사멸을 유도하는 신경독성 물질로 작용할 수 있음을 뜻한다.
DGIST 바이오융합연구부 최성균 선임연구원은 “이번 연구는 미세플라스틱이 특히 2㎛이하 미세플라스틱이 7일 이내 단기간 섭취에도 뇌에 축적이 시작되고 그에 따른 미세아교세포의 사멸과 면역, 염증반응의 변화를 확인한 연구”라며 “향후 해당 연구 결과를 초석으로 삼아 미세플라스틱의 뇌 축척과 그로 인한 신경독성 유발 기전을 더 밝혀 낼 수 있는 추가적인 연구를 진행하고자 한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 DGIST 융합연구원 중점연구 기관고유사업인 ‘미세플라스틱의 위해성 평가’ 연구사업의 연구 지원을 받아 수행됐으며, 경북대 수의과대학 박진규 교수, 한지은 교수 연구팀과의 협력을 통해 수행됐다. 연구 결과는 환경 분야 학술지인 ’Science of the Total Environment’에 10월 7일(목) 온라인 게재됐다.
연 구 결 과 개 요
Microglial phagocytosis of polystyrene microplastics results in immune alteration and apoptosis in vitro and in vivo(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721058952)
Wookbong Kwon, Daehwan Kim, Hee-Yeon Kim, Sang-Won Jeong, Se-Guen
Lee, Hyun-Chul Kim, Young-Jae Lee, Mi Kyung Kwon, Jun-Seong Hwang, Jee Eun Han, Jin-Kyu Park, Sung-Jun Lee, and Seong-Kyoon Choi
(Science of the Total Environment, on-line published on October 7th, 2021)
플라스틱의 사용증가와 광범위한 미세플라스틱오염은 현재 상당한 문제이다. 최근 많은 연구에서 미세플라스틱은 포유류에서 잠재적으로 위험 물질로 보고되었다. 몇몇 연구에서 미세플라스틱이 수생생물의 뇌와 행동에 영향을 미치는 보고가 있지만, 육상동물의 뇌와 뇌의 생리적 영향에 대해서는 불분명하다. 본 연구팀은 다른 크기(0.2, 2, 10㎛)의 형광미세플라스틱을 이용하여 마우스에 경구 투여 한 뒤, 뇌에 축적을 확인하였다. 또한, 미세플라스틱이 뇌의 미세아교세포에 침착되는 것을 확인하였다. 그리고 인간 미세아교세포 HMC-3 세포주를 사용하여 0.2, 2㎛ 크기의 미세플라스틱을 처리하였을 때, 식균작용을 통해 세포 형태 및 면역반응 변화 그리고 미세아교세포 세포사멸을 유도하는 것을 확인하였다. 또한, 마이크로어레이를 통해 면역반응 유전자, 면역 글로불린 및 micro RNA에 관련 유전자들의 클러스터 발현이 변하는 것을 보여주었다. 그리고 세포주 및 마우스 뇌 모두에서 미세플라스틱의 섭취로 NF-κB, 전염증성 사이토카인 및 세포사멸 마커의 활성화와 함께 미세아교세포의 분화마커를 변화시키는 것을 확인하였다. 본 연구팀은 미세플라스틱이 마우스의 뇌와 인간미세아교세포주에서 면역을 활성화시키고 끝내 세포사멸을 유도하는 것을 확인하여 미세플라스틱의 잠재적 위험성을 제시하였다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
현재 미세플라스틱의 축적에 있어, 간, 신장, 장등의 여러 장기의 축적이 보고되었지만, 뇌 침착 및 생리적 유해성에 대한보고는 미비하였다. 본 연구는 미세플라스틱이 뇌에 정교한 보호시스템인 혈관-뇌장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)을 통과하여 뇌의 여러 부분에 축적된 것을 병리학분석을 통해 확인하고, 미세플라스틱이 뇌의 생리학적 변화에 미치는 영향을 분자수준에서 분석을 하였다. 미세플라스틱의 축적 현상만이 아닌 세포수준 및 개체수준에서 축적 그리고 축적으로 발생하는 면역 반응을 확인하였기에 대두되는 미세플라스틱의 위해성 연구에서 뇌 축적에 대한 유해가능성을 제시하였다.
어디에 쓸 수 있나
현재 식생활 속에도 퍼져있는 미세플라스틱의 위해성에 대한 연구는 매우 부족하다. 또한 인체의 미세플라스틱 장기 축적에 의한 위해성과 유발되는 질병 기전을 규명하는 데에 활용될 수 있다.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
현재 미세플라스틱의 인체 위해성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 명확히 밝혀진 바가 없다. 따라서, 오랜 기간을 걸쳐 육상생물에 대한 위해성 평가 및 미세플라스틱에 의해 발병되는 질병에 대한 연구가 필요하다.
연구를 시작한 계기는
플라스틱의 편리성으로 다양한 분야에서 생산과 소비가 점점 증가하고 있다. 사용된 플라스틱은 극히 일부만이 재활용이 되고 매립이나 바다로 유입이 된다. 이렇게 버려진 플라스틱은 해양생물들의 생명을 위협한다고 보고 되었다. 최근에는 플라스틱보다 자외선이나 파도 등에 의해 부서진미세플라스틱의 위험성이 대두되고있는데, 미세플라스틱을 해양생물이 섭취하게 되고 최종적으로 인간에게 축적되는 위험가능성이 있기 때문이다. 이렇게 인체의 미세플라스틱 위험성이 대두되었지만, 정확한 위해성평가와 평가 지표개발이 부족하였기에 연구를 수행하였다.
어떤 의미가 있는가
방대한양의 미세플라스틱이 바다, 담수에 오염되어 있으며, 미세한 크기로 다양한 범위의 바다생물이 섭취할 수 있다. 최종적으로는 먹이 사슬에 의해 인간이 미세플라스틱을 최종적으로 섭취하게 된다. 현재 여러 장기의 축적현상은 보고되고 있지만, 뇌의 축적 및 관련 매커니즘에 대한 규명은 미비하기 때문에 앞으로의 미세플라스틱 섭취에 의한 뇌질병 발병 원인 규명에 이바지 할 수 있다.
꼭 이루고 싶은 목표는
실험동물을 이용하여 미세플라스틱의 혈관-뇌장벽을 통과하는 매커니즘을 규명하고, 독성물질이 포함된 미세플라스틱 섭취시 미세아교세포의 반응을 규명하여, 미세플라스틱의 축적에 따른 생체지표 분석 및 위험성 분석방법을 개발하고자한다.
[그림 1] 마우스 뇌 및 인간 미세아교세포에서 미세플라스틱의 축적
(그림설명) 마우스 뇌(왼쪽)와 인간 미세아교세포(오른쪽)를 활용하여 미세플라스틱이 뇌에 축적되는 현상을 확인하였다.
[그림 2] 미세플라스틱 경구 투여시 나타나는 세포 변화
(그림설명) 미세플라스틱을 7일 동안 경구 투여하였을 때, 마우스 뇌의 미세아교세포에 축적을 유발하며, 인간 미세아교세포에서도 미세플라스틱 축적을 확인하였다. 그리고 이로 인한 분화 및 염증반응 활성화에 따른 세포자살에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
의학약학 DGIST (2021-10-27)