초미세플라스틱에 의한 자손의 뇌 발달 이상 규명
국내 연구진이 최근 심각한 환경오염원으로 알려진 초미세플라스틱(나노플라스틱)이 세대 간 전이되고, 특히 자손의 뇌 발달 이상을 유발함을 규명하였다. 향후 초미세플라스틱 오염 문제해결을 위한 국가적 차원의 정책 및 제도 마련과 저감을 위한 방안 모색에 필요한 과학적 근거 및 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
한국생명공학연구원(이하 생명연) 희귀난치질환연구센터 이다용 박사팀(교신저자: 이다용 박사, 제1저자: 정보현 박사과정)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 뇌과학원천기술개발사업, 한국생명공학연구원 주요사업, 교육부 이공분야 학술지원사업의 지원으로 수행되었고, 환경분야 유수 저널인 Journal of Hazardous Materials(IF 10.588) 11월 18일(한국시각 11월 19일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Maternal exposure to polystyrene nanoplastics causes brain abnormalities in progeny, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421027849)
최근 미세플라스틱이 사회적 문제로 대두되면서 환경과 생체에 미치는 영향에 관해 연구되고 있지만, 모체를 통한 미세플라스틱의 세대 간 전이 및 자손의 뇌 발달 영향에 대해서는 구체적으로 알려지지 않았다.
미세플라스틱은 5㎜ 미만 크기의 작은 플라스틱 조각으로 크기가 작아 하수처리시설 등에 걸러지지 않고 바다와 하천으로 유입되어 환경 문제를 초래하며, 이를 먹이로 오인해 섭취한 물고기를 다시 인간이 섭취하게 되면서 장폐색 등 건강을 위협하는 문제가 되고 있다.
초미세플라스틱은 미세플라스틱이 쪼개져서 형성되는 플라스틱 입자로 크기가 1㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 이하로 매우 작아 관찰 또는 검출이 매우 어렵다.
연구팀은 동물모델인 생쥐를 이용하여 모체가 섭취한 초미세플라스틱이 출산 후 모유 수유를 통해 자손으로 전달되며, 태어난 자손의 여러 장기에 축적된 것을 확인하였다. 특히, 플라스틱 입자가 자손의 뇌 조직에도 일부 분포하는 것을 형광 분석을 통해 관찰하였다.
녹색 형광으로 표지된 초미세플라스틱을 섭취한 모체에서 태어난 새끼는 미세플라스틱에 노출되지 않은 개체에 비해 몸무게 증가가 관찰되었으며, 뇌 및 여러 장기에서 녹색 형광 입자가 관찰되었다.
적은 양의 미세플라스틱을 섭취한 경우에는 큰 이상이 발견되지 않았으나, 상대적으로 많은 양의 미세플라스틱을 섭취한 모체에서 태어난 자손에서는 뇌의 구조적 이상이 발견되었으며 특히, 학습과 기억에 중요한 영역인 해마 영역에서 뇌 신경세포 형성을 담당하는 신경줄기세포의 수가 감소하여 있는 것을 확인하였다.
또한 다량의 미세플라스틱을 섭취한 모체에서 태어난 자손의 경우 성체가 된 후 뇌의 생리학적 생화학적 기능에 이상이 관찰되었으며 암컷의 경우는 인지능력의 저하도 관찰되었다.
다량의 미세플라스틱을 섭취한 모체의 자손에서는 신경세포 기능의 필수적인 신경전달물질인 GABA(Gamma-AminoButyric Acid)의 생성량에 변화가 있는 것을 관찰하였으며, 행동 실험을 통한 인지능력 측정 결과 암컷에서는 대조군에 비해 인지능력 저하도 관찰되었다.
연구책임자인 이다용 박사는 “육상 포유류인 생쥐에서 초미세플라스틱이 세대 전이를 통해 자손에 전달되는 경로와 분포를 규명하였으며, 노출량이 많은 경우 자손의 뇌 발달 이상을 유발할 수 있다는 가능성을 제시하였다”며, “향후 실제 환경에서 인체에 노출되는 미세플라스틱 양과 생물학적 영향에 대한 심도 있는 후속 연구와 조사가 더 필요할 것”이라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 초미세플라스틱은 크기가 1 마이크로미터 (< 1 μm) 이하의 작은 플라스틱을 의미하며 미세플라스틱이 쪼개지거나 분해될 때 생성되는 물질이다.
○ 현재 환경에 얼마나 있는지, 뇌 발달과정에 어떤 생물학적 영향을 미치는지에 대해 아직까지 잘 알려져 있지 않았다.
○ 뇌 발달장애의 발병률은 지속적으로 증가되고 있으며 유전적 발병원인이 발견되지 않는 경우가 많아 환경적 요인의 중요성이 부각되고 있다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 모체가 섭취한 초미세플라스틱이 모유를 통하여 자손에게 전달되어 뇌를 비롯한 여러 장기에 분포하는 것을 확인하였다.
○ 본 연구팀은 초미세플라스틱을 섭취한 모체로부터 태어난 자손의 뇌 해마 영역에서 신경줄기세포의 수가 감소하는 것을 확인하였는데 미세플라스틱 섭취량에 비례하여 신경줄기세포가 감소하는 비율도 커지는 것을 확인하였다.
○ 다량의 초미세플라스틱을 섭취한 모체로부터 태어난 자손이 성체가 된 후 생화학적 실험 및 행동실험을 수행한 결과, 암컷에서 대조군에 비해 신경전달물질 생성량이 변화되어있는 것이 관찰되었으며 또한 인지능력도 암컷에서 대조군에 비해 저하되어 있는 것이 확인되었다.
□ 연구성과의 의미
○ (초)미세플라스틱의 생물학적 영향 분석
- 본 연구는 육상 포유류에서 초미세플라스틱의 세대전이 및 뇌 발달에 미치는 영향에 대한 연구로 향후 환경으로부터 빈번하게 노출되는 초미세플라스틱의 인체 안전성 연구에 대한 기초자료를 제공하고 그에 따른 관리방안 마련에 활용될 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 세대간 전이에 의한 미세플라스틱의 뇌 발달 영향을 최초로 규명함.
2. 발달단계에 다량의 미세플라스틱에 노출 시 뇌 인지기능 저하를 유발할 가능성이 있음을 최초로 밝힘.
어디에 쓸 수 있나
1. 뇌 발달 이상을 일으킬 가능성이 있는 환경적 요인을 제시함으로써 향후 환경요인에 의한 관련 질환 발병 연구를 위한 기조자료로 활용 가능.
2. 향후 미세플라스틱 오염 방지를 위한 국가적 차원의 정책 및 제도 마련과 저감을 위한 해결방안 모색에 필요한 과학적 근거로 활용 가능.
실용화까지 필요한 시간은
해당 연구내용은 미세플라스틱이 생체에 미치는 영향 연구로서 실용화와 직접적 연관성이 있다고는 볼 수 없음.
실용화를 위한 과제는
현재까지 미세플라스틱의 인체 섭취/흡수량 및 유해성 연구가 매우 미흡하므로 인체를 대상으로 한 자세한 조사 및 영향연구가 선행되어야 함.
연구를 시작한 계기는
뇌 발달장애에 연구는 대부분 유전자 변형 동물을 이용한 연구가 대부분인데 실제 환자에서는 유전적 요인이 불확실한 경우도 많이 관찰되어 발달이상을 야기하는 환경요인을 고려하는 접근도 필요하다고 판단되었음.
에피소드가 있다면
우연한 계기로 해양과학기술원의 전문가들과의 교류를 통해 미세플라스틱의 심각성을 인지하게 되었으며 뇌 발달에 대한 미세플라스틱의 영향연구에 관심을 가지게 되었음. 연구수행 과정에서도 환경, 화학, 나노소재 등의 관련 전문가들과의 많은 교류를 하게 되었음. 타 분야 및 연구기관과의 교류의 중요성을 다시 한 번 깨닫는 계기가 되었음.
꼭 이루고 싶은 목표는
지속적인 관련 연구를 통해 플라스틱 오염에 따른 유해성에 대한 과학적 규명과 해당 문제에 대한 사회 전반의 인식을 확대하는 데 기여하고자 함.
신진연구자를 위한 한마디
‘환경오염’과 ‘기후변화’는 현재 매우 중요한 현안이기 때문에 환경에 의한 생체 영향 연구는 지속적으로 관심을 기울여야 할 분야라고 생각됨. 다양한 분야의 연구자들이 관심을 기울여 해당 분야 연구의 지속적인 활성화가 이루어졌으면 하는 바램임.
그림 1. (초)미세플라스틱이 모체로부터 자손으로 세대 전이 되는 과정과 자손의 뇌 발달 이상을 유도하는 과정에 대한 모식도
생쥐 모델에서 모체가 섭취한 (초)미세플라스틱이 모유를 통하여 자손의 뇌를 포함한 장기들에 전달, 축적되며 모체가 다량의 미세플라스틱에 노출될 경우 자손의 뇌 발달 이상 및 인지능력 저하가 초래됨.
그림 2. (초)미세플라스틱을 섭취한 모체로부터 태어난 자손의 뇌(해마)에서 신경줄기세포 수 감소
녹색 형광을 띈 (초)미세플라스틱(50나노미터)을 섭취한 모체로부터 태어난 생쥐에서 생후 1주일에 몸무게 증가가 관찰되었으며, 뇌에서 미세플라스틱 입자(녹색)가 관찰되었다. 또한, 학습과 기억에 중요한 뇌 영역인 해마에서 신경세포 형성을 담당하는 신경줄기세포의 수가 미세플라스틱 노출량이 높아짐에 따라 감소하는 양상을 확인하였다.
그림 3. (초)미세플라스틱을 섭취한 모체로부터 태어난 자손 중 암컷의 인지능력 저하
다량의 (초)미세플라스틱을 섭취한 모체에서 태어난 자손이 성체가 된 후, 행동 실험을 통하여 인지능력을 테스트한 결과, 암컷에서 새로운 물체를 인지하는 능력이 대조군에 비해 저하되어 있는 것을 확인하였다.
의학약학 한국생명공학연구원 (2021-12-14)