초미세먼지 흡입과 나노입자 안전성 평가에 관한 착안점 제공
환경과학 분야 상위 5% 학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’에 논문 게재

[왼쪽부터] 동아대 조완섭 교수, 정지영 박사, 김송연 박사과정생, 인하대 허윤석 교수

동아대학교(총장 이해우)는 의약생명공학과 조완섭 교수 연구팀이 초미세먼지에 함유된 산화철 나노입자가 흡입 후 폐에서 전혀 예상하지 못한 새로운 입자로 변환되고, 이로 인해 폐에서 빠져나가지 못하는 것에 관한 기전을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구는 식품의약품안전평가원과 한국연구재단 지원을 받아 조완섭 교수 연구팀(정지영 박사, 김송연 박사과정생)과 인하대 허윤석 교수가 공동으로 진행했으며, 환경과학 분야 상위 5% 학술지 ‘Journal of Hazardous Materials(IF 11.3)’ 8월호에 게재됐다.

도시화와 산업화로 인해 대기 중 초미세먼지에는 산화철 형태의 철 입자가 다량 포함돼 있으며, 이러한 초미세먼지 흡입은 다양한 급성 및 만성 호흡기 질환 발생 위험을 높인다. 지금까지 초미세먼지가 폐 염증을 유발하고 만성 호흡기 질환으로 진행될 수 있다는 사실은 잘 알려져 있으나, 폐 내에 유입된 초미세먼지가 물리·화학적 특성이 전혀 다른 새로운 입자로 전환될 수 있다는 점은 규명되지 않았다.

동아대 조완섭 교수 연구팀은 초미세먼지를 흡입하면 폐 내 청소를 담당하는 선천면역 세포인 ‘폐포 대식세포’에 먼지가 탐식 돼 유입될 때, 세포 내 산성 조건을 포함한 가혹적인 조건에서 입자 변환이 발생한다는 것을 규명했다.

또한 초미세먼지 성분 중 산화철 나노입자는 폐포 대식세포에 탐식 되면 나노입자가 천천히 침식돼(입자가 화학반응이나 마찰로 표면이 조금씩 깎여나가고 녹아 없어지는 현상), 수 나노미터 크기의 새로운 산화철 입자로 변환된다는 것을 확인했다.

핵심 연구 결과. 산화철 나노입자가 함유된 초미세먼지의 흡입으로 폐포 대식세포가 입자를 탐식하면 세포 탐식소체 내의 산성조건과 산화스트레스로 인해서 나노입자의 침식이 발생한다. 침식 과정은 수개월에 걸쳐 반복 발생하고, 폐 내에 수 나노미터 크기의 입자로 변환되기 때문에 예측된 폐 내 잔류 기간보다 훨씬 길어지고 90일이 지나도 40%의 철이 남아 있는 과도한 축적 현상이 발생한다.

이로 인해 폐에서 녹아 없어져야 하는 산화철 나노입자는 훨씬 작은 무수히 많은 나노입자들로 만들어지고, 폐 내에서 수개월이 지나도 제거되지 않는 결과를 밝혔다.

산화철 나노입자의 생체 변환 연구 결과. 투여 직후 입자의 형태가 시간이 지날수록 수 나노미터의 무수히 많은 입자로 만들어짐으로써, 폐에서 제거되지 않는 현상을 규명했다. 산화철 나노입자를 쥐의 폐에 노출하고 경시적으로 폐 내의 입자를 회수한 뒤에 전자현미경으로 관찰한 사진으로, 처음 수십 나노미터 크기의 입자(투여 직후)가 수 나노미터 크기 입자로 시간이 지나면서 변환되는 것을 보여준다.

연구팀은 변환된 산화철 나노입자가 생물학적 반응성이 낮아 세포에 독성이 더 낮은 물질이며, 천천히 생체 내에서 철 성분으로 이용되는 것을 확인했다.

조완섭 교수는 “이번 연구는 반복적으로 흡입되는 초미세먼지가 폐 내에 축적되는 특성으로 인해 다양한 폐질환과 동맥경화 등 2차 장기 질환을 유발할 수 있기 때문에 폐 내에서 생체 변환을 통해 축적성이 더 커지는 산화철 같은 입자들이 이런 질환을 더욱 악화시킬 수 있다는 것을 시사하고 있다”며 “초미세먼지 및 나노입자의 독성과 의약품 등의 응용 연구 분야에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com