국내 연구진이 3차원 홀로토모그래피(3D-HT)* 와 다중오믹스(Multi-omics)*  분석기술을 결합한 독창적인 멀티모달 분석법을 개발해, 미세먼지에 노출된 대식세포*에서 지질대사 변화와 염증 활성화 간 연계 메커니즘을 규명했다.

이번 연구는 환경유해인자에 의한 염증 지속 기전을 밝혀낸 성과로, 향후 염증 완화와 치료 전략 개발은 물론 생체 내 유해인자 모니터링 기술 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

 한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI) 이성수 박사 연구팀과 황금숙 박사 연구팀, 그리고 전남대학교(총장 이근배, 이하 전남대) 동물공학과 김성학 교수 연구팀은 미세먼지(Particulate Matter, PM)가 대식세포의 지질대사를 재편성해 ‘랜즈사이클(Lands cycle)*’ 이라 불리는 인지질 재구성 경로를 과활성화시키고, 이를

▲왼쪽 아랫줄부터 전남대 김성학 교수,               통해 염증 반응을 지속 유도함을 규명했다. 

KBSI 황금숙 박사, 이성수 박사  윗줄 KBSI 박정원 연구원, 이주은 박사

이번 연구에는 KBSI 황금숙 박사, 이성수 박사, 전남대 김성학 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 3D-HT와 다중오믹스 분석을 결합함으로써 환경유해인자에 의한 세포 지질대사 교란 과정들을 실시간·정량적으로 입증했다.

연구팀은 표준 미세먼지 모델 을 이용해 생쥐 대식세포(RAW264.7, Mφ)를 관찰한 결과, 세포 내부로 유입된 미세먼지가 축적되면서 지질 방울(Lipid droplet)*이 함께 형성되는 현상을 확인했다. 이러한 변화는 미세먼지가 세포 구조와 대사 균형을 무너뜨린다는 사실을 영상으로 입증한 첫 사례로 미세먼지의 독성을 시각적으로 보여준다. 또한, 염증 활성 표지자(CDg16)와 지질 방울 염색(BODIPY)을 활용한 실시간 정량 분석 결과, 염증이 먼저 활성화되고 이후 지질 방울이 축적되는 순차적 세포 반응이 관찰되었다. 이를 통해 염증과 지질대사 사이의 연계성을 실시간 영상으로 규명했다.

 기존의 3차원 홀로토모그래피(3D-HT) 기술은 세포의 형태 변화나 외부 미세입자가 세포 안으로 들어오는 과정을 관찰하는 데는 유용했으나, 세포 내 대사 반응이나 세포소기관의 미세한 변화를 정량적으로 분석하기에는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 3D-HT기술에 다중오믹스 분석(지질체·전사체 분석)을 결합한 새로운 멀티모달 분석법을 개발했다. 그 결과, 지질체 분석에서 총 234종의 지질이 동정되었으며, 아라키돈산(arachidonic acid)* 등 염증 관련 지질 대사체가 약 2~3배 증가하였다. 또한 전사체 분석에서도 포스포리파아제 * 를 비롯한 랜즈사이클 관련 유전자의 발현이 최대 4~6배 이상 뚜렷하게 상승하였으며, 염증 관련 유전자(Tnf, Ccl2, Ptgs2 등) 의 발현도 동반 증가함을 확인했다. 이는 미세먼지 노출이 PLA2 효소를 활성화시켜 인지질을 분해하고, 염증 매개물인 프로스타글란딘(Prostaglandin E2, PGE2)* 등을 과도하게 생성하도록 유도했기 때문이다.

 또한, 형광 인지질 기질(PC-A2, PED-A1)*을 이용한 실시간 영상 분석 결과, 리소인지질(Lysophopspholipid)* 와 자유 지방산의 형광 신호가 약 1.5~2배 증가했으며, PLA2 억제제 처리 시 PGE2 생성이 40~50% 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해 PLA2-Lands cycle이 미세먼지 유발 염증의 핵심 경로임을 입증했다.

 이번 연구는 미세먼지가 단순 독성 입자가 아니라, 세포의 지질대사 회로를 교란해 염증을 지속시키는 새로운 세포 내 기전을 제시한 것이다. 이는 장기간 미세먼지 노출이 만성 염증성 및 대사질환으로 발전할 수 있는 과정을 설명할 수 있는 근거를 최초로 제시한 성과로, 환경 오염물질이 세포 수준에서 인체 면역반응과 대사 변화를 어떻게 유도하는지를 규명했다는 점에서 의의가 크다.

 특히, 비표지(label-free) 세포 영상기술과 다중오믹스 분석을 결합한 통합 연구전략을 제시함으로써, 환경 독성·암·대사질환 등 다양한 분야의 세포 대사 기반 바이오마커 발굴에 새로운 길을 열 것으로 기대된다.

 KBSI 이성수 박사는 “3차원 홀로토모그래피와 다중오믹스를 결합해 살아있는 세포의 염증 경로를 실시간으로 규명한 첫 사례”라며 “이 기술은 향후 환경유해입자 독성평가와 염증성 질환 연구에 폭넓게 활용될 것”이라고 밝혔다. 

 KBSI 황금숙 박사는 “이번 성과는 미세먼지가 인체 세포의 지질대사체계를 교란해 염증을 유발하는 과정을 정량적으로 규명한 결과”라며 “KBSI는 국민 건강과 직결된 미세먼지, 미세플라스틱, 중금속 등 환경유해인자 연구를 분석과학의 힘으로 지속해 나가겠다”고 밝혔다.

 본 연구는 한국연구재단(NRF) 기초연구실지원사업, 과학기술사업화진흥원 국산연구장비기술경쟁력강화사업, KBSI 주요사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 환경 및 독성 분야의 세계적 권위 국제학술지 'Journal of Hazardous Materials' (IF: 12.2, JCR 상위 5%) 10월 5일자 온라인 게재되었다. 

그림1. 논문 그림 초록

그림2. 초록3차원 홀로토모그래피 활용 미세먼지 노출된 대식세포 확인