건조 원인은 점막의 세포가 뮤신을 세포 밖으로 분비하지 못해
국립생물자원관, 아프리카발톱개구리 대체해 자생 무당개구리 이용 연구
환경부 소속 국립생물자원관(관장 배연재)은 자생 무당개구리 배아를 이용한 연구를 통해 미세먼지 발생 시 기관지 점막세포의 단백질성 점액물질인 뮤신 분비가 감소하는 이유를 최근 확인했다고 밝혔다.
※ 뮤신(mucin) : 기관지 등의 점막에서 분비되는 단백질성 점액 물질로 기관지 내부가 건조해지는 것을 막는 역할을 함
포유류, 양서류 등 호흡을 하는 동물의 경우 기관지에서 뮤신 분비가 감소하면 기관지가 건조해진다.
국립생물자원관과 울산과학기술원 박태주 교수 연구진은 2017년부터 최근까지 자생 무당개구리를 이용하여 미세먼지로 인한 기관지 건조 원인을 연구했다.
연구진은 자생 무당개구리 배아에 대형 경유엔진에서 배출하는 초미세먼지(PM2.5) 및 미세먼지(PM10)를 50~100µg/ml 농도로 주입하여 배아 점막에서 뮤신을 분비하는 배상세포의 변화를 관찰했다.
※ 배상세포(goblet cell) : 호흡기 상피조직의 포도주잔 모양의 세포로 점막을 보호하기 위해 뮤신과 같은 점액질을 분비함
연구 결과, 배아 점막에서 뮤신 분비가 대조군(비처리군) 대비 20~40% 줄어들었으며, 그 원인은 배아 점막의 배상세포가 뮤신을 세포 밖으로 분비하지 못하고 세포 안에 쌓아놓기 때문으로 확인했다.
이번 연구에 자생 무당개구리 배아를 사용한 이유는 자생 무당개구리 배아 표피 점막이 사람의 기관지 점막과 비슷하기 때문이다.
또한, 무당개구리 배아와 세계적으로 많이 활용하는 외래종 아프 리카발톱개구리의 뮤신 감소 현상이 거의 유사하게 나타나 대체해 사용할 수 있었다.
※ 아프리카발톱개구리(Xenopus laevis) : 실험동물 및 애완동물로 판매되고 있으며, 생태교란종의 위험이 있어 환경부 ‘위해 우려종’으로 지정(환경부고시 제2015-228호, 2015.12)
※ 국립생물자원관 보도자료 ‘자생 무당개구리, 호흡기 치료물질 연구에 이용(2018.3.8.)’
연구진은 항산화물질로 잘 알려진 토코페롤(α-Tocopherol), 트롤록스(Trolox), 아세틸시스테인(N-acetyl cysteine)을 자생 무당개구리 배아에 미리 주입한 후, 미세먼지에 노출시켜 배아의 뮤신 분비를 측정했다.
그 결과, 항산화 물질을 미리 주입한 배아에서는 미세먼지에 의한 뮤신 분비 감소가 거의 일어나지 않았다. 연구진은 항산화 물질이 뮤신 감소 억제 역할을 하고 있음을 확인하고, 자생생물 중에서 호흡기질환에 유효한 물질을 탐색하는 연구를 추진하고 있다.
이번 연구 결과는 세계적 국제학술지인 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 4월 중순 게재될 예정이다.
배연재 국립생물자원관장은 “미세먼지에 의해 기관지 점막이 건조해지는 원인을 자생 무당개구리를 이용하여 최초로 밝힌 것은 큰 의미가 있으며, 향후 무당개구리 배아를 이용하여 천식 치료제 개발 등의 연구를 추진할 예정”이라고 밝혔다.
무당개구리 배아 이용 미세먼지 호흡기질환 연구 모식도
□ 무당개구리 배아 이용 호흡기 점막세포 실험 모식도
* 자생 무당개구리 배아 이용 미세먼지에 의한 뮤신분비 저감 원인 구명
** 자생 무당개구리 배아 이용 미세먼지에 대한 호흡기질환 유효물질(예, 항산화제) 탐색
[ 그림 1. 무당개구리 배아를 이용한 뮤신분비 측정 과정 ]
미세먼지가 주입된 무당개구리 배아 연구 결과
무당개구리와 아프리카발톱개구리 배아에 50~100 µg/ml 미세먼지(PM2.5 및 PM10) 주입 후, 배상세포의 뮤신 분비량을 관찰한 결과
무당개구리 배아 점막의 배상세포에 뮤신을 운반하는 소낭이 축적되어 뮤신분비가 대조군대비 20~40% 감소(그림2)
※ 소낭: 세포의 생산물, 부산물, 배설물 등을 저장하고, 운송하며, 소화하는 세포소기관
※ 미세먼지 주입에 따른 배상세포 내 소낭 수 증가 확인(빨간색 화살표)
[ 그림 2. 무당개구리 배아에 미세먼지 주입 후 배상세포 관찰 결과 ]
아프리카발톱개구리 배아 점막의 배상세포에서도 뮤신을 운반하는 소낭이 세포 내 주입되어 무당개구리 배아에서와 유사하게 뮤신분비 감소(그림 3)
※ 미세먼지 주입에 따른 배상세포 내 소낭 수 증가 확인(빨간색 화살표)
[ 그림 3. 아프리카발톱개구리 배아에 미세먼지 주입 후 배상세포 관찰 결과 ]
무당개구리 배아에서 미세먼지에 따른 뮤신 감소에 대한 항산화물질의 유용성 분석 결과
세 가지 항산화물질(α-Tocopherol, Trolox, N-acetyl cysteine)을 자생 무당개구리 배아에 미리 주입한 후, 미세먼지에 노출시켜 뮤신분비를 분석한 결과, 항산화물질인 α-Tocopherol이 무당개구리 배아에서 미세먼지에 의한 뮤신분비 감소를 막아내는 효능 확인(그림 4)
[ 그림 4. 무당개구리 배아에 항산화물질 주입 후 뮤신분비 분석결과 ]
질의/응답
1. 미세먼지는 우리 몸에 어떻게 영향을 미치나요?
❍ 미세먼지는 입자의 지름이 보통 10㎛이하로, 이 작은 입자들이 사람의 코, 구강 그리고 기관지에서 걸러지지 않고 그대로 폐에 들어갈 수 있으며, 기관지에 미세먼지가 쌓이면 가래와 기침이 잦아지고 기관지 점막이 건조해지면서 세균이 쉽게 침투할 수 있어 폐렴 등 감염성 질환의 발병률이 증가합니다.
❍ 특히 2.5㎛이하의 초미세먼지(PM2.5)는 몸에 더 잘 축적이 되며 폐포를 통과하여 혈액을 통해 전신에까지 퍼져 심혈관계 및 폐조직에 심혈관질환 및 폐암과 같은 심각한 질환을 유발할 수 있다고 알려져 있습니다.
※ 참고: 대한한방내과학회지(‘19년 6월)
2. 우리나라에서 자생하는 양서류 중, 무당개구리를 이번 연구에 사용한 이유는 무엇인가요?
❍ 연구진은 2018년에 양서류 배아 표피의 점막이 인간의 기관지 점막과 유사한 점에 착안해, 무당개구리, 참개구리, 북방산개구리, 계곡산개구리, 한국산개구리 등 총 5종의 자생 양서류를 대상으로 배아의 뮤신분비 실험 적합성을 분석하였습니다.
❍ 그 결과, 무당개구리 배아가 다른 자생 양서류보다 배아의 뮤신 측정이 쉬운 피부 상피조직을 지니고 있음을 확인하여 이번 연구에 사용하였습니다.
3. 이번 연구 결과는 어떠한 의미가 있고, 어떤 분야에 활용할 수 있나요?
❍ 이번 연구 결과는 자생 무당개구리 배아를 이용하여 미세먼지에 의한 기관지 뮤신분비 저감 원인을 처음으로 밝힌 것에 그 의의가 있으며, 향후 미세먼지에 의한 호흡기질환 치료물질 개발에 활용될 수 있음을 확인하였습니다.
4. 뮤신은 어떤 역할을 하나요?
❍ 우리 몸은 기도, 폐, 코, 소화기관과 다른 많은 장소에서 점액을 생산하여 몸속의 기관을 보호하는데, 점액 성분 대부분이 당단백질*인 뮤신으로 구성되어 있습니다.
*당이 단백질과 공유결합한 복합단백질
❍ 특히 호흡기관에서 분비되는 뮤신은 기관지 내부가 건조해지는 것을 막을 뿐만 아니라 세균 및 바이러스와 같은 병원체의 감염을 막아 우리 몸을 보호해주는 역할을 하여, 만약 뮤신분비가 비정상적으로 일어날 경우, 천식, 폐렴 등의 원인이 되기도 합니다.
5. 어떤 후속연구를 계획하고 계신가요?
❍ 항산화물질이 뮤신분비 감소를 억제하는 효과가 있다는 연구결과로 부터 자생생물 중에서 호흡기질환에 유효한 물질을 탐색하는 연구를 추진 중에 있습니다.
❍ 또한, 무당개구리 배아를 이용하여 천식 치료제 개발 모델 연구를 추진 중입니다.
전문용어 설명
❍ 뮤신(mucin) : 호흡기 및 소화기관의 점막조직에 존재하는 점액질의 주요 구성성분으로 그물구조를 형성하여 젤과 같은 점액질의 점성을 유지시킨다.
❍ 배아(embryo) : 일반적으로 ‘배아’라 함은 접합체가 발생을 시작하여 완전한 개체를 형성하기 전까지의 발생 초기 단계를 일컫는다. 개구리의 경우, 수정란이 생긴 이후부터 세포의 분화와 발달단계를 거쳐 모든 기관이 형성되어 하나의 개체(올챙이)로 볼 수 있는 단계까지를 말한다.
❍ 배상세포(goblet cell) : 호흡기 상피조직에서 포도주잔 모양의 세포로 주된 기능은 점막을 보호하기 위해 뮤신과 같은 점액질의 구성성분을 분비한다. 배상세포의 역할에 이상이 생기면 천식, 만성 폐쇄성 폐질환등의 호흡기질환이 생긴다.
❍ 항산화물질(antioxidant) : 산화작용을 갖는 물질의 작용을 차단하거나 억제하는 물질로, 이번 연구에서는 이미 알려진 α-Tocopherol, Trolox, N-acetyl cysteine을 사용하였으며, 이러한 항산화물질은 우리 몸 안에서 생기는 활성산소를 무독화함으로써 세포의 손상이나 노화를 막아준다.
