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표준연, 화장품·식품 첨가 나노물질 독성평가 한계 밝혀

하이거 2022. 12. 4. 19:13

표준연, 화장품·식품 첨가 나노물질 독성평가 한계 밝혀

작성자한국표준과학연구원 작성일자2022-11-10 09:00

 

 



표준연, 화장품·식품 첨가 나노물질 독성평가 한계 밝혀
- 3차원 세포배양시스템을 활용한 나노물질 인체 독성평가법의 결함 최초 확인 -
- 의학·화학·식품 등 분야에서 나노물질 인체 독성평가 정확도 높일 가이드 제공 -


# 피지 분비를 조절해 깔끔한 모공 관리에 도움이 되는 실리카 성분은 화장품에 두루 쓰이는 대표적인 나노물질이다. 이러한 나노물질의 안전성을 평가하기 위해서는 인체 세포가 나노물질에 어떻게 반응하는지 정확히 검증해야 한다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 나노물질이 인체에 미치는 독성을 평가하기 위한 세포배양시스템의 한계를 밝혀냈다.

나노물질은 의학, 화학, 식품 등 다양한 분야에 사용된다. 화장품, 식품 첨가물, 약물 전달체 등에 폭넓게 쓰이는 실리카(이산화규소, SiO2) 성분이 대표적이다. 나노물질이 인체에 축적되면 다양한 질병을 유발할 수 있어 안전성을 확인하기 위한 독성평가가 필수적이다.

나노물질의 독성평가는 동물시험을 통해서도 가능하지만 최근 전 세계적으로 동물시험의 비윤리성을 지적하는 목소리가 커짐에 따라 세포배양시스템을 이용한 평가가 확대되는 추세다. 실제 사람에게서 유래한 세포를 인체와 비슷한 환경에서 배양한 후 여기에 나노물질을 처리해 세포에 미치는 영향을 확인하는 방식이다. 

현재까지는 평면에서 세포를 배양하는 2차원 세포배양시스템이 가장 널리 이용되고 있지만, 인체 유사성이 더 높은 3차원 세포배양시스템의 도입이 빠르게 늘고 있다. 3차원 세포배양시스템은 인체 세포와 이를 둘러싸고 지지하는 세포외기질, 세포의 배양을 돕는 필수 영양소 등으로 구성된다. 줄기세포를 시험관에서 키워 인체 장기의 구조와 기능을 모사한 오가노이드(organoid)가 대표적이다. 

KRISS 안전측정연구소 나노안전팀은 3차원 세포배양시스템에 이용되는 세포외기질이 나노물질의 세포 내 침투를 방해해 정확한 독성평가 결과를 얻기 어렵다는 점을 밝혀냈다. 

연구진은 대표적으로 널리 사용되는 세 가지 세포외기질인 마트리젤, 알지네이트, 콜라겐I을 적용해 3차원 세포배양시스템을 구축하고 여기에 이산화규소를 노출했다. 현미경으로 관찰한 결과 이산화규소가 세포까지 도달하지 못하고 세포외기질에 달라붙는 현상이 확인됐다. 또한 세포외기질의 종류에 따라 독성평가 결과에도 차이가 있음이 밝혀졌다. 

이번 연구는 3차원 세포배양시스템을 이용한 나노물질의 독성평가법의 한계를 밝힌 첫 사례다. 최근 ISO에서 나노물질의 안전성 평가를 위한 표준으로 3차원 세포배양시스템을 이용한 평가법을 신규 개발한 만큼 이를 고도화할 수 있는 이번 성과의 활용도가 더욱 높아질 전망이다.

KRISS 허민범 책임연구원은 “이번 성과는 3차원 세포배양시스템을 이용한 나노물질의 독성평가에 중요한 지표가 될 것”이라며 “KRISS는 이를 발판 삼아 더 정확하고 신뢰할 수 있는 독성평가법을 개발할 예정”이라고 말했다.

과학기술정보통신부 연구기반 혁신사업과 KRISS 기본사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구의 성과는 화학센서 분야의 저명 학술지인 센서스 앤 액츄에이터 비: 케미칼(Sensors and Actuators B: Chemical, IF: 9.221)에 7월 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명


■ 용어 설명

○ 세포배양시스템: 세포배양(Cell culture)은 일반적으로 자연 환경 외부의 통제된 조건에서 세포가 성장하는 과정의 총칭이다. 세포는 살아있는 조직에서 분리된 후에는 신중하게 제어된 조건에서 후속적으로 유지되어야 한다. 이러한 조건은 각 세포 유형에 따라 다르지만, 일반적으로 필수 영양소(아미노산, 탄수화물, 비타민, 무기질), 성장인자, 호르몬, 가스(이산화탄소, 산소)를 공급하는 기질 또는 배지가 있는 적합한 용기로 구성된다. 

○ 세포외기질(extracellular matrix): 세포와 세포 사이의 틈을 메워 물리적으로 조직을 지지하거나 세포를 에워싸서 세포가 튼튼하게 살아가기 위한 환경을 조성하는 생체고분자의 집합체이다. 모든 조직과 기관에 분포되어 있으며, 세포를 포함하지 않기 때문에 '세포외 기질'이라고 불린다.

○ 오가노이드(organoid): 줄기세포를 시험관에서 키워 사람의 장기 구조와 같은 조직을 구현한 것으로 "장기 유사체"라고도 한다. 크기는 수백 마이크로미터(㎛: 1㎛=100만분의 1m)에서 최대 1㎜로 다양하다. 인체 장기의 구조와 기능을 재현할 수 있다. 


■ 지원사업 

 ○ 과학기술정보통신부 연구기반 혁신(나노기술 종합정보 및 정책지원) 사업
 ○ KRISS 기본사업 (첨단의학용 나노바이오소재 유효성 및 안전성 측정기술 개발)


■ 논문 정보

 ○ 저널명: Sensors and Actuators B: Chemical (IF: 9.221)
 ○ 논문명: Variations in in vitro toxicity of silica nanoparticles according to scaffold type in a 3D culture system using a micropillar/microwell chip platform
 ○ 일자: 2022.07.06 
 ○ URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400522009704

붙임2
사진 자료




▲ 세포외기질 3종을 적용한 나노물질 독성평가 결과

3차원 세포배양시스템에 이용되는 세포외기질은 나노물질의 세포 내 침투를 방해하여 세포외기질에 따른 독성 결과의 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다. 마트리젤을 이용한 3차원 세포배양시스템(좌)의 경우 고용량의 나노물질을 주입했음에도 마트리젤의 고유한 구조상 마트리젤 주위에 나노물질이 대부분 달라붙어 세포에 거의 침투하지 못하였으나, 알지네이트(가운데)와 콜라겐I(우)을 사용한 경우에는 실리카 나노물질에 의한 독성이 확인되었다. 


▲ 형광 실리카 나노물질의 투과성 분석 결과

좌측 이미지와 같이 형광 실리카 나노물질을 이용하여 세포외기질의 투과성을 확인할 결과, 마트리젤은 거의 투과되지 못하였고, 콜라겐I과 알지네이트는 구조 내부에서 나노물질을 육안으로 확인할 수 있었다. 특히 알지네이트에서 나노물질의 투과도가 가장 높게 나타났다. 반면 우측 그래프에서 볼 수 있듯 세포 내 침투와 독성에서는 콜라겐I이 가장 높게 확인되었다. 이로써 나노물질의 세포 내 침투에 영향은 투과성이 중요한 역할을 하지만 적절한 투과 깊이에 따라 세포 내 침투의 정도가 달라질 수 있다는 사실을 검증하였다. 


▲ KRISS 연구진이 실험에 사용한 3차원 세포배양시스템


▲ KRISS 김인영 post-doc 연구원이 세포외기질을 이용한 3차원 세포배양시스템을 제작하고 있다


▲ KRISS 허민범 책임연구원이 세포에 나노물질을 노출하고 있다


▲ KRISS 연구진이 나노물질과 세포외기질의 흡착분석 결과를 확인하고 있다
(앞: 허민범 책임연구원, 뒤: 최재원 학생연구원)


▲ KRISS 연구진 (뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 허민범 책임연구원, 이태걸 부원장, 김인영 post-doc 연구원, 최재원 학생연구원)

붙임3
허민범 책임연구원 프로필

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 허민범
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 안전측정연구소 나노안전팀
 ○ 직 위 : 책임연구원
 



2. 경력사항
 ○ 2015 – 2016 한국표준과학연구원 나노안전센터 박사후연구원
 ○ 2016 – 현재 한국표준과학연구원 나노안전팀 책임연구원
 
3. 전문 분야 정보
 ○ 나노안전성 분야 측정표준 확립
 
4. 발표논문 및 특허
 ○ “Variations in in vitro toxicity of silica nanoparticles according to scaffold type in a 3D culture system using a micropillar/microwell chip platform” Sensors and Actuators B: Chemical 369 (2022) 132328.
 ○ 2020년 Particle and Fibre Toxicology, 2020년 Sensors and Actuators B: Chemical 등 SCI 논문 다수  
 ○ "박막이 없는 마이크로 트렌스 웰, 이를 이용한 3차원 배양세포 기반 화합물 투과도, 효능 및 독성 분석방법" 등 국내외 특허 다수