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미세먼지가 염증성 장(腸) 질환 악화를 유발하는 기전 규명
연구책임자 : 손미영
작성일 : 2023-08-14
조회수 : 784

미세먼지가 염증성 장(腸) 질환 악화를 유발하는 기전 규명
- 2차원 장 상피세포 및 3차원 장 오가노이드를 활용해 염증성 장 질환 환자가 미세먼지 노출 시 장 기능이 저하하는 기전 규명
- 환경 유해인자에 의한 장 기능 저하 치료제 개발 기여 기대

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 줄기세포연구센터 손미영 박사 연구팀이 장 오가노이드를 활용해 미세먼지(PM 10)에 의한 염증성 장(腸) 질환 환자의 소장 기능 저하 기전을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.

 ㅇ 미세먼지에 노출된 장의 변화와 작용기전 확인을 통해 향후 장 기능 저하 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 1급 발암물질로 호흡기질환은 물론 심혈관질환, 신진대사 방해, 생식 이상 등 다양한 질환을 유발하는 것으로 알려진 미세먼지는 주로 호흡기를 통해 흡입되지만, 음식물이나 식수를 통해 체내에 유입되기도 한다. 

 ㅇ 음식을 통해 섭취된 미세먼지는 침, 소화액과 같은 타액에 희석되지만, 일부 유입된 미세먼지가 위나 장 점막으로 흡수되어 혈액을 타고 전신으로 퍼져 염증성 장 질환, 장내 마이크로바이옴 불균형과 같은 위장관계 장애를 유발한다는 연구 결과가 보고되고 있다.
□ 생활 속에서 쉽게 노출되는 미세먼지는 기저질환이 있는 환자들에게 더욱 유해하다고 알려졌지만, 미세먼지와 유관 질병에 관한 연구는 천식, 아토피와 같은 질병에 집중되어 있고 유병률이 급격하게 증가하고 있는 염증성 장 질환 환자에 관한 유해성 연구는 거의 전무한 실정이다.

 ㅇ 기존 장에서의 미세먼지 유해성 연구는 대부분 암 세포주를 활용하고 있지만, 이는 정상 세포가 아닐뿐더러 세포 다양성과 기능성 측면에서 인체와의 유사성이 낮은 한계점을 가지고 있다.

□ 이에 연구팀은 보유하고 있는 인간 전분화능줄기세포 유래 2차원 장 상피세포와 3차원 오가노이드 원천기술을 이용해 염증성 장 질환에서의 미세먼지 영향 연구를 진행하였다.

 ㅇ 이를 통해 미세먼지에 노출된 염증성 장 질환 모델에서는 세포 내 중요한 신호전달 물질 중 하나인 칼슘의 신호전달 체계에 교란이 발생할 뿐만 아니라 단백질 분해와 흡수 기능이 저하하여 질환이 악화한다는 사실을 확인하였다.

□ 연구책임자인 손미영 박사는 “이번 연구성과는 염증 유발 장 질환이 있는 기저질환자에게서의 미세먼지에 의한 장 기능 저하 기전을 새롭게 밝힌 것”이라며, 

 ㅇ 향후 기저질환자에서 나타나는 환경 유해인자에 의한 장 기능 저하를 치료하기 위한 신규 타겟으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다“고 밝혔다.

□ 한편 이번 연구성과는 6월 26일 면역학 분야의 권위지인 Frontiers in immunology(IF 8.787) 온라인 판에 게재되었으며,
    (논문명 : Particulate matter 10 exposure affects intestinal functionality in both inflamed 2D intestinal epithelial cell and 3D intestinal organoid models / 교신저자 : 손미영‧김대수 박사 / 제1저자 : 손예슬 박사, UST생명연캠퍼스 손나은 학생연구원)

 ㅇ 과기정통부 Korea Bio Grand Challenge사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 식약처 첨단 독성평가기술 기반구축사업, KIST 대기환경복합대응연구사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

 
<그림 설명>


그림1. 인간 전분화능줄기세포 유래 2차원 장 상피세포 모델을 통해 미세먼지에 노출된 장의 기능 저하 확인

  (A) 인간 전분화능줄기세포 유래 2차원 장 상피세포 기반의 염증 모델 제작
  (B) 염화칼슘(CaCl2)를 이용해 염증 모델의 칼슘 신호전달 체계를 분석한 결과, 미세먼지 노출 시 세포 내 칼슘 농도의 저하를 통해 칼슘 신호전달 체계에 교란이 발생함을 확인
  (C) 아미노산(Glycyl-L-phenylalanine)을 이용해 염증 모델의 단백질 분해 및 흡수 경로를 분석한 결과, 미세먼지 노출 시 세포 내 아미노산 농도의 저하를 통해 단백질 분해 및 흡수 기능이 떨어짐을 확인



그림2. 3차원 장 오가노이드 모델을 통해 미세먼지에 노출된 장의 기능 저하 확인

  (A) 3차원 장 오가노이드 기반의 염증 모델 제작
  (B) 2차원 장 상피세포 모델에서와 마찬가지로 염화칼슘(CaCl2)를 이용해 염증 모델의 칼슘 신호전달 체계를 분석한 결과, 미세먼지 노출 시 세포 내 칼슘 농도의 저하를 통해 칼슘 신호전달 체계에 교란이 발생함을 확인
  (C) 2차원 장 상피세포 모델에서와 마찬가지로 아미노산(Glycyl-L-phenylalanine)을 이용해 염증 모델의 단백질 분해 및 흡수 경로를 분석한 결과, 미세먼지 노출 시 세포 내 아미노산 농도의 저하를 통해 단백질 분해 및 흡수 기능이 떨어짐을 확인