미세 먼지의 질병에 미치는 유해성

1) 미세먼지 정의 및 유해성

미세먼지는 입자의 직경이 10 μm 이하의 일반 미세먼지와(PM10) 2.5 μm 이하의 초미세먼지(PM2.5)로 나누어 질 수 있다[1]. 미세먼지에는 다양한 종류의 성분들이 포함되어 있는데 일반 미세먼지에는 먼지부유물, 흙먼지, 곰팡이 포자, 식물단편 및 여러 금속 산화물들(metal oxides)이 주 성분으로 발원지로부터 약 10 km 정도 이동이 가능한 것으로 알려져 있고, 초미세먼지의 경우 황산염, 질산염, 암모늄, 수소이온, 방향족 탄화수소, 카드뮴, 구리, 아연등이 주성분으로 발원지로부터 최대 1,000 km까지 이동할 수 있는 것으로 보고되고 있다.

일반미세먼지와 초미세먼지는 미세먼지의 입자크기를 기준으로 분류한 것으로 쉽게 부서지기도 하고 입자끼리 합쳐지기도 하기 때문에 일반미세먼지와 초미세먼지에 들어있는 성분의 농도, 종류에 근거하여 인체에 미치는 영향성을 예측하는 것은 어렵다.

석탄 등의 연료의 연소에서 유발되는 미세먼지의 경우 연료의 종류 및 연소의 단계(점화 및 소멸)에 따라서 발생되는 미세먼지의 종류가 틀리며, 호흡기에 미치는 영향성이 각각 틀린 것으로 알려져 있다. 초미세먼지의 경우 작은 입자크기로 인해 일반미세먼지 보다 세포 안으로 쉽게 들어갈 수 있어 호흡기로 들어온 초미세먼지가 심혈관계 및 소화계 등의 다른 조직에까지 영향을 미칠 수 있다고 알려져 있다. 가장 일반적으로 알려져 있는 미세먼지에 의한 질병유발 기작은 산화적 스트레스(oxidative stress)에 의한 세포독성을 들 수 있다.

호흡기로 들어온 미세먼지는 활성 라디칼의 생성을 촉진시켜 허파조직에 산화적 스트레스를 유발하며, p38 및 JNK와 같은 세포내 스트레스 신호전달 분자를 활성화 시키고, NF-kB 및 AP-1와 같은 전사인자의 발현을 증가시켜 IL-1, IL-6 와 같은 염증성 사이토카인(proinflammatory cytokines)의 발현을 유도한다. 이렇게 증가된 염증성 사이토카인은 미세먼지에 노출된 각 조직에서 세포독성을 촉진시키고 다양한 질환을 유도하게 된다.

미세먼지의 유해성으로 인해 각 국가에서는 초미세먼지의 환경기준을 설정하고 있는데 한국의 경우 2018년도부터 연평균 기준을 25 μg/m3에서 15 μg/m3으로, 일평균 기준을 50 μg/m3에서 35 μg/m3으로 미국 및 일본과 같은 수준으로 강화 하였다. 뿐만 아니라 미세먼지의 예보기준(일평균)도 강화하여 미세먼지의 예보기준을 좋음(0~15 μg/m3), 보통(16~35 μg/m3), 나쁨(36~75 μg/m3), 매우나쁨(76 이상 μg/m3)으로 강화하였다.

최근 경제협력 개발기구(OECD)에서 발표한 2017년도 국가별 연평균 초미세먼지 농도를 비교하면 한국은 25.14 μg/m3 수준으로 OECD평균 농도(12.5 μg/m3)의 2배 이상의 수치를 보였으며, 이는 한국이 OECD국가중 최고수준의 초미세먼지가 발생하는 국가라는 점을 시사하고 있다. 많은 연구결과에서 미세먼지의 증가는 인간의 수명과 직접적인 영향성이 있는 것으로 보고되고 있다. 실제적으로 단위면적당(m3) 초미세먼지 농도가 10 μg 증가할 경우에 사망에 이를 수 있는 위험도가 1.4~2.7% 증가하는 것으로 보고되고 있어 한국의 경우 장기적으로는 미세먼지에 의한 질환 발생 및 사망률이 급속히 늘어날 가능성이 높다고 판단된다.

2) 미세먼지 유해성 검증 시험법

여러 질병모델 시스템(세포주 및 동물질환모델)에 처리되는 미세먼지는 미세먼지 샘플러를 이용하여 대량으로 포집된 후 건조하여 사용된다. 미세먼지 샘플러에는 일반 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5)를 선택적으로 포집 할 수 있는 필터를 장착할 수 있으며, 목적에 맞게 필터를 교체하여 수집할 수 있다. 미세먼지는 24시간 동안 분당 10~100 l의 공기를 필터에 흐르게 하고, 부착된 미세먼지를 24시간 동안 약 50°C에서 건조시킨 후 물속에서 초음파 분쇄기(sonicator)를 이용해 약 6~8시간 동안 분리 한다.

분리된 미세먼지는 원심분리 후 동결건조를 통하여 분말화 한다. 분말화 된 미세먼지는 0.85% 염화나트륨(NaCl) 용액을 넣어 적정 농도의 미세먼지 용액을 만들어 -20°C 냉동고에 보관하여 향후 실험에 사용한다.이렇게 수집된 미세먼지는 질환별 세포주 모델을 이용하여 미세먼지와 질환의 연관성을 검증하는데 사용한다.

호흡기 질환의 경우 인간 폐 기관지 상피세포주 BEAS-2B 및 16HBE가 미세먼지와 호흡기 질환연관성을 밝히기 위한 in vitro 실험에 많이 사용되며, 미세먼지와 심혈관 질환의 연관성을 연구하기 위해서는 HUVEC 및 EA.HY926 등의 인간 내피세포주(endothelial cells)를 이용하여 미세먼지의 독성 및 염증반응을 검증하며, 미세먼지에 의한 면역 염증반응의 연구에는 주로 마우스 대식세포인 RAW 264.7 세포주가 많이 사용된다. 미세먼지에 의한 질환 연관성을 규명 하기 위해서는 적절한 동물질환모델을 구성하여 동물모델에 직접 미세먼지를 처리하여 질환의 진행 여부를 검증하게 된다.

이를 위한 미세먼지 처리법에는 기관지주입법(intratracheal instillation), 코흡입법(intranasal inhalation), 및 전신노출흡입법(whole body in-halation)이 사용 되고 있다. 기관지주입법은 주사기를 이용하여 기도 혹은 기관지에 미세먼지를 직접 주입하는 방법으로 호흡기 독성평가를 할 때 가장 널리 사용되는 방법이다. 기관지주입법은 다른 방법들에 비해 가장 효과적으로 미세먼지의 유해성을 확인할 수 있는 장점이 있으나, 미세먼지를 인위적으로 기관지 내에 다량 주입하는 것이기 때문에 자연환경에서 미세먼지에 노출되는 생리학적 환경과는 차이가 있다는 단점을 가지고 있다.

코흡입법은 기관지주입법에 비해 생리학적 환경에 더 가까운 방법이라 할 수 있다. 코 안쪽 벽은 혈관이 잘 발달 되어 있는 얇은 점액질로 둘러 쌓여져 있어 흡입된 미세먼지가 쉽게 상피세포에 자극을 줄 수 있고 세포안으로 들어갈 수 있어 미세먼지에 의한 체내 영향성을 평가하는데 적합한 방법이라 사료된다. 하지만 코 안쪽의 적은 면적으로 미세먼지를 처리할 수 있는 양에 한계가 있는 단점이 있으며, 흡수되는 양의 차이가 있어 동물실험에서 그룹간 처리한 양의 차이가 클 수 있는 단점이 있다.

전신노출흡입법은 생리학적 환경과 가장 가까운 동물실험법이라 할 수 있다. 실험동물이 사육되고 있는 챔버에 미세먼지가 포함된 공기를 지속적으로 공급하여 호흡기를 통해 자연스럽게 미세먼지가 체내에 들어가게 하는 처리법으로 생리학적 환경과 가장 가깝다는 장점이 있으나 챔버에 지속적으로 미세먼지를 공급할 수 있는 시설 및 공간이 필요하고 기관지 주입법 및 코흡입법에 비해 장기간 실험을 해야 미세먼지의 영향성을 확인할 수 있다는 단점이 있다.

각각의 동물시험법이 장단점을 갖고 있지만 많은 연구보고에서 미세먼지가 여러 질환에서 미치는 영향성을 평가하기 위해 기관지주입법, 코흡입법 및 전신노출흡입법이 목적에 맞게 선택되어 사용되고 있으며(Table 1) 미세먼지의 유해성을 밝히기 위해서는 위의 동물시험법을 이용하여 다양한 질환에 미치는 영향성을 규명하는 것은 필수적인 부분이라 판단된다.

3) 미세먼지와 당뇨병

호흡기로 들어간 초미세먼지가 세포 내로 들어가 혈관을 통해 체내로 전달 될 수 있다는 사실이 알려지기 시작하면서 대사증후군에 있어서 초미세먼지의 영향성에 대한 연구가 급속히 증가되고 있다. 당뇨병은 대표적인 대사질환 중 한가지로 선천적으로 인슐린의 분비가 이루어지지 않아 체내의 과도한 혈당의 증가가 나타나는 제1형 당뇨병과, 인슐린의 분비가 정상적으로 이루어지나 체내 세포에서 인슐린을 인식하지 못하는 인슐린 저항성이 나타나 체내 혈당의 증가와 함께 여러 2차 질환을 유발하는 제2형 당뇨병으로 나누어 질 수 있다.

4) 미세먼지와 심혈관 질환

초미세먼지는 세포안으로 들어가 혈관을 통해 다른 조직으로 이동될 수 있다. 이러한 과정 중에 초미세먼지는 혈관에 부착되어 심혈관 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 심혈관 질환으로 인한 사망률에도 높은 연관성이 있는 것으로 알려졌다[21, 39]. 혈관질환을 연구하기 위해서는 지질단백질의 순환에 중요한 apolipoprotein E (APOE) 단백질 결손 마우스가 많이 사용된다. APOE 단백질은 혈중 지질에 부착되어 혈관벽의 저밀도 지질단백질 수용체(low-density lipoprotein receptor, LDLR)에 의한 혈중 지질의 세포내유입에 중요한 역할을 수행한다.

따라서 APOE 단백질에 문제가 생겼을 경우 지질의 혈관벽 침착으로 인해 동맥경화 등 심각한 심혈관 질환이 발생되는 것으로 알려져 있다. APOE 결손 마우스에 초미세먼지를 처리하였을 경우 건강한 상태일 때의 심박변이도(heart rate variability)가 감소하는 현상이 나타나며[21], 심장에 산화스트레스를 유도하는 visfatin의 분비를 유도하는 것으로 보고되었다. 또한 초미세먼지의 과도한 노출은 심장근육에 혈류를 공급하는 관상동맥의 혈관확장 및 수축에 관여하는 endo-thelin B와 endothelin A수용체의 발현을 증가시키는 것으로 알려졌으며 주요 작용 분자로 IkB kinase (IKK)/NFkB 혹은 MEK/ERK1/2 신호전달 체계가 초미세먼지에 의한 심혈관 질환 조절에 관여하고 있는 것으로 보고되었다.

위의 연구결과들은 초미세먼지에 과도하게 노출되었을 경우, 심혈관질환은 더 악화될 수 있다는 점을 공통적으로 시사하고 있다. 아직 초미세먼지와 심혈관 질환 연관성에 있어서 정확한 타겟 분자의 정의 및 구체적인 작용기작에 관한 연구는 더 필요하나 심혈관질환으로 고생하고 있는 환자의 경우 초미세먼지에 노출을 최대한 줄이는 것은 꼭 필요하다고 판단된다.

5) 미세먼지와 면역질환

인간의 건강을 해치는 미세먼지의 가장 큰 영향은 면역교란 이라고 해도 과언이 아닐 정도로 미세먼지를 처리했을 경우에 염증성 면역반응이 증가하는 현상은 다양한 세포주 실험을 통해 쉽게 확인 할 수 있다. 초미세먼지에는 흙속에 포함되어 있는 코발트(Co), 구리(Cu) 등의 금속원소 뿐만 아니라 염증성 면역반을 유도할 수 있는 많은 성분들이 포함되어 있어 대식세포(macrophage)에 처리를 하였을 경우 염증성 면역반응이 쉽게 관찰된다.

실제로 초미세먼지를 마우스 대식세포인 RWA 264.7 세포에 처리하였을 경우 항염증성 사이토카인(proin-flammatory cytokines)및 산화질소(nitric oxide, NO)의 생성을 촉진시켜 세포의 사멸을 유도하는 것으로 보고되었고, 활성산소(reactive oxygen species, ROS)의 분비를 유도하여 폐 대식세포의 자가소화(autophagy)현상을 촉진하는 것으로 알려졌다[19]. 뿐만 아니라 초미세먼지는 알러지성 염증반응을 촉진하는 것으로 알려졌는데, ovalbumin으로 자극시킨 마우스에 초미세먼지의 처리는 type 2 helper T cell 연관 면역반응 활성화를 유도하여 천식 질환을 촉진시키는 것으로 보고되었다.

최근에는 호흡기를 통한 미세먼지의 면역교란 현상과 더불어 미세먼지에 오염된 물 혹은 음식물을 섭취하는 것에 의한 미세먼지의 영향성에 대한 관심이 높아지고 있다[9, 29]. 실제로 소화기로 들어간 초미세먼지는 소장에서 항염증성 사이토카인의 분비를 촉진하고 장상피세포 상호작용을 약화시켜 장관벽 투과성(gut permeability)을 증진시키는 결과가 보고되었으며, 비만, 당뇨등의 많은 대사성 질환의 조절자로 알려진 장내미생물 균총을 변화시키는 것으로 보고 되었다

6) 결 론

사회의 급속한 발달 및 도시화로 미세먼지는 지속적으로 발생될 가능성이 높으며, 미세먼지의 직경이 2.5 μm 이내의 초미세먼지는 호흡기로 들어와도 세포내부를 통과하여 체내 다른 조직으로 이동이 가능하다. 다른 조직으로 이동한 초미세먼지는 심혈관 내피세포, 장상피세포에 산화스트레스 등 다양한 자극을 유도하며 심혈관질환, 장관면역 저하 및 대사질환을 유도한다.

많은 연구보고에서 초미세먼지의 심각성을 제시하고 있으며, 초미세먼지를 기관지주입, 코흡입 및 전신노출흡입법을 이용해 실험동물에 직접 처리하여 여러 질환에 미치는 초미세먼지의 유해성을 규명하고 있으나 아직 구체적인 분자 작용기작에 관한 연구는 더 필요하다고 판단된다. 더욱이 미세먼지에 의한 유해성을 특이적으로 억제할 수 있는 소재개발에 관한 연구는 많이 부족한 실정이다. 따라서 근본적으로 미세먼지의 발생을 줄이고자 하는 국가적 노력과 함께, 미세먼지에 의한 질환유도를 특이적으로 억제 및 예방할 수 있는 소재개발에 대한 국가적 지원과 노력이 지속적으로 필요하다고 판단된다.

From : Journal of Life Science 2020 Vol. 30. No. 2. 191~201(Harmfulness of Particulate Matter in Disease Progression)