건국대학교 동물생명과학대학 줄기세포재생생물학과 김진회 교수 연구팀이 일상생활에서 광범위하게 사용되는 ‘다양한 나노입자(engineered nanoparticles, ENP)가 인간의 생식에 미치는  ‘유해성과 작용기전’을 정리한 총설(叢說) 논문을 생식의학 분야 최고 권위의 국제 저널인 ‘휴먼 리프로덕션 업데이트’(Human Reproduction Update)지 (Impact Factor: 11.194, 산부인과학(Obsterics & Gynecology) 분야 80편 중 1위(상위 1.25%))’ 최신호(2016년 7월 6일)에 발표했다. 

나노입자(ENP)는 100 나노미터 이하로 특별히 제작된 나노입자로 냉장고, 세탁기, 각종 식품의 포장재 등의 성능을 향상시키기 위해 일상생활에서 또는 산업적으로 광범위하게 사용되고 있으며, 세포 보다 작은 크기로 인해 쉽게 세포막을 투과할 수 있는 특징을 가지고 있다. 다양한 동물실험을 토대로 ENP는 우리 몸의 호흡기, 피부, 구강 등의 이동경로를 통해 체내 축적이 가능하고, 체내에 축적된 ENP는 세포나 조직에 산화 스트레스, 염증반응, 유전자 변형 및 세포사멸을 야기 시킨다는 보고가 있다. 나노독성 연구는 공학적으로 제어된 나노입자의 위해성과 위험성을 인식하고 이를 정확히 평가함으로써, 인체에 유해한 물질을 안전한 물질로 개량하는데 목적이 있다. 

건국대 연구팀(제1자자 조이딥 다스(Joydeep Das)박사, 제2저자 최윤정 박사, 제3저자 송 혁 교수, 교신저자 김진회 교수)은 이번 총설 논문에서 나노입자(ENP)가 정자와 난자를 생산하는 정소와 난소에 유입되는 경로와 생식소에 유입된 ENP가 정자와 난자 생산에 미치는 독성학적 영향을 자세히 설명했으며, 더 나아가 임산부가 ENP에 노출되었을 때 태반을 관통하여 태아 까지도 전달 될 수 있는 기전을 제시해 주목 받고 있다. 

인체로 유입된 ENP는 정소와 난소로 침투하여 정소에서 정원세포의 증식을 억제하고, 남성호르몬인 테스토스테론의 양을 감소시킴은 물론 발달 중인 정자세포의 사멸을 촉진 시키거나 정자세포로 까지 침투하여 정자세포의 유전자 변형도 촉발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.(그림 1) 

또 성숙된 정자의 수정에 반드시 필요한 첨체반응 능력을 감소시키고 최종적으로 수정 능력을 약화시켜 불임과 난임을 초래할 수 있는 것으로 밝혔졌다.(그림 2) 

연구팀은 혈액을 통해 난소에 유입된 ENP는 난소 내에서 다양한 산화 스트레스와 염증반응을 일으키며 난자의 발육에 필수적인 과립세포와 협막세포의 사멸을 촉진하며, 여성호르몬인 에스트로겐 합성을 저해해 난포퇴행을 유도하거나 난자의 성장과 배란에 필요한 유전자 발현을 변형 시킨다고 보고했다.

BTB: blood-testis barrier(혈관과 세정관 사이의 장벽), NP: nanoparticle(나노입자), ROS: reactive oxygen species(활성 산소군), SSC: spermatogonial stem cells (정원줄기세포), TJP: tight junction protein(세르톨리세포 사이의 연결 단백질) 

인간의 생식에 악영향을 미치는 ENP가 임산부에게 노출되면, 태아와 연결된 산모 세포에서 산화 스트레스와 염증반응이 증가하고 임신을 유지시키는 내분비 호르몬의 교란이 일어난다. 이러한 영향은 고스란히 태반으로 전달돼 태반의 이상을 유도하고 되고 결론적으로 비정상적인 태아 성장을 일으킬 수도 있다는 결론을 도출해 냈다. (그림 3) 

건국대 김진회 교수는 “일상생활과 산업계에서 광범위하게 사용되는 ENP는 주로 산화 스트레스, 염증반응, 유전자 손상을 통해 생식에 나쁜 영향을 미칠 수 있다”고 경고하고, “항산화제와 염증완화 약물, 금속 중화제 등을 사용하면 이러한 악영향을 일정 부분 감소시킬 수 있고, ENP를 제작할 때 표면에 코팅제를 처리하면 체내에 축적되는 양을 감소시킬 수 있다” 고  밝혔다.

 김 교수는 또 “ENP를 과학분야에 응용하면 현재 전 세계적으로 활발히 추진 중인 세포내 유전자 도입을 기초로 하는 유전자 치료제 개발과 형질전환동물 생산 연구에 획기적인 전기를 마련할 수 있다”며 발전적인 방안도 제시했다. 

현재 형질전환동물을 생산하는 방법은 수정란의 전핵 내에 유전자를 미세주입하는 방법과 바이러스에 유전자를 삽입하여 감염 시키는 방법이 사용되고 있는데, 수정란 유전자 주입법은 매우 낮은 유전자 전달 효율의 문제점을 안고 있고, 바이러스 삽입법은 바이러스 자체 유전자의 동물 내 전이로 인한 안전성의 문제를 안고 있다. 

건국대 연구팀은 이번 총설 논문에서 “역설적으로 ENP는 정자와 난자 내로 침투가 가능하다는 점을 형질전환동물 생산에 적용해, 삽입하고자 하는 유전자를 ENP와 결합시켜 생식세포 내로 전달하면, 효율적인 형질전환동물 생산 방법이 될 가능성이 있다”고 제시했다. (그림 4) 

김 교수는 “이러한 유전자 전이법를 계속 개발한다면 중소 가축을 활용한 인간 질환 모델 동물 생산에 소요되는 고비용을 해소하고, 이들 모델을 광범위한 전임상 시험에 활용한다면 높은 부가가치가 있을 것”이라고 말했다.