나노입자 독성을 테스트하는 방안

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

미국 라이스 대학(Rice University) 소속의 연구진은 나노입자(nanoparticle)의 독성(toxicity)을 측정하는 프로젝트의 주제로 하찮은 회충을 연구했다. 동 대학 소속의 과학자인 Weiwei Zhong과 Qilin Li 등의 주도로 수행된 저비용의 높은 처리 용량의 연구는 개별적인 기관뿐 아니라 전체 개체에 대한 수많은 유형의 나노입자의 효과를 측정했다. 나노기술 산업의 급속한 발전은 공학적으로 제어된 나노재료(ENMs; engineered nanomaterials)의 환경 건강과 안전성 영향에 관한 대중의 우려를 낳았다. 높은 처리량 분석이 빠르게 그 수가 증가하고 있는 ENMs에 대한 독성 자료를 얻는데 필요하다. 이 연구에서는 모델로 꼬마 선충을 이용한 대조 동물(intact animals)에서 독성을 연구하기 위한 현장 고처리량 방법((high-throughput method)을 제시했다. 개체수 수준에서, 연구진의 시스템은 개체수 적합성을 평가하기 위하여 수천에 이르는 동물의 먹이 소비를 측정했다. 조직 수준에서, 연구진이 개발한 자동화된 시스템은 신체 크기, 운동 속도(locomotion speed) 및 수명 등에 대하여 수백에 이르는 개별적인 동물을 분석했다. 시스템의 유용성을 입증하기 위하여, 연구진은 이 기술을 4가지 농도 하에서 20개 나노재료의 독성을 테스트하기 위하여 적용했다. 라이스 대학 소속의 연구진은 20개 유형의 나노입자를 테스트하여, 1985년 라이스 대학에서 발견된 벅키볼(buckyballs)이라고 불리는 탄소-60 분자(carbon-60 molecules)를 포함한 5종의 나노재료가 독성이 거의 없다는 것을 보여 주었다. 다른 유형의 나노입자는 꼬마 선충(Caenorhabditis elegans)에 대하여 완만하거나 높은 독성을 나타냈으며, 연구진은 꼬마 선충에 대한 입자의 효과를 관찰하기 위하여 여러 세대에 걸쳐 꼬마 선충을 테스트했다. 연구 결과는 미국 화학학회(American Chemical Society) 저널인 Environmental Sciences and Technology에 발표됐다. 해당 논문의 제목은 “꼬마 선충에서 나노 독성의 다수의 종점, 높은 처리율의 연구(A multi-endpoint, high-throughput study of nanomaterial toxicity in Caenorhabditis elegans)”이다. 이 연구는 연구진의 오픈 소스 웹사이트에서 이용할 수 있다. 나노입자는 기본적으로 새로운 재료이다. 그리고 우리는 나노입자가 인간 건강과 생태계의 건강에 어떤 영향을 끼칠 것인가에 대하여 많은 것을 규명하기 못하고 있다고 라이스 대학 도시 환경 공학부 및 재료 과학 및 나노공학부 소속의 조교수인 Li는 밝혔다. 특정 나노재료가 다른 유형의 나노재료보다 더 독성이 높다는 것을 보여주는 다수의 연구 발표가 있었다. 따라서 우리가 이러한 나노재료를 통합하는 더 많은 제품을 만들기 전, 환경 또는 소비자 제품으로 독성을 지닌 어떤 재료가 유입되지 않는다는 것을 규명하는 것이 중요하다. 그러나 한 가지 문제는 어느 정도의 비용을 감당할 수 있는가에 있다고 그녀는 밝혔다. 나노 재료만이 아닌 어떤 화학 물질의 독성학적 연구를 통하여 유해성 여부를 규명하는 것은 오랜 시간이 소요되는 고가의 공정이다. Li는 빠른 속도와 거대한 규모에서 엄청나게 다양한 나노재료가 생산되고 있기 때문에, 보다 더 포괄적으로 연구하기 위하여 우선순위를 결정하는 높은 처리량의 스크리닝 기법이 시급하게 필요하다고 지적했다. 라이스 대학 연구진의 시범 연구는 저비용에서 많은 독성 자료를 수집하는 것이 가능하다는 것을 입증했다고 꼬마 선충, 특히 꼬마 선충의 유전자 네트워크(gene network)에 대한 집중 연구를 수행했던 생명과학부 조교수인 Zhong은 밝혔다. 재료가 약 50센트의 비용으로 소비 및 배양 매질을 구축하는 유충과 유충이 소비하는 박테리아를 포함한 각각에 대하여 분석됐다고 그녀는 밝혔다. 연구진은 유충이 나노입자에 어떻게 반응하는지를 관찰하기 위하여 적합성(fitness), 움직임, 성장 및 수명 등 4가지 분석을 사용했다. 가장 민감함 독성 분석은 적합성이었다. 이러한 테스트에서, 연구진은 유충이 소비하는 박테리아를 포함하고 있는 용액에 나노입자를 혼합했다. 유충이 시간의 경과함에 따라 얼마나 많은 박테리아를 섭취하는지를 측정하는 것은 유충의 적합성을 측정하는 요인으로 작용했다. 만약 유충의 건강이 나노입자에 의해 영향을 받는다면, 유충은 더 적게 번식하고 덜 섭취하게 될 것이라고 Zhong은 밝혔다. 적합성 분석에서, 연구진은 일주일 동안 유충을 모니터링했다. 이것은 연구진이 유충의 3세대를 통하여 축적된 독성 효과를 모니터링하기에 충분히 긴 기간이다. 꼬마 선충은 약 3일의 수명을 가지며, 각각의 세대는 1 주일 동안 50에서 출발한 개체수가 10,000 이상의 개체수를 나타내는 수준의 많은 자손을 생산할 수 있다. 다수의 테스트된 동물은 적합성 분석을 매우 민감하게 할 수 있다. 연구진이 개발한 QuantWorm 시스템(QuantWorm system)은 유충 적합성, 움직임, 성장 및 수명 등에 대한 신속한 모니터링을 가능하게 해주었다. 사실, 유충을 모니터링하는 것은 프로젝트의 최소의 시간 집중적인 부분일 것이다. 각 나노재료는 용해성을 확보하기 위하여 특정한 준비를 필요로 하고, 박테리아와 함께 유충에 전달될 수 있다. 또 각 나노재료의 화학적 특성이 세부적으로 규명될 필요가 있다. 연구진은 금속, 금속 산화물 및 탄소 기반 등의 세 가지 분류의 나노재료의 대표적인 시료를 연구했다. 연구진은 고분자의 유형이 무한하기 때문에, 고분자성 나노입자에 대하여 분석을 수행하지 않았다고 Li는 설명했다. 연구진은 4가지 농도에서 각 나노입자의 독성을 조사했다. 연구 결과는 C-60 플러렌(C-60 fullerenes), 플러렌 유도체인 fullerol, 이산화티탄(titanium dioxide), 이산화티탄이 장식된 나노튜브(titanium dioxide-decorated nanotubes) 및 이산화세륨(cerium dioxide) 등이 유충 개체에 최소의 손상을 유발했다. 나노재료의 적합성 분석은 카본 블랙(carbon black), 단일 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀, 그래핀 산화물, 금 나노입자 및 흄 형태의 이산화규소 등에 대한 용량 의존적인 독성을 확인했다. 또 연구진은 표면 화학이 일부 입자의 독성에 영향을 끼치는 정도를 결정했다. 아민-기능화된 다중벽 나노튜브(amine-functionalized multiwalled nanotube)는 높은 독성을 제공하는 한편, 수산기를 가진 나노튜브(hydroxylated nanotubes)는 최소의 독성을 나타냈으며, 적합성, 신체 크기 및 수명에서 상당한 차이를 보여 주었다. 모든 테스트된 재료에 대한 완벽한 쌍방향 독성 도표는 온라인상에서 이용할 수 있다. http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38918.php