아토피 있으면 미세먼지 더 깊이 침투한다-비선형광학현미경으로 피부 조직의 미세먼지 직접 측정

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2021. 8. 1.

아토피 있으면 미세먼지 더 깊이 침투한다-비선형광학현미경으로 피부 조직의 미세먼지 직접 측정

2021-07-27관리자

 

 

아토피 있으면 미세먼지 더 깊이 침투한다 

- 비선형광학현미경으로 피부 조직의 미세먼지 직접 측정 -

- 미세먼지 관련 의약품 및 화장품 개발에 도움 줄 것으로 기대 -

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 연구진*이 아모레퍼시픽 기술연구원(원장 박영호)과의 공동연구를 통해 피부 조직의 미세먼지를 직접 측정할 수 있는 기술을 개발했다.

  * KRISS 안전측정연구소 바이오이미징팀, 화학바이오표준본부 가스분석표준그룹

 

공동연구팀은 이번 기술개발을 통해 아토피 등의 기저질환이 있는 피부에는 미세먼지가 더 깊이 침투해 염증을 유발할 수 있음을 밝혀냈다. 또한 미세먼지를 더욱 정밀하게 분석할 수 있게 됨으로써, 미세먼지가 체내에 유입된 이후 어떤 반응을 보이는지 체계적인 연구가 가능해질 것으로 기대된다.

 

대기오염물질인 미세먼지는 사회적으로 큰 문제가 되고 있다. 높은 수준의 미세먼지 농도는 호흡기 질환, 심혈관계 질환 같은 다양한 질환의 원인이 되고 있다. 호흡기를 통해 인체에 흡입된 미세먼지에 대한 유해성 연구는 상당히 수행됐으나, 피부 노출에 의한 유해성 연구는 매우 미흡한 실정이다.

 

기존에는 생체조직에 침투된 미세먼지를 보기 위해 명시야(bright field) 현미경이나 투과전자 현미경을 이용했다. 하지만 까다로운 전처리 과정이 반드시 필요하고, 검은색 입자는 모두 미세먼지라고 가정하므로 정확한 분석이 어려웠다.

 

공동연구팀은 미세먼지의 주요 성분인 탄소 분자 결합을 직접 관찰할 수 있는 비선형광학현미경을 이용해 피부 조직의 미세먼지를 특별한 전처리 없이 관찰하는 데 성공했다.

 

 ◦ 미세먼지를 구성하는 주요 성분의 탄소 분자 결합을 선택적으로 영상화할 수 있는 비선형광학현미경을 사용, 사람의 피부조직에 분포하는 미세먼지를 정밀하게 관찰했다. 더 나아가 피부를 구성하는 콜라겐, 엘라스틴과 같은 생체물질을 동시에 가시화함으로써 미세먼지의 피부 내 분포를 직관적으로 분석할 수 있게 됐다. 

 

이를 통해 각질이 손상된 피부에는 미세먼지가 깊숙이 침투해 염증을 악화시키고 있음을 규명한 것이다.

 

KRISS 안전측정연구소 김세화 책임연구원은 “KRISS가 보유한 비선형광학현미경을 이용해 인체의 피부에 침투한 미세먼지를 가시화 할 수 있었다”라며, “미세먼지의 피부 침투 특성을 규명함으로써 피부질환 관련 대응 세정제품과 보호제품 개발에 중요한 정보를 제공할 수 있게 됐다”라고 밝혔다.

 

공동연구팀은 이번 기술개발 성과를 바탕으로, 인체 피부에 작용하는 나노물질의 광독성에 대한 후속 연구에 더욱 주력할 계획이다.

 

이번 연구성과는 생물학 분야의 국제분자생물학지인 인터내셔널 저널 오브 몰레큘러 사이언스(International Journal of Molecular Sciences, IF:4.556)에 지난 5월 온라인 게재됐다.

 

 

[붙임] 1. 연구성과 추가 설명  2. 연구 이미지 및 상세 설명  3. 사진 자료  4. KRISS 김세화 책임연구원 프로필

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

 

연구 과정 

상세 설명

미세먼지가 실제 사람의 피부에 분포 및 침투하는 과정을 연구하기 위해 다음과 같이 실험을 수행했다.

 

 ① 미세먼지 구성요소의 분자 성분 분석을 수행하여, 특정 파장에서 탄소 분자 결합 부분의 에너지가 높아져 가시화할 수 있음을 확인

 

 ② 사람 피부의 미세먼지를 여러 조건으로 처리한 후, 비선형광학현미경으로 탄소 분자 가시화를 진행, 특별한 전처리 또는 염색 과정 없이 피부조직의 3차원 분포를 정밀 분석

 

 ③ 정상 각질 상태인 정상 피부 대비, 각질이 손상된 아토피 피부 시료에서는 미세먼지가 진피 가까이 침투하고, 더 나아가 염증을 일으키는 사이토카인의 증가를 확인함  

관련 논문

[ Int. J. Mol. Sci. (I.F. 4.556), Vol. 22, pp. 5199- (2021.5) ] 

 

○ 제목 : “Molecule-resolved visualization of particulate matter on human skin using multimodal nonlinear optical imaging”

 

○ 주소 : https://www.mdpi.com/1422-0067/22/10/5199

용어 설명

○ 비선형광학현미경 : 서로 다른 색깔의 세 가지 레이저를 이용해 염색과정을 거치지 않고 시료 고유의 분자를 관찰할 수 있는 현미경으로, KRISS는 지난 2006년에 비선형광학현미경을 개발했다. 본 연구에서는 미세먼지를 선택적으로 이미징 할 수 있도록 광학계를 조절하여 연구에 활용했다.

 

○ 분자영상 : 특정 빛의 파장에서 특정 분자가 에너지를 흡수하여 이를 영상화 할 수 있는 기술로, 생체조직 내에서 분자 수준으로 일어나는 다양한 변화를 관찰할 수 있다. 

에피소드

미세먼지는 매우 복잡한 혼합물의 형태이므로, 과학적으로는 어떤 성분을 목표로 연구해야 하는지에 대한 판단이 어렵다.

 

KRISS의 미세먼지 전문가인 정진상 책임연구원과의 공동연구를 통해 미세먼지의 주요 성분 및 위해성 높은 성분을 선별하여 연구의 속도를 낼 수 있었다. 

 

또한, 아모레퍼시픽의 이은수, 이성훈 박사와의 공동 연구를 통해, 사람 피부의 영상화 및 미세먼지 성분의 의미있는 타겟을 선정하여 연구를 성공적으로 수행할 수 있었다. 

 

 

붙임2

연구 이미지 및 상세 설명

 

 

[그림1] 피부 표면에서 미세먼지의 3차원 분포 분석

 

 

 

 

 

비선형광학현미경 이미징을 통해 특별한 전처리 없이 사람의 피부에 도포된 미세먼지의 분포를 분자수준으로 분석할 수 있다. 초록색은 피부의 케라틴이고, 노랑색은 미세먼지를 나타내고 있다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

[그림2] 비선형광학현미경으로 이미징한 피부단면

 

(좌) 피부의 조직학적 특징을 분석하기 위한 기존의 조직 염색방법과 달리, (우) 비선형광학현미경을 통해 특별한 전처리 없이 피부의 특징을 분석할 수 있다. 미세먼지가 정상 피부 조직의 표면에 분포하는 모습. 

 

 

[그림3] 비선형광학현미경으로 이미징한 인체 피부 3차원 표면영상

 

 

(좌) 정상 피부와 달리, 각질의 상처가 있는 피부에서는 미세먼지가 깊숙이 침투되어 염증을 일으킨다는 연구결과의 모식도 (우) 비선형광학현미경 이미징

 

[그림4] 정상 피부와 각질 손상 피부에서의 미세먼지 분포

 

비선형광학현미경을 통해 피부각질의 케라틴(초록색)과 진피의 콜라겐 (분홍색), 미세먼지(빨강색과 흰색)를 특별한 전처리 없이 가시화하였다. 점선으로 피부의 표면을 표시하였고, 아래로 내려올수록 피부에 침투하는 방향이다. 왼쪽의 정상 피부에 비해, 오른쪽의 각질이 손상된 피부에는 많은 양의 미세먼지가 깊숙하게 침투되어 있는 것을 볼 수 있다.

 

 

 

붙임3

사진 자료

 

 

 

 

▲ KRISS 연구진

[KRISS 김세화 책임연구원(좌), KRISS 김수호 POST-DOC(우)]

 

 

 

▲ KRISS 연구진이 비선형광학현미경으로 획득한

피부 이미지 결과를 분석하고 있다.

 

 

▲ KRISS 연구진이 비선형광학현미경 이미징을 통해 

피부 조직에 분포된 미세먼지를 정밀 분석하고 있다.

 

 

 

▲ KRISS 연구진이 사람 피부조직 시료에 미세먼지를 처리하고,

염증 반응을 연구하고 있다.

 

 

▲ 본 연구에 사용된 사람 피부조직의 실험 조건 모습 

 

붙임4

KRISS 김세화 책임연구원 프로필

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 성명 : 김세화

 ○ 소속 : 한국표준과학연구원 안전측정연구소 바이오이미징팀

 ○ 직위 : 책임연구원  

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2002~2003 : 미국 에모리의대 심장내과 연구원 

 ○ 2015: 미국 버클리대 Bioengineering 방문연구원  

 ○ 2007~현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원

 ○ 2011~현재 : 과학기술연합대학원대학교 의학물리학 교수

 

3. 수상실적

 ○ 2001 : Young Investigator Award, International Society of Thrombosis and Haemostasis 

 ○ 2003 : Life Science Consortium Fellowship, 미국 펜실베니아주립대

 ○ 2010 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상 

 ○ 2010 : 한국표준과학연구원 창립기념 논문상 대상  

 ○ 2013 : 과학기술연합대학원 우수교수상

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 혈관생물학, 동맥경화, 바이오이미징 

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ “Site-specific impairment of perivascular adipose tissue on advanced atherosclerotic plaques using multimodal nonlinear optical imaging”, PNAS(I.F. 9.661), August 2019 등 SCI급 29편

 ○ “유리지방산 미세화”, “무표지 단일세포 분석 기술” 등 국내외 특허 다수