- 한국원자력의학원, 방사성 추적으로 노출 경로별 PLA 잔류 차이 확인

- 기관 내 투여 시 폐 잔류 반감기 20배·혈중 누적 노출 2.25배

한국원자력의학원(원장 임일한)의 김진수 박사 연구팀은 생분해성 플라스틱인 폴리락트산(PLA, Polylactic acid) 미세플라스틱이 입을 통해 섭취될 때보다 호흡기를 통해 유입될 때 폐에 더 오래 남고 전신 노출도 증가한다는 사실을 방사성동위원소 기반 분자영상 기술로 밝혀냈다.

PLA는 옥수수, 밀 등 재생 가능한 원료로 제조할 수 있는 생분해성 플라스틱으로, 식품 포장재와 의료기기, 3D 프린팅 등에 널리 활용된다. 다만 PLA는 온도와 습도, 미생물 활동 등 특정 조건이 갖춰져야 분해되는 소재여서, 조건이 다른 체내에서는 분해가 원활히 진행되지 않을 수 있다.

특히 PLA는 식품과 포장재를 통한 경구 노출뿐 아니라 3D 프린팅이나 플라스틱 가공 공정에서 발생하는 공기 중 입자를 통한 호흡기 노출 가능성도 함께 갖는다. 같은 입자가 두 경로로 들어왔을 때 체내 분포와 잔류가 어떻게 달라지는지를 하나의 실험 체계에서 비교한 연구는 이번이 처음이다.

연구팀은 평균 지름 약 145나노미터의 구형 PLA 입자에 방사성동위원소 요오드-125(125I)를 표지하고, 생쥐에게 동일한 양을 경구 또는 기관 내 경로로 투여했다. 이후 SPECT/CT(단일광자방출컴퓨터단층촬영) 영상과 장기별 방사능 분석으로 72시간 동안 체내 분포를 추적했다. 기관 내 투여는 방사성 입자가 공기 중으로 흩어지는 것을 막고 투여량을 정확히 맞추기 위해 에어로졸 흡입 대신 선택한 방식으로, 호흡기 노출 상황을 모사한 것이다.

분석 결과, 경구 투여군에서는 추적 신호가 위장관을 따라 이동하며 빠르게 감소한 반면, 기관 내 투여군에서는 폐의 신호가 72시간 후에도 지속됐다. 폐에서 PLA가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간(생물학적 반감기)은 기관 내 투여군이 약 218시간으로, 경구 투여군(약 10.7시간)의 20배 이상이었다.

폐에 오래 머문 입자는 전신 노출로도 이어졌다. 혈중 누적 노출량(AUC)은 기관 내 투여군이 경구 투여군보다 약 2.25배 높았고, 간·신장·비장 등 주요 장기에서도 같은 경향이 관찰됐다.

반복해서 노출됐을 때 조직에 생기는 변화도 확인했다. 6주간 매일 기관에 PLA를 투여한 실험에서는 폐의 혈관 주변에 염증세포가 몰려 있었고, 염증 관련 지표(IL-6, TNF-α)도 함께 증가했다. 반면 같은 기간 입으로 투여한 쥐의 위와 장에서는 뚜렷한 변화가 없었다.

연구팀은 장기에 쌓인 입자의 양과 세포가 실제로 받는 손상을 함께 따져보기 위해 TRACE(Toxicological Response And Cellular Exposure)라는 분석 방법도 새로 만들었다.

사람의 폐와 장에서 얻은 세포에 PLA 입자를 처리해 비교한 결과, 폐 세포가 장 세포보다 손상이 뚜렷했다. 폐 세포에서는 활성산소가 더 많이 생겼고, 에너지를 생산하는 미토콘드리아도 모양이 더 크게 망가졌다. 입자가 오래 쌓이는 폐일수록 세포가 실제로 받는 손상도 컸다는 의미다.

연구팀이 동물실험 자료를 사람에게 적용해 추정한 결과, 흡입이 반복되면 폐 잔류량이 서서히 늘다가 일정 수준에서 멈췄고 플라스틱 가공 작업장 수준의 노출에서는 그 양이 실외 환경의 약 7~10배였다. 다만 이는 제한된 가정에 따른 추정으로, 인체 위해성을 직접 평가한 결과는 아니다.

이번 연구는 생분해성 플라스틱도 유입 경로에 따라 체내 잔류 시간과 조직 반응이 달라진다는 점을 정량적으로 확인했다. 환경에서 분해되는 특성만으로 인체 안전성을 판단하기 어렵다는 점에서, 흡입 노출과 호흡기 영향을 함께 평가할 필요성을 제시했다.

김진수 박사는 "생분해성이라는 특성이 인체에 들어왔을 때 곧바로 분해돼 안전하다는 것을 의미하지는 않는다"며 "섭취보다 호흡기로 들어왔을 때 폐에 더 오래 머문다는 점이 확인된 만큼, 앞으로 생분해성 플라스틱의 안전성 평가에서는 흡입 경로를 별도로 살펴야 한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원사업(RS-2024-00353966, 50462-2024)과 한국환경산업기술원(KEITI)의 '미세플라스틱 측정 및 위해성 평가 기술개발사업'(환경부, RS-2022-KE002132), 과학기술연합대학원대학교(UST) 'Young Scientist+ 연구프로그램 2024'(2024YS24)의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 'Journal of Hazardous Materials' 온라인 최신판(517권, 논문번호 143705)에 게재됐다.

논문명: Pulmonary-Route-Dominant Retention and Exposure Burden of Biodegradable PLA Microplastics: Radiotracer-Based Toxicokinetics and Development of the TRACE Exposure-Response Framework

저자정보: Joycie Shanmugiah(공동 제1저자, 한국원자력의학원·UST), Seungyoun Kim(공동 제1저자, 한국원자력의학원·UST), Yoon-Jin Lee(한국원자력의학원), Kyung Eun Lee(한국과학기술연구원), Ahreum Hong(한국원자력의학원·UST), 김진수(책임저자, 한국원자력의학원·UST

☐ 연구배경

플라스틱 사용 증가와 함께 기존 석유계 플라스틱을 대체하기 위한 생분해성 플라스틱의 사용도 빠르게 증가하고 있다. 이 가운데 PLA는 재생 가능한 원료를 기반으로 생산할 수 있어 식품 포장재, 의료기기, 3D 프린팅 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

그러나 생분해성은 특정 온도, 습도, 미생물 등의 환경조건에서 분해되는 특성을 의미하며, 인체에 유입됐을 때도 신속하게 분해되는지는 명확하지 않다. 따라서 생분해성이라는 특성과 인체 내 안전성은 구분해 평가할 필요가 있다.

특히 PLA는 식품이나 포장재를 통한 경구 노출뿐 아니라 3D 프린팅과 산업 공정 등에서 발생한 공기 중 입자를 통한 호흡기 노출 가능성도 있다. 동일한 PLA 입자가 섭취와 흡입이라는 서로 다른 경로로 인체에 들어왔을 때 체내 분포와 잔류 특성이 어떻게 달라지는지를 하나의 실험 체계에서 비교한 연구는 이번이 처음이다.

이에 본 연구는 방사성동위원소를 이용해 PLA 미세플라스틱의 체내 이동을 직접 추적하고, 경구와 폐 노출에 따른 체내 분포 및 독성동태의 차이를 규명하고자 수행되었다.

☐ 연구내용

연구팀은 평균 지름 약 145나노미터의 구형 PLA 입자에 방사성동위원소 I-125를 표지하고, SPECT/CT를 이용해 생쥐에서 1, 12, 24, 48, 72시간 후의 체내 분포를 영상화했다.

동일한 양의 I-125-PLA를 경구 및 기관 내로 각각 투여해 폐, 위, 장을 비롯한 주요 장기의 방사능을 측정하고, 장기별 누적 노출량(AUC), 생물학적 반감기, 최고 농도 및 잔류 특성 등을 분석했다.

경구 투여 후에는 PLA가 주로 위와 장을 따라 이동하면서 빠르게 감소한 반면, 기관 내 투여 후에는 폐에서 72시간까지 지속적인 신호가 관찰됐다. 폐의 생물학적 반감기는 기관 내 투여군 약 218시간, 경구 투여군 약 10.7시간으로 20배 이상 차이를 보였다.

혈중 누적 노출량은 폐 경로에서 경구 경로보다 약 2.25배 높아, 호흡기 노출 시 폐에 축적된 PLA가 전신 노출 부담 증가로 이어질 가능성을 확인했다.

6주간 반복 투여 실험에서는 기관 내 투여군의 폐에서 혈관 주변 염증세포 침윤과 IL-6·TNF-α 발현 증가가 관찰됐으나, 경구 투여군의 위·장에서는 뚜렷한 조직 변화가 없었다.

연구팀은 장기별 노출량과 세포 수준의 생물학적 반응을 연계하기 위해 TRACE 분석 체계를 개발했다. TRACE는 미토콘드리아 손상, 산화스트레스, 세포독성 및 장기별 노출량을 통합해 PLA의 축적과 세포 반응 간 관계를 정량적으로 평가하도록 구성됐다.

TRACE 분석에서는 폐 유래 세포가 위장관 유래 세포보다 강한 산화스트레스 및 미토콘드리아 구조 손상 반응을 보여, 폐 경로의 높은 노출 부담과 세포 스트레스 간 연관성을 제시했다.

아울러 동물실험에서 얻은 체내동태 자료를 사람의 반복 노출 상황에 적용한 모델링 결과, 장기간 반복적인 흡입 노출이 지속될 경우 PLA가 폐에 점진적으로 축적될 가능성이 제시됐다. 다만 이는 제한된 가정에 따른 시나리오 분석으로, 인체 위해성을 직접 평가한 결과는 아니다.

☐ 기대효과

본 연구는 친환경 소재로 인식되는 생분해성 PLA도 인체에 유입되는 경로에 따라 체내 잔류와 생물학적 영향이 크게 달라질 수 있음을 보여준다.

특히 섭취보다 호흡기 노출에서 PLA의 폐 잔류와 전신 노출이 증가한다는 결과는 생분해성 플라스틱의 안전성 평가에서 흡입 노출 경로를 별도로 고려해야 할 과학적 근거를 제공한다.

방사성동위원소와 SPECT/CT를 활용한 미세플라스틱 추적 기술은 기존 분석법으로 확인하기 어려운 체내 분포와 시간에 따른 이동을 정량적으로 평가할 수 있어, 향후 다양한 미세·나노플라스틱의 인체 위해성 연구에 활용될 수 있다.

또한 이번에 개발한 TRACE 분석 체계는 단순히 미세플라스틱의 장기 축적량을 측정하는 것을 넘어 체내 노출량과 실제 세포 손상을 연결해 평가하는 방법으로, 향후 다양한 환경 유해입자의 노출-독성 연구에 확장 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구결과는 향후 3D 프린팅이나 플라스틱 가공 작업장 등 공기 중 PLA 입자에 노출될 가능성이 있는 환경에서의 작업자 보호와 호흡기 안전성 평가, 생분해성 플라스틱의 장기 위해성 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

나아가 본 연구는 환경오염과 독성학, 분자생물학을 연결하는 융합 연구로, 향후 미세플라스틱 관련 국제 연구 협력과 규제 논의에서 과학적 근거로 활용될 수 있다.

☐ 폴리락트산(Polylactic Acid, PLA)

옥수수, 밀 등 재생 가능한 원료에서 생산할 수 있는 생분해성·바이오 기반 플라스틱으로 식품 포장재, 의료기기, 3D 프린팅 등에 널리 사용된다.

특정 환경조건에서 분해될 수 있지만, 생분해성이 인체 내에서의 신속한 분해나 생물학적 안전성을 의미하는 것은 아니다.

☐ 미세플라스틱·나노플라스틱

미세플라스틱은 통상 5mm 이하, 나노플라스틱은 100나노미터(nm) 이하의 플라스틱 입자를 가리킨다. 나노 크기 입자는 세포 수준까지 침투할 수 있다.

체내에서 혈관이나 장기를 통해 이동할 가능성이 있어 전신 영향에 대한 우려가 제기되고 있다.

☐ 요오드-125(I-125)

감마선을 방출하는 방사성동위원소로, 물질에 표지하면 방출되는 방사선을 측정해 해당 물질의 체내 위치와 양을 추적할 수 있다.

☐ SPECT/CT

방사성동위원소에서 방출되는 감마선을 검출하는 SPECT 영상과 해부학적 구조를 보여주는 CT 영상을 결합한 분자영상 기술이다.

본 연구에서는 I-125가 표지된 PLA의 체내 이동과 폐 및 위장관에서의 잔류를 시간에 따라 추적하는 데 활용됐다.

☐ 독성동태(Toxicokinetics)

외부 물질이 체내에 들어온 뒤 흡수, 분포, 축적 및 제거되는 과정을 시간에 따라 정량적으로 분석하는 방법이다.

☐ TRACE

Toxicological Response And Cellular Exposure의 약자로, 장기별 PLA 노출량과 세포의 산화스트레스, 미토콘드리아 손상, 세포독성 등을 통합해 평가하기 위해 이번 연구에서 개발한 분석 체계다.

☐ IL-6(인터루킨-6), TNF-α(종양괴사인자-알파)

면역세포가 분비하는 신호전달 단백질로, 감염이나 조직 손상이 발생하면 분비가 증가해 염증 반응을 개시하고 확대한다.

정상적인 방어 반응의 일부이나, 자극이 지속되면 조직 손상을 동반한 만성 염증으로 진행될 수 있다.

측정이 용이하고 자극에 빠르게 반응해 염증 정도를 평가하는 대표적 지표로 쓰인다. 이번 연구에서는 PLA를 6주간 반복 투여한 생쥐의 폐에서 두 물질의 발현이 증가해 염증 반응의 근거로 제시됐다.

○ 경구 노출된 PLA 미세플라스틱은 주로 위장관을 따라 이동한 뒤 빠르게 감소하는 반면, 호흡기 경로로 들어온 PLA는 폐에 장기간 잔류하고 일부는 전신으로 재분포한다.

▲ 생분해성 PLA 미세플라스틱의 투여 경로별 생체분포 비교