세포에 전달되는 가공된 나노물질들의 양과 위험성을 재는 기술 :: 전체

과학자들이 생리학적인 유액에서 만들어진 나노물질들의 효과적인 밀도를 재는 방법을 발견해서, 배양된 조직과 세포들과 접하게 되는 나노물질의 양을 알아내는 것이 가능해졌다.

가공된 나노입자들 - 화장품과 옷에서부터 건축 재료까지 일상 생활용품들에서 발견되는 미세 입자들?을 포함하는 수천 가지의 소비재들이 매년 시장에 들어온다. 이들 나노 제품들의 가능한 환경 보건과 안전성 문제에 대한 우려는 가공된 나노물질들의 방대한 라이브러리의 가능한 위해성을 결정하는 빠르고, 저렴하고, 사용하기 쉬운 세포 스크린 시스템을 고안해내는데 고군분투하고 있는 과학자들과 함께 계속 더 커지고 있다. 그러나, 가공된 나노입자들에 대해 얼마나 많은 노출이 인간에게 안전하지 않은지를 결정하는 것은 폐와 피부와 같은 조직들과 세포들과 상호작용하는 나노물질들의 양에 대한 정확한 지식을 필요로 한다.

화학물질을 가지고 이것을 하기는 쉽지만, 생리학적인 매질에 부유하는 나노입자들로 오면, 이것은 간단하지 않다. 생물학적인 매질에서 가공된 나노입자들은 혈청 단백질들과 상호작용해서 이른바 효과적인 밀도와 활성 표면적 둘 다를 바꾸고 궁극적으로 세포 용량과 생물-상호작용들에 대한 그들의 전달을 정의하는 더 큰 덩어리(agglomerates)를 형성한다. 이 거동은 세포들과 조직과 상호작용하는 나노입자들이 정확한 양을 측정하는데 뿐만 아니라 다양한 가공 나노물질들(engineered nanomaterials (ENMs))의 위해성의 순위를 매기는데에도 큰 의미를 가진다. 결과적으로, 수천 가지의 발표된 세포 스크리닝 시험들은 위해성 평가 목적으로 해석하거나 사용하기가 어렵다.

하바드공중보건대(Harvard School of Public Health (HSPH))의 나노기술 및 나노독성학센터(Center for Nanotechnology and Nanotoxicology)에 있는 과학자들이 생리학적인 유체들에서 가공된 나노입자들의 효과적인 밀도를 재는 빠르고, 간단하며, 비싸지않은 방법을 알아내서, 배양 중인 조직과 세포들과 접촉하게 되는 나노물질들의 양을 정확하게 결정하는 것을 가능하게 해주었다. 용적원심분리법(Volumetric Centrifugation Method (VCM))이라고 이름 붙여진 이 방법은 3월 28일 Nature Communications에 게재될 것이다.

이 새로운 발견은 위험성 평가자들이 세포 시스템을 사용하는 나노물질들의 정확한 위해성 순위를 매기는 것을 가능하게 해서, 가동 나노입자들의 위해성 평가에 큰 영향을 줄 것이다. 더 나아가, 생리학적인 유체에서 나노물질 덩어리들의 구성을 측정함으로써, 과학자들이 나노의학 응용을 위한 보다 효과적인 나노기반의 약물 전달 시스템을 고안하게 해줄 것이다.
“나노 노출과 연관된 가능한 건강 영향을 평가하는데 우리가 가진 가장 큰 도전과제는 용량 수준을 기반으로 어떤 것이 언제 해롭고, 언제 그렇지 않은지를 결정하는 것이다. 낮은 수준에서, 위험은 아마도 미미할 것”이라고 HSPH의 환경보건과의 대기 물리학 부교수인 선임저자 Philip Demokritou가 말했다. “문제는 어떤 용량에서 나노-노출이 문제를 일으키게 되는가이다. 같은 질문은 세포 시스템을 사용해서 우리가 나노기반의 약물들의 효율성을 시험할 때에도 적용된다. 투여된 나노-약물의 얼마만큼이 세포와 조직과 접촉하게 될 것인가? 이것은 주어진 세포 반응을 위해 필요한 효과적인 용량을 결정할 것”이라고 Demokritou가 말했다.

만약 대용량 물질의 원래 형태가 이미 안전하다고 보여졌다면, 연방 규제 기관들은 생산자들에게 가공된 나노입자들을 시험하도록 요구하지 않는다. 그러나, 이들 물질들 중 일부는 나노규모-물질들이 세포를 투과하고 생물학적 장벽들을 더 쉽게 넘어가서 더 큰 크기의 입자들에 비해서 독특한 물리적, 화학적, 생물학적 성질들을 나타내는 수준-에서 더 해로울 수 있다는 증거가 있다. 나노독성학자들은 방대한 형태의 가공 나노입자들의 유입에 대처하고 힘들고 비용이 드는 동물 시험을 피하기 위해서 빠르고 값싼 독성학 스크리닝 세포 시스템을 개발하기 위해서 고군분투하고 있다. 그러나, 이 노력은 용량-반응 관계와 가능한 독성학적 의미를 재기 위한 사용하기 간단하고 빠른 방법이 없어서 지연되어왔다. 생물학적 반응들이 상당히 재기 쉬운데 반해서, 과학자들은 생물학적 매질에서 세포와 접촉하게 되는 나노물질들의 정확한 용량을 평가하기 위한 빠른 방법을 개발하는데 힘쓰고 있다.

“약량측정 고찰(dosimetric considerations)은 너무 복잡해서 나노-바이오 평가에서 고려될 수 없지만, 너무 중요해서 무시할 수 없다. 나노-노출에 대한 생물학적 반응을 비교하는 것은 생물학적 매질에서 입자-입자 그리고 입자-유체 상호작용을 고려하지 않고, 보통 건조 가루 형태에서 측정한 성질들(즉, 질량과 표면적, 밀도)을 기반으로 하는 어림짐작에 의존한다. 유체에서 부유할 때, 나노입자들은 전형적으로 많은 양의 부유 유체를 포함하고, 그래서 건조 물질보다 훨씬 더 낮은 밀도를 가지는 덩어리를 형성한다. 이것은 세포에 대한 입자 배달에 크게 영향을 주고 세포와 상호작용하기 위해 사용가능한 표면적을 줄인다”고 그 논문의 두 제일 저자들 중 한 명인, 환경보건과의 연구원 Glen DeLoid가 말했다. “VCM 방식은 나노생물학자들과 규제기관들이 다양한 나노물질들에 대해 문헌에 보고된 상충하는 시험관 세포 독성 자료들을 풀어내는 것을 도울 것이다. 이들 차이들은 세포 스크리닝 시스템에서 나노-바이오 상호작용들에서 약량측정 고찰이 부정확하거나 없기 때문에 생긴 것 같다”고 그 논문의 두 제일 저자들 중 한 명이며 HSPH의 박사과정 학생인 Joel Cohen이 말했다.

이 연구에 관여하지 않은 독일환경보건연구센터(German Research Center for Environmental Health)의 나노독성학자인 Wolfgang Kreyling은 이 방법이 독성학자들이 나노-바이오 상호작용을 이해하고 현재 사용되고 있는 방대한 가공 나노입자들(engineered nanoparticles (ENPs))에 대한 가능한 나노 위해성을 다루는 것을 도울 것이라고 말했다.
“Nature Communications에 실린 DeLoid et al의 논문은 겉보기 ENM 밀도의 미결 문제를 푸는 해법과 용적원심분리법의 응용에 의해서 이를 결정하는 쉬운 방법을 제공하는 큰 성과이다. 그래서, 이 논문은 체내 연구들과 비교했을 때 시험관 세포 배양을 사용하는 독성학 연구들의 힘을 향상시킬 것으로 바라는, 시험관 세포 배양에 대한 ENM 약량측정을 보다 정확하게 추정할 수 있게 해주는, 이루기 쉬운 다용도 개념을 재공한다”고 Kreyling이 말했다.

HSPH의 연구원 Georgios Pyrgiotakis, 국립직업안전성 및 보건연구소(National Institute for Occupational Safety and Health)의 Liying Rojanasakul과 Raymond Derk, 독일 BASF의 Wendel Wohlleben이 그 연구의 저자들에 포함된다. 이 연구 프로젝트는 NIEHS 기금(ES-000002), NSF 기금 (ID 1235806), HSPH의 나노기술 및 나노독성학센터로부터 지원을 받았다. 이 연구는 부분적으로 국립과학재단(NSF 수여번호 ECS-0335765)이 지원한, 국립나노기술 기반시설 네트워크(National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN))의 일원인, 하바드나노규모시스템센터(Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS))에서 수행되었다.