미세먼지 속 세균이 호흡기 질병을 일으키는 기전
미세먼지 속 세균이 호흡기 질병을 일으키는 기전
  • 함예솔
  • 승인 2023.01.31 20:28
  • 조회수 2633
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대기오염이 인간 건강에 미치는 영향은 오랫동안 중요한 문제로 인식됐습니다. 다양한 대기오염 물질 중에서 미세먼지는 세계보건기구(WHO)에서 지정한 1군 발암물질입니다. 질병률과 사망률을 증가시키죠. 미세먼지는 다양한 크기와 모양의 화학적 및 생물학적 요소의 복잡한 혼합물로 박테리아, 진핵생물, 고세균 및 바이러스를 포함한 여러 미생물도 포함됩니다. 호흡을 통해 흡입된 미세먼지의 대부분은 토양 관련 및 비병원성이지만 Streptococcus pneumoniae , Aspergillus fumigatus 및 adenovirus C 와 같은 일부 미생물은 병원성이 있어 알레르기 및 호흡기 질환을 유발합니다.

 

미세먼지에 존재하는 미생물 군집에 관한 대부분의 연구는 주로 분리주 식별을 포함하여 분류학 중심으로 초점을 맞추고 있습니다. 역학연구를 통해 미세먼지 노출과 병원성 미생물에 의한 호흡기 감염 사이에 강한 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 미세먼지에 존재하는 세균의 특성과 발병기전에 대한 연구는 제한적이어서 추가적인 연구가 필요한데요. 

 

슈도모나스 스투체리는 토양과 다양한 곳에서 존재하는 비형광 탈질세균으로 기회 감염을 유도하거나 임상적 검체에서 분리된다고 알려져있습니다. 그러나 실제 미세먼지에서 분리된 P. stutzeri PM101005 (PMPS)의 특성 및 병원성에 대한 연구는 아직 밝혀지지 않았었습니다.

대기에서 포집된 미세먼지 유래 세균 감염에 의한 병리 기전. 미세먼지 유래 슈도모나스 스투체리는 숙주 세포 감염을 통해 호흡기 손상을 유도함. 대식세포의 톨 유사 수용체는 슈도모나스 스투체리를 인식하고 면역반응 및 항균펩타이드 생성을 유도해 세균 제어에 관여함. 출처 : 한국생명공학연구원
대기에서 포집된 미세먼지 유래 세균 감염에 의한 병리 기전. 미세먼지 유래 슈도모나스 스투체리는 숙주 세포 감염을 통해 호흡기 손상을 유도함. 대식세포의 톨 유사 수용체는 슈도모나스 스투체리를 인식하고 면역반응 및 항균펩타이드 생성을 유도해 세균 제어에 관여함. 출처 : 한국생명공학연구원

최근 한국생명공학연구원(생명연) 환경질환연구센터 이무승 박사 연구팀이 미세먼지에 있는 병원성 미생물이 호흡기 손상 위험을 높이는 기전을 규명하였다고 밝혔습니다. 이를 통해 향후 미세먼지 내 감염병 세균에 의한 호흡기 질환 치료와 유해 세균 증식을 제어기술 개발에 기여할 것으로 기대되는데요. 미세먼지는 10㎛(마이크로미터) 이하의 대기 중에 떠다니며 눈에 보이지 않을 정도로 작은 먼지를 말합니다. 미세먼지가 인체에 미치는 영향에 관한 연구는 여러 분야에서 진행되고 있지만, 미세먼지에 포함된 세균에 의한 감염에 관한 연구는 미미한 수준입니다.

 

연구팀은 미세먼지에 포함되어 있는 병원성 세균인 슈도모나스 스투체리(Pseudomonas stutzeri)가 호흡기 손상을 일으키는 기전을 최초로 규명했습니다. 슈도모나스 스투체리는 토양을 비롯한 다양한 환경에 널리 분포된 세균으로 신체의 기능이 저하되면 수막염, 폐렴, 관절염을 비롯한 여러 감염병을 일으킬 수 있는데요. 연구팀은 동물모델을 통해 미세먼지에 노출되어 폐의 면역 기능이 떨어지면 슈도모나스 스투체리에 의한 감염이 증가하여 폐 손상이 촉진됨을 밝혀냈습니다. 특히, 미세먼지에서 분리한 슈도모나스 스투체리는 실험실에서 배양된 표준 균주보다 강한 염증반응을 일으켜 보다 심각한 폐 손상을 유도한다는 사실을 확인했습니다.

 

연구팀은 슈도모나스 스투체리 제어에 효과적인 단백질도 발견했습니다. 선천성 면역에 관여하는 톨 유사 수용체(Toll-like receptor, TLR)라는 단백질이 항생물질인 베타-디펜신 3(β-defensin 3)를 생성하여 슈도모나스 스투체리를 제어할 수 있다는 것입니다.

(왼쪽부터) 정유진 박사, 이무승 박사, 김창웅 박사. 출처 : 한국생명과학연구원
(왼쪽부터) 정유진 박사, 이무승 박사, 김창웅 박사. 출처 : 한국생명과학연구원

연구책임자인 이무승 박사는 “이번 연구 성과는 미세먼지에 포함된 세균의 유해성을 최초로 밝힌 것으로 미세먼지의 노출에 의한 호흡기 손상의 원인을 밝히고 이를 제어하는데 중요한 실마리를 제공할 수 있을 것이다.”라며,  “앞으로 후속연구를 통해 미세먼지에 포함된 세균 및 바이러스와 같은 다양한 유해성 인자를 조사할 것”이라고 밝혔습니다. 

 

연구 결과는 1월 15일에 발행된 환경 분야 저널인 'Environmental Pollution' 최신 호에 게재됐습니다. 

논문명 : Pseudomonas stutzeri PM101005 inhaled with atmospheric particulate matter induces lung damage through inflammatory responses

 

#용어설명

1. 미세먼지(Particulate matter)

10μm 이하의 눈에 보이지 않을 만큼 매우 작은 대기 중 입자상 물질로 호흡기를 통해 폐에 침투될 수 있음. 세계보건기구(WHO)에서 미세먼지에 미세먼지를 1군 발암물질(Group 1)로 지정하였음. 

2. 톨 유사 수용체(Toll-like receptor)

숙주 세포에 발현하는 리셉터로 선천성 면역에 관여함. 세포벽과 편모와 같은 미생물의 감염균-연관 분자패턴(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)을 인지하는 패턴인식 수용체(patten recognition receptor, PRR)임. PAMP를 인식한 톨 유사 수용체는 세포 내 어댑터 단백질을 통해서 신호를 보내고 싸이토카인 및 케모카인 생성을 유도함. 

3. 항균 펩타이드(Antimicrobial peptide)

대식세포 및 상피세포 등의 선천 면역 반응에 의해서 생성되며 그람 음성 및 그람 양성 박테리아, 외피 바이러스, 진균 등 다양한 미생물에서 항균 효능을 나타내는 항생제임. 염기성 펩타이드 디펜신은 29~34개의 아미노산 잔기로 구성되어 있으며 세균의 세포막을 파괴함. 

4. 염증 반응 (Inflammatory response)

염증은 선천성 면역 작용의 한 기전으로 병원체 감염에 반응하는 복합적인 생물학적 반응이

며 면역 세포, 혈관 그리고 분자 매개체를 포함하는 방어적 반응이다. 

5. 슈도모나스 스투체리(Pseudomonas stutzeri)

그람 음성균이며 토양과 같은 자연계에 널리 분포되어 있음. 기회 감염균으로 감염이 되는 경우는 극히 드물지만, 임상검체에서 종종 발견됨.


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