새롭게 개발된 화학물질이나 화장품 등 화학물질을 원료로 개발된 신규 제품은 인체에 대한 독성과 환경에 대한 독성 두 가지 부문의 평가를 모두 통과하여 안전성을 확인받아야만 시중에 유통될 수 있다. 위 평가를 통과하지 못하면 내분비 장애 물질의 일종인 비스페놀A(BPA)처럼 유통이 금지된다. 화학물질의 환경 독성 평가는 물벼룩, 녹조 그리고 인간의 유전자와 90% 이상 동일한 물고기인 제브라피쉬 이 세 가지를 대상으로 시험을 해야 하는데, 최근 제브라피쉬는 척추동물로 분류되어 동물실험의 윤리적 문제에 직면하여 보건당국의 허가를 받아야만 실험할 수 있게 됐다.

이런 상황을 극복하고자 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 독일 현지법인인 KIST 유럽연구소(소장 김준경) 환경안전성연구단 김용준 단장 연구팀이 미국 일리노이 대학교 공현준 교수 연구팀과 공동연구를 통해 제브라피쉬의 간을 모사한 오가노이드(Organoid)를 배양하여 동물실험을 대체하면서 환경에 대한 장기적 독성 및 유해성을 평가할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.

제브라피쉬를 이용하여 내분비 장애에 영향을 미치는지를 평가할 수 있는 지표 물질인 ‘비텔로제닌(Vitellogenin)’에 대한 유해성 평가 기법은 독성학 분야에서 널리 이용되고 있다. 그러나 제브라피쉬를 대체하여 시험하기 위하여 개발된 제브라피쉬 오가노이드는 아직 고농도의 VTG를 생성할 수 있는 조직으로 배양할 수 없어 실제 독성평가에 사용할 수 없었다. 공동연구진은 제브라피쉬 간세포를 배양하기 위해 폴리에틸렌 글리콜(Polyethiylene glycol, PEG)을 활용하여 오가노이드의 뼈대(지지체)를 제작하였다. 그 결과, 제브라피쉬 간세포들이 스스로 결합하고 조립되어 28일 동안 형상을 유지하여 장기적으로 배양할 수 있게 되었다. 

연구진은 이러한 배양방식을 통하여 6주 이상 장기적 영향을 평가할 수 있는 만성독성 시험용 제브라피쉬의 인공 간 오가노이드 개발에 성공하였다. 이 인공 간을 활용하면 제브라피쉬를 대상으로 직접 시험한 것과 유사한 결과를 도출할 수 있어 윤리적 문제가 있는 동물실험을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 연구팀이 개발한 제브라피쉬 간세포의 3차원 생체모사 시스템을 활용하면, 내분비 장애 물질이 환경에 미치는 장기적 영향을 단시간에 평가할 수 있다. 

KIST 유럽연구소 김준경 소장은 “KIST 유럽연구소는 그간 축적된 환경안전성 분야의 연구 경험을 집약하여 2018년부터 ‘생태계 내 내분비 장애 물질 독성발현경로 프레임워크 개발’ 연구에 매진해왔다.”라고 말하며 “독성평가 및 동물대체시험법 분야 자체 보유 역량을 기반으로 국민 체감형 안전 및 보건 기술 개발지원을 위해 노력하겠다.”라고 강조했다.

공동연구팀을 이끈 김용준 단장은 “글로벌 수준의 동물대체시험법 기반 독성평가 관련 기술을 확보해 국내 기술이전을 위한 기반을 마련하는 것이 단기적인 목표”라며 “앞으로 다양한 내분비 장애 물질이 환경에 미치는 영향을 분석할 수 있는 독성 신호체계를 개발하여 환경 독성 분야에 새로운 대체 시험법을 개발하는 데 주력할 예정이다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합과제와 KIST 유럽연구소 중점연구과제를 통해 진행됐으며, 해당 연구 성과는 Environmental Science & Technology(IF : 7.86, JCR 분야상위(%) : 5.47) 최신 호에 게재되었다.

* (논문명) Matrix softness-mediated 3D zebrafish hepatocyte modulates response to endocrine disrupting chemicals
- (교신저자) 한국과학기술연구원 유럽연구소 김용준 책임연구원