생분해성 플라스틱의 잠재적 위험성: 베이징대학교 장후이 교수 연구팀, 폴리락트산 미세/나노플라스틱으로 인한 생식 독성 최초 보고

플라스틱의 광범위한 사용은 산업 문명과 경제 발전에 크게 기여했지만, 특히 미세플라스틱(MP)과 나노플라스틱(NP)으로 인해 심각한 환경 오염을 초래했으며, 이러한 미세플라스틱은 인간 생활 환경 곳곳에 만연하게 되었습니다. 기존 연구에 따르면 인간의 평균 미세플라스틱 섭취량은 주당 약 0.1~5g으로, 잠재적인 건강 위험에 대한 우려를 낳고 있습니다.

플라스틱 오염을 완화하기 위해 생분해성 플라스틱이 기존의 석유 기반 플라스틱을 대체하는 환경 친화적인 대안으로 도입되었습니다. 폴리락트산(PLA)은 전 세계적으로 가장 널리 생산되고 소비되는 생분해성 플라스틱으로, 식품 포장에 사용됩니다. 일회용 식기PLA는 생의학 분야에서 약물 전달체로도 사용됩니다. PLA는 "친환경" 플라스틱으로 여겨지지만, 연구에 따르면 섭취 시 염증을 유발할 수 있으며, 분해 과정에서 기존 석유 기반 플라스틱보다 더 많은 미세 플라스틱을 생성할 수 있어 추가적인 조사가 필요한 잠재적 위험성을 시사합니다.

2025년 1월 27일, 베이징대학교 제1병원 장후이 교수 연구팀은 권위 있는 재료과학 저널에 연구 논문을 발표했습니다. ACS 나노"폴리락트산 미세/나노플라스틱 노출은 생쥐에서 정자 생성 장애 및 미토콘드리아 기능 장애를 유발하여 수컷 생식 독성을 나타낸다"라는 제목의 연구에서, PLA 미세/나노플라스틱(PLA-MP/NP)이 수컷 생쥐에서 생식 독성을 나타낸다는 사실이 처음으로 밝혀졌습니다. 이는 독성 기전이 기존의 석유계 미세플라스틱과 유사할 수 있음을 시사합니다. 이러한 연구 결과는 생분해성 플라스틱의 환경 위험성을 평가하는 데 이론적 근거를 제공합니다.

불임은 전 세계적인 공중 보건 문제이며, 암과 심혈관 질환에 이어 세계에서 세 번째로 흔한 난치성 질환입니다. 정자 수 부족(희소정자증)은 남성 불임의 주요 원인 중 하나이며, 환경 오염은 남성 생식 능력 저하에 크게 기여하는 요인으로 여겨집니다. 따라서 환경 오염 물질이 생식 건강에 미치는 영향은 광범위한 관심사가 되었습니다. 장후이(Jiang Hui) 연구팀의 이전 연구에서는 남성 생식 기관에서 미세 플라스틱이 발견되었으며, 특히 석유 기반 폴리스티렌(PS) 미세 플라스틱이 사춘기 이전 남성의 고환 손상을 유발하여 생식 능력을 위협할 수 있음을 밝혀냈습니다. 그러나 PLA가 남성 생식 기능에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 따라서 연구팀은 수컷 쥐에서 PLA 미세플라스틱(PLA-MP) 노출의 생식 독성을 조사하기 위해 환경적으로 관련된 용량(10mg/kg/d, 100mg/kg/d)과 유해성 확인 용량(1000mg/kg/d)을 사용하여 56일 동안 반복 경구 독성 연구를 수행했습니다.

연구 결과에 따르면 PLA-MP는 체내 흡수 후 혈류를 통해 혈액-고환 장벽을 통과하여 고환 미세환경에 축적되었습니다. 이러한 축적은 정자 수 감소, 정자 운동성 저하, 정자 기형 증가, 호르몬 불균형 등 심각한 생식 독성을 유발했습니다. 또한, 조직병리학적 검사에서는 정세관 퇴화, 생식세포 소실, 생식상피조직 파괴가 관찰되었습니다. 특히, 일부 정세관에서 정자형성 공간의 확장과 정자의 완전 소실은 고환의 심각한 구조적 손상을 시사했습니다. 이러한 결과는 PLA-MP 노출이 수컷 쥐에서 생식 독성을 유발한다는 가설을 뒷받침합니다.

미토콘드리아 기능 장애는 환경 오염 물질에 의한 독성의 주요 기전이며, 미토콘드리아 손상은 미세플라스틱 유발 독성의 핵심 기전으로 여겨집니다. 본 연구에서는 PLA-MP 노출 후 입자가 세포 내로 유입되어 미토콘드리아에 축적되는 것을 확인했습니다. 유입된 PLA-MP는 미토콘드리아의 형태학적 변화, 즉 팽창, 크기 증가, 액포 형성, 관상 크리스타 형성 및 미토콘드리아 자가포식소체 생성을 유발했습니다. 산화 스트레스의 중요한 지표인 활성산소종(ROS) 수치는 PLA-MP 농도에 비례하여 증가했으며, 증가된 ROS 수치에 의해 유발된 미토콘드리아 기능 장애는 산화 스트레스를 더욱 악화시켜 지속적인 미토콘드리아 손상의 악순환을 초래했습니다. PLA-MP 노출이 미토콘드리아 기능에 미치는 영향을 평가하기 위해 연구팀은 GC-2 정자세포에서 Ca2+ 수준, ATP 생성량, 미토콘드리아 막전위(MMP) 등 미토콘드리아 완전성 지표를 분석했습니다. 그 결과, PLA-MP 노출은 MMP와 ATP 수준을 감소시키고 세포 내 Ca2+ 수준을 유의하게 증가시키는 것으로 나타났습니다. 이는 미토콘드리아 기능 장애가 PLA-MP 유발 생식 독성의 민감한 지표가 될 수 있음을 시사합니다.

미토콘드리아 외피는 정자 꼬리의 중요한 구성 요소로, 정자의 운동성을 유지하는 데 필수적입니다. 미토콘드리아 외피의 구조적 이상은 남성 불임으로 이어질 수 있습니다. 연구팀은 PLA 입자가 정자에 침투하여 미토콘드리아 외피 손상을 유발하는지 조사하기 위해 투과 전자 현미경을 사용하여 정자 중간 부분의 미세 구조를 관찰했습니다. 예상대로 나노미터 크기의 PLA 입자들이 정자 중간 부분에 부착되어 있는 것을 확인했습니다. 특히, PLA 나노 입자는 정자 내부까지 침투하여 미토콘드리아 외피에 도달하고, 미토콘드리아 파괴 과정에 관여하는 것으로 나타났습니다. 또한, PLA는 정자 내부의 산화환원 항상성을 교란하고 산화 스트레스를 유발하여 정자 미토콘드리아의 구조와 기능 모두에 손상을 입혔습니다.

PLA-MP에 의해 유발되는 생식 독성의 분자 메커니즘을 더 자세히 조사하기 위해, 연구팀은 고용량 노출군의 고환 조직에 대한 전사체 분석을 수행했습니다. 분석 결과, PLA-MP는 정자 생성과 관련된 여러 핵심 유전자(예: C3, Pde7b, Wt1, Dkk3)의 발현을 유의하게 하향 조절하고 칼슘 이온 수송과 같은 미토콘드리아 기능 관련 경로에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 PLA-MP 노출이 정자 발달에 관여하는 핵심 유전자의 발현을 억제함으로써 정자 생성 장애를 유발하고 생식 독성을 악화시킨다는 것을 시사합니다.

결론적으로, 본 연구는 폴리락트산(PLA) 미세/나노플라스틱이 정자형성 장애 및 미토콘드리아 기능 장애를 유발하여 수컷 생쥐에서 생식독성을 나타낸다는 최초의 증거를 제시합니다. 연구 결과는 PLA 미세플라스틱이 혈액-고환 장벽을 통과하여 고환 미세환경에 축적되고, 생쥐에서 산화 스트레스, 호르몬 불균형 및 고환 발달 장애를 유발함을 보여줍니다. 또한, PLA 미세플라스틱이 나노플라스틱으로 분해되면 정자 미토콘드리아에 침투하여 미토콘드리아 손상을 일으킬 수 있으며, 이는 미토콘드리아 기능 장애가 PLA 유발 생식독성의 핵심 기전이자 조기 지표임을 시사합니다.

전반적으로, 본 연구는 생분해성 미세플라스틱이 인체 건강에 미치는 독성학적 영향에 대한 이해를 높이고 생분해성 플라스틱의 건강 위험을 평가하는 데 새로운 통찰력을 제공합니다. PLA는 흔히 "친환경" 플라스틱으로 홍보되고 있지만, 그 생분해성, 생체 내 분포 및 인체에 미치는 잠재적 독성학적 영향에 대해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

본 논문의 교신 저자로는 베이징대학교 제1병원 장후이 교수, 베이징대학교 제3병원 장철 교수, 중국과학원 생태환경과학연구소 리위안위안 박사가 있다. 베이징대학교 제1병원 자오첸청 박사가 제1 저자이며, 베이징대학교 제3병원 팡쯔수이 박사(박사후 연구원)와 왕펑청 박사가 공동 제1 저자로 참여했다.