Effects of short-term personal exposure to air pollution on platelet mitochondrial DNA methylation levels and the potential mitigation by L-arginine supplementation (2021)

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125963

 

해당 논문은 단기적인 대기오염 노출이 혈소판의 미토콘드리아 DNA 메틸화에 미치는 영향을 조사하고, 아르기닌(Arginine) 보충제가 이러한 영향을 완화할 수 있는지를 평가한 연구이다. 이 실험은 50~75세의 중장년층 참가자 110명을 대상으로 진행되었으며, 연구 참가자들은 대기오염에 2시간 동안 노출되었다. 실험은 이중맹검, 위약 대조군 방식으로 아르기닌 보충과 비교하여 진행되었다.

 

주요 연구 결과

1. 대기오염과 DNA 메틸화의 관계

   • 짧은 시간 동안 PM2.5와 블랙 카본(BC) 같은 미세 입자에 노출되면 혈소판의 미토콘드리아 DNA에서 메틸화가 감소(저메틸화)되는 현상이 관찰되었다. 이는 에너지 생산과 관련된 ATP6, ATP8 유전자와 미토콘드리아의 전사와 복제에 중요한 역할을 하는 D-loop 영역에서 두드러졌다.
   • 이러한 저메틸화 현상은 미토콘드리아 기능에 영향을 미치며, 장기적으로는 심혈관계 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 미토콘드리아 기능 저하는 심혈관계 질환, 특히 혈전증이나 동맥경화와 같은 질환 위험을 높일 수 있다.

2. 아르기닌 보충의 완화 효과

   • 연구에서 아르기닌을 2주간 보충한 그룹에서는 대기오염이 미토콘드리아 DNA 메틸화에 미치는 영향이 완화되는 경향이 나타났다. 특히 D-loop 영역에서 이러한 완화 효과가 두드러졌다. 아르기닌이 산화 스트레스에 대응하여 산화 손상을 억제하는 기능이 있어, DNA 메틸화의 변화에도 영향을 미치는 것으로 보인다.
   • 결과적으로, 아르기닌 보충은 대기오염으로 인한 산화 스트레스를 줄여주며, 장기적으로 심혈관계 질환 예방에 도움이 될 수 있다.

 

연구 방법

1. 참가자 모집 및 선발 과정

   • 연구 대상 모집: 연구 시작 전, 북경의 지역 병원에서 505명을 대상으로 사전 스크리닝을 통해 참가자 모집
   • 대상자 제외
     • 탈락: 87명이 예정된 신체검사에 참여하지 않음
     • 부적합: 174명은 연구 기준에 부합하지 않음
     • 자발적 철회: 126명은 신체검사 후 연구에서 자발적으로 철회
   • 최종 참여자: 118명이 연구 기준에 맞고 동의, 이 중 110명이 최종 연구 절차를 완료

2. 참가자 선정 기준

   • 연령: 50세에서 75세 사이
   • 건강 상태: 혈압이 수축기 120~160 mmHg, 이완기 <100 mmHg 범위에 해당
   • 생활 습관: 비흡연자, 기존에 혈관 관련 보충제나 약물을 복용하지 않는 자
   • 제외 기준:
     • 심각한 고혈압이나 심혈관 질환, 만성 폐쇄성 폐질환 등 주요 만성 질환자
     • 최근 3개월 이내 급성 심장 증상 경험자
     • 알코올 또는 약물 중독자 및 아르기닌 성분에 알레르기가 있는 자
     • 혈중 저밀도 콜레스테롤 수치가 4.92mmol/L 이상 또는 당화혈색소가 9% 이상인 자
     • 고용 환경에서 오염물질에 노출된 경력이 있는 자

3. 연구 설계

   • 연구 유형: 무작위 배정된 이중맹검 위약 대조군 실험
   • 집단 배정: 최종 참여자 118명을 아르기닌 보충군(59명)과 위약군(59명)으로 무작위 배정
   • 아르기닌 보충 방법: 하루에 3g씩 3회 복용 (총 9g/일), 2주간 지속
   • 위약 투여 방법: 아르기닌 보충군과 동일한 조건으로 위약 투여

4. 대기오염 노출 실험

   • 노출 설계:
     • 연구 마지막 날 14일째, 오전에 아르기닌 보충군과 위약군 각각 1명씩 짝을 지어 2시간 동안 교통량이 많은 도로에서 걷기
     • 노출 시간 구분: 실험 중 2시간 노출과 실험 종료 후 24시간 동안의 추가 노출로 구분하여 연구
   • 개인 노출 측정 장비
     • PM2.5: MicroPEM을 사용하여 미세먼지 농도 실시간 측정
     • 블랙 카본: microAeth 모델 AE51로 실시간 측정
     • 이산화질소(NO2): Aeroqual 시리즈 500 NO2 측정기로 2시간 동안 노출된 농도 측정 (24시간 노출 데이터는 고정 모니터링 장비를 통해 수집)
     • 소음, 온도 및 습도: ASV5910 및 HOBO 온습도 기록기로 걷기 동안의 환경 조건 측정

5. 혈소판 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 메틸화 분석

   • 혈소판 추출 및 mtDNA 준비: 참가자의 혈소판을 원심분리로 분리하고 -80℃에서 보관 후 분석
   • 메틸화 분석 과정
     • DNA 변환: EZ DNA 메틸화 키트를 이용해 1 µg의 mtDNA를 비설파이트 변환
     • PCR 증폭: 변환된 DNA로부터 GoTaq hot start 폴리메라제를 이용한 PCR 증폭
     • 후속 분석: pyrosequencing 방법을 사용하여 mt12sRNA, ATP6, ATP8, MT-COX1, MT-COX2, MT-COX3, D-loop 영역의 CpG 메틸화 수준 측정

6. 혈장 아르기닌 농도 측정

   • 크로마토그래피-질량분석: LC-MS/MS 방법을 통해 혈중 아르기닌 농도 정량 분석
   • 측정 시점: 연구 시작 전(1일차), 14일째 노출 전후로 혈장 아르기닌 농도 측정

7. 통계 분석

   • 집단 간 메틸화 차이: 아르기닌 보충군과 위약군 간 메틸화 변화의 차이를 분석
   • 회귀분석: 다변량 선형 회귀를 통해 PM2.5, BC, NO2 노출이 메틸화 수준에 미치는 영향을 분석, 성별, 연령, 체질량지수(BMI) 등 교란변수를 보정
   • 상관분석: 노출된 오염물질 농도와 메틸화 변화 간 상관관계 평가

 

 

그래프 설명

1. Methylation Change by Exposure Type

• 각 대기오염 노출 유형(PM2.5, BC, NO2)에 따른 혈소판 미토콘드리아 DNA 메틸화 변화율을 보여준다. 노출 기간은 짧게는 2시간(PM2.5 (2h), BC (2h))에서 길게는 24시간(PM2.5 (24h), BC (24h), NO2 (24h))까지 다양하며, 각 막대의 길이는 평균 메틸화 변화율을, 오차 막대는 표준 오차를 나타낸다.

• 메틸화 감소: PM2.5와 블랙 카본(BC)은 2시간, 24시간 노출 모두에서 DNA 메틸화 수준을 감소시키는 경향이 있다. 특히 PM2.5 (24h)와 BC (24h) 노출에서는 D-loop 영역의 메틸화가 크게 감소했음을 알 수 있다. 반면, 이산화질소(NO2)는 24시간 노출 시 mt12sRNA의 메틸화가 약간 증가하는 경향이 관찰되었다.

• 대기오염에 단기간 노출되면 DNA 메틸화 수준에 변화가 생기며, 이는 미토콘드리아 기능 및 세포 에너지 생산에 영향을 미쳐 심혈관계 건강에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

2. Plasma L-Arginine Levels Over Time

• 아르기닌 보충군과 위약군의 혈장 내 아르기닌 농도 변화를 연구 기간 동안 측정한 그래프이다. 네 개의 주요 시점(Day 1, Day 14 (before walk), Day 14 (after walk), Day 15 (follow-up))에서 농도를 측정하였다.

  • 아르기닌 보충 효과: 아르기닌 보충군의 경우, 연구 초반보다 14일 동안 보충제를 복용한 후 혈중 아르기닌 농도가 뚜렷하게 증가했다. 이는 산화 스트레스에 대한 저항력을 높여 대기오염 노출로 인한 산화적 손상을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

  • 아르기닌 보충군은 아르기닌 농도의 유의미한 상승을 통해 대기오염 노출로 인한 산화 스트레스를 완화할 가능성을 시사하며, 이는 메틸화 수준의 안정화를 통해 심혈관계 보호 효과를 기대할 수 있다.

3. Methylation Changes in Gene Regions Before and After Exposure

• 대기오염 노출 전후 각 유전자 영역(D-loop, ATP8, ATP6 등)에서의 노출 전/후 DNA 메틸화 변화를 비교한 그래프이다.

  • 메틸화 감소: 노출 후 대부분의 유전자 영역(D-loop, ATP8 등)에서 메틸화가 감소하는 경향을 보이며, 특히 D-loop 영역에서 메틸화 수준이 크게 낮아졌다. 특정 유전자(mt12sRNA, MT-COX2)에서는 메틸화 수준이 증가했으며, 이는 대기오염의 종류나 노출 시간에 따라 미토콘드리아 내 특정 유전자 영역의 메틸화 반응이 다르게 나타날 수 있음을 시사한다.

  • 대기오염에 노출되면 미토콘드리아 DNA 메틸화가 감소하거나 특정 유전자 영역에서 변화가 발생하여, 장기적으로 심혈관계 질환을 유발할 가능성이 있다. 아르기닌 보충이 이러한 변화의 완화에 기여할 수 있다는 가능성을 본 연구가 제시하고 있다.

 

연구 결과

1. 대상자 기본 특성

   • 평균 연령: 63.4세 ± 5.7세
   • 성비: 남성 39.1%, 여성 60.9%
   • 평균 BMI: 25.9 ± 2.7 kg/m²
   • 환경 조건: 2시간 동안 평균 PM2.5 농도는 69.0 µg/m³, 24시간 동안 52.5 µg/m³로 WHO 기준치를 초과

2. 대기오염과 미토콘드리아 DNA 메틸화 변화

   • PM2.5 노출의 영향
     • 2시간 PM2.5 노출: mt12sRNA 메틸화 감소, ATP6, ATP6_P1 메틸화의 경미한 감소
     • 24시간 PM2.5 노출: D-loop 영역에서 메틸화 감소, 1.34% 감소 (95% CI: -2.18%, -0.50%)
   • 블랙 카본(BC) 노출의 영향
     • 2시간 BC 노출: MT-COX3_P2, D-loop 영역 메틸화 감소
     • 24시간 BC 노출: ATP8_P1과 D-loop 영역에서 메틸화 감소
   • 이산화질소(NO2) 노출의 영향
     • 2시간 NO2 노출: ATP8_P1 메틸화 감소 경향
     • 24시간 NO2 노출: mt12sRNA 메틸화 증가, 0.37% 증가 (95% CI: 0.02%, 0.71%)

3. 아르기닌 보충의 완화 효과

   • 메틸화 변화 완화
     • 아르기닌 보충군에서 D-loop 영역의 메틸화 변화가 위약군보다 덜 두드러짐 (PM2.5와 BC 노출 모두에 대한 완화 효과 확인)
   • 다른 유전자 영역의 보호 효과
     • MT-COX1, ATP8 등 다양한 유전자 영역에서도 아르기닌이 대기오염 노출로 인한 메틸화 저하를 억제하는 경향 확인
   • 블랙 카본 노출 완화: PM2.5보다 블랙 카본에 대한 완화 효과가 더 두드러짐, BC 저감이 심혈관 건강에 더 중요한 영향을 미칠 가능성

4. 혈장 아르기닌 농도 변화

   • 증가 경향
     • 아르기닌 보충군에서 14일간 보충 후 혈장 아르기닌 농도 증가 (100.7 ± 35.0 μmol/L)
     • 2시간 노출 후 117.8 ± 46.0 μmol/L, 24시간 노출 후 99.8 ± 40.8 μmol/L로 위약군보다 높음
   • 의미: 아르기닌 농도의 증가는 산화 스트레스 억제를 통해 대기오염의 유해 영향을 완화 가능

5. 통계적 검정 결과

   • 아르기닌 보충군과 위약군 간 메틸화 수준 차이가 유의하게 나타남 (특히 D-loop 영역)
   • 상관분석 결과: PM2.5, BC, NO2 노출이 각각의 mtDNA 메틸화 영역에 미치는 상관관계가 확인됨
   • 다변량 회귀 분석 결과: PM2.5 및 BC 노출이 미토콘드리아 DNA의 특정 영역에 메틸화 저하와 관련이 있음을 시사

 

연구 결론

이 연구는 짧은 시간의 대기오염 노출이 혈소판의 미토콘드리아 DNA에 영향을 미쳐 심혈관계 질환 위험을 높일 수 있다는 점을 보여준다. 특히 도시 생활에서 자주 노출되는 PM2.5나 블랙 카본과 같은 미세먼지가 심혈관계에 미치는 영향을 예방하기 위해, 아르기닌 보충이 도움이 될 수 있음을 시사한다. 따라서 공해가 심한 지역에 거주하는 중장년층이라면 아르기닌 보충제를 고려해볼 수 있으며, 이는 특히 심혈관계 질환 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

 

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