제브라피쉬 배아 모델을 이용한 미세먼지 유발 부정맥 유사 심장 독성 및 이온 채널 관련 유전자 발현 변화 분석 = Analysis of Arrhythmia-like Cardiotoxicity and Ion Channel?Related Gene Expression Induced by Particulate Matter (PM) in a Zebrafish Embryo Model

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background: Air pollution is a major environmental risk factor that increases cardiovascular morbidity and mortality. Particulate matter (PM), a critical component of air pollution, can adversely affect maternal and fetal health, particularly during cardiac development. This study aimed to investigate the cardiotoxic effects of PM exposure using a zebrafish embryo model.
Methods: Airborne PM was collected using a high-volume air sampler and diluted to concentrations of 10%, 25%, and 50% in E3 medium. Zebrafish embryos were exposed from 4 to 80 hours post-fertilization (hpf). Developmental toxicity, cardiac morphology and function, vascular flow, and gene expression changes were assessed. Additionally, the effects of heavy metal mixtures (HMMs) mimicking real-world PM composition (CAI > 100 and < 50) were analyzed.
Results: PM exposure induced arrhythmia-like cardiotoxicity, including pericardial edema, venous congestion, decreased heart rate, and irregular cardiac rhythm. These changes were associated with the aberrant expression of cardiac development-related genes (tbx20, gata4, nppa) and ion channel-related genes (scn5lab, kcnq1, kcnh2a/b, kcnh6a/b). Embryos exposed to HMMs also showed similar phenotypes and gene expression patterns, whereas exposure to individual heavy metals did not induce arrhythmia.
Conclusions: This study demonstrates that PM exposure during early cardiac development induces arrhythmia-like cardiotoxicity by disrupting the expression of cardiac development- and ion channel-related genes.

국문 초록 (Abstract)

배경: 대기오염은 심혈관계 질환의 이환율과 사망률을 증가시키는 주요 환경 위험인자이다. 특히, 미세먼지(particulate matter, PM)는 산모 및 태아에게 악영향을 미칠 수 있으며, 심장 발달에 장애를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 PM 노출이 심장 발생에 미치는 영향을 제브라피쉬(zebrafish) 배아 모델을 이용하여 분석하였다.
방법: PM은 고유량 대기채집기를 이용하여 수집하였으며, 이를 10%, 25%, 50% 농도로 희석하여 제브라피쉬 배아에 4–80수정 후 시간 (hours post fertilization, hpf)까지 노출하였다. 발생 독성, 심장 형태 및 기능 변화, 혈류 흐름 분석, 심장 발달 및 이온 채널 관련 유전자 발현 변화를 평가하였다. 또한 실제 대기환경에 존재하는 중금속 혼합물(heavy metal mixtures, HMM)의 독성도 함께 분석하였다.
결과: PM에 노출된 배아는 심낭부종, 정맥 울혈, 심박수 감소, 심박 리듬 이상 등 부정맥 유사 심장 독성을 나타냈으며, 이러한 변화는 T-box transcription factor 20 (tbx20), natriuretic peptide A (nppa), GATA-binding protein 4 (gata4)와 같은 심장 발달 관련 유전자 및 scn5lab, kcnq1, kcnh2a/b, kcnh6a/b 등의 이온 채널 유전자의 비정상적인 발현과 관련되었다. 통합대기환경지수(Comprehensive Air-quality Index, CAI)> 100 조건의 HMM에 노출된 배아에서도 유사한 독성과 유전자 발현 변화가 관찰되었으며, 단일 중금속 노출군에서는 부정맥 유사 독성이 유도되지 않았다.
결론: 본 연구는 PM 노출이 심장 발달에 관여하는 유전자 및 이온 채널 유전자의 비정상적인 발현을 유도함으로써 PM이 부정맥 유사 심장 독성을 유발할 수 있음을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• (국문) 초록 i
• ABSTRACT iiii
• 서문 v
• 목차 vii
• 표 목차 ix
• 그림 목차 x
• 약어 xi
• 1장. 서론 1
• 2장. 재료 및 방법 9
• 2.1 실험동물 및 윤리적 승인 9
• 2.2 미세먼지 채집 및 성분 분석 9
• 2.3 미세먼지 및 중금속 노출 10
• 2.4 심장 형태 및 심박수 분석 11
• 2.5 혈관 영상 및 혈류 분석 12
• 2.6 유전자 발현 분석 12
• 2.7 통계 분석 13
• 3장. 결과 14
• 3.1 미세먼지 노출에 따른 제브라피쉬 배아의 발달 독성 14
• 3.2 미세먼지 노출에 따른 심장 형태 및 기능 이상 15
• 3.3 미세먼지 노출이 혈관 발달 및 혈류에 미치는 영향 17
• 3.4 미세먼지 노출에 따른 심장 발달 및 기능 관련 유전자 발현 변화 18
• 3.5 미세먼지 내 중금속 혼합물에 의한 심장 독성 19
• 4장. 고찰 23
• 4.1 대기오염 노출에 따른 발생초기 심혈관계 영향 23
• 4.2 제브라피쉬 모델을 통한 PM의 발생 독성 및 심장독성 평가 24
• 4.3 미세먼지에 의한 심장 발달 및 이온채널 유전자 발현 변화 25
• 4.4 미세먼지 내 중금속 혼합물에 의한 심장 독성 효과 28
• 4.5 연구의 한계점 29
• 4.6 연구의 의의 및 향후 제언 30
• 5장. 결론 32
• 참고문헌 34
• 부록 42
• A. 부록 표 42
• B. 부록 그림 43