[쿠키과학] '물벼룩 심장 박동으로 독성 읽는다'… 표준연, 자동측정 시스템 개발

고속 이미징·명암 신호 분석 기술 적용 초당 8회 빠른 박동 정밀 측정
대량 분석 확률분포 기법 도입, 개체 간 미세반응 차이 분석
하천 유해물질 유입 감시, 심장 오가노이드 인체모델 확장

승인 2026-04-21 10:01:53

물벼룩 심장 박동을 분석해 저농도 독성까지 잡아내는 기술이 등장해 화제다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 물벼룩 심장 박동을 자동으로 측정하고 분석해 수생태계 속 미세한 독성 성분을 감지하는 시스템을 개발했다.

이 시스템은 시간당 물벼룩 150마리 규모 심박수 데이터를 처리해 저농도 오염물질 유해 영향을 더 민감하게 평가한다.

물벼룩은 몸이 투명하고 사육이 쉬워 수생태계 독성평가에 널리 활용되는 대표 시험생물이다.

그러나 현재 국제표준 시험법 ‘OECD 202’는 유영 저해 여부를 육안으로 판단하는 방식이어서 측정자의 주관에 따라 결과 편차가 발생하는 한계가 있었다.

KRISS 연구진은 이를 보완하기 위해 심장 박동을 정량 분석하는 방식을 도입했다.

물벼룩 심장은 초당 6~8회 빠르게 뛰어 육안 측정이 어려운 만큼, 고속 이미징을 활용해 심장 부위를 촬영하고 반복되는 명암 변화 신호를 분석해 심박수를 자동 계산하는 시스템을 구현했다.

이 시스템은 측정과 동시에 데이터를 실시간으로 처리하고, 다수 개체의 심박수 변화를 분포 형태로 분석할 수 있다.

이를 통해 평균값만으로는 확인하기 어려웠던 개체 간 반응 차이와 미세한 독성 변화까지 정밀하게 파악한다.

물벼룩을 솜으로 고정한 뒤 고속 이미징으로 심장 박동 신호를 실시간 측정하고, 다수 개체의 심박수 분포를 분석해 독성 반응을 평가하는 과정을 나타낸 개요도다. 오른쪽 그래프는 산화구리 나노입자(CuO NPs) 농도 변화에 따라 물벼룩 심박수가 정상 범위에서 벗어나는 양상을 보여주며, 기존 OECD 시험법으로 확인하기 어려운 저농도 영역의 독성 영향까지 관측할 수 있음을 나타낸다. KRISS

실제 실험 결과 독성물질에 노출된 물벼룩 약 150마리의 심박 변화를 동시에 분석해 저농도·비치사성 독성 반응까지 포착하는 데 성공, 기존 방식으로는 확인하기 어려웠던 초기 생리반응을 정량적으로 확인할 수 있음을 입증했다.

특히 장비 구조가 단순해 다양한 연구 환경에 적용할 수 있는 것도 강점이다.

연구진은 향후 하천과 호수 등 수생태계의 화학물질과 나노소재 위해성 평가는 물론, 심장 오가노이드 등 인체 유사 모델에도 적용 범위를 확대할 계획이다.

다수 물벼룩의 심박수 데이터를 확률분포로 분석한 결과를 나타낸 그림이다. 단순 평균값만으로는 빠른 개체와 느린 개체가 섞여 있을 때 개체 간 반응 차이나 미세한 독성 영향을 놓칠 수 있지만, 확률분포 분석은 전체 개체군 안에서 서로 다른 반응을 보이는 하위집단(subgroup)을 구분해 저농도 독성에 따른 변화를 보다 정밀하게 읽을 수 있다. KRISS

권익환 KRISS 선임연구원은 “이 시스템은 수생환경 독성평가 정밀도를 높인 기술로, 향후 나노물질 독성평가 분야는 물론 심장 오가노이드 등 인체 유사모델에도 적용하도록 고도화하겠다”고 말했다.

이태걸 KRISS 책임연구원은 “KIST 유럽연구소에서 활용 중인 이 시스템을 향후 국내 장비개발업체에 기술이전해 전 세계 심장독성 연구팀으로 확산하겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 KIST 유럽연구소와 공동으로 수행했고, 연구결과는 지난달 1일 국제학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’에 게재됐다.
(논문명: High-throughput heart rate monitoring in Daphnia magna for sublethal ecotoxicological)