인체 특수 장기로서의 장내 마이크로바이옴

인체에는 박테리아를 비롯하여 바이러스, 원생 동물, 균류, 고세균류 등 수많은 미생물이 서식하며 이들 미생물을 합쳐 마이크로바이옴이라고 합니다. 장내 미생물군, 장내 세균 또는 마이크로바이옴은 인간 또는 다른 동물의 소화관에서 생존하는 미생물입니다. 일부 박테리아는 질병과 관련이 있는 반면 건강의 많은 측면에서 특히 중요한 박테리아도 있습니다. 실제로 인체 내에는 인간 세포보다 많은 박테리아 세포가 있는데, 박테리아 세포는 약 40조 개인 반면 인간 세포는 30조 개에 불과합니다. 이들 미생물을 합친 무게는 뇌의 무게와 유사합니다. 이들 미생물은 인체 안에서 특수 장기와 같은 기능을 하며 인체 건강에 중요한 역할을 합니다. 장내 마이크로바이옴의 게놈 집합체는 인체 내 인간 DNA 양의 100배를 초과합니다. 미생물 군집의 엄청난 유전적 잠재력을 고려할 때 인체 내 거의 모든 생리 과정에 영향을 미친다는 것을 예상할 수 있습니다. 장내 박테리아는 여러 정신 질환과도 관련이 있으며 우울증, 조울증, 조현병, 자폐증과 같은 다양한 정신과 장애가 장내 미생물 구성에 현격한 변화를 가져오는 것으로 알려져 있습니다.

CAS Content Collection^TM의 연구에 따르면 인체 건강, 특히 정신 건강과 관련된 장내 마이크로바이옴에 대한 관심이 2000년 이후 수년 간 기하급수적으로 증가하고 있다고 알려져 있습니다. 현재 정신 건강과 관련하여 장내 마이크로바이옴에 대한 7,000건이 넘는 문헌이 발표되어 있습니다(그림 1).

신생아는 태어나면서 처음 미생물과 접하게 됩니다. 인간 장내 마이크로바이옴 증식

일반적으로 자궁은 무균 환경이며 출생 중에 세균 집락이 시작되는 것으로 알려져 있습니다. 신생아의 마이크로바이옴은 출산 방법에 따라 다릅니다. 즉, 자연 분만 신생아의 마이크로바이옴은 어머니의 질 마이크로바이옴과 같고 제왕절개로 태어난 신생아의 마이크로바이옴은 어머니의 피부 마이크로바이옴과 유사합니다. 신생아의 마이크로바이옴 증식에는 조산, 수유 방법과 같은 다른 다양한 요인도 영향을 미칩니다. 성인이 된 후 장내 마이크로바이옴 구성의 주요 결정 요인은 식단으로 알려져 있습니다. 식이 섭취에 변화가 생기면 마이크로바이옴 구성 또한 빠르게 바뀝니다. 식물성 식단 대 동물성 식단을 비교하면 특성 패턴이 두드러지게 나타납니다. 장내 마이크로바이옴의 증식과 변화는 여러 가지 다른 요인의 영향도 받습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션의 한 연구 자료에 따르면 장내 마이크로바이옴 구성에 영향을 미치는 식습관 다음으로 두 번째 중요 요인으로는 스트레스 노출을 꼽고 있습니다. 다른 요인으로는 출산 방법, 수유 방법, 환경 조건, 약물 치료, 라이프사이클 단계와 모드, 동반질환, 의료적 시술 등이 있습니다(그림 2). 기능적 구성 및 대사 활동의 불균형으로 인한 미생물 항상성 이상 또는 국지적 분포의 변화를 장내 세균 불균형이라고 하며 미생물 불균형 또는 부적응 상태를 나타냅니다.

식단이 장내 마이크로바이옴 구성에 미치는 것으로 알려진 중대한 영향과 장내 마이크로바이옴이 건강에 미치는 필수적인 영향을 고려할 때 '장내 박테리아를 적정 수준으로 유지하는 데 유익하고 따라서 추천할 만한 식단은 무엇인가?'라는 중요한 의문점이 떠오릅니다. 특정 음식을 특정 질병의 치료제로 추천할 만한 결정적이고 명확한 해답은 없지만 몇 가지 주요 지침은 마련되어 있습니다. 장내 미생물군에는 특히 고섬유질 식단이 영향을 미칩니다. 식이 섬유는 결장에 서식하는 미생물의 효소로만 소화 및 발효될 수 있습니다. 발효됨에 따라 단쇄 지방산이 방출되며 이로 인해 결장의 pH가 낮아집니다. 높은 산성 환경은 생존 가능한 미생물의 유형을 결정합니다. pH가 낮으면 클로스트리듐 디피실리균과 같은 특정 유해 박테리아의 증식이 제한됩니다. 이눌린, 탄수화물, 검, 펙틴, 프락토올리고당과 같은 고섬유질 식품은 인체에 유익한 미생물의 먹이가 된다는 점에서 프리바이오틱스로 알려져 있습니다. 일반적으로 이러한 프리바이오틱 섬유질은 과일, 채소, 콩류를 비롯하여 밀, 귀리, 보리와 같은 통곡물에 많이 함유되어 있습니다.  또 다른 유익한 식품군에는 프로바이오틱스가 있는데, 프로바이오틱스는 소화기 계통에 좋은 살아 있는 박테리아로, 장내 마이크로바이옴에 좋은 영향을 미칠 수 있습니다. 대표적인 프로바이오틱스로는 케피어, 활성 배양 방식으로 만든 요거트, 절인 채소, 콤부차 티, 김치, 된장, 사우어크라우트와 같은 발효 식품이 있습니다.

장내 미생물

인간의 장내 미생물군은 여러 문(phyla)으로 분류됩니다. 장내 미생물군은 주로 후벽균류, 의간균류, 방선균류, 프로테아박테리아 문으로 분류되며 이 중 후벽균류와 의간균류가 장내 미생물군의 90%를 차지합니다. 대부분의 박테리아는 위장관 내에 서식하며 가장 많은 수의 혐기성균은 대장에 서식합니니다(그림 3).  

장-뇌 축 – “두 번째 뇌”로서의 장내 마이크로바이옴

장과 뇌가 일정한 앙뱡항 커뮤니케이션 관계라는 사실은 이미 입증되었으며 여기서 미생물과 그 신진 대사 생산이 주요 구성 요소입니다. Michael Gershon은 1999년 발표한 자신의 저서에서 소화기 계통을 “두 번째 뇌"라고 칭했습니다. 당시는 과학자들이 인간의 장과 뇌가 지속적으로 대화를 주고 받고 있으며 장내 미생물이 뇌의 기능을 크게 조절한다는 사실을 인지하기 시작한 때였습니다.

현재는 장내 미생물군이 신경, 내분비 및 면역 체계를 통해 중추 신경계과 연결되어 뇌 기능을 통제한다는 것이 일반적인 상식입니다. 다양한 연구에 따라 불안, 기분, 인지, 고통을 조절하는 데 있어 장내 미생물군이 큰 역할을 하는 것으로 입증되었습니다. 따라서 미생물군–장–뇌가 한 축을 이루는 새로운 개념에서는 장내 미생물군을 조절하는 것이 중추 신경계 장애에 대한 새로운 치료법 개발을 위한 효과적인 전략이 될 수 있습니다.

장내 미생물군과 COVID-19

최근 COVID-19 환자의 장내 미생물 구성과 사이토카인 수준 및 염증 지표 사이의 상관 관계가 보고되었습니다. 여기서는 장내 마이크로바이옴이 숙주 면역 반응 조절을 통해 COVID-19 중증 정도에 관여한다는 주장이 제기되었습니다. 또한 장내 미생물군 불균형이 완치 후에도 지속적인 증상을 유발할 수 있으므로 장내 미생물이 감염과 COVID-19에 어떻게 관여하는지를 이해해야 한다고 강조합니다.

장내 미생물 신경 자극성 대사 산물

장내 미생물군-뇌를 연결하는 축에 기형이 발생하는 경우 신경 질환 병리 생리의 주요 요인으로 밝혀졌으며 이에 따라 장내 미생물 대사 산물의 신경 자극성을 이해하기 위한 연구가 증가하고 있습니다. 주요 신경 자극성 장내 미생물 대사 산물은 다음과 같이 나타납니다.

신경 전달 물질

장내 마이크로바이옴은 뇌 활동을 조절하는 신경 전달 물질을 생성합니다. 대부분의 중추 신경계 신경 전달 물질은 위장관에도 있으며 여기서는 장 운동, 분비, 세포 신호와 같은 국소적 효과를 나타냅니다. 장내 미생물은 신경 전달 물질을 합성할 수 있습니다. 예를 들어 락토바실과 비피더스균은 GABA를 생성하고 대장균은 세로토닌과 도파민을 생성하며 락토바실은 아세틸콜린을 생성합니다.  (그림 4) 이러한 미생물은 미주 신경을 통해 뇌에 신호를 보냅니다.

단쇄 지방산

단쇄 지방산은 맹장과 결장에서 다른 박테리아의 먹이가 되는 식이 탄수화물의 혐기성 발효를 통해 만들어지는 작은 유기 화합물로 대장에 쉽게 흡수됩니다. 단쇄 지방산은 소화, 면역 및 중추 신경계 기능과 관련이 있습니다. 그러나 해당 작용에 미치는 영향에 대해서는 다양한 견해가 존재합니다. 장내 마이크로바이옴이 만들어내는 가장 많은 세 가지 단쇄 지방산은 아세테이트, 낙산염과 프로피오네이트입니다(그림 5). 이들 지방산을 투여함으로써 쥐의 우울증 증상이 완화된다는 사실이 밝혀졌습니다. 식이 섬유를 발효시켜 단쇄 지방산을 만드는 그램 양성, 혐기성균은 페칼리박테리아와 코프로코커스 박테리아입니다. 페칼리박테리아는 풍부한 장내 미생물로, 우울증을 비롯한 다양한 질병에 있어 유의한 면역학적 역할과 임상학적 관련성을 갖습니다.

트립토판 대사 산물

트립토판은 단백질 합성에 관여하는 필수 아미노산인입니다. 박테리아 효소(트립토판분해효소)에 의한 대사 장애는 세로토닌, 키뉴레닌, 인돌과 같이 감정 조절 특성을 갖는 신경 활성 분자를 생성합니다. 트립토판을 음식으로 섭취함으로써 인체에서 중추 신경계의 세로토닌 농도를 조절할 수 있으며 트립토판이 감소하면 우울증이 악화된다는 사실이 밝혀졌습니다.

젖산

젖산(그림 6)은 주로 유산균(예: L. 락티스, L. 가세리, L. 루테리), 비피더스균, 프로테오박테리아의 식이 섬유 발효 과정에서 생성되는 유기산입니다. 젖산을 전체 단쇄 지방산 풀에 기여하는 단쇄 지방산으로 변환할 수 있는 균종은 여러 가지가 있습니다. 젖산은 혈류에 흡수될 수 있으며 혈액-뇌 관문을 통과할 수 있습니다. 젖산은 중추 신경계에서 뇌에 신호를 전달하는 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.  젖산은 대사 과정을 거쳐 글루타메이트로 변환될 수 있어 신경 세포의 에너지 기질로 사용됩니다. 또한 시냅스 가소성에도 영향을 미치며 기억력 발달에 도움을 줍니다.

비타민

유산균, 비피더스균과 같은 대부분의 장내 박테리아는 대장 내 신진 대사 과정에서 비타민(특히 비타민 B군과 비타민 K)을 합성합니다. 인체는 장내 미생물의 도움을 받아 비타민을 생성합니다. 비타민은 인체 내 다양한 생리적 현상에서 작용하는 주요 미량 원소이며 활성 전달 물질을 통해 혈액-뇌 장벽을 통과합니다. 중추 신경계에서는 에너지 항상성에서 신경 전달 물질 생성으로 그 역할이 확대됩니다. 비타민 결핍은 신경학적 기능에 중대한 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 엽산(비타민 B9)은 우울증의 병적 측면에서 광범위한 연관성을 나타내는 미생물 기반 비타민입니다.

관점

혁신적인 최신 연구 치료법인 분변 미생물군 이식이 임상 시험 테스트를 마쳤으며 상당한 치료 효과를 기대할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 지난 5년 동안 분변 이식과 관련하여 매년 1,000여 건의 문서가 CAS 컨텐츠 컬렉션에 포함되었습니다. 한 예로, 분변 미생물군 이식으로 항생물질에 반응하지 않는 반복적인 클로스트리디오이데스 디피실로 인한 감염 사례의 80-90%를 해결할 수 있다고 보고되었습니다. 분변 미생물군 이식을 사용하는 임상 시험의 특별한 의미에 대한 즉각적인 연구가 필요합니다. 이 방법은 다양한 질병의 잠재적인 치료법으로서 연구 사례가 증가하고 있습니다.

현재 위장 미생물을 통한 장-뇌 축 조절에 대한 연구는 새롭고 혁신적인 실전 분야입니다. 사용 가능한 많은 데이터가 효과적인 인간 개입에 적용할 수 없는 기본 과학 또는 동물 모델을 기반으로 하고 있습니다. 따라서 영양 및 미용 의료 용도에 필요한 개인화에 적합한 특정 프리바이오틱 화합물과 프로바이오틱 유형의 개별 처방 가능성은 여전히 높은 편입니다. 마이크로바이옴의 기능과 숙주-미생물 간 상호 작용의 근간이 되는 메커니즘의 특성을 분석하기 위한 지속적인 노력 덕분에 건강과 질병에 있어 마이크로바이옴의 역할을 보다 정확하게 이해할 수 있습니다.

새로운 동향과 접근 방식이 우울증, 불안, PTSD로 고통 받는 수많은 사람들에게 어떤 도움을 줄 수 있는지 알아보려면 사이키델릭과 치료 접근법으로서의 진행 상황에 대한 CAS 블로그를 참조하십시오.

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