최근 몇 년 동안 장내 미생물 군집과 전반적인 인체 건강에서의 역할에 대한 중요성이 점점 더 강조되고 있습니다. 관련하여, 동물 건강은 소화, 면역 및 질병 저항성에서 중추적인 역할을 하는 이 복잡한 미생물 생태계의 관점을 통해 점점 더 이해되고 있습니다. 사람들은 우리의 식량이 되는 가축의 항생제 사용과 동물 복지, 반려동물의 건강에 대해 우려하고 있으며, 이는 모두 장내 미생물 군집과 관련이 있습니다.
그 결과, 연구자들은 사료와 치료 전략을 통해 동물 건강을 보호하고 증진하는 방법을 모색하고 있는데, 이 중 일부는 인간의 미생물군 지원 시장과 유사하고, 일부는 동물 세계에서는 새로운 것입니다.
동물 건강의 토대
장내 미생물군은 소화관에 서식하는 박테리아, 고세균, 바이러스, 곰팡이 등 수조 개의 미생물로 구성됩니다. 이러한 미생물은 영양소 소화, 면역 체계 발달, 병원균으로부터의 보호에 필수적인 역할을 합니다. 균형 잡힌 미생물군은 가축과 반려동물의 사료 효율성, 성장 및 회복력을 지원합니다(그림 1 참조). 미생물 균형이 깨지는 현상인 장내 불균형은 위장 장애, 대사 질환, 생산성 저하와 관련이 있습니다.
사람이 엄선한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM을 분석한 결과, 동물 장내 미생물군과 관련된 연구 동향에서 놀라운 진화를 발견했습니다. 2005년부터 2024년까지 이 분야의 학술지 간행은 지속적으로 상승 추세를 보였습니다(그림 2 참조). 삽입된 비교를 보면 반려동물이 가축보다 전체적으로 논문이 약간 더 많으며, 두 범주 모두에서 저널 논문이 지속적으로 특허보다 많습니다.
이는 최근 몇 년 동안 반려동물 건강에 대한 관심이 높아졌지만 이 분야의 연구가 대부분 상용화 단계에 이르지 못했음을 보여줍니다. 그러나 저희의 분석 결과에 따르면 다양한 치료 전략이 주목받고 있습니다. 그림 3A에서 보시다시피, 많은 질병이 장내 미생물군 불균형과 관련이 있으며, 위장관, 대사 및 면역 관련 질환이 가장 많이 보고되었습니다. 그림 3B는 미생물 균형 회복을 목표로 하는 치료 전략을 강조하며, 프로바이오틱스와 프리바이오틱스가 가장 높은 연구 관심을 받고 있습니다. 이 비교는 다양한 건강 상태에 대한 미생물군 표적 개입에 대한 과학적 관심이 증가하고 있음을 강조합니다.
예를 들어, 소, 가금류, 돼지 및 소형 반추동물과 같은 가축의 경우, 장 건강은 사료 효율성, 체중 증가, 생식 성공 및 질병 저항성과 밀접하게 연결되어 있습니다. 개와 고양이와 같은 반려동물의 경우 미생물은 소화와 면역뿐만 아니라 기분, 행동, 피부 상태, 전반적인 활력에도 영향을 미칩니다. 반려동물의 장내 미생물 불균형은 비만, 알레르기, 염증성 장 질환, 장암, 불안증 등 만성 질환과 관련이 있으며, 동물의 영양과 삶의 질에 미치는 미생물의 광범위한 영향을 강조하고 있습니다.
장내 미생물군을 조절하기 위한 최신 치료적 접근법
항생제 사용, 잘못된 식습관, 스트레스, 감염 등의 요인으로 인해 장내 미생물 군집이 불균형해지면 장내 장애, 염증, 대사 문제, 면역력 약화 등의 증상이 나타나는 장내 미생물 군집 이상증으로 이어질 수 있습니다. 불균형적인 미생물을 해결하기 위해 여러 가지 치료 전략이 등장했습니다.
프로바이오틱스 및 프리바이오틱스
프로바이오틱스는 락토바실러스, 비피도박테리움, 엔테로코커스와 같은 살아있는 유익한 미생물로서 동물의 장 건강을 증진하는 데 중요한 역할을 합니다. 미생물 균형을 회복하고 병원체를 억제하며 영양소 흡수를 개선하고, 특히 스트레스, 식이 전환 및 초기 발달 중에 위장 장애를 줄이는 데 도움을 줍니다. 송아지, 새끼 돼지, 야크를 대상으로 한 연구에 따르면 프로바이오틱스가 풍부한 식단은 장의 형태, 미생물 다양성, 면역 반응, 성장 능력을 개선하는 동시에 염증을 줄이고 소화를 돕는 것으로 나타났습니다. 이러한 증거는 프로바이오틱스와 심바이오틱스가 항생제 없는 축산 생산을 촉진하고 전반적인 동물 건강을 위해 장내 미생물군을 최적화할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.
프리바이오틱스, 예를 들어 프락토올리고당(FOS), 이눌린, 그리고 만난올리고당(MOS)은 유익한 장내 세균의 성장을 선택적으로 자극하는 비소화성 식이섬유입니다. 장내 미생물에 의한 발효는 단쇄 지방산(SCFA), 특히 부티레이트, 아세테이트, 프로피오네이트의 생성으로 이어져 장 장벽 완전성을 유지하고 염증을 줄이며 대사 건강을 지원하는 데 중요한 역할을 합니다.
포스트바이오틱스
포스트바이오틱스는 유산균과 같은 프로바이오틱스에 의해 생성된 젖산 및 펩타이드와 같은 대사 산물 또는 구조적 구성 요소로, 동물 건강을 증진시키기 위한 안정적이고 비생물적인 대안을 제공합니다. 사료에 첨가하면 점막 및 전신 면역 반응을 조절하여 장 건강을 지원하고 염증을 줄일 수 있습니다. Admixture Research Company의 최근 임상 시험은 반려동물 건강에서 포스트바이오틱스의 잠재력을 보여주었습니다. 성견에서 열처리된 포스트바이오틱 형태의 비피도박테리움 애니멀리스 아종 락티스 CECT 8145(PRIOME® MH)는 체중 감량 단계에서 식후 혈당 수치를 유의하게 감소시켜 대사 건강을 지원하는 역할을 하는 것으로 나타났습니다.
분변 미생물군 이식
분변 미생물군 이식(FMT)은 수의학에서 귀중한 치료 도구로 인정받고 있으며, 반려동물 및 가축에 걸쳐 다양한 응용 부문에서 사용되고 있습니다. 개와 고양이에서 FMT는 항생제 관련 설사, 만성 설사, 염증성 장 질환(IBD)과 같은 위장 장애를 치료하고 임상 증상을 크게 개선하고 미생물 균형을 회복하는 데 유망한 것으로 나타났습니다(참고). 가축의 경우, 송아지나 젖소와 같은 반추동물에서 설사를 관리하고 무증상 유방염의 경우 유방 건강과 유질을 개선하기 위해 FMT가 연구되고 있습니다. 돼지, 특히 어린 돼지의 경우 FMT는 이유 후 설사를 줄이고 체중 증가를 촉진하며 장내 미생물 구성을 개선하는 데 효과적이었습니다. 이러한 응용 부문은 FMT의 동물 건강, 생산성 및 복지 개선 잠재력을 강조합니다.
파지 치료
박테리오파지 치료는 적응 약물로서의 여러 장점으로 인해 세균 감염 치료에 있어 항생제를 대체할 수 있는 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. 이러한 특성에는 높은 특이성과 감염 부위에서 진화하고 증식하는 능력이 포함됩니다. 황색포도상구균으로 인한 소의 유방염 예방, 살모넬라 엔테리티디스로 인한 돼지의 살모넬라증 완화, 가금류의 캄필로박터 제주니 및 살모넬라 갈리나룸 제어 등이 유망한 응용 분야입니다. 최근 유전공학의 발전, 특히 CRISPR/Cas9 시스템의 통합은 파지 치료의 정확성과 효능을 더욱 향상시켰습니다.
차세대 치료제: 항균 내성 극복
현재 치료 접근 방식에서 프리바이오틱스와 프로바이오틱스를 통해 볼 수 있듯이, 항생제 사용과 관련된 항생제 내성 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 항균물질 내성(AMR)은 장내 미생물이 항균물질 내성 유전자(ARGs)의 주요 저장소 역할을 하기 때문에 식량 안보, 인간 건강 및 수의학적 치료에 영향을 미칩니다. 가축과 반려동물에서의 항균제의 광범위한 오용은 내성을 가속화시켰으며, 2020년 글로벌 수의학적 항균제 사용량이 약 99,500톤으로 추산되는 가운데, 아시아가 67%를 차지했습니다. 이 수치는 2030년까지 8% 증가할 것으로 예상되며, 이는 항균제 사용, 장내 미생물군 교란 및 내성 발달 간의 복잡한 상호작용을 고려한 긴급하고 조정된 개입의 필요성을 강조합니다.
지난 20년 동안 CAS Content Collection 내에서 AMR 관련 간행물이 꾸준히 증가한 것을 반영하듯 연구 노력이 강화되었습니다(그림 4 참조). 현재 다양한 혁신적인 전략이 개발 중에 있습니다.
지속가능성 중심 개입
미생물 중심 치료는 동물 건강과 환경 지속가능성을 동시에 개선하는 데 도움말이 될 수 있습니다. 한 연구에 따르면 특정 장내 세균이 잔류성 환경 오염 물질의 일종인 과불화화합물 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)을 흡수하고 제거할 수 있는 것으로 나타났습니다. 생쥐에서 이러한 미생물은 전신 PFAS 수치를 최대 75%까지 감소시켰으며, 이는 동물에서 해독 전략을 위한 유망한 경로를 제시합니다.
또 다른 획기적인 개발은 CRISPR 기술을 사용하여 소의 메탄 배출을 줄이는 프로바이오틱스를 만드는 것입니다. 메탄은 강력한 온실가스로, 주로 반추동물의 반추위에서 메탄 생성 고세균에 의해 생성됩니다. 생애 초기에 미생물 구성을 수정하면 생산성에 영향을 주지 않으면서 배출량을 크게 줄일 수 있으며, 이는 축산업에 지속 가능한 솔루션을 제공합니다. 이 미생물군 기반 개입은 가축 산업에 지속 가능한 전략을 제공합니다. 특히 가축 배출물이 글로벌 온실가스 배출량의 약 14.5%를 차지한다는 점을 고려할 때 더욱 그렇습니다.
수명
최근 연구에 따르면 토끼의 장내 미생물 프로필을 조사한 결과, 아커만시아 및 크리스텐센넬라과와 같은 특정 미생물이 번식 수명 연장과 회복력 향상과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 연구 결과는 미생물군 기반의 선택 또는 보충이 장수성과 생산성을 높이기 위해 육종 프로그램에 통합될 수 있음을 시사합니다. CAS Scientific Patent ExplorerTM 같은 도구를 활용하여 이 분야에 대한 상업적 관심이 증가하고 있는 여러 특허를 확인했습니다.
예를 들어, 최근 특허는 반려동물 사료의 기호성과 건강 결과를 개선하는 안정화된 프로바이오틱스 제형을 다루고 있습니다. 다른 특허는 가축과 반려동물의 장내 미생물 교정을 위한 다중 균주 프로바이오틱스와 치료적 접근 방식에 초점을 맞추고 있습니다. 추가 특허 는 장 건강과 동물 성능을 향상시키기 위해 설계된 미생물-영양소 혼합물을 설명합니다.
새로운 항생제 계열
최근에는 병원균을 표적으로 삼으면서 유익한 장내 미생물을 보존하는 것을 목표로 하는 광범위한 활성과 최소한의 독성을 가진 새로운 항균제가 등장하고 있습니다. 동물 모델에서 강력한 효능을 입증하고 내성 메커니즘을 극복할 수 있는 가능성을 보여주는 새로 확인된 올가미 펩타이드인 라리오시딘이 그러한 예 중 하나입니다. 마찬가지로 시드니 바위굴의 생리 활성 단백질은 독성이나 주요 미생물 교란 없이 박테리아 생물막을 파괴하고 약물 내성 황색포도상구균과 녹농균에 대한 항생제 효과를 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다.
항균 광역학 치료
항균 광역학 치료(aPDT)는 산소가 있는 상태에서 빛에 의해 활성화되는 광과민제를 사용하여 병원균을 효과적으로 죽이는 활성산소종(ROS)을 생성하는 새로운 접근 방식입니다. 수의학에서 aPDT는 소와 양의 유방염과 작은 동물의 피부 감염 및 중이염 치료에 유망한 것으로 나타났습니다. 연구는 다양한 유방염 유발 박테리아와 다제내성 균주에 대한 효능을 입증했습니다. 그러나 광과민제 적용의 국소적 특성으로 인한 전신 광과민성 및 잠재적 독성 등의 한계가 있으며, 동물 건강에 광범위하게 사용하기 전에 추가 조사가 필요합니다.
항균 펩타이드
항균 펩타이드(AMP)는 가축 및 반려동물 관리 분야에서 기존 항생제를 대체할 혁신적인 대안으로 주목받고 있습니다. 비리보솜 및 리보솜 합성 유형으로 분류되는 이 펩타이드는 수많은 병원균에 대해 강력한 살균 활성을 나타냅니다. 폴리믹신과 바시트라신과 같은 비리보솜 AMP는 박테리아 막과 세포벽 합성을 표적으로 하는 반면, 니신과 페디오신과 같은 박테리오신을 포함한 리보솜으로 합성된 AMP는 주요 생합성 경로와 세포 과정을 방해합니다. 생분해성, 최소한의 환경 영향, 다른 치료법과의 호환성 덕분에 사료 첨가제 및 치료제로서 매력적인 후보가 될 수 있습니다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 높은 생산 비용, 좁은 항균 스펙트럼, 잠재적 독성, 투여 및 운송 중 안정성 문제와 같은 과제가 남아 있습니다. 유전 및 단백질 공학의 발전은 이러한 한계를 해결하고 지속 가능한 동물 건강 관리에서 AMP가 더욱 두드러진 역할을 할 수 있는 길을 열어주고 있습니다.
면역 조절 전략
면역 조절 전략을 통해 동물의 자연 면역 체계를 강화하는 것은 기존의 항균 접근 방식에 대한 유망한 대안이 될 수 있습니다. 주요 방법으로는 건강한 장내 미생물을 지원하고 유해한 병원균에 대한 저항력을 강화하는 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 포스트바이오틱스, 신바이오틱스를 사용하는 것이 있습니다. 면역 자극제는 면역 반응을 활성화하고 강화하여 항생제 의존도를 낮추기 위해 사용되기도 합니다. 또한 표적 백신 접종 프로그램은 내성 병원체로 인한 감염을 예방하고 사전 예방적 보호를 제공하며 전반적인 가축 건강 및 질병 관리에 기여하는 데 중요한 역할을 합니다.
피토케미컬
피토케미컬은 건강상의 이점이 입증된 식물 유래 생리 활성 화합물입니다. 항균 특성과 함께 영양소 흡수를 높이고 장 건강을 개선하며 부패를 줄이는 능력으로 반추동물, 돼지 및 가금류 생산에서 항생제를 대체할 수 있는 유망한 천연 대안으로 떠오르고 있습니다.
나노 입자
나노 입자는 독특한 항균 메커니즘과 물리화학적 특성으로 인해 동물 건강 분야에서 항생제를 대체할 수 있는 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다. 은, 구리 및 복합 나노 입자는 젖소에서 유방염, 자궁 감염 및 발굽 질환을 일으키는 병원체에 대해 강력한 체외 효능을 보여주었습니다. 박테리아 세포막을 파괴하고 활성산소종을 생성하며 세포 내 구조를 손상시키는 능력은 약물 내성 미생물과 싸우기 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다. 초기 연구에서는 저농도에서의 안전성을 시사하지만, 세포 독성 및 생체 축적에 대한 우려는 광범위한 수의학적 적용에 앞서 추가적인 체내 연구가 필요함을 강조합니다.
오존 치료
오존 치료는 수의학에서 항생제를 대체할 수 있는 안전하고 효과적인 치료법으로 주목받고 있습니다. 강력한 산화 특성으로 세포막과 DNA를 파괴하여 박테리아를 죽이는 동시에 저용량으로도 면역 조절 및 항산화 효과를 제공합니다. 소, 양, 염소, 말 등에 사용되는 오존은 우유나 고기에 잔류물을 남기지 않고 유방염, 대사성 염증, 생식 장애를 치료하는 데 성공하여 금단 증상을 피할 수 있습니다.
영양유전학: 설계를 통한 식단
인간이든 동물이든, 식단은 장내 미생물군 건강과 밀접하게 관련되어 있습니다. 유전적 변이가 영양소에 대한 동물의 반응에 미치는 영향을 연구하는 영양유전학은 유전자 프로필에 맞춘 정밀 영양을 가능하게 함으로써 동물 건강 서비스를 혁신하고 있습니다. 기본적으로, 이 접근법은 개별 유전적 변이가 동물이 영양소를 대사하고 식이 개입에 반응하는 방식에 영향을 미친다는 점을 인식하며, 이는 미생물 다양성과 항균 저항성 유전자 유병률에 직접적인 영향을 미칩니다.
분자 수준에서 영양소는 다양한 메커니즘을 통해 유전자와 상호작용합니다(그림 5 참조). 이러한 메커니즘을 이해하면 최적의 유전자 발현, 생리적 성능 및 유익한 미생물군집 구성을 지원하는 동시에 항균제 내성에 대한 선택적 압력을 줄이는 표적 식단을 개발할 수 있습니다.
그림 5: 영양소가 유전자와 상호작용하는 분자 메커니즘.
응용 부문 및 건강상의 이점
- 가축: 영양유전학은 가축에 광범위하게 적용되어 건강과 생산성을 개선하기 위해 유전자 프로필에 맞는 맞춤형 영양 전략을 제공합니다. 연구 결과에 따르면 숙주 유전학이 장내 미생물 구성에 영향을 미칠 수 있으며, 특정 유전적 변이가 미생물 매개 경로를 통해 사료 효율성에 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌습니다. 가금류의 경우, 유전자 프로파일링을 통해 성장률, 사료 전환 효율 및 면역 회복력을 향상시키는 동시에 병원균 군집에 저항하는 유익한 미생물 군집을 촉진하는 사료 배합이 가능해졌습니다. 돼지의 경우 영양유전학적 접근법을 통해 우수한 영양소 이용 특성을 가진 돼지를 식별하여 번식 능력을 지원하고 폐기물을 줄이는 정밀 사료 공급이 가능해졌습니다. 마찬가지로 젖소의 경우 유전자형 기반 식단은 우유 생산량을 개선하고 케톤증 및 산증과 같은 대사 장애의 발생률을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 전통적인 가축을 넘어 양과 염소는 번식 효율, 면역 기능, 영양이 부족한 환경에 대한 적응에 영향을 미치는 영양 유전적 특성을 연구하고 있습니다.
- 말: 말의 대사 증후군을 관리하고, 스포츠 말의 경기력을 지원하며, 맞춤형 영양 전략을 통해 척추염과 같은 질환을 예방하기 위해 영양유전학이 탐구되고 있습니다. 이러한 응용 부문은 최적의 건강과 회복이 필수적인 경쟁 및 치료 환경과 관련이 있습니다.
- 반려동물: 영양유전학은 비만, 음식 알레르기, 대사 장애 등 개와 고양이의 품종별 건강 상태를 관리하기 위해 주목받고 있습니다. 장수와 전반적인 건강을 개선하기 위해 유전적 소인을 기반으로 한 맞춤형 식단이 개발되고 있습니다. 이러한 접근 방식은 면역 및 소화 건강을 지원하여 삶의 질을 향상시키고 수의학적 개입을 줄이는 데 기여합니다.
앞으로 영양유전학을 동물 영양학에 성공적으로 통합하기 위해서는 유전자 스크리닝 프로세스의 간소화, 미생물군 상호작용을 고려한 확장 가능하고 적응 가능한 사료 모델 개발, 소외된 종을 포함하도록 연구 확대, 명확한 규제 프레임워크 구축 등 몇 가지 전략적 우선순위에 따라 달라질 것입니다. 이러한 발전을 수용함으로써 생산자, 수의사, 반려동물 소유자는 일반적인 사료 공급 방식에서 각 동물의 유전적 잠재력과 건강 요구 사항에 맞는 정밀 영양 전략으로 전환할 수 있습니다.
전반적인 동물의 웰빙을 의미하는 장 건강
동물 건강을 증진하려면 장내 미생물군 과학, 영양 유전학적 통찰력, 항균 내성에 대한 혁신적인 대안을 통합하는 총체적인 접근 방식이 필요합니다. 이러한 도메인은 모두 면역력을 강화하고, 영양을 최적화하고, 항생제 의존도를 줄이는 데 도움이 되는 강력한 도구를 제공합니다. 장내 미생물 군집의 중요성을 계속 이해함에 따라 새로운 발견은 인간의 건강뿐만 아니라 인간 및 환경과 상호작용하는 식품 공급원 및 반려동물에도 적용될 것입니다.
