장내 마이크로바이옴 치료제를 통한 동물 건강 개선

최근 몇 년간 장내 마이크로바이옴과 이것이 인간의 전반적인 건강에 미치는 역할에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이와 관련하여, 소화, 면역, 질병 저항성에 중추적인 역할을 하는 복잡한 미생물 생태계라는 관점에서 동물 건강을 이해하려는 움직임도 커지고 있습니다. 사람들은 우리의 식량원이 되는 가축의 항생제 사용 문제뿐만 아니라, 반려동물의 건강과 동물 복지에 대해서도 우려하고 있으며, 이 모든 것이 장내 마이크로바이옴과 밀접하게 연관되어 있습니다.

그 결과, 연구자들은 사료 공급 및 치료 전략을 통해 동물 건강을 보호하고 증진하는 방법을 모색하고 있습니다. 이러한 전략 중 일부는 인간 마이크로바이옴 지원 시장과 유사하며, 일부는 동물계에 새롭게 도입되는 방식입니다.

동물 건강의 기초

장내 마이크로바이옴은 소화관에 서식하는 세균, 고세균, 바이러스, 곰팡이를 포함한 수조 개의 미생물로 구성됩니다. 이러한 미생물은 영양소 소화, 면역 체계 발달, 병원균 방어에 필수적인 역할을 합니다. 균형 잡힌 마이크로바이옴은 가축과 반려동물의 사료 효율, 성장, 회복력을 지원합니다(그림 1 참조). 미생물 균형이 깨지는 상태인 디스바이오시스(dysbiosis)는 위장 질환, 대사 질환 및 생산성 저하와 관련이 있습니다.

저희는 인간이 직접 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content Collection^TM을 분석하여, 동물 장내 마이크로바이옴 관련 연구 분야에서 놀라운 발전이 이루어지고 있음을 확인했습니다. 2005년부터 2024년까지 이 분야의 학술지 출판물은 꾸준한 증가세를 보이고 있습니다(그림 2 참조). 삽입된 비교 그래프를 보면 반려동물 관련 출판물이 가축보다 약간 더 많으며, 두 분야 모두에서 학술지 논문이 특허보다 지속적으로 더 많은 비중을 차지하고 있습니다.

이는 최근 몇 년간 반려동물 건강에 대한 관심이 높아졌음을 보여주며, 이 분야의 대부분 연구가 아직 상용화 단계에는 이르지 못했음을 시사합니다. 그러나 저희 분석에 따르면 다양한 치료 전략이 주목받고 있습니다. 그림 3A에서 볼 수 있듯이, 많은 질병이 장내 마이크로바이옴 디스바이오시스와 관련이 있으며, 그중 위장관, 대사 및 면역 관련 질환이 가장 많이 보고되었습니다. 그림 3B는 미생물 균형을 회복하기 위한 치료 전략을 강조하며, 프로바이오틱스와 프리바이오틱스가 가장 많은 연구 관심을 받고 있습니다. 이러한 비교는 다양한 건강 상태를 해결하기 위한 마이크로바이옴 표적 개입에 대한 과학적 관심이 커지고 있음을 뒷받침합니다.

예를 들어 소, 가금류, 돼지, 소형 반추동물과 같은 가축의 경우, 장 건강은 사료 효율, 체중 증가, 번식 성공률 및 질병 저항성과 밀접하게 연관되어 있습니다. 개나 고양이와 같은 반려동물에게 마이크로바이옴은 소화와 면역뿐만 아니라 기분, 행동, 피부 상태 및 전반적인 활력에도 영향을 미칩니다. 반려동물의 디스바이오시스는 비만, 알레르기, 염증성 장 질환, 장암 및 불안을 포함한 만성 질환과 관련이 있는 것으로 밝혀졌으며, 이는 마이크로바이옴이 동물의 영양과 삶의 질에 광범위한 영향을 미친다는 점을 강조합니다.

장내 미생물군을 조절하기 위한 현재의 치료적 접근법

항생제 사용, 잘못된 식단, 스트레스 또는 감염과 같은 요인으로 인해 장내 마이크로바이옴의 균형이 깨지면 디스바이오시스가 발생할 수 있으며, 이는 위장 장애, 염증, 대사 문제 및 면역력 저하로 나타납니다. 디스바이오시스를 해결하기 위해 다음과 같은 몇 가지 치료 전략이 등장했습니다:

프로바이오틱스 및 프리바이오틱스

락토바실러스(lactobacillus), 비피도박테리움(bifidobacterium), 엔테로코쿠스(enterococcus)와 같은 살아있는 유익균인 프로바이오틱스는 동물의 장 건강을 증진하는 데 중요한 역할을 합니다. 이들은 미생물 균형을 회복하고, 병원균을 억제하며, 영양소 흡수를 개선하고, 특히 스트레스, 식단 변화, 초기 발달 단계에서 발생하는 위장 장애를 줄이는 데 도움을 줍니다. 송아지, 새끼 돼지, 야크를 대상으로 한 연구에 따르면 프로바이오틱스가 풍부한 식단은 장 형태, 미생물 다양성, 면역 반응 및 성장 성능을 개선하는 동시에 염증을 줄이고 소화를 돕는 것으로 나타났습니다. 이러한 증거는 프로바이오틱스와 신바이오틱스가 항생제 없는 축산 생산을 촉진하고 전반적인 동물 건강을 위해 장내 미생물군을 최적화할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

프리바이오틱스(프락토올리고당(FOS), 이눌린, 만난올리고당(MOS) 등)는 유익한 장내 세균의 성장을 선택적으로 자극하는 소화되지 않는 식이섬유입니다. 장내 미생물에 의한 이들의 발효는 부티르산, 아세트산, 프로피온산과 같은 단쇄지방산(SCFA)을 생성하며, 이는 장벽 무결성을 유지하고 염증을 줄이며 대사 건강을 지원하는 데 중요한 역할을 합니다.

포스트바이오틱스

포스트바이오틱스는 젖산이나 펩타이드와 같이 프로바이오틱스가 생성하는 대사산물 또는 구조적 성분으로, 동물 건강을 증진하기 위한 안정적이고 비생물적인 대안을 제공합니다. 사료에 첨가하면 점막 및 전신 면역 반응을 조절하여 장 무결성을 지원하고 염증을 줄일 수 있습니다. Admixture Research Company에서 실시한 최근 임상 시험은 반려동물 건강 분야에서 포스트바이오틱스의 잠재력을 입증했습니다. 성견을 대상으로 한 연구에서 열처리된 비피도박테리움 아니말리스 아종 락티스 CECT 8145(PRIOME® MH) 포스트바이오틱스 형태는 체중 감량 단계에서 식후 혈당 수치를 유의미하게 감소시켜 대사 건강을 지원하는 역할을 함을 시사했습니다.

분변 미생물 이식

분변 미생물 이식(FMT)은 반려동물과 가축 전반에 걸쳐 적용되는 수의학의 유용한 치료 도구로 인정받고 있습니다. 개와 고양이의 경우, FMT는 항생제 관련 설사, 만성 설사, 염증성 장질환(IBD)과 같은 위장 장애 치료에 효과를 보이며 임상 증상을 크게 개선하고 미생물 균형을 회복시키는 것으로 나타났습니다(참고). 가축 분야에서는 송아지나 젖소와 같은 반추동물에서 설사를 관리하고, 심지어 준임상적 유방염 사례에서 유방 건강과 우유 품질을 개선하는 데 FMT가 연구되었습니다. 돼지, 특히 어린 돼지의 경우 FMT는 이유 후 설사를 줄이고 체중 증가를 촉진하며 장내 미생물 구성을 개선하는 데 효과적이었습니다. 이러한 적용 사례는 동물 건강, 생산성 및 복지를 향상할 수 있는 FMT의 잠재력을 강조합니다.

파지 요법

박테리오파지 요법은 적응형 약물로서의 다각적인 장점 덕분에 세균 감염 치료에서 항생제를 대체할 수 있는 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. 여기에는 높은 특이성과 감염 부위에서 진화 및 증식할 수 있는 능력이 포함됩니다. 유망한 적용 분야로는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 의한 소의 유방염 예방, 살모넬라 엔테리티디스(Salmonella enteritidis)로 인한 돼지의 살모넬라증 완화, 가금류의 캄필로박터 제주니(Campylobacter jejuni) 및 살모넬라 갈리나룸(Salmonella Gallinarum) 제어가 있습니다. 특히 CRISPR/Cas9 시스템 통합과 같은 유전 공학의 최근 발전은 파지 요법의 정밀도와 효능을 더욱 향상시켰습니다.

차세대 치료제: 항생제 내성 해결

현재의 프리바이오틱스 및 프로바이오틱스 치료 접근법에서 볼 수 있듯이, 항생제 사용과 관련 항생제 내성 문제를 해결하는 것은 중요합니다. 장내 마이크로바이옴은 항생제 내성 유전자(ARG)의 주요 저장소 역할을 하기 때문에 항생제 내성(AMR)은 식량 안보, 인간 건강 및 수의학적 관리에 영향을 미칩니다. 가축 및 반려동물에 대한 항생제의 광범위한 오남용은 내성을 가속화했으며, 2020년 전 세계 수의학적 항생제 사용량 약 99,500톤 중 아시아가 67%를 차지했습니다. 이 수치는 2030년까지 8% 증가할 것으로 예상되며, 항생제 사용, 장내 마이크로바이옴 파괴, 내성 발달 사이의 복잡한 상호작용을 고려한 긴급하고 조직적인 개입이 필요함을 시사합니다.

이에 대응하여 연구 노력이 강화되고 있으며, 이는 지난 20년간 CAS 콘텐츠 컬렉션 내 AMR 관련 출판물의 꾸준한 증가로 반영되고 있습니다(그림 4 참조). 현재 다양한 혁신 전략이 개발 중입니다.

지속가능성 중심의 개입

마이크로바이옴 중심 치료법은 동물 건강과 환경 지속가능성을 동시에 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 한 연구는 특정 장내 세균이 잔류성 환경 오염 물질의 일종인 과불화화합물(PFAS)을 흡수하고 제거할 수 있음을 입증했습니다. 쥐를 대상으로 한 실험에서 이 미생물들은 전신 PFAS 수치를 최대 75%까지 감소시켰으며, 이는 동물 대상 해독 전략의 유망한 방향을 제시합니다.

또 다른 획기적인 발전은 CRISPR 기술을 사용하여 소의 메탄 배출을 줄이는 프로바이오틱스를 설계하는 것입니다. 강력한 온실가스인 메탄은 주로 반추위의 메탄 생성 고세균에 의해 생성되므로, 생애 초기에 미생물 구성을 수정하면 생산성에 영향을 주지 않으면서 배출량을 크게 낮출 수 있어 축산업을 위한 지속가능한 솔루션을 제공합니다. 축산물 배출량이 전 세계 온실가스 배출량의 약 14.5%를 차지한다는 점을 고려할 때, 이러한 마이크로바이옴 기반 개입은 축산업을 위한 지속가능한 전략을 제공합니다.

장수

최근 토끼의 장내 미생물 프로필을 조사한 연구에 따르면 아커만시아(Akkermansia) 및 크리스텐세넬라과(Christensenellaceae)와 같은 특정 미생물이 더 긴 번식 수명 및 더 높은 회복력과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 발견은 마이크로바이옴 기반 선택 또는 보충이 장수와 생산성을 향상하기 위해 육종 프로그램에 통합될 수 있음을 시사합니다. CAS Scientific Patent Explorer^TM과 같은 도구를 활용하여 이 분야에 대한 상업적 관심이 증가하고 있음을 보여주는 여러 특허를 확인했습니다.

예를 들어, 최근 특허는 반려동물 사료의 기호성과 건강 결과를 개선하는 안정화된 프로바이오틱스 제형을 다루고 있습니다. 다른 특허들은 가축 및 반려동물의 불균형(dysbiosis)을 교정하기 위한 다균주 프로바이오틱스 및 치료적 접근법에 초점을 맞추고 있습니다. 추가적인 특허는 장 건강과 동물 성능을 향상하도록 설계된 미생물-영양소 혼합물을 개략적으로 설명합니다.

새로운 항생제 계열

최근 발견된 연구들은 유익한 장내 미생물은 보존하면서 병원균만을 표적으로 삼는, 광범위한 활성과 낮은 독성을 가진 새로운 항균제를 제시하고 있습니다. 그 예로 라리오시딘(Lariocidin)을 들 수 있는데, 이는 최근 확인된 라소 펩타이드(lasso peptide)로 동물 모델에서 강력한 효능을 입증했으며 내성 기전을 극복할 가능성을 보여줍니다. 이와 유사하게 시드니 바위굴에서 추출한 생체 활성 단백질은 세균성 바이오필름을 파괴하고 약물 내성 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) 및 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에 대한 항생제 효과를 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 독성이나 주요 미생물군 변화는 관찰되지 않았습니다.

항균 광역학 치료

항균 광역학 치료(aPDT)는 산소가 있는 상태에서 빛으로 활성화되는 광감각제를 사용하여 활성산소종(ROS)을 생성함으로써 병원균을 효과적으로 사멸시키는 새로운 접근 방식입니다. 수의학 분야에서 aPDT는 소와 양의 유방염 치료는 물론, 소동물의 피부 감염 및 외이염 치료에 유망한 결과를 보여주었습니다. 연구를 통해 다양한 유방염 유발 세균 및 다제내성 균주에 대한 효능이 입증되었습니다. 그러나 전신 광과민성 및 잠재적 독성으로 인해 광감각제를 국소적으로만 적용해야 한다는 한계가 있으며, 동물 건강 분야에서 더 폭넓게 사용되기 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다.

항균 펩타이드

항균 펩타이드(AMP)는 가축 및 반려동물 관리 분야에서 기존 항생제의 혁신적인 대안으로 주목받고 있습니다. 비리보솜 및 리보솜 합성 유형으로 분류되는 이 펩타이드는 수많은 병원균에 대해 강력한 살균 활성을 나타냅니다. 폴리믹신이나 바시트라신과 같은 비리보솜 합성 AMP는 세균의 세포막과 세포벽 합성을 표적으로 하며, 니신이나 페디오신과 같은 박테리오신을 포함한 리보솜 합성 AMP는 주요 생합성 경로와 세포 과정을 방해합니다. 생분해성, 최소한의 환경 영향, 다른 치료법과의 호환성 덕분에 사료 첨가제 및 치료제로 매력적인 후보가 되고 있습니다. 하지만 높은 생산 비용, 좁은 항균 범위, 잠재적 독성, 투여 및 운송 중 안정성 문제와 같은 과제는 여전히 남아 있습니다. 유전 및 단백질 공학의 발전은 이러한 한계를 해결하는 데 기여하고 있으며, 지속 가능한 동물 건강 관리에서 AMP가 더 중요한 역할을 할 수 있는 기반을 마련하고 있습니다.

면역 조절 전략

면역 조절 전략을 통해 동물의 자연 면역 체계를 강화하는 것은 기존의 항균 접근 방식을 대체할 유망한 방법입니다. 주요 방법으로는 건강한 장내 미생물군을 유지하고 유해 병원균에 대한 저항력을 높이는 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 포스트바이오틱스 및 신바이오틱스 활용이 있습니다. 또한 면역 자극제를 사용하여 면역 반응을 활성화 및 강화함으로써 항생제 의존도를 낮추기도 합니다. 아울러 표적 백신 접종 프로그램은 내성 병원균으로 인한 감염을 예방하는 데 중요한 역할을 하며, 선제적인 보호를 제공하고 전반적인 가축 건강 및 질병 관리에 기여합니다.

식물성 화학물질

식물성 화학물질(Phytochemicals)은 건강상의 이점이 입증된 식물 유래 생체 활성 화합물입니다. 항균 특성과 더불어 영양소 흡수 촉진, 장 건강 개선, 부패 감소 등의 효과 덕분에 반추동물, 돼지, 가금류 생산에서 항생제를 대체할 유망한 천연 대안으로 꼽힙니다.

나노입자

나노입자는 독특한 항균 기전과 물리화학적 특성으로 인해 동물 건강 분야에서 항생제의 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다. 은, 구리 및 복합 나노입자는 젖소의 유방염, 자궁 감염, 발굽 질환을 유발하는 병원균에 대해 강력한 시험관 내(in vitro) 효능을 보였습니다. 세균막을 파괴하고 활성산소종을 생성하며 세포 내 구조를 손상시키는 이들의 능력은 약물 내성 미생물에 대응하는 새로운 접근법을 제시합니다. 초기 연구에서는 낮은 농도에서 안전성이 시사되었으나, 세포 독성 및 생물 농축에 대한 우려로 인해 광범위한 수의학적 적용에 앞서 추가적인 생체 내(in vivo) 연구가 필요합니다.

오존 치료

오존 치료는 수의학에서 안전하고 효과적인 항생제 대안으로 주목받고 있습니다. 강력한 산화 특성을 통해 세포막과 DNA를 파괴하여 세균을 사멸시키며, 저용량에서는 면역 조절 및 항산화 효과도 제공합니다. 소, 양, 염소, 말에게 사용되는 오존은 우유나 고기에 잔류물을 남기지 않고 유방염, 자궁내막염, 생식기 질환을 치료하는 데 성공적인 결과를 보였으며, 이로 인해 휴약 기간을 가질 필요가 없습니다.

뉴트리지네틱스(영양유전학): 맞춤형 사양

인간과 동물 모두에게 식단은 장내 미생물 건강과 밀접하게 연결되어 있습니다. 유전적 변이가 동물의 영양소 반응에 미치는 영향을 연구하는 뉴트리지네틱스는 유전적 프로필에 맞춘 정밀 영양을 가능하게 함으로써 동물 건강 서비스를 변화시키고 있습니다. 본질적으로 이 접근 방식은 개별적인 유전적 변이가 동물의 영양소 대사 및 식이 개입에 대한 반응에 영향을 미친다는 점을 인식하며, 이는 미생물 다양성 및 항생제 내성 유전자 발현에 직접적인 영향을 미칩니다.

분자 수준에서 영양소는 다양한 기전을 통해 유전자와 상호작용합니다(그림 5 참조). 이러한 기전을 이해하면 최적의 유전자 발현, 생리적 성능, 유익한 미생물군 구성을 지원하는 동시에 항생제 내성에 대한 선택적 압력을 줄이는 맞춤형 식단을 개발할 수 있습니다.

그림 5: 영양소가 유전자와 상호작용하는 분자 기전.

응용 분야 및 건강상의 이점

• 가축: 뉴트리지네틱스는 가축 분야에서 광범위하게 응용되고 있으며, 유전적 프로필에 맞춘 표적 영양 전략을 통해 건강과 생산성을 향상시키고 있습니다. 연구에 따르면 숙주의 유전학은 장내 미생물 구성에 영향을 미칠 수 있으며, 특정 유전적 변이는 미생물 매개 경로를 통해 사료 효율에 영향을 줍니다. 가금류의 경우, 유전적 프로파일링을 통해 성장률, 사료 전환 효율, 면역 회복력을 높이는 동시에 병원균 정착에 저항하는 유익한 미생물 군집을 촉진하는 사료 배합이 가능해졌습니다. 돼지의 경우, 뉴트리지네틱스 접근법을 통해 우수한 영양소 이용 특성을 가진 개체를 식별함으로써 번식 성능을 지원하고 폐기물을 줄이는 정밀 사양을 가능하게 했습니다. 마찬가지로 젖소에서도 유전자형 기반 식단이 우유 생산량을 개선하고 케토시스 및 산증과 같은 대사 질환의 발생률을 낮추는 것으로 나타났습니다. 전통적인 가축을 넘어 양과 염소에서도 번식 효율, 면역 기능, 영양 부족 환경에 대한 적응에 영향을 미치는 뉴트리지네틱스 특성에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

• 말: 말의 경우 맞춤형 영양 전략을 통해 대사 증후군을 관리하고, 스포츠 말의 경기력을 지원하며, 제엽염과 같은 질환을 예방하기 위한 뉴트리지네틱스 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 응용 분야는 최적의 건강과 회복이 필수적인 경쟁 및 치료 환경에서 매우 중요합니다.

• 반려동물: 뉴트리지네틱스(영양유전학)는 개와 고양이의 비만, 식품 알레르기, 대사 질환 등 품종별 건강 문제를 관리하는 데 있어 주목받고 있습니다. 유전적 소인에 기반한 맞춤형 식단은 수명 연장과 전반적인 건강 증진을 위해 개발되고 있습니다. 이러한 접근 방식은 면역력과 소화기 건강을 지원하여 삶의 질을 높이고 동물 병원 방문 횟수를 줄이는 데 기여합니다.

앞으로 동물 영양 분야에서 뉴트리지네틱스를 성공적으로 통합하기 위해서는 유전자 검사 과정 간소화, 마이크로바이옴 상호작용을 고려한 확장 및 적용 가능한 급여 모델 개발, 연구 대상 종 확대, 명확한 규제 체계 확립 등 몇 가지 전략적 우선순위가 필요합니다. 이러한 발전을 수용함으로써 생산자, 수의사, 반려동물 보호자는 일반적인 급여 방식에서 벗어나 각 동물의 유전적 잠재력과 건강 요구 사항에 맞춘 정밀 영양 전략으로 전환할 수 있습니다.  

장 건강은 곧 동물의 전반적인 안녕을 의미합니다

동물 건강을 증진하려면 장내 마이크로바이옴 과학, 뉴트리지네틱스 통찰력, 항생제 내성에 대한 혁신적인 대안을 통합하는 전체론적 접근 방식이 필요합니다. 이러한 분야들은 면역력을 강화하고 영양을 최적화하며 항생제 의존도를 낮추는 강력한 도구를 제공합니다. 장내 마이크로바이옴의 중요성을 계속 이해해 나감에 따라, 새로운 연구 결과는 인간의 건강뿐만 아니라 우리와 환경 속에서 상호작용하는 식량 자원 및 반려동물에게도 적용될 것입니다.

‍