인체 내 제2의 장기로서의 장내 미생물군집
인체는 주로 박테리아를 비롯하여 바이러스, 원생동물, 곰팡이, 고균 등 방대한 미생물 집단을 보유하고 있으며, 이를 통칭하여 마이크로바이옴(미생물군집)이라고 합니다. 장내 미생물총, 장내 세균총 또는 마이크로바이옴은 인간과 동물의 소화관에 서식하는 미생물을 의미합니다. 일부 박테리아는 질병과 관련이 있지만, 다른 박테리아는 건강의 여러 측면에서 매우 중요합니다. 실제로 인체 내에는 인간 세포(약 30조 개)보다 더 많은 박테리아 세포(약 40조 개)가 존재합니다. 이 미생물들의 무게는 뇌의 무게와 거의 비슷할 수 있습니다. 이들은 인체 내에서 제2의 장기처럼 기능하며 인간의 건강에 지대한 역할을 합니다.장내 미생물군집의 총 유전체는 인체 내 인간 DNA 양의 100배를 넘어섭니다. 미생물군집이 가진 이 엄청난 유전적 잠재력을 고려할 때, 이는 인체의 거의 모든 생리적 과정에 관여할 것으로 예상됩니다. 장내 박테리아는 여러 정신 질환과 관련이 있으며, 우울증, 양극성 장애, 조현병, 자폐증과 같은 다양한 정신 질환 환자에게서 장내 미생물 구성의 유의미한 변화가 발견되었습니다.
인간의 건강, 특히 정신 건강과 관련된 장내 미생물군집에 대한 관심은 2000년 이후 CAS Content CollectionTM 검색 결과에서 알 수 있듯이 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 현재 정신 건강과 관련된 장내 미생물군집에 관한 논문은 7,000편이 넘습니다(그림 1).
아기는 태어날 때 첫 미생물을 얻습니다. 인간 장내 미생물군집의 발달
일반적으로 자궁은 무균 상태이며, 박테리아 정착은 출생 시 시작된다고 여겨집니다. 신생아의 미생물군집은 분만 방식에 따라 달라집니다. 자연분만으로 태어난 영아의 미생물군집은 산모의 질 내 미생물군집과 유사하며, 제왕절개로 태어난 영아의 미생물군집은 산모의 피부 미생물군집과 유사합니다. 조산 및 수유 방식과 같은 다양한 요인도 신생아의 미생물군집 발달에 영향을 미칩니다. 성인기 전반에 걸쳐 장내 미생물군집 구성을 결정하는 가장 큰 요인은 식단인 것으로 보입니다. 식단 변화에 따라 미생물군집 구성은 빠르게 변화합니다. 식물성 식단과 동물성 식단에서 특징적인 패턴이 나타납니다. 장내 미생물군집의 발달과 변화는 다른 여러 요인에 의해서도 영향을 받습니다. CAS Content Collection 검색 결과에 따르면, 스트레스 노출은 장내 미생물군집 구성에 영향을 미치는 두 번째로 중요한 요인(식단 다음으로)입니다. 그 외 요인으로는 분만 방식 및 영아 수유 방식, 환경 조건, 약물, 생애 주기 단계 및 방식, 동반 질환, 의료 절차 등이 있습니다(그림 2). 기능적 구성과 대사 활동의 불균형 또는 국소적 분포의 변화로 인해 미생물총 항상성이 깨지는 것을 디스바이오시스(dysbiosis, 미생물 불균형)라고 하며, 이는 미생물의 불균형이나 부적응을 의미합니다.CAS Content Collection
장내 미생물군집 구성에 대한 식단의 중요한 역할과 건강에 미치는 장내 미생물군집의 지대한 영향이 밝혀진 지금, 가장 중요한 질문은 "어떤 식단이 장내 박테리아를 건강하게 유지하는 데 도움이 되는가?"입니다. 특정 질병의 치료법으로 특정 음식을 지목하는 명확한 답은 없지만, 몇 가지 주요 지침은 마련되어 있습니다. 고섬유질 식단은 장내 미생물총에 직접적인 영향을 미칩니다. 식이섬유는 결장에 서식하는 미생물의 효소에 의해서만 소화 및 발효될 수 있습니다. 발효 과정에서 단쇄 지방산이 방출되어 결장의 pH를 낮춥니다. 이렇게 산도가 높은 환경은 생존할 미생물의 종류를 결정합니다. 낮은 pH는 클로스트리디움 디피실리(Clostridium difficile)와 같은 특정 유해 박테리아의 증식을 억제합니다. 이눌린, 전분, 검, 펙틴, 프락토올리고당과 같은 고섬유질 식품은 유익한 미생물의 먹이가 되기 때문에 프리바이오틱스로 알려져 있습니다. 일반적으로 이러한 프리바이오틱스 섬유질은 과일, 채소, 콩, 그리고 밀, 귀리, 보리와 같은 통곡물에 풍부합니다. 또 다른 매우 유익한 식품군은 소화기 계통에 좋고 장내 미생물군집을 개선할 수 있는 살아있는 박테리아인 프로바이오틱스를 함유하고 있습니다. 여기에는 케피어, 살아있는 활성 균주가 포함된 요거트, 절임 채소, 콤부차, 김치, 된장, 사워크라우트와 같은 발효 식품이 포함됩니다.
장내 미생물총의 구성원
인간의 장내 미생물총은 여러 문(phyla)으로 나뉩니다. 장내 미생물총은 주로 퍼미큐테스(Firmicutes), 박테로이데테스(Bacteroidetes), 악티노박테리아(Actinobacteria), 프로테오박테리아(Proteobacteria)의 네 가지 주요 문으로 구성되며, 이 중 퍼미큐테스와 박테로이데테스가 장내 미생물총의 90%를 차지합니다. 대부분의 박테리아는 위장관 내에 거주하며, 특히 혐기성 박테리아는 주로 대장에 서식합니다(그림 3).
장-뇌 축 – "제2의 뇌"로서의 장내 미생물군집
장과 뇌가 지속적으로 양방향 소통을 하며, 미생물군집과 그 대사 산물이 이 소통의 주요 구성 요소라는 사실은 이제 잘 알려져 있습니다. 마이클 거숀(Michael Gershon)은 1999년 저서에서 소화계를 "제2의 뇌"라고 불렀습니다. 당시 과학자들은 인간의 장과 뇌가 끊임없이 대화하고 있으며 장내 미생물이 뇌 기능을 상당히 조절한다는 사실을 깨닫기 시작했습니다.
현재는 장내 미생물총이 신경, 내분비, 면역 경로를 통해 중추 신경계와 소통하며 뇌 기능을 제어한다는 것이 정설로 받아들여지고 있습니다. 연구에 따르면 장내 미생물총은 불안, 기분, 인지 및 통증 조절에 중요한 역할을 합니다. 따라서 새롭게 부상하는 '미생물-장-뇌 축' 개념은 장내 미생물총을 조절하는 것이 중추 신경계 질환을 위한 새로운 치료법을 개발하는 데 효과적인 전략이 될 수 있음을 시사합니다.
장내 미생물총과 코로나19
최근 코로나19 환자의 장내 미생물 구성과 사이토카인 및 염증 지표 수치 간의 상관관계가 보고되었습니다. 코로나19 장내 미생물군이 숙주의 면역 반응을 조절함으로써 코로나19의 중증도에 관여한다는 사실이 시사되고 있습니다. 더욱이 장내 미생물 불균형은 질병이 회복된 후에도 지속적인 증상을 유발할 수 있어, 장내 미생물이 염증 및 코로나19와 어떻게 연관되는지 이해하는 것이 중요합니다.
장내 미생물의 신경 활성 대사산물
장내 미생물-뇌 축의 이상은 신경 질환의 병태생리학적 핵심 요인으로 부상했으며, 이에 따라 장내 미생물 대사산물의 신경 활성 잠재력을 이해하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 주요 신경 활성 장내 미생물 대사산물은 다음과 같습니다.
신경전달물질
장내 미생물은 뇌 활동을 조절하는 신경전달물질을 생성합니다. 중추신경계 신경전달물질의 대부분은 위장관에도 존재하며, 이곳에서 장 운동성, 분비 및 세포 신호 전달을 조절하는 등의 국소적 효과를 발휘합니다. 장내 미생물 구성원들은 신경전달물질을 합성할 수 있는데, 예를 들어 락토바실러스와 비피도박테리움은 GABA를, 대장균은 세로토닌과 도파민을, 락토바실러스는 아세틸콜린을 생성합니다. (그림 4) 이들은 미주 신경을 통해 뇌로 신호를 전달합니다.
단쇄 지방산
단쇄 지방산은 식이 탄수화물의 혐기성 발효를 통해 맹장과 결장에서 생성되는 작은 유기 화합물로, 다른 박테리아의 먹이가 되며 대장에서 쉽게 흡수됩니다. 단쇄 지방산은 소화, 면역 및 중추신경계 기능에 관여하지만, 행동에 미치는 영향에 대해서는 다양한 견해가 존재합니다. 장내 미생물에 의해 생성되는 가장 풍부한 세 가지 단쇄 지방산은 아세테이트, 부티레이트, 프로피오네이트입니다(그림 5). 이들을 투여했을 때 쥐의 우울증 증상이 완화되는 것이 확인되었습니다. 식이 섬유를 발효하여 단쇄 지방산을 생성하는 그람 양성 혐기성 박테리아로는 페칼리박테리움과 코프로코쿠스가 있습니다. 페칼리박테리움은 우울증을 포함한 다양한 질병에 대해 중요한 면역학적 역할과 임상적 관련성을 지닌 풍부한 장내 미생물입니다.
트립토판 대사산물
트립토판은 단백질 합성에 관여하는 필수 아미노산입니다. 박테리아 효소(트립토판아제)에 의한 대사 분해 과정에서 세로토닌, 키누레닌, 인돌 등 기분 조절 특성이 입증된 신경 활성 분자가 생성됩니다(그림 6). 식이 트립토판 섭취가 인간의 중추신경계 내 세로토닌 농도를 조절할 수 있으며, 트립토판 결핍이 우울증을 악화시킨다는 사실이 밝혀졌습니다.
젖산
젖산(그림 6)은 주로 젖산균(예: L. lactis, L. gasseri, L. reuteri), 비피도박테리움 및 프로테오박테리아가 식이 섬유를 발효하여 생성하는 유기산입니다. 젖산염은 여러 박테리아 종에 의해 단쇄 지방산으로 전환되어 전체 단쇄 지방산 풀에 기여할 수 있습니다. 젖산은 혈류로 흡수되어 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있습니다. 젖산은 뇌의 중추신경계 신호 전달에서 잘 알려진 역할을 합니다. 글루타메이트로 대사될 수 있는 능력 덕분에 뉴런의 에너지 기질로 사용됩니다. 또한 시냅스 가소성에 기여하고 기억 발달을 촉진합니다.
비타민
락토바실러스 및 비피도박테리움과 같은 대부분의 장내 박테리아는 대장에서 대사 과정의 일부로 비타민(특히 B군 비타민 및 비타민 K)을 합성합니다. 인간은 비타민 생성을 장내 미생물군에 의존합니다. 비타민은 뇌를 포함한 인체의 수많은 생리적 과정에서 보편적인 역할을 하는 핵심 미량 영양소입니다. 활성 수송체가 이들을 혈액-뇌 장벽 너머로 운반합니다. 중추신경계에서 비타민의 역할은 에너지 항상성 유지부터 신경전달물질 생성까지 광범위합니다. 비타민 결핍은 신경 기능에 상당한 부정적 영향을 미칠 수 있습니다. 엽산(비타민 B9)은 우울증 병리와 깊은 관련이 있는 미생물 유래 비타민입니다.
최근 혁신적인 연구 치료법인 분변 미생물 이식(FMT)이 임상 시험에서 매우 유망한 치료 효과를 보였습니다. 지난 5년간 CAS 콘텐츠 컬렉션에는 분변 이식과 관련된 약 1,000건의 문서가 매년 등재되었습니다. 예를 들어, 분변 미생물 이식은 항생제에 반응하지 않는 재발성 클로스티리오이데스 디피실 감염의 80~90%를 해결할 수 있다고 보고되었습니다. 다양한 질병의 잠재적 치료법으로 점점 더 많이 연구되고 있는 분변 미생물 이식의 임상 시험에 대한 고유한 의미를 신속하게 탐구해야 합니다.
현재 위장관 미생물군을 통한 장-뇌 축 조절 연구는 새롭게 떠오르는 혁신적인 최첨단 과학 분야입니다. 이용 가능한 데이터의 상당 부분은 기초 과학이나 동물 모델에 기반하고 있어 효과적인 인간 대상 중재로 바로 적용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 영양 및 생활 습관 의학의 개인화라는 이상을 실현할 특정 프리바이오틱스 화합물과 프로바이오틱스 균주의 맞춤형 처방은 여전히 희망적인 과제로 남아 있습니다. 미생물군의 기능과 숙주-미생물 상호작용의 기전을 규명하려는 지속적인 노력은 건강과 질병에서 미생물군의 역할을 더 깊이 이해하는 데 기여할 것입니다.
우울증, 불안, PTSD로 고통받는 수백만 명의 사람들을 돕기 위한 최신 트렌드와 새로운 접근 방식에 대해 더 알아보려면 사이키델릭과 그 치료적 접근 방식의 진전에 관한 블로그를 참조하십시오.
