대사 질환과 장내 미생물의 상관관계
2021-11-01
org.kosen.entty.User@27d4e906
이윤경(ylee25)
대사 질환과 장내 미생물의 상관관계
이윤경, yunkyeonglee25@gmail.com
숙명여자대학교 생명시스템학과
Key words
Metabolic diseases, Metabolic syndrome, Gut microbiota, Microbiome, Inflammation
대사질환, 대사증후군, 장내미생물, 마이크로바이옴, 염증
1. 개요
최근에 건강하지 않은 장내 미생물이 다양한 질병을 일으킨다는 연구 결과가 많이 나오고 있고, 대사 질환 역시 장내 미생물과 밀접한 연관이 있다는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현대 생활 방식이 장내 미생물 군집을 바꿈으로써 여러 질병의 위험성을 높인다고 여겨지고 있는데, 실제로 비만 쥐의 장내 미생물을 마른 쥐에게 이식하자 마른 쥐에게서 지방이 과도하게 축적되었다. 섭취하는 음식이 장에서의 미생물 군집에 크게 영향을 끼치므로, UCSF의 미생물학자인 Peter Turnbaugh 박사는 “당신의 장내 미생물은 당신이 무엇을 먹는지 알려준다.” 라고 말하기도 했다. 또 다른 연구에서는 고지방 식이 (High-fat diet)가 염증성 장 질환 (Inflammatory bowel disease)의 원인이 되는 박테리아의 생장을 촉진하며, 소위 말하는 “서구화된 식습관”이 단 며칠 만에 소화관전체에 미생물의 다양성을 크게 변화시키는 것을 확인하였다. 대사증후군 (Metabolic syndrome, MetS), 영양실조(Malnutrition), 염증성 장 질환, 심지어암 (Cancers)에 이르기까지 많은 질병들이 장내 미생물과 연관이 있다는 것이 알려져 있다.
2. 주요내용
2.1. 장내 미생물이란?
히포크라테스는 “모든 질병은 장에서 시작한다” 라고 말했다. 그의 말처럼 장 건강과 인간의 질병 간의 상관 관계는 오래 전부터 인식되어져 왔다. 시간이 흘러 인간의 위장관에 미생물이 살며, 이 미생물 군집을 장내 미생물 (Gut microbiota)라고 불렀다. 장내 미생물이 인간의 대사에 매우 중요한 역할을 하기에 연구가 필요했지만 쉽지 않았는데, 장 내부가 혐기성 환경인데 외부에서는 이런 환경을 조성하여 미생물을 배양하기 어렵다는 점과 장내 미생물들이 다른 박테리아 종들에 의존해서 자란다는 점 때문이었다. 그러다 최근에 장내 미생물의 유전체 (Gut microbial genome or microbiome)를 연구하는 것이 가능해지면서 인간의 장 내부에 사는 박테리아의 유전자가 330 만 개에 이른다는 사실을 알게 되었다. 이것은 숙주인 인간의 150배에 이르는 수이다. 이처럼 많은 수만큼이나 숙주의 대사 능력에 영향을 끼치는 다양한 생합성 과정에 관여한다.
인간은 태어나면서 혹은 그 이전부터 장내 미생물을 가지고 있고, 출산 시 엄마의 질을 통과할 때, 제왕절개로 태어난 아이는 엄마와의 피부 접촉을 통해일정 부분의 미생물 군집을 전달받는다. 이렇게 엄마로부터 받은 미생물들이 다양한 환경적, 유전학적, 후성유전학적 요인들 (Epigenetic factors)로 인해 조절되고, 태어난 지 수일 내로 장내 미생물 군집이 형성된다. 미생물 군집은 체내 부위마다, 사람마다, 연령에 따라, 먹는 음식에 따라 모두 다르며 한 개인에게서도 일시적으로 변화가 생기기도 한다.
2.2. 대사 질환에서 장내 미생물의 역할
미생물은 정상적인 면역계 발달에 필수적인데, 바이러스, 박테리아, 기생충 등에 노출되지 않도록 통제하여 미생물이 없는 환경에서 키우는 무균 동물 (Germ-free animals)의 경우 림프 조직, T세포, B세포 등이 비정상적이다. 이것은 미생물이 외부 병원균이 침투할 시 감지하는 수용체인 Toll-like receptors (TLRs)와 결합하여 선천 면역계(Innate immune system)에 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 그 중에서도 TLR2와 TLR4는 Lipopolysaccharide와 Peptidoglycan을 인식하는데, 이런 수용체들의 활성화는 병원균에 대항할 사이토카인들 (Cytokines)과 케모카인들 (Chemokines)을 만들어낸다.
수많은 질병들이 장내 미생물의 불균형이 원인으로써도 결과로써도 관련이 되어 있는데, 예로는 크론병 (Crohn’s disease), 대장암 (Colon cancer), 당뇨병 (Diabetes), 대사증후군 (Metabolic syndrome), 심혈관계 질환 (Cardiovascular disease), 스트레스와 불안 장애, 음식 알러지, 천식 (Asthma), 자폐증 (Autism), 간성뇌증 (Hepatic encephalopathy) 등이 있다. 이 중 대사 질환인 당뇨병, 대사증후군, 심혈관계 질환, 그리고 추가로 비알코올성 지방간에 초점을 맞추어 다뤄보려고 하는데, 장내 미생물이 에너지 항상성 유지, 식욕 조절, 음식을 섭취하는 습관 등 숙주의 대사를 조절하는 것에 중요한 역할을 하기 때문이다..
먼저 당뇨병, 그 중에서도 제 2형 당뇨 (제 1형 당뇨는 자가면역질환, 제 2형 당뇨는 대사질환)는 낮은 정도의 만성 염증 상태가 특징적으로 나타난다. 제2형 당뇨는 인슐린 저항성으로 나타나는데, 인슐린 저항성이란 근육, 간, 지방 조직 등에 인슐린의 작용에 문제가 생긴 것을 말한다. 그 결과 당 분해가 이루어지지 못하고, 인슐린으로 인한 간에서의 당 합성과 지방 분해의 억제를 제대로 하지 못하게 된다. 인슐린 저항성이 나타나는 초기에는 췌장의 베타세포에서더욱 많은 인슐린을 분비하지만 지속되면 높아진 인슐린 수요를 충족시키지 못해 고혈당 (Hyperglycaemia) 상태가 된다. 이는 미세혈관과 대혈관 합병증 (Micro- and macrovascular complications)으로 연결된다. 최근에는 위와 같은 만성의 낮은 정도의 대사적 염증을 ‘대사 염증 (Metainflammation)’이라 부르며, 이것이 인슐린 저항성이 생기게 하며, 제 2형 당뇨로 이어지게 함을 밝혔다.
장내 미생물은 소화를 돕고, 그들이 만들어낸 대사산물이 인간의 대사를 바꾸거나 면역계의 발달에도 영향을 끼친다. 장내 미생물이 면역을 조절하는 특성이 큰 관심을 받고 있는데, 위에서 언급한 대사 염증이 비만이나 제 2형 당뇨에서 관찰되기 때문이다. 무균 쥐들은 식이로 유도하는 비만에 저항성을 보이는데, 이들에게 비만과 연관된 한 종류의 박테리아 (Enterobacter cloacae)를 넣어주면 몸무게가 증가하고, 혈당 조절에 문제가 생기며, 염증 반응을 일으키는 단백질의 농도가 높아지고, 지방을 분해하고 혈당을 조절하는 것에 관여하는 아디포넥틴 (Adiponectin)의 양이 줄어든다. 비슷하게 비만 쥐들에게서 장내 미생물을 이식 받은 무균 쥐들이 마른 쥐들에게서 받은 쥐들보다 음식으로부터 더 많은 에너지를 얻는다. 이런 연구들은 비만의 표현형이 장내 미생물을 통해서 전달될 수 있음을 처음으로 밝힌 것이다.
두 번째로 대사증후군에 대해 논의해보자. 대사증후군이란 인슐린 저항성, 비만, 고혈압, 지질이상혈증 등이 동시에 발병하는 해로운 상황을 의미한다. 여러 원인이 있겠지만 장내 미생물 군집의 구성에 변화가 생기는 것도 가능성 있는 요인으로 여겨지고 있다. 인간의 장에는 대략 100조 개의 박테리아와 다른미생물들이 살고 있는데, 음식이나 활동 패턴 등의 변화가 미생물의 다양성을 감소시키고, 이것이 염증과 대사증후군 같은 대사 질환의 위험성을 증가시킨다는 것이다. 그래서 대사증후군을 치료할 때 식습관을 바꾸고 운동을 병행하면 효과가 좋다.
다음으로는 심혈관계 질환이다. 혈중 콜레스테롤 농도가 높은 것을 의미하는 고콜레스테롤혈증 (Hypercholesterolemia)는 가장 잘 알려진 심혈관계 질환의 위험 요인이며, 이는 전세계에서 질병 발병률이나 사망률이 가장 높은 질환 중 하나이다. 또 다른 위험 요인으로는 고혈압, 당뇨, 비만 등이 있다. 콜레스테롤은 저밀도와 고밀도 콜레스테롤로 나뉘는데, 저밀도 콜레스테롤이 혈액 내에 높은 농도로 존재하는 것은 관상동맥질환 (Coronary artery disease, CAD)의 발병과 밀접한 연관성이 있다. 장내 미생물은 담즙, 짧은 체인의 지방산 등 대사체를 생성함으로써 고콜레스테롤혈증과 관상동맥질환의 발달에 직접적으로 영향을 끼친다. 뿐만 아니라 인체의 면역계를 조절함으로써 간접적인 방법으로도 영향을 주는데, 이런 질환들이 발병할 때, 혈전이 형성되고 혈액의 흐름이 저해되는데, 이때 사이토카인들이 분비되고, 염증 반응에 의해 대식 세포나 선천 면역이 활성화된다.
한편 또다른 대사 질환인 비알코올성 지방간의 발달에도 장내 미생물이 큰 영향을 끼친다는 연구 결과들이 있다. 먼저 비알코올성 지방간 환자들은 Phylum Bacteroidetes가 증가해있음을 확인하였다. 무균 쥐를 이용한 실험에서도 Lachnospiraceae bacterium 609와 Barnesiella intestinihominis 종이 비알코올성 지방간과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 고혈당의 쥐와 정상 혈당의 쥐의 장내 미생물을 각각 이식한 쥐들을 고지방 식이를 먹였을 때, 고혈당 쥐의 장내 미생물을 이식 받은 쥐에게서 더 심한 비알코올성 지방간 소견이 나타났다. 이외에도 비알코올성 지방간과 염증 반응이나 간 손상이 추가된 더 진행된 형태의 비알코올성 지방간염은 장내 미생물 불균형과 상관 관계가 있다. 이는 염증성 박테리아 산물을 만드는 유전자들이 많은 것이 비알코올성 지방간의 병증 유발, 병의 심화도와 관계가 있기 때문이다. 이외에도 비알코올성 지방간이 생길 때, 에탄올을 생성하는 박테리아인 Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae 등의 수가 증가하였고, 이들에 의해 장의 투과성이 바뀌고, 활성산소종 (Reactive oxygen species, ROS)가 만들어지며, 간에서의 염증이 증가한다.
2.3. 치료 전략으로써의 장내 미생물
대사증후군을 치료할 때, 섭취하는 음식의 종류를 바꾸거나 규칙적인 운동을 하는 것은 장내 미생물의 다양성을 증가시켜서 염증 반응을 낮추어 도움을 준다. 또 치료 전략을 세울 때, 장내 미생물의 구성을 바꾸도록 하는 것은 대사증후군을 억제하거나 그로 인한 동반 질환들이 나타날 확률을 낮출 수 있을 것이다. 예를 들면, 프로바이오틱스 (Probiotics)는 장내 미생물을 변화시켜 인슐린 민감도를 증가시키는 등 대사 건강을 개선할 수 있다.
프로바이오틱스는 살아있는 미생물을 뜻하며, Lactobacillus, Bifidobacterium, Saccharomyces boulardii 등 박테리아나 진균류 등으로 구성된다. 이들은 숙주에게 다양한 이점을 가져다 주는데, Lactobacillus의 경우 심장을 보호하는 효과가 있음을 래트 (Rat) 실험에서 확인하였다. 한편 프리바이오틱스 (Prebiotics)는 장내 미생물들이 사용하는 기질이며, 보통 소화가 되지 않는 식이 섬유나 올리고당으로 건강에 이점을 가져다 준다. 미생물 발효를 촉진시키는 프리바이오틱스는 대사적 조절을 개선한다. 이눌린 (Inulin) 같은 일부 프리바이오틱스는 장내 미생물의 다양성과 기능에 도움을 줘서 항생제의 해로운 효과에 맞서는 역할을 한다.
섭취하는 음식은 장내 미생물의 구성에 매우 큰 영향을 끼친다. 식물(곡물, 콩류, 과일, 채소 등), 동물(고기, 계란, 치즈 등)을 각각 주로 섭취하는 그룹으로 나누어 5일 간 실험을 진행하였는데, 그들의 장내 미생물 군집에 일시적인 변화가 있었다. 이는 장내 미생물의 구성의 변화가 빠르게 (24시간 이내) 일어나기 때문이다. 또한 포화 지방, 트랜스 지방, 당분 섭취가 많은 소위 “서구화된 식습관”은 인슐린 저항성, 장내 미생물 불균형 등을 유발한다. 이는 장내 미생물의 다양성을 줄이고, 염증성 세균을 늘린다. 그래서 식단을 관리하는 것은 대사 질환을 치료하는 데에 좋은 전략이 될 수 있다.
장내 미생물의 다양성과 대사 질환을 줄이기 위한 식습관은 다음과 같다. 채소, 콩류, 과일, 견과류, 곡물, 생선, 해산물을 많이 섭취하고, 단백질을 얻기 위해 가금류를 먹고, 유제품, 붉은 육류, 가공 육류, 크림류, 당분이 많이 든 음료 피하기, 지방은 불포화 지방산이 많이 든 음식으로 섭취하고, 올리브유, 생선, 견과류를 주로 섭취하는 지중해식 식단으로 구성하기 등이 있다. 또 고단백 저탄수 식단은 전염증성 박테리아의 증가, SCFA (Short chain fatty acid)을 생성하는 박테리아의 감소 등이 원인이 되어 장내 미생물 불균형을 불러일으킨다.
한편 최근에 항염 효과가 있는 폴리페놀 (Polyphenols)이 많은 주목을 받고 있는데, 안토시아닌 (Polyphenolic anthocyanins)이 많이 함유된 블루베리는 중성지방과 공복 혈당을 낮춰주는 효과가 있으며, 수축기 혈압을 낮추는 것에도 도움이 된다. 대사 증후군 환자에게 8주 간 냉동 건조 딸기를 섭취하게했을 때, 총콜레스테롤과 저밀도콜레스테롤 수치가 낮아지고, VCAM1 (Vascular cell adhesion-1)의 발현량이 낮아져서 동맥경화의 위험을 낮췄다는 연구 결과가 있다.
요거트와 발효 제품을 섭취하는 것 역시 위장, 심혈관 건강에 도움이 되고, 암 발생을 낮춰주며, 몸무게 관리, 당뇨, 뼈의 밀도 증가에 도움이 된다. 발효 유제품인 케피르 (Kefir)를 12주 간 대사 증후군 환자들에게 섭취하게 하였을 때, 혈압을 낮추고, 지방 구성성분을 개선하고, 혈당이 감소하고, 염증(TNF-α, IFN- γ)을 낮추는 효과가 있었다. 뿐만 아니라 뇌졸중, 관상동맥질환, 심혈관계 질환으로 인한 사망률을 4% 감소시켰다.
3. 결론
장내 미생물이 숙주의 대사에 중요한 역할을 하기 때문에 대사 질환에서 장내 미생물의 역할에 대해 연구하는 것은 대사 질환의 발달과 진행을 더 잘 이해할 수 있게 해준다. 어떤 장내 미생물로 구성되어 있는지에 따라 염증, 비만, 고혈당, 이상지질혈증 등이 유발되기도 하고 아니기도 하다. 장내 미생물의 구성에 영향을 끼치는 요인은 연령, 생활 방식, 항생제 같은 약물의 사용, 출산 방식, 흡연 등 다양하다. 그 중 섭취하는 음식은 매우 중요한 역할을 한다.
이번 보고서는 장내 미생물이 무엇인지, 대사 질환에서는 어떤 역할을 하는지, 치료 전략으로는 어떤 것이 있는지에 대해 다루어 보았다. 장내 미생물 연구는 시작된 지 얼마 되지 않아 아직 밝혀야 하는 것이 많으면서 장래가 촉망되는 분야이다. 또 나날이 증가하는 대사 질환에서 이 새로운 분야로 원인과 치료법 등을 적용하는 것은 하나의 돌파구가 될 수 있을 것이다.
본론의 치료 전략에서 언급했다시피 장내 미생물의 다양성을 증가시키고, 염증 반응을 줄일 수 있는 방식의 식이 습관을 적용한다면 다양한 대사 질환의 위험성을 감소시킬 수 있다. 예를 들면 포화지방이나 트랜스지방이 많이 함유된 고지방 식단 피하기, 생선류, 견과류, 올리브유 많이 섭취하기, 프로바이오틱스, 발효 유제품 섭취하기 등이 있다. 당분이 많이 포함된 음료도 빠른 시일 내에 대사 질환을 유발하는 것으로 알려져 있어서 최대한 피하는 것이 좋겠다.
References
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6. Wu, J. et al., The role of the gut microbiome and its metabolites in metabolic diseases. Protein Cell 12(5), 360-373, 2021
7. Troseid, M. et al., The gut microbiome in coronary artery disease and heart failure: current knowledge and future directions. EBioMedicine 52:102649, 2020
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9. Dabke, K. et al., The gut microbiome and metabolic syndrome. J Clin Invest 129(10), 2019
이윤경, yunkyeonglee25@gmail.com
숙명여자대학교 생명시스템학과
Key words
Metabolic diseases, Metabolic syndrome, Gut microbiota, Microbiome, Inflammation
대사질환, 대사증후군, 장내미생물, 마이크로바이옴, 염증
1. 개요
최근에 건강하지 않은 장내 미생물이 다양한 질병을 일으킨다는 연구 결과가 많이 나오고 있고, 대사 질환 역시 장내 미생물과 밀접한 연관이 있다는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현대 생활 방식이 장내 미생물 군집을 바꿈으로써 여러 질병의 위험성을 높인다고 여겨지고 있는데, 실제로 비만 쥐의 장내 미생물을 마른 쥐에게 이식하자 마른 쥐에게서 지방이 과도하게 축적되었다. 섭취하는 음식이 장에서의 미생물 군집에 크게 영향을 끼치므로, UCSF의 미생물학자인 Peter Turnbaugh 박사는 “당신의 장내 미생물은 당신이 무엇을 먹는지 알려준다.” 라고 말하기도 했다. 또 다른 연구에서는 고지방 식이 (High-fat diet)가 염증성 장 질환 (Inflammatory bowel disease)의 원인이 되는 박테리아의 생장을 촉진하며, 소위 말하는 “서구화된 식습관”이 단 며칠 만에 소화관전체에 미생물의 다양성을 크게 변화시키는 것을 확인하였다. 대사증후군 (Metabolic syndrome, MetS), 영양실조(Malnutrition), 염증성 장 질환, 심지어암 (Cancers)에 이르기까지 많은 질병들이 장내 미생물과 연관이 있다는 것이 알려져 있다.
2. 주요내용
2.1. 장내 미생물이란?
히포크라테스는 “모든 질병은 장에서 시작한다” 라고 말했다. 그의 말처럼 장 건강과 인간의 질병 간의 상관 관계는 오래 전부터 인식되어져 왔다. 시간이 흘러 인간의 위장관에 미생물이 살며, 이 미생물 군집을 장내 미생물 (Gut microbiota)라고 불렀다. 장내 미생물이 인간의 대사에 매우 중요한 역할을 하기에 연구가 필요했지만 쉽지 않았는데, 장 내부가 혐기성 환경인데 외부에서는 이런 환경을 조성하여 미생물을 배양하기 어렵다는 점과 장내 미생물들이 다른 박테리아 종들에 의존해서 자란다는 점 때문이었다. 그러다 최근에 장내 미생물의 유전체 (Gut microbial genome or microbiome)를 연구하는 것이 가능해지면서 인간의 장 내부에 사는 박테리아의 유전자가 330 만 개에 이른다는 사실을 알게 되었다. 이것은 숙주인 인간의 150배에 이르는 수이다. 이처럼 많은 수만큼이나 숙주의 대사 능력에 영향을 끼치는 다양한 생합성 과정에 관여한다.
인간은 태어나면서 혹은 그 이전부터 장내 미생물을 가지고 있고, 출산 시 엄마의 질을 통과할 때, 제왕절개로 태어난 아이는 엄마와의 피부 접촉을 통해일정 부분의 미생물 군집을 전달받는다. 이렇게 엄마로부터 받은 미생물들이 다양한 환경적, 유전학적, 후성유전학적 요인들 (Epigenetic factors)로 인해 조절되고, 태어난 지 수일 내로 장내 미생물 군집이 형성된다. 미생물 군집은 체내 부위마다, 사람마다, 연령에 따라, 먹는 음식에 따라 모두 다르며 한 개인에게서도 일시적으로 변화가 생기기도 한다.
2.2. 대사 질환에서 장내 미생물의 역할
미생물은 정상적인 면역계 발달에 필수적인데, 바이러스, 박테리아, 기생충 등에 노출되지 않도록 통제하여 미생물이 없는 환경에서 키우는 무균 동물 (Germ-free animals)의 경우 림프 조직, T세포, B세포 등이 비정상적이다. 이것은 미생물이 외부 병원균이 침투할 시 감지하는 수용체인 Toll-like receptors (TLRs)와 결합하여 선천 면역계(Innate immune system)에 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 그 중에서도 TLR2와 TLR4는 Lipopolysaccharide와 Peptidoglycan을 인식하는데, 이런 수용체들의 활성화는 병원균에 대항할 사이토카인들 (Cytokines)과 케모카인들 (Chemokines)을 만들어낸다.
수많은 질병들이 장내 미생물의 불균형이 원인으로써도 결과로써도 관련이 되어 있는데, 예로는 크론병 (Crohn’s disease), 대장암 (Colon cancer), 당뇨병 (Diabetes), 대사증후군 (Metabolic syndrome), 심혈관계 질환 (Cardiovascular disease), 스트레스와 불안 장애, 음식 알러지, 천식 (Asthma), 자폐증 (Autism), 간성뇌증 (Hepatic encephalopathy) 등이 있다. 이 중 대사 질환인 당뇨병, 대사증후군, 심혈관계 질환, 그리고 추가로 비알코올성 지방간에 초점을 맞추어 다뤄보려고 하는데, 장내 미생물이 에너지 항상성 유지, 식욕 조절, 음식을 섭취하는 습관 등 숙주의 대사를 조절하는 것에 중요한 역할을 하기 때문이다..
먼저 당뇨병, 그 중에서도 제 2형 당뇨 (제 1형 당뇨는 자가면역질환, 제 2형 당뇨는 대사질환)는 낮은 정도의 만성 염증 상태가 특징적으로 나타난다. 제2형 당뇨는 인슐린 저항성으로 나타나는데, 인슐린 저항성이란 근육, 간, 지방 조직 등에 인슐린의 작용에 문제가 생긴 것을 말한다. 그 결과 당 분해가 이루어지지 못하고, 인슐린으로 인한 간에서의 당 합성과 지방 분해의 억제를 제대로 하지 못하게 된다. 인슐린 저항성이 나타나는 초기에는 췌장의 베타세포에서더욱 많은 인슐린을 분비하지만 지속되면 높아진 인슐린 수요를 충족시키지 못해 고혈당 (Hyperglycaemia) 상태가 된다. 이는 미세혈관과 대혈관 합병증 (Micro- and macrovascular complications)으로 연결된다. 최근에는 위와 같은 만성의 낮은 정도의 대사적 염증을 ‘대사 염증 (Metainflammation)’이라 부르며, 이것이 인슐린 저항성이 생기게 하며, 제 2형 당뇨로 이어지게 함을 밝혔다.
장내 미생물은 소화를 돕고, 그들이 만들어낸 대사산물이 인간의 대사를 바꾸거나 면역계의 발달에도 영향을 끼친다. 장내 미생물이 면역을 조절하는 특성이 큰 관심을 받고 있는데, 위에서 언급한 대사 염증이 비만이나 제 2형 당뇨에서 관찰되기 때문이다. 무균 쥐들은 식이로 유도하는 비만에 저항성을 보이는데, 이들에게 비만과 연관된 한 종류의 박테리아 (Enterobacter cloacae)를 넣어주면 몸무게가 증가하고, 혈당 조절에 문제가 생기며, 염증 반응을 일으키는 단백질의 농도가 높아지고, 지방을 분해하고 혈당을 조절하는 것에 관여하는 아디포넥틴 (Adiponectin)의 양이 줄어든다. 비슷하게 비만 쥐들에게서 장내 미생물을 이식 받은 무균 쥐들이 마른 쥐들에게서 받은 쥐들보다 음식으로부터 더 많은 에너지를 얻는다. 이런 연구들은 비만의 표현형이 장내 미생물을 통해서 전달될 수 있음을 처음으로 밝힌 것이다.
두 번째로 대사증후군에 대해 논의해보자. 대사증후군이란 인슐린 저항성, 비만, 고혈압, 지질이상혈증 등이 동시에 발병하는 해로운 상황을 의미한다. 여러 원인이 있겠지만 장내 미생물 군집의 구성에 변화가 생기는 것도 가능성 있는 요인으로 여겨지고 있다. 인간의 장에는 대략 100조 개의 박테리아와 다른미생물들이 살고 있는데, 음식이나 활동 패턴 등의 변화가 미생물의 다양성을 감소시키고, 이것이 염증과 대사증후군 같은 대사 질환의 위험성을 증가시킨다는 것이다. 그래서 대사증후군을 치료할 때 식습관을 바꾸고 운동을 병행하면 효과가 좋다.
다음으로는 심혈관계 질환이다. 혈중 콜레스테롤 농도가 높은 것을 의미하는 고콜레스테롤혈증 (Hypercholesterolemia)는 가장 잘 알려진 심혈관계 질환의 위험 요인이며, 이는 전세계에서 질병 발병률이나 사망률이 가장 높은 질환 중 하나이다. 또 다른 위험 요인으로는 고혈압, 당뇨, 비만 등이 있다. 콜레스테롤은 저밀도와 고밀도 콜레스테롤로 나뉘는데, 저밀도 콜레스테롤이 혈액 내에 높은 농도로 존재하는 것은 관상동맥질환 (Coronary artery disease, CAD)의 발병과 밀접한 연관성이 있다. 장내 미생물은 담즙, 짧은 체인의 지방산 등 대사체를 생성함으로써 고콜레스테롤혈증과 관상동맥질환의 발달에 직접적으로 영향을 끼친다. 뿐만 아니라 인체의 면역계를 조절함으로써 간접적인 방법으로도 영향을 주는데, 이런 질환들이 발병할 때, 혈전이 형성되고 혈액의 흐름이 저해되는데, 이때 사이토카인들이 분비되고, 염증 반응에 의해 대식 세포나 선천 면역이 활성화된다.
한편 또다른 대사 질환인 비알코올성 지방간의 발달에도 장내 미생물이 큰 영향을 끼친다는 연구 결과들이 있다. 먼저 비알코올성 지방간 환자들은 Phylum Bacteroidetes가 증가해있음을 확인하였다. 무균 쥐를 이용한 실험에서도 Lachnospiraceae bacterium 609와 Barnesiella intestinihominis 종이 비알코올성 지방간과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 고혈당의 쥐와 정상 혈당의 쥐의 장내 미생물을 각각 이식한 쥐들을 고지방 식이를 먹였을 때, 고혈당 쥐의 장내 미생물을 이식 받은 쥐에게서 더 심한 비알코올성 지방간 소견이 나타났다. 이외에도 비알코올성 지방간과 염증 반응이나 간 손상이 추가된 더 진행된 형태의 비알코올성 지방간염은 장내 미생물 불균형과 상관 관계가 있다. 이는 염증성 박테리아 산물을 만드는 유전자들이 많은 것이 비알코올성 지방간의 병증 유발, 병의 심화도와 관계가 있기 때문이다. 이외에도 비알코올성 지방간이 생길 때, 에탄올을 생성하는 박테리아인 Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae 등의 수가 증가하였고, 이들에 의해 장의 투과성이 바뀌고, 활성산소종 (Reactive oxygen species, ROS)가 만들어지며, 간에서의 염증이 증가한다.
2.3. 치료 전략으로써의 장내 미생물
대사증후군을 치료할 때, 섭취하는 음식의 종류를 바꾸거나 규칙적인 운동을 하는 것은 장내 미생물의 다양성을 증가시켜서 염증 반응을 낮추어 도움을 준다. 또 치료 전략을 세울 때, 장내 미생물의 구성을 바꾸도록 하는 것은 대사증후군을 억제하거나 그로 인한 동반 질환들이 나타날 확률을 낮출 수 있을 것이다. 예를 들면, 프로바이오틱스 (Probiotics)는 장내 미생물을 변화시켜 인슐린 민감도를 증가시키는 등 대사 건강을 개선할 수 있다.
프로바이오틱스는 살아있는 미생물을 뜻하며, Lactobacillus, Bifidobacterium, Saccharomyces boulardii 등 박테리아나 진균류 등으로 구성된다. 이들은 숙주에게 다양한 이점을 가져다 주는데, Lactobacillus의 경우 심장을 보호하는 효과가 있음을 래트 (Rat) 실험에서 확인하였다. 한편 프리바이오틱스 (Prebiotics)는 장내 미생물들이 사용하는 기질이며, 보통 소화가 되지 않는 식이 섬유나 올리고당으로 건강에 이점을 가져다 준다. 미생물 발효를 촉진시키는 프리바이오틱스는 대사적 조절을 개선한다. 이눌린 (Inulin) 같은 일부 프리바이오틱스는 장내 미생물의 다양성과 기능에 도움을 줘서 항생제의 해로운 효과에 맞서는 역할을 한다.
섭취하는 음식은 장내 미생물의 구성에 매우 큰 영향을 끼친다. 식물(곡물, 콩류, 과일, 채소 등), 동물(고기, 계란, 치즈 등)을 각각 주로 섭취하는 그룹으로 나누어 5일 간 실험을 진행하였는데, 그들의 장내 미생물 군집에 일시적인 변화가 있었다. 이는 장내 미생물의 구성의 변화가 빠르게 (24시간 이내) 일어나기 때문이다. 또한 포화 지방, 트랜스 지방, 당분 섭취가 많은 소위 “서구화된 식습관”은 인슐린 저항성, 장내 미생물 불균형 등을 유발한다. 이는 장내 미생물의 다양성을 줄이고, 염증성 세균을 늘린다. 그래서 식단을 관리하는 것은 대사 질환을 치료하는 데에 좋은 전략이 될 수 있다.
장내 미생물의 다양성과 대사 질환을 줄이기 위한 식습관은 다음과 같다. 채소, 콩류, 과일, 견과류, 곡물, 생선, 해산물을 많이 섭취하고, 단백질을 얻기 위해 가금류를 먹고, 유제품, 붉은 육류, 가공 육류, 크림류, 당분이 많이 든 음료 피하기, 지방은 불포화 지방산이 많이 든 음식으로 섭취하고, 올리브유, 생선, 견과류를 주로 섭취하는 지중해식 식단으로 구성하기 등이 있다. 또 고단백 저탄수 식단은 전염증성 박테리아의 증가, SCFA (Short chain fatty acid)을 생성하는 박테리아의 감소 등이 원인이 되어 장내 미생물 불균형을 불러일으킨다.
한편 최근에 항염 효과가 있는 폴리페놀 (Polyphenols)이 많은 주목을 받고 있는데, 안토시아닌 (Polyphenolic anthocyanins)이 많이 함유된 블루베리는 중성지방과 공복 혈당을 낮춰주는 효과가 있으며, 수축기 혈압을 낮추는 것에도 도움이 된다. 대사 증후군 환자에게 8주 간 냉동 건조 딸기를 섭취하게했을 때, 총콜레스테롤과 저밀도콜레스테롤 수치가 낮아지고, VCAM1 (Vascular cell adhesion-1)의 발현량이 낮아져서 동맥경화의 위험을 낮췄다는 연구 결과가 있다.
요거트와 발효 제품을 섭취하는 것 역시 위장, 심혈관 건강에 도움이 되고, 암 발생을 낮춰주며, 몸무게 관리, 당뇨, 뼈의 밀도 증가에 도움이 된다. 발효 유제품인 케피르 (Kefir)를 12주 간 대사 증후군 환자들에게 섭취하게 하였을 때, 혈압을 낮추고, 지방 구성성분을 개선하고, 혈당이 감소하고, 염증(TNF-α, IFN- γ)을 낮추는 효과가 있었다. 뿐만 아니라 뇌졸중, 관상동맥질환, 심혈관계 질환으로 인한 사망률을 4% 감소시켰다.
3. 결론
장내 미생물이 숙주의 대사에 중요한 역할을 하기 때문에 대사 질환에서 장내 미생물의 역할에 대해 연구하는 것은 대사 질환의 발달과 진행을 더 잘 이해할 수 있게 해준다. 어떤 장내 미생물로 구성되어 있는지에 따라 염증, 비만, 고혈당, 이상지질혈증 등이 유발되기도 하고 아니기도 하다. 장내 미생물의 구성에 영향을 끼치는 요인은 연령, 생활 방식, 항생제 같은 약물의 사용, 출산 방식, 흡연 등 다양하다. 그 중 섭취하는 음식은 매우 중요한 역할을 한다.
이번 보고서는 장내 미생물이 무엇인지, 대사 질환에서는 어떤 역할을 하는지, 치료 전략으로는 어떤 것이 있는지에 대해 다루어 보았다. 장내 미생물 연구는 시작된 지 얼마 되지 않아 아직 밝혀야 하는 것이 많으면서 장래가 촉망되는 분야이다. 또 나날이 증가하는 대사 질환에서 이 새로운 분야로 원인과 치료법 등을 적용하는 것은 하나의 돌파구가 될 수 있을 것이다.
본론의 치료 전략에서 언급했다시피 장내 미생물의 다양성을 증가시키고, 염증 반응을 줄일 수 있는 방식의 식이 습관을 적용한다면 다양한 대사 질환의 위험성을 감소시킬 수 있다. 예를 들면 포화지방이나 트랜스지방이 많이 함유된 고지방 식단 피하기, 생선류, 견과류, 올리브유 많이 섭취하기, 프로바이오틱스, 발효 유제품 섭취하기 등이 있다. 당분이 많이 포함된 음료도 빠른 시일 내에 대사 질환을 유발하는 것으로 알려져 있어서 최대한 피하는 것이 좋겠다.
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