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[BioS 레터]마이크로바이옴 '암연구' 과거, 현재, 미래 - 바이오스펙테이터

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[BioS 레터]마이크로바이옴 '암연구' 과거, 현재, 미래

입력 2020-08-03 09:13 수정 2020-08-06 16:30

박동영

[예비 신약개발자의 BioS(바스) Letter 공모전 수상작]Past, Present and Future of Gut Microbiome on Cancer Research

마이크로바이오타 연구 동향

일명 '똥 치료', 즉 건강한 사람의 대변을 위막성 대장염 환자에게 이식하는 방법이 90% 이상의 높은 완치율을 보여주면서 마이크로바이오타(Microbiota) 분야가 많은 과학자들로부터 각광을 받고 있다. 미생물 군집을 의미하는 마이크로바이오타와 유전체를 의미하는 지놈(Genome)의 합성어인 마이크로바이옴(Microbiome)이 뜨는 이유다.

최근 마이크로바이오타를 속(Genus) 수준에서 특이적으로 분석할 수 있는 16S RNA 시퀀싱의 활용으로 마이크로바이오타의 구성 비율을 분석하는 것이 가능해졌으며 메타볼로믹스(Metabolomics), 전체 유전체 검사(Whole Genome Sequencing)와 같은 분자 기술의 도움 덕분에 단순한 구성 비율 뿐만 아니라 특정한 마이크로바이오타의 기능적 분석까지도 가능해졌다. 또한 PCoA 그리고 NMDS 같은 다양한 바이오인포메틱스를 활용한 분석 방법을 적극적으로 이용함으로써 인체 내의 마이크로바이오타가 현재까지 알려진 것보다 더 다양한 질병들과 깊은 관련이 있다는 많은 연구 결과가 보고되고 있다.

인체 내 마이크로바이오타의 구성 비율은 인종, 식습관, 나이, 질병 등 다양한 요인들에 의해 결정되며 이 다양한 마이크로바이오타가 궤양대장염(Ulcerative Colitis) 또는 크론병(Crohn’s Disease)과 같은 염증성 장질환(Inflammatory Bowel Disease) 뿐만 아니라 비만 및 당뇨와 같은 대사성 질환 또는 더 나아가 뇌졸중과 자가면역 질환에도 크게 관련이 있다는 사실이 밝혀졌다. 하지만, 인체 내의 마이크로바이오타 중 대부분은 장내에 존재하기 때문에 주로 장내 질환의 발병에 주요한 역할을 하게 되고 따라서 이 장내 마이크로바이오타(Gut Microbiota)와 대장암(Colorectal Cancer) 발생과의 관계 규명에 관련된 연구가 최근 많은 과학자들의 흥미를 불러일으키고 있다.

대장암 발생에 있어서의 마이크로바이오타의 역할

현재까지 보고된 바에 의하면 대장암 발생에 주요하게 관련되어 있는 장내 마이크로바이오타는 Fusobacterium nucleatum, Salmonella enterica, Escherichia coli 그리고 Bacteroides fragilis 등 총 4종류이다. 미국 하버드 대학의 Wendy S. Garrett을 포함한 몇몇 과학자들에 의해 밝혀진 바에 따르면 Fusobacterium nucleatumSalmonella enterica는 장내 상피세포의 Toll 유사수용체 4(Toll-Like Receptor 4)와 결합하여 β-catenin 신호 전달 경로를 통해 장내 상피세포의 성장을 촉진함으로써 대장암 발생에 관여한다.

게다가 Fusobacterium nucleatum의 경우에는 추가적으로 자연살해 세포(Natural Killer Cells)와 자연살해 T세포(Natural Killer T Cells)의 TIGIT(T Cell Immunoreceptor with Ig and ITIM domains)과 결합할 수 있는 Fap2(Fatty Acid Binding Protein 2)를 발현함으로써 자연살해세포와 자연살해 T 세포의 기능을 억제함으로써 암세포가 체내의 면역 감시체계로부터 벗어나 빠르게 증식할 수 있도록 도와준다.

Escherichia coli의 경우에는 DNA 부가물(DNA Adduct) 형성을 유도하는 Colibactin을 생성하여 DNA 변형을 유발함으로써 대장암 발생을 촉진하게 된다. 마지막으로 Bacteroides fragilis는 장내에서 다른 다양한 마이크로바이오타를 불러모음으로써 마이크로바이오타 콜로니 즉, 마이크로바이오타 바이오 필름의 형성을 촉진하고 ETBF(EnteroToxigenic Bacteroides Fragilis)라는 물질을 생성하여 염증 반응과 관련된 활성산소(Reactive Oxygen Species) 생성과 STAT3/NF-kB 신호 전달 경로를 활성화 함으로써 대장암 발생을 유도하는 기전을 가지고 있다.

이 외에도 Alistipes, Streptococcus gallolyticus 그리고 Enterococcus faecalis 같은 다양한 마이크로바이오타가 대장암 발병을 촉진한다는 연구결과가 있지만 이와 반대로 오히려 대장암의 발생을 억제한다거나 또는 크게 상관 관계가 없다는 결과도 상당수 발표되고 있기 때문에 아직 더 많은 연구와 검증이 필요한 것처럼 보인다.

기존 마이크로바이오타 연구의 한계 및 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델의 필요성

이러한 많은 흥미로운 연구에도 큰 한계점이 존재하는데 바로 대부분의 마이크로바이오타 연구가 마우스 모델을 이용한다는 사실이다. 우리가 일반적으로 실험에 이용하는 마우스는 사람과는 생리학적으로 많이 다른 체내 기관구조를 가지고 있고, 식습관 및 행동 패턴 또한 매우 다르기 때문에 두 종은 눈에 띄게 다른 장내 마이크로바이오타 구성 비율을 보여준다.

첫째로, 사람의 위내 PH가 1 정도의 강산성을 가지고 있는 반면 마우스는 PH 3-4 정도로 약산성을 가지고 있다. 이러한 마우스 위의 약산성 환경 덕분에 Lactobacillus가 주로 번식할 수 있는 반면 강한 산성 환경을 가진 사람에서는 Lactobacillus 대신 Streptococci, Prevotella 그리고 Helicobacter pylori가 구성 성분의 주를 이룬다.

둘째로, 장의 구조적 특징 뿐 아니라 마우스의 평균 무게를 0.02kg, 사람의 평균 무게를 70kg으로 가정하여 무게에 따른 장내 길이를 측정해 보았을 때, 사람에 비해 마우스의 소장의 경우 약 150배 이상 길며 대장의 경우에는 약 7000배 이상 길다.

셋째로는, 사람에서는 많이 기능이 상실된 음식저장 역할을 하는 맹장이 마우스에서는 매우 크게 발달되어 있는 것을 확인할 수 있고 최근에는 이 맹장이 마우스 장내 마이크로바이오타의 주요한 공급처 역할을 한다는 보고도 되어있다. 음식이 장을 통과하는 시간을 나타내는 대장 통과 시간(Intestinal Transit Time) 또한 다양한 종류의 음식을 섭취하는 사람은 약 14시간에서 76시간 정도로 매우 길지만 마우스에서는 10배 빠른 약 7시간 정도이다. 장내 세포 보호와 특이적인 마이크로바이오타 번식에 중요한 역할을 하는 점막의 두께도 사람이 약 2.5배 더 두꺼우며 점막의 성장 속도 또한 마우스에 비해 약 2.5배 정도 빠르다는 특징을 보인다.

이러한 구조적 및 생리학적 차이와 함께, 마우스는 철저하게 관리되는 음식을 섭취하는 반면 사람은 상대적으로 훨씬 다양한 음식을 섭취하고 행동 패턴 또한 두 종은 매우 다르므로 두 종 간의 장내 마이크로바이오타의 구성 비율은 크게 다를 수 밖에 없다.

예를 들어, 마우스와 사람의 장내 마이크로바이오타 구성 비율을 16S RNA 시퀀싱으로 비교해보았을 때, 마우스에서는 LactobacillusTuricibacter가 대부분을 차지하는 반면 이 두 종은 사람에서는 매우 낮은 비율로 존재 하는 것을 확인할 수 있었다. 반대로, Faecelibacteirum은 마우스에서는 거의 검출되지 않지만 사람에서는 가장 높은 비율을 차지하는 것으로 미루어 볼 때, 현재의 마우스 모델을 장내 마이크로바이오타 연구에 이용하는 것이 과연 적절한 것인지에 대한 의문이 제기되고 있으며 또한 많은 연구들이 임상학적 관련성 측면에서 한계를 나타내고 있다.

이러한 한계를 극복하고자 현재 무균 마우스(Germ-Free Mouse) 모델에 사람의 장내 마이크로바이오타를 이식하여 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델을 설립하려는 연구가 많이 수행되고 있다.

이러한 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델을 설립하고자 미국 워싱턴 의과대학교 Jeffery I. Gordon 연구팀은 먼저 실제 병원에서 현재 사용되고 있는 배변 수집 키트를 이용하여 여러 명의 건강한 기증자들로부터 대변 샘플을 수집하였다. 대변 샘플을 수집한 후에 대부분의 장내 마이크로바이오타는 낮은 산소 환경에서 성장하는 혐기성 미생물(Anaerobe) 이므로 혐기성 전용 배양기(Anaerobic Chamber) 내에서 배변 샘플로부터 장내 마이크로바이오타를 분리하였다. 그 후에 경구 투여(Oral Gavage)를 통해 무균 마우스에 건강한 기증자의 배변 샘플로부터 분리한 장내 마이크로바이오타를 전달하였다.

약 4주 뒤, 사람의 장내 마이크로바이오타를 이식한 마우스에서 배변 샘플을 채취하여 16S RNA 시퀀싱을 진행하였다. 흥미롭게도 16S RNA 시퀀싱 결과를 PCoA와 NMDS로 분석해 보았을 때 상당 부분 건강한 기증자와 비슷한 양상으로 무균 마우스의 장내 마이크로바이오타가 구성되어 있는 것을 확인하였다. 속(Genus) 수준에서 사람의 마이크로바이오타 이식 성공율을 계산해 보았을 때 최대 약 85%까지 사람의 장내 마이크로바이오타가 마우스에게 성공적으로 전달될 수 있는 것으로 보이며 이러한 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델을 통해 좀 더 임상학적으로 의미가 있는 과학적 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

인간화 마이크로바이오타 마우스 모델의 한계 및 혁신적 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델의 필요성

하지만, 이러한 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델에도 역시 한계점은 존재한다. 미국 존스홉킨스 대학의 Cynthia Sears에 의해 밝혀진 바에 따르면 장내 마이크로바이오타는 장내 면역 세포와 큰 관련이 있다. 장내 점막 고유층(Lamina Propria)에는 많은 다양한 면역세포들이 존재하고 이곳에서 장내 마이크로바이오타가 체내의 면역세포들과 가장 활발하게 상호작용하기 때문에 장내 마이크로바이오타는 국소적인 면역 반응 뿐만 아니라 전신성 면역반응에도 관여하게 된다.

최근 발표된 논문에 의하면 Bacteroides fragilisEscherichia coli 이 두 종이 야생형(Wild Type) 무균 마우스에 함께 번식했을 때 대장암이 훨씬 더 잘 유도되는 것을 확인하였고 도움 T세포 17(Helper T Cells 17)의 기능이 제거된 마우스에 Bacteroides fragilisEscherichia coli 두 종을 함께 이식했을 때에는 대장암이 유도되지 않는 것을 확인함으로써 이 두 종이 대장암 발생에 관여하는 기전이 도움 T세포 17 특이적인 반응임을 밝혀냈다.

그 외에도 장내 미생물이 기억 B세포(Memory B Cells)와 기억 T세포(Memory T Cells)의 증식과 기능을 증가시킴으로써 최근 각광받고 있는 항암 면역 치료제 효과를 극대화할 수 있다는 논문도 많이 보고되고 있는 것으로 미루어 볼 때 장내 마이크로바이오타와 면역학과의 관계는 매우 중요할 것으로 생각된다.

이렇게 장내 마이크로바이오타 연구를 면역학적 반응과 독립적으로 분리하여 연구하는 것은 불가능한 상황에서 사람의 장내 미생물을 이식하여 만든 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델을 이용하는 것은 아무리 마우스 내에 사람의 마이크로바이오타를 이식하는데 성공했을지라도 사람의 면역학적 반응을 제대로 구현하는 데에는 한계가 있다.

그 이유로는 첫째로 사람과 마우스 간에 면역세포 구성 비율에 있어서 큰 차이가 있다. 사람의 경우 약 70% 정도가 호중구(Neutrophil)이며 30% 정도가 림프구(Lymphocyte)로 이루어져 있지만 마우스의 경우에는 약 90% 이상이 림프구로 이루어져 있고 나머지인 10% 정도가 호중구로 구성되어 있다. 이러한, 면역세포 구성 비율의 뚜렷한 차이로 특정 마이크로바이오타로 인해 유도되는 면역학적 반응이 두 종에서 현저히 다르다. 게다가 면역 세포 분화와 관련된 유전자 발현 패턴에도 차이가 있기 때문에 단순히 사람의 장내 마이크로바이오타를 이식한 마우스 모델을 이용하는 것은 앞으로의 연구에 있어서 또 다른 하나의 한계점이 될 수 있다.

그러므로 이를 극복하기 위해서는 현재의 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델보다 더 혁신적인 적합한 모델이 필수적인 상황이다. 이를 위해 앞으로는 사람의 조혈모세포(Hematopoietic Stem Cell) 마커인 CD34+ 말초혈액세포(Peripheral Blood Mononuclear Cell)를 이식한 무균 마우스에 사람의 장내 마이크로바이오타를 전달함으로써 궁극적으로 기존의 마우스 모델보다 좀 더 임상학적으로 관련성이 높은 결과를 도출해낼 수 있는 혁신적인 마우스 모델의 설립이 시급하며 이 혁신적 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델의 적극적인 활용으로 사람의 대장암 발병과 관련된 분자적 기전을 면역학적 측면에서도 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다.

마이크로바이오타 연구의 미래 방향

마이크로바이오타 분야가 현재 많은 관심을 받고 있고 매우 흥미로운 분야임에는 틀림없지만 미국에서는 대장 이식 치료를 받은 환자가 다제내성균에 감염되어 사망한 사례가 있다. 따라서, 마이크로바이오타 치료를 적극적으로 도입하기 위해서는 그 전에 안정성 및 배변 샘플로부터의 마이크로바이오타 분리 과정에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

또한, 하나의 마이크로바이오타가 대장암 발생을 유도할 수 있는 것인지 아니면 여러 마이크로바이오타의 상호 작용이 중요한 것인지에 대한 서로 다른 이견들이 많기 때문에 이에 대한 개념 설립 및 확증이 필요할 것으로 보인다.

여기서 더 나아가 마이크로바이오타와 체내 면역체계와의 상호 작용을 밝히고 메타볼로믹스를 활용하여 뷰티르산(Butyrate), 프로피오네이트(Propionate)를 포함한 마이크로바이오타의 대사체를 분석하는 등 다각적인 방면으로 접근함으로써 임상학적으로 유의미한 결과를 얻어내야 하며 실질적으로 암 환자들에게 도움을 줄 수 있는 연구를 하기 위해 앞으로 노력해야 한다. 위와 같은 성취를 위해서는 앞에서 언급한 혁신적인 인간화 마이크로바이오타 마우스 모델의 개발이 필수적이며 이 모델의 활용이 앞으로 이 분야에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.

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