마이크로바이옴이 건강을 개선하는 방법

10여 년 전만 해도 우리 몸과 우리 몸에서 행복하게 사는 수많은 미생물에 대해 알려진 바가 거의 없었습니다. 이제 연구자들은 인간 건강의 미래를 바꿀 수 있다고 믿습니다.

32세였던 미네소타 대학의 소아과 연구원인 Amanda Kabage는 2012년 5월에 비정상적인 위장 문제를 겪기 시작했습니다. 그녀는 하루에 10번 이상의 배변을 겪었고 대변에서 걱정스러운 양의 피를 발견했습니다. 의사들에게는 경미한 세균 감염처럼 보였으므로 그녀는 두 가지 다른 항생제를 처방받았습니다.

몇 달이 지나고 증상은 계속 악화되었습니다. 그녀는 젊고 건강하며 건강한 여성으로 갑자기 만성 복통으로 인해 단단한 음식을 끊고 9kg이 빠졌습니다. 그녀의 머리카락은 덩어리로 빠지고 직장에서 그녀의 결근은 동료들에게 알아 차리기 시작했습니다. 그녀는 여러 가지 약을 처방받았지만 소용이 없었습니다.

11 월 그 해는, 그녀는 결국로 알려진 세균 감염으로 진단 된 클로스 트리 디움 디피 , 또는 C. diff 명령  짧게. 이 박테리아는 대부분의 사람들의 장에서 발견될 수 있지만 통제 불능 상태로 자라면 독소를 방출하여 장을 손상시키고 장기 기능을 유지하는 다른 박테리아를 죽일 수 있습니다. 감염은 종종 장의 건강한 생태계를 뒤엎는 강력한 항생제 복용의 결과로 발생합니다.

매년 전 세계적으로 수백만 명의 감염과 수천 명의 사망을 유발하는 흔한 문제입니다. 최근 한 리뷰 에서는 C. difficile 의 전 세계 부담이 100,000명당 약 323건 또는 전 세계적으로 약 2,500만 건이라고 추정했습니다.

과학자들은 대변 샘플을 사용하여 건강한 미생물 균형으로 장을 보충합니다(Credit: Global Microbiome Conservancy)

그러나 어떤 치료법도 그녀의 고통을 완화시키지 못했기 때문에 Kabage는 그녀의 연구 기술을 실행에 옮겼습니다. 그녀는 과학 논문을 샅샅이 뒤졌고 의사의 반발 없이 직접 C. 디피실리 연구원에게 연락하여 자신이 연구하고 있는 장내 미생물을 이식하는 것과 관련된 실험 요법에 참여할 수 있는지 물었습니다. 건강한 사람을 환자로.

2013년 9월 초 카바게는 분변 미생물군 이식( FMT)으로 알려진 절차를 거쳤습니다 . 건강한 미생물 조합이 있는 기증자의 대변을 그녀의 장에 이식하여 손상된 미생물군을 대체했습니다.

"그날 밤, 내 내장에서는 마치 새로운 미생물이 새로운 보금자리를 찾고 내 결장에 자리를 잡는 것처럼 우르릉거리는 소리가 들렸습니다."라고 Kabage는 말합니다. 그 효과는 빠르고 놀라웠다. 14개월의 고통 끝에 치료 2주 후 Kabage는 원래의 모습으로 돌아왔습니다. 위장 문제가 완전히 사라졌습니다.

그녀가 받은 치료는 우리 몸 안에 서식하는 미생물이 우리 건강에서 다소 과소평가된 역할을 하는 것이 중요하다는 사실을 점점 더 깨닫게 된 결과입니다. 과학적 연구는 우리의 일반적인 웰빙과 입, 코, 기도, 폐, 위, 결장, 성기 및 피부 에서 번성하는 식물군 사이의 복잡한 상호 작용을 밝히는 데 도움이 되었습니다 . 그들은 소화, 대사, 점액 생성, 윤활 및 우리에게 해를 줄 수 있는 외부 유기체에 대한 첫 번째 방어선을 형성하는 데 도움을 줍니다.

이 복잡하고 평생에 걸친 관계에 대한 우리의 이해가 펼쳐짐에 따라 그것을 활용하는 우리의 능력도 발전합니다. 그것은 많은 전문가들이 우리 자신의 이익을 위해 미생물 히치하이커를 양육하고 조정하는 의료의 새로운 시대의 정점에 설 수 있기를 희망하도록 이끌고 있습니다.

 

마이크로바이옴 시대

마이크로바이옴을 커뮤니티의 도시로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 그것은 수조 개의 박테리아, 곰팡이 및 바이러스 이웃으로 구성되어 있으며 모두 우리 몸의 내부와 표면에서 공간을 차지합니다. 그들은 자신의 이웃에서 살아가면서 더 넓은 신체에 도움이 되는 역할도 수행합니다. 건강한 미생물군은 풍부하고 다양하며 식단에서 환경에 이르기까지 모든 것이 미생물의 기능에 영향을 미칩니다.

그러나 예를 들어 항생제 의 남용 과 초가공 식품의 소비는 장내 미생물을 파괴하고 사람들을 C. 디피실리 및 기타 형태의 질병과 같은 감염에 더 취약하게 만듭니다. 우리의 미생물군집과 건강 사이의 이러한 관계가 정확히 얼마나 중요한지 이제서야 분명해지고 있습니다.

아마도 가장 중요한 단계는 우리가 질병을 치료하거나 심지어 예방하는 데 도움이 되는 미생물군도 사용할 수 있다는 깨달음일 것입니다. C. difficile의 과병원성 균주의 출현으로 지난 20년 동안 사례 가 크게 증가했으며 현재 20% 이상의 사례 가 항생제 내성 을 갖게 된 박테리아와 관련되어 있습니다 . 이는 항생제를 사용하여 이러한 감염과 싸우기 위한 우리의 표준 접근 방식이 점점 더 쓸모 없게 된다는 것을 의미했습니다. 일을 하는 것들은 그들에 대한 저항을 촉발하는 것을 두려워하여 드물게 사용됩니다.

그러나 FMT는 C. difficile과 같은 감염과의 전쟁에서 대안을 제시했습니다. 장내 미생물의 건강한 균형을 효과적으로 재보충함으로써 이러한 박테리아가 다수의 C. 디피실레를 통제할 수 있게 합니다.

우리의 내장은 우리의 식단, 생활 방식 및 우리가 복용하는 약에 의해 형성되는 미생물 군집으로 가득 차 있습니다(Credit: Global Microbiome Conservancy)

"지난 10년은 FMT가 임상 실습에 등장한 10년이었습니다."라고 미네소타 대학 미생물 치료 프로그램의 의료 책임자이자 FMT 분야의 선구자인 Alexander Khoruts는 말합니다. "이제 우리는 제품 개발 측면에서 좀 더 진지한 새로운 장으로 접어들고 있습니다. 이 [FMT]는 본질적으로 의료 치료의 이 전체 영역을 계속할 이야기가 될 이야기의 한 장에 불과합니다."

 

고대 기원

의학적 치료에 대변 을 사용한 것은 고대 이집트인 으로 거슬러 올라갈 수 있으며  , 이들은 인간과 동물의 대변을 다양한 질병에 대한 활성 성분으로 사용했습니다. 그러나 현대 의학이 의사들로 하여금 무균 환경을 유지하기 위한 위생의 필요성을 인식하게 되면서 대변의 사용은 더 이상 사용되지 않게 되었습니다. 그들은 콜로라도 연구원이 동료들 사이에서 FMT 치료에 대한 관심을 다시 불태웠던 1958년 까지 복귀하지 않았습니다 .

Khoruts는 "1980년대에 제가 의과대학에 다닐 때 언급했는데 학생들이 낄낄거렸습니다."라고 말합니다. 2008년이 되어서야 Khoruts는 치료 전후에 기증자와 수용자 미생물 군집을 샘플링하는 절차를 수립하는 데 도움이 된 첫 번째 FMT를 수행할 수 있었습니다. 그는 이식된 박테리아가 기증자의 내장에 한 달 이상 머물렀다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

기증자의 내장에 무엇이 살고 있는지 알 수 있는 방법이 없기 때문에 DIY 치료는 때때로 위험할 수 있습니다.

그런 다음 그의 실험실은 장기 보관을 위해 대변 혼합물을 동결하는 프로토콜을 개발하여 의사가 더 이상 사무실에서 대변 슬러리를 준비할 필요가 없도록 했습니다. 대신 미리 준비된 샘플에 의존할 수 있습니다. 프로세스의 표준화는 FMT를 더 널리 퍼뜨리는 길을 열었습니다.

환자는 이제 결장 내시경, 관장 또는 냉동 대변 물질의 작은 캡슐을 통한 경구 섭취 의 형태로 FMT를 받을 수 있습니다 .

2013년에 Khoruts가 Kabage를 치료했습니다. 그 해 학계, 기업 및 국제 규제 기관 간의 규제 싸움 후 FMT는 국가마다 정의가 다른 매우 엄격한 규칙에 따라 C. difficile 치료에 대해 승인되었습니다.  FMT가 조직 이식 이든 실험적 생물학적 약물이든. 그 이후로 매년 유럽 과 미국 에서 수천 명의 환자 를 치료하는 데 사용되었습니다 (정확한 수를 찾기는 어렵지만). 그러나 연구원들은 그것이 더 많은 사람들 을 도울 수 있는 잠재력이 있다고 믿습니다 .

그러나 이러한 치료법에 쉽게 접근할 수 없는 일부 사람들은 말 그대로 문제를 스스로 해결했습니다.

2011년 Carolyn Edelstein 은 그녀의 사촌이 집에서 기증한 대변으로 자신의 욕실에서 스스로 FMT를 시행 한 후 미생물군 단체 OpenBiome 을 설립 했습니다. 이러한 DIY 치료 는 기증자의 내장에 무엇이 살고 있는지 , 그리고 그것이 받는 사람의 내장과 일치 하는지 알 수 있는 방법이 없기 때문에 때때로 위험 할 수 있습니다  . 미국의 한 병원에서 진행된 임상 시험에서 희귀한 형태의 약물 내성 E. coli가 두 명의 환자에게 옮겨졌고 그 중 한 명은 이후 사망한 것으로 밝혀진 후 기증자 미생물총에 대한 엄격한 테스트의 필요성이 강조 되었습니다 . 그러나 이것에도 불구하고 DIY 치료법이 널리 퍼진 추세라는 몇 가지 설명 이 있습니다 .

이에 대응하여 Edelstein의 조직이 만든 것은 "혈액 은행과 비슷하지만 대변용"이라고 그녀는 말합니다. 매사추세츠 주 캠브리지에 있는 실험실에서 똥 이모티콘이 새겨진 실험실 가운을 입은 과학자들이 액화 기증 대변 용액을 준비하고 라벨이 붙은 유리병에 담아 거대한 냉동고에 보관합니다. 한 곳에서 많은 대변 샘플을 보유하는 것의 장점은 "환자당 단일 기증자를 수행할 때보다 훨씬 더 엄격할 수 있다는 것"이라고 Edelstein은 말합니다.

건강한 환자의 미생물군을 신중히 선별한 후 냉동 및 이식 준비가 된 대변 은행에 보관(제공: OpenBiome)

대규모로, 그들은 합병증을 유발할 수 있는 모든 것에 대해 기증자의 대변 을 철저히 검사 할 수 있습니다. 기증자는 광범위한 의료 인터뷰, 혈액 검사를 거친 다음 대변 자체에서 살모넬라 및 대장균과 같은 일반적인 장 병원체, 기생충, 바이러스 및 항생제 내성 박테리아를 이식 준비 상태로 보관하기 전에 제거합니다.

OpenBiome은 이후 클리닉과 병원에 60,000건 이상의 치료법을 제공했습니다. 그러나 규제가 계속 변화함에 따라 이제는 대변 이식 이상의 것을 찾고 있습니다.

똥에서 알약으로

최근 미국 식품의약국(FDA) 은 대변 은행에서 대변 이식을 받은 6명의 환자가 심각한 감염 으로 인해 병원 치료를 받아야 하는 사태가 발생하자 대변 미생물군 이식에 대한 안전성 우려를 제기 했다.

과학자들이 마이크로바이옴의 힘을 활용할 수 있는 대안을 찾도록 한 이유 중 하나일 뿐입니다.

OpenBiome 은 건강하게 기능하는 장 생태계를 복원하는 데 사용할 수 있는 특정 미생물 군집에 대한 연구 를 계속 하기 위해 자매 생명공학 회사를 설립했습니다 .

인간 게놈은 단 23,000개의 유전자로 구성되어 있지만 마이크로바이옴 전체에는 수백만 개의 유전자가 포함되어 있습니다.

"우리는 항상 이런 가교 기간이 있을 것이라는 것을 알고 있었고, 현장이 그 배턴을 잡고 상업적 대안을 제공할 수 있는 순간이 올 때까지 오늘날 그것을 필요로 하는 환자를 돕는 데 관심이 있다고 말하는 것이 우리의 목표였습니다. "라고 Edelstein은 말합니다.

미생물군집을 표적으로 하는 약물은 아직 임상 시험을 진행 중이어서 아직 대중에게 공개되지는 않았지만 많은 연구자들은 2022년 말까지 일반의약품이 이용 가능할 것으로 기대하고 있습니다. 그러나 대변을 옮기기 보다는 건강한 환자의 대변에서 추출한 미생물 캡슐일 가능성이 더 큽니다 .

OpenBiome의 자매 회사인 Finch Therapeutics는 현재 CP101이라는 약물 의 후기 임상 개발 단계에 있습니다. 이 약물은 기본적으로 건강한 인간 기증자로부터 채취한 동결 건조된 온전한 미생물 군집으로 실험실에서 선별된 후 캡슐에 넣습니다. 또 다른 회사인 Rebiotix 는 신약 RBX2660으로 비슷한 일을 하고 있으며 SERES , Vedanta , Siolta Therapeutics 및 Servatus를 비롯한 여러 회사도 마찬가지 입니다. Axial Therapeutics 라는 한 회사 는 미생물과 중추신경계 사이 의 관계 를 더 잘 이해하기 위해 미생물총 분석을 사용하려고 합니다. 새로운 의약품을 만들기를 희망합니다.

이 모든 회사는 현재 FMT 솔루션보다 더 발전되고 환자에게 더 맛있는 것을 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

미생물군유전체 치료제에 대한 규제 승인을 위해 일하는 제약 및 생명공학 기업 연합인 Microbiome Therapeutics Innovation Group 의 이사회 이사인 Raja Dhir 는 "FMT는 결코 치료제가 될 의도가 없었습니다."라고 말했습니다 . Dhir에 따르면 기증자의 대변을 이식하는 것은 건강한 생태계를 만들기 위한 조잡한 도구였지만, 미래에는 통제된 실험실 환경에서 배양되는 보다 신중하게 선택된 미생물 세트가 포함될 것이라고 합니다. 목표는 실제로 환자의 몸에 들어가는 것을 더 잘 제어하는 ​​것입니다.

일부 회사는 질병을 치료하기 위해 미생물군집을 사용할 수 있는 일반의약품을 개발하기를 희망하고 있습니다(Credit: Tom Werner/Getty Images)

"여러 면에서 미생물 기반 치료법은 FDA 승인을 원하는 치료법과 동일한 과정을 거칩니다."라고 Dhir는 말합니다. 그는 또한 이 분야를 개척하는 여러 미생물 건강 회사 중 하나 인 Seed 의 설립자입니다 . "앞으로 장내 미생물군유전체를 고려하여 암 치료와 같은 기존의 많은 치료법의 효능을 향상시킬 것이라고 생각합니다." 그러나 장내 미생물군집이 암 관리에서 할 수 있는 역할 은 여전히 ​​연구자들이 조사하고 있습니다.

그러나 마이크로바이옴을 통해 환자를 치료하는 것은 모든 사람에게 알약을 터트리는 것만큼 간단하지 않을 것입니다. 사람의 게놈은 99.9%가 다른 사람과 비슷하지만 장내 미생물의 10~20% 만이 다른 사람과 공유됩니다. 우리 몸에서 발견되는 미생물의 종과 변종은 매우 다양합니다. 인간 게놈은 단 23,000개의 유전자로 구성되어 있지만 마이크로바이옴 전체에는 수백만 개의 .

이렇게 다양할 때 치료법을 개인화하는 것은 엄청난 작업이며 여전히 많은 연구가 수행되어야 합니다.

그러나 일부 회사 는 AI를 사용하여 환자의 마이크로 바이 옴 분석을 기반으로 영양사로부터 행동 코칭 을 제공한다고 주장하는 반면, 다른 회사는 최적의 생리학을 도울 수 있는 영양 솔루션을 찾기 위해 올림픽 선수와 같은 슈퍼 퍼포먼스 선수 의 마이크로바이옴 을 해독 하려고 시도합니다 .

Edelstein은 "이러한 미생물의 상호 작용과 작동 방식에는 너무 많은 복잡성이 있습니다. "복잡한 생태계에서 특정 종을 분리하고 새로운 숙주의 매우 다른 환경에 도입하려고 할 때 어떤 일이 발생하는지 예측하기 어려울 수 있습니다."

 

건강한 마이크로바이옴이란?

치료법을 발전시키기 위해 과학자들은 몇 가지 실존적 질문에 답해야 합니다. 먼저 건강한 미생물군집이란 무엇이며 생활 방식이 그것에 어떻게 영향을 미치는가?

글로벌 마이크로 바이 보전 (GMC)의 과도한 항생제 일소되고 고유의 미생물에 대한 검색을 사용하는 조직이나 가공 식품을 먹는. 산업화된 사회에서 이러한 유해한 삶의 측면에 노출되지 않은 외딴 지역에 거주하는 인구의 표본을 수집하여 이러한 목록을 작성하기를 희망합니다. 지금까지 미생물군집에 대한 대부분의 연구는 부유한 서구 국가에서 이루어졌습니다.

"산업화된 국가에 사는 사람들의 도시 미생물군집에 대한 연구의 대부분을 집중함으로써 우리는 미생물군집 다양성의 전체 범위를 놓치고 있을 뿐만 아니라 건강한 미생물군집이 무엇인지를 반드시 대표하지 않는 미생물군집도 살펴봅니다."라고 Mathilde 는 말합니다. Poyet , GMC의 공동 설립자. 그녀는 산업화된 국가의 도시 중심부에 사는 사람들의 장내 미생물군집에는 수많은 주요 박테리아와 기능이 부족하다고 말합니다.

과학자들은 귀중한 미생물을 보존하기 위해 외딴 곳에 있는 사람들로부터 대변 샘플을 수집하고 있습니다(Credit: Global Microbiome Conservancy)

매달 그녀의 팀은 원격 커뮤니티에서 분변 미생물군집 샘플을 채취하기 위해 "이동식 실험실"과 함께 전 세계를 여행합니다. 예를 들어, 그들은 Quaid-i-Azam 대학 이슬라마바드의 미생물학 교수인 Muhammad Imran 과 협력하여 파키스탄 북부의 Hunza 인구로부터 샘플을 채취합니다.

"우리는 수세기 동안 인간 내장의 일부였으며 우리가 우리 몸에서 많은 항균제를 섭취하는 것과 같은 우리 자신의 관행으로 인해 실제로 손실되고 있는 이러한 미생물군을 보존할 수 있도록 별개의 개체군에서 표본을 추출하려고 노력하고 있습니다. 음식"이라고 Imran은 말합니다.

Imran은 예를 들어 향신료와 발효 식품의 광범위한 사용을 언급하면서 "여기 파키스탄과 아대륙의 영양 습관은 유럽 및 미국과 상당히 다릅니다."라고 덧붙입니다. Imran에 따르면 발효 식품은 특히 살아있는 박테리아와 효모가 풍부하기 때문에 다양한 미생물 생태계 를 조성합니다.

실제로 식단은 미생물군유전체 건강에 매우 중요합니다.

영국 킹스 칼리지 런던(King's College London)의 유전 역학 교수인 팀 스펙터(Tim Spector )는 "식단의 변화를 통해 미생물군집에 큰 변화를 줄 수 있다"고 말했다 . 연구를 시작했을 때 그는 장내 미생물군집을 유발할 수 있는 손상을 증명하기 위해 10일 동안 아들에게 매 끼니마다 패스트푸드를 먹게 했습니다.

그는 과학자들이 신체와 미생물군집이 다양한 음식에 반응 하는 방식을 정량화 하는 일련의 대규모 연구 데이터에 대해 분석할 수 있도록 사용자가 음식 일기와 함께 혈액 및 대변 샘플을 제공하는 장 건강 앱인 Zoe 를 출시했습니다 . 결과는 사용자의 미생물군집 개선을 목표로 하는 개인화된 식단 권장 사항으로 다시 전송됩니다.

식단을 변경하여 미생물군집에 큰 변화를 줄 수 있습니다 - 팀 스펙터

이 앱을 통해 스펙터는 세계 최대의 영양 연구 프로그램 도 수행하여 식이 요법이 미생물군유전체에 미치는 영향에 대한 질문에 최종적으로 답합니다.

"우리는 아직 표면을 긁고 있지만 일부 영역에서는 큰 진전이 있었습니다."라고 스펙터는 말합니다. 그는 앞으로 10~20년 안에 "이러한 미생물이 무엇을 하는지, 그 기능이 무엇인지, 어떤 화학 물질을 생산하는지... 우리는 이 커뮤니티에 영향을 미칠 가능성이 있는 다양한 식품 목록을 얻을 수 있을 것"이라고 말했습니다. 말한다.

 

마이크로바이옴 치료제의 미래

덴마크 오르후스 대학의 임상 부교수인 Christian Lodberg Hvas 는 미생물군집 치료제의 이 새로운 혁신 시대는 적어도 환자가 FMT와 관련된 ick factor에서 벗어나는 데 도움이 될 수 있다고 말했습니다 . "대부분의 사람들에게 대변을 삼키는 것은 꽤 논쟁의 여지가 있습니다."라고 그는 말합니다.

그는 미래에 우리가 다양한 질병을 치료하는 데 도움이 되는 박테리아 라이브러리에서 미생물을 선택하고 선택할 수 있는 지점에 도달할 수도 있다고 생각합니다. "표적 미생물 요법(기본적으로 살아있는 생물 치료제)이 부상할 것입니다. 그러면 FMT가 구석 어딘가에 배치될 것입니다."라고 그는 말합니다. "그러나 우리는 우리가 올바른 것에 초점을 맞추고 있는지조차 모릅니다. 우리는 미생물총에 대한 높은 희망을 가지고 있으며 희망 중 일부는 현실적이며 달성될 수 있으며 많은 희망은 환상입니다."

김치와 소금에 절인 양배추와 같은 발효 식품은 장내 미생물군유전체를 풍부하게 할 수 있는 살아있는 박테리아와 효모가 풍부합니다(Credit: Natasha Breen/Getty Images)

우리가 어떤 연관성을 찾을 수 있는지 누가 알겠습니까? 핀란드의 연구원 들은 제왕절개 또는 자연분만이 미생물군집에 어떤 영향을 미치는지 살펴보고 있습니다.

과학자들은 또한 불면증, 파킨슨병 , HIV , 만성 피로, 다발성 경화증 , 비만, 인슐린 저항성, 대사 증후군 및 자폐증 과 같은 광범위한 장애에 대해 미생물총 이식을 사용하는 방법을 찾고 있습니다 .

예를 들어, 미생물군집 과 C. difficile, 과민성 대장 증후군, 자폐증 사이의 연관성에 대한 연구를 수행하는 사람들 중에는 Amanda Kabage가 있습니다. 2013년에 FMT에 대한 자신의 경험에 따라 그녀는 Khoruts의 Microbiota Therapeutics 연구소에 합류했습니다 .

"나는 이것이 대부분의 의학 분야에 영향을 미칠 것이라고 생각합니다." 그녀는 미생물군집 요법의 미래가 어떻게 될 것이라고 생각하는지 묻는 질문에 말했습니다. "우리의 내장을 고치면 더 많은 것들이 잠재적으로 영향을 받을 수 있다는 가능성을 갖게 되어 정말 기쁩니다."