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Intestinal Delivery Techniques for Live Microorganisms: A Brief Overview
Yakhak Hoeji 2022;66(4):184-191
Published online August 31, 2022
© 2022 The Pharmaceutical Society of Korea.

Jihyun Kim, Shwe Phyu Hlaing, Juho Lee, Aruzhan Saparbayeva, and Jin-Wook Yoo#

College of Pharmacy, Pusan National University
Correspondence to: Jin-Wook Yoo, College of Pharmacy, Pusan National University, Busandaehak-ro 63 beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, South Korea
Tel: +82-51-510-2807, Fax: +82-51-513-6754
E-mail: jinwook@pusan.ac.kr
Received July 29, 2022; Revised August 26, 2022; Accepted August 30, 2022.
Abstract
The gut microbiome is a critical determinant of human health and disease status. Administration of live microorganisms has emerged as an effective way to recover damaged gut microbiome for improving host health. However, live microorganisms are susceptible to various environmental stresses, including acidic pH during the gastric transit. Thus, appropriate delivery techniques are required to protect the live microorganisms during their transit to the target area and ensure their release at a desired location such as ileum or ascending colon. In this review, we provide an overview of intestinal delivery techniques for live microorganisms.
Keywords : Live microorganisms, Probiotics, Live biotherapeutic products, Gastric survival, Intestinal delivery
서 론(Introduction)

장내세균총(Gut microbiome)은 장에 존재하는 미생물의 군집으로, 유전자 분석과 바이오인포매틱스 기술이 발달함에 따라 건강과 질병에 있어 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀지고 있다. 장내세균총은 유전·환경·식이를 포함한 다양한 요인에 의해 영향을 받는데, 산업사회에 들어서면서 항생제 사용·육류 섭취·식품 가공의 증가에 따라 약제내성균에 의한 감염과 면역 질환의 발생이 빈번해졌고, 장내세균총의 불균형이 이와 관련이 있다는 사실이 밝혀졌다.1) 이후, 장내세균총 이식을 통해 비만을 치료할 수 있다는 연구가 보고되었을 뿐 아니라,2) 감정의 조절에도 장내세균총이 관련이 있다는 연구가 발표되었다.3) 이에, 장내세균총을 조절하여 건강을 도모하고, 질병을 치료하려는 다양한 시도가 이루어지고 있다.

장내세균총을 조절하기 위해 식단의 변화, 분변세균총 이식(Fecal microbiota transplant; FMT), 살아있는 미생물 혹은 대사산물의 인체 적용과 같은 방법이 이용되고 있다. 1700여 년 전 Ge Hong이라는 중국 의사가 FMT를 질병 치료목적으로 시도하였다는 기록이 있다.4) 현재 FMT를 적용한 임상시험은 2021년 기준 300건에 달하고, 클로스트리디오이데스 디피실 감염(Clostridioides difficile infection; CDI), 염증성 장 질환(inflammatory bowel disease; IBD), 비만(obesity), 흑색종(melanoma), 다발성 경화증(multiple sclerosis), 우울증(depression), 파킨슨병(Parkinson’s disease)을 포함한 다양한 질병에 대한 임상시험이 등록되었다.5) FMT의 경우, 2013년 CDI 환자에 대해 제한적 사용 승인이 이루어졌고, 기존 항생제를 사용한 치료 방법에 비해 재발성이 억제되었으나, 2016년 FMT의 품질관리와 확인되지 않은 미생물에 의한 감염 문제 때문에 안전성 문제가 제기된 바 있다. 프로바이오틱스는 적당량 복용 시 건강에 도움이 되는 살아있는 미생물로 분리 배양이 가능해야 한다는 점에서 FMT나 발효식품과 차이가 있다. 프로바이오틱스의 복용을 통한 건강 증진의 개념은 1903년 노벨상 수상자인 메치니코프가 Lactobacillus bulgaricus의 복용이 인간의 수명 증진과 관련이 있다고 밝힌 논문에서 비롯되었다.6) 이후, 1965년 항생제(anti+biotics)의 반대 개념으로 프로바이오틱스(pro+biotics)라는 단어가 만들어졌다.7) 1989년 R. Fuller는 장내세균총의 균형을 향상시켜, 건강을 증진하는 살아있는 미생물을 프로바이오틱스로 정의한 바 있다.8) 이후, VSL#3와 같은 프로바이오틱스가 IBD 환자에 대한 치료 효과가 입증되어 임상적으로 사용되어짐에 따라, 기존에 시판되던 프로바이오틱스 균주를 사용하여 질병 치료에 응용하려는 시도가 증가하였다.

생균치료제는 인간의 질병 또는 상태의 예방·치료·완치를 목적으로 사용할 수 있는 살아있는 미생물이다. 생균치료제는 환자를 대상으로 사용되는 치료제라는 점에서, 건강한 성인을 대상으로 하여 식품으로 소비되는 프로바이오틱스와 차이점이 있다. 미국 FDA에서는 임상시험계획승인신청(investigational new drug, IND)로 생균치료제(live biotherapeutic products; LBPs) 카테고리를 2016년 신설하였고, 국내에서도 2022년 4월 생균치료제의 가이드라인이 배포된 바 있다. 장(gut)과 질병의 상관관계는 기원전 히포크라테스에 의해 언급되었으나,9) 1920년 페니실린의 발명 이후 미생물에 관한 연구는 항생제를 사용한 병원균의 억제에 집중되어, 살아있는 미생물의 질병 치료목적의 사용에는 상대적으로 적은 수의 연구가 진행되었다. 2010년 진행된 Human Microbiome Project에서 인간과 끊임없이 상호작용하는 공생 미생물의 중요성이 조명되면서, 장내세균총 조절을 통한 재발성·난치성 질병 치료제 개발 연구가 진행되었다. 아직까지 시판되는 생균치료제는 없으나, 현재 그에 가장 근접한 생균치료제 후보 물질은 2021년 임상 3상을 통과한 Seres therapeutics사의 CDI 치료제인 SER-109이다.10)

프로바이오틱스와 생균치료제는 모두 살아있는 미생물로 외부의 환경적인 스트레스에 매우 취약하다. 제조·보관·섭취 후 상부 소화관에서 살아있는 미생물은 pH·온도·삼투압·산소·기계적인 힘과 같은 스트레스에 노출되어 생존율과 기능이 대폭 감소한다. 이러한 미생물의 생존율 감소는 건강 증진 및 질병 치료 효과에 있어서도 악영향을 주기 때문에 이를 방지할 수 있는 전달 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 총설에서는 살아있는 미생물을 보호하여 타겟으로 하는 위치에 효과적으로 전달하는 방법에 대해 알아보고자 한다.

1. 살아있는 미생물의 인체 적용 시 고려할 생체 요인

살아있는 미생물을 경구투여하면 상부 소화관을 통과한다. 위의 공복기 pH는 1.0-2.5이고, 음식물 섭취 시 ~5까지 올라갈 수 있다.11) 인체 내 섭취한 물질의 통과시간은 위에서 1-4시간, 소장에서 1-6시간, 대장에서 1-3일이 소요된다.12) 살아있는 미생물은 점액(mucus)과 상피세포(epithelial cell)을 사이에 두고 숙주(host)와 상호작용한다. 소장과 대장의 벽 두께(wall thickness)는 각각 0.9-1.6, 1.1-2.1 mm으로 알려져 있다. 미생물은 일반적으로 내강(lumen)과 바깥 점막층(outer mucus layer)에 존재하고, 전환시간(turnover time)의 경우 점액과 상피세포는 각각 1-2일, 4-5일로 알려져 있다.

2. 이상적인 살아있는 미생물 전달 방법

살아있는 미생물의 생존율과 기능을 보존하여 표적으로 하는 위치에서 방출할 수 있는 미생물 전달 방법이 필요하다. 살아있는 미생물은 제조·보관·섭취 과정 중에 pH·온도·삼투압·산소와 같은 요인에 의해 생존율이 감소한다. 또한, 미생물의 보호 효과를 위해 형성된 전달 시스템은 표적 위치를 통과하여 인체 밖으로 배출 될 수 있기 때문에, 상부 소화관 통과 과정에서의 생존율 보호와 표적 위치에서의 방출이라는 두 가지 요소 사이에서 적절하게 균형을 잡을 수 있는 물질과 방법의 선정이 필요하다. 현재 프로바이오틱스로 주로 사용되고 있는 LactobacillusBifidobacterium의 최적의 pH는 각각 ~5, ~7이다. 살아있는 미생물의 경우 다양한 환경적 요인에 의한 생존율 감소를 고려해야 하므로, 제조 방법의 선택이 저분자 약물에 비해 상당 부분 제한된다. 특히, 생체적합성 고분자인 Poly Lactic-co-Glycolic Acid(PLGA) 나 장용성 코팅에 주로 쓰이는 Eudragit L100·S100·FS30D 의 경우, 유기용매로 인한 미생물의 생존율 저하를 고려할 필요가 있다. 이외에도 스프레이 건조 시 노출되는 150도 이상의 고열과 동결건조 시의 얼음 결정에 의한 세포막 손상도 고려할 필요가 있다. 오랜 시간 외부에 노출 시에 활성산소 방어체계가 없는 균주의 경우, 산소에 의한 세포 내 손상이 이루어지기 때문에 살아있는 미생물의 제조는 가급적 간단하고 효율적인 방법으로 이루어질 필요가 있다. 다른 고려할 요인으로는 pH가 있다. 인체 내로 섭취되면 통과하여야 하는 상부 소화관인 위의 pH는 1.0~2.5로,13) 살아있는 미생물의 입장에서는 살아남기 힘든 가혹한 pH 환경이다. 이러한 강한 산성 환경에서 미생물은 DNA, 단백질과 세포막의 구조가 뒤틀리거나 파괴되면서 제대로 기능하지 못하게 되고, 사멸한다.

이상적인 프로바이오틱스와 생균치료제의 전달 방법은 효과적인 건강증진과 질병치료를 위해 제조·보관·섭취 후 전달 과정에서 노출되는 환경적인 스트레스에 대해 살아있는 미생물의 생존율과 기능을 보호하고, 표적 부위에서 완전히 방출할 수 있어야 한다(Fig. 1).



Fig. 1. Recovery of gut microbiome by administration of live microorganisms.

3. 효과적으로 장에 전달하기 위해 사용되는 물질의 종류

1) 알지네이트

알지네이트는 음전하성 다당류(anionic polysaccharide)로 갈조류(brown algae)나 박테리아에서 얻을 수 있다. 알지네이트는 제조과정 중 미생물의 손상이 적고, pH 감응성을 보일 뿐 아니라 응용이 쉽다는 점에서 살아있는 미생물을 위한 전달 시스템에 가장 많이 쓰이는 물질이다. 음전하를 가진 알지네이트는 양전하를 가진 키토산과 같은 물질과 함께 정전기적 반응(electrostatic interaction)을 사용한 코팅에 사용된다. 또한, 알지네이트는 Ca2+와 같은 2가 이온(divalent ion)에 의해 달걀 상자(egg-box)형태의 교차결합(ionically cross-linking)으로 Ca-알지네이트 하이드로겔을 형성하여 살아있는 미생물의 봉입에 사용될 수 있다.14)

2) 키토산

키토산은 양전하성 다당류(cationic polysaccharide)로, 키틴으로 이루어진 갑각류에 NaOH를 처리하여 얻을 수 있다. 키토산은 건조하여 필름을 만들 수 있고, 트리폴리인산(tripolyphosphate)를 처리함으로서 하이드로겔을 형성하여 사용할 수 있다. 하지만, 키토산의 양전하 때문에 미생물의 세포막을 교란하여 생존율을 저하시킬 수 있다. 때문에, 알지네이트와 같은 음전하성 다당류와 함께 사용하거나, 하이드로겔의 표면 코팅의 용도로 사용된다.

3) 젤라틴

젤라틴은 단백질로, 콜라겐의 가수분해를 통해 얻을 수 있다. 젤라틴은 생분해성·생체적합성·하이드로겔 형성능을 가지고 있어, 식품 및 약물전달에 광범위하게 사용된다. 특히, 젤라틴에는 카르복실기와 아미노기가 동시에 존재하여, 산성환경에서는 표면전하가 (+)를 띄고, 염기환경에서는 (−)를 띈다. 이러한 젤라틴의 특성을 고려하여 음전하성 다당류와 함께 사용하면, 고분자 전해질 복합체(polyelectrolyte complex)를 형성하여 위의 pH에서는 형태를 유지하고, 장의 pH에서는 붕해되는 전달 시스템을 구성할 수 있다.15) 다만, 젤라틴의 열 가역적 겔을 형성하는 특성(thermo-reversible gelling property)때문에 제조 및 보관 시 지속적으로 특정 온도를 유지해야 하는 어려움이 있다.

4) PLGA

PLGA는 약물전달에 광범위하게 쓰이는 합성 고분자로 poly lactic acid (PLA)와 poly glycolic acid (PGA)로 이루어져 있다. 생분해성과 생체적합성이 좋은 장점이 있어 약물 전달과 조직공학에 주로 쓰인다. PLGA 기반의 전달체 제조에는 다이클로 로메테인, 에틸아세테이트, 아세톤과 같은 유기용매의 사용이 필요하다. 그러므로 살아있는 미생물이 유기용매에 노출되는 경우, 생존율이 급격히 떨어지기 때문에 PLGA 내에 미생물을 직접 봉입하지 않고, 프리바이오틱스와 같이 생존율에 도움이 되는 물질을 PLGA 마이크로 입자 내에 봉입하여, 하이드로겔에 미생물과 같이 혼합하는 식으로 적용할 수 있다.16)

5) 셀룰로오스

나노셀룰로오스는 나노 크기의 셀룰로오스로 식물이나 박테리아에서 유래한다. Tempo-oxidized 나노셀룰로오스의 경우 Ca2+를 첨가할 때 하이드로겔을 형성할 수 있어, 살아있는 미생물의 봉입에 사용할 수 있다. 나노셀룰로오스는 알지네이트와 달리 장내 pH에서 붕해되어 봉입된 미생물을 방출하지 않기 때문에, 나노셀룰로오스-알지네이트 하이드로겔을 형성하여 이러한 문제를 해결한 바 있다.17) 또한, 나노셀룰로오스의 구멍(pore) 사이로 미생물이 방출될 수 있도록 한 미생물 전달 시스템이 보고된 바 있다.18)

4. 살아있는 미생물을 위한 장내 전달 기술

살아있는 미생물을 위한 전달 방법은 (1) 미생물의 자체 pH 조절 시스템의 강화, (2) 미생물 표면의 강화, (3) 미생물 주변의 미세환경 pH를 유지하는 방법으로 나눌 수 있다(Fig. 2).



Fig. 2. Intestinal delivery techniques for live microorganisms.

1) 미생물의 자체 pH 조절 시스템의 강화

미생물은 살아있는 유기체로 다양한 환경에서 자체적으로 항상성을 유지할 수 있는 기전을 가지고 있다. 이를 활성화, 강화, 활용하는 방법이 있다. 인체에 이로운 박테리아 중에는 포자를 형성하는 균주도 존재한다. 포자를 형성하는 박테리아의 경우 외부 영양소가 고갈되는 등의 환경에서 단단한 외피로 생존에 필수적인 정보와 물질을 감싼다. 이 경우, 고압멸균 하지 않는 이상 환경적인 요인에 의해 사멸하지 않는 매우 강한 저항성을 보인다. 포자 형성능은 박테리아에 따라 유무가 달라지는데, Bacillus coagulans가 대표적으로 포자형성능을 가진 균주이다. 다만, Bacillus의 경우 LactobacillusBifdobacterium과 같이 일반적으로 쓰이는 균주가 아닐 뿐만 아니라, 개선하고자 하는 건강상의 불편함이나 타겟으로 하는 질환에 따라 특정 strain의 사용이 강제될 수 있어, 포자를 활용한 전달에는 균주 선정의 측면에서 한계가 있다. 포자형성능이 없는 균주의 경우에는 박테리아의 성장 단계를 조절 하는 방법을 고려할 수 있다. 박테리아의 성장은 유도기, 대수기, 정체기, 사멸기를 거친다. 대수기에서는 박테리아의 증식이 폭발적으로 일어나는 반면 외부 환경에는 취약한데, 이는 박테리아의 생장이 완전히 이루어지지 않은 경우가 많고, 이에 따라 박테리아의 표면을 감싸고 있는 세포벽의 두께가 작은 등의 이유 때문이다.19) 정체기에서는 증식하고 사멸하는 박테리아의 수가 동일하여, 일정한 생균수가 유지되는 상태를 말하고, 성장이 이루어진 균의 수가 유도기 및 대수기에 비해 상대적으로 많고, 높은 저항성을 보인다.20) 또한, 박테리아의 경우, 달라붙을 만한 표면이 있으면, 표면에서 증식 및 물질을 분비하여 바이오필름을 형성한다. 이때, 박테리아는 항생제를 포함한 외부 환경에 대해 강한 저항성을 가지게 된다. Wean et al.은 하이드로겔 내에 Lactobacillus를 봉입하고, 추가적인 배양으로 바이오필름(biofilm)을 형성하여, 생존율이 향상되는 것을 보고하였다.21) 또한, 박테리아를 낮은 강도의 스트레스에 노출하는 경우, 외부 환경에 적응 하기 위한 메커니즘을 활성화한다.22) 이는 박테리아가 살아있는 유기체인 것에 기인하는데, 모든 유기체는 외부 pH 환경에 대해 내부 pH를 유지하는 메커니즘을 가지고 있고 박테리아의 경우 진핵세포에 비해 강력한적응 메커니즘을 가지고 있다. 특히, pH를 조절하는 메커니즘의 경우 H+ ion을 ATP를 사용하여 외부로 보내거나, 박테리아의 표면 지질의 성분을 바꾸거나, H+ ion을 박테리아 내부에서 소모하는 메커니즘이 대표적이다.23) 이러한 적응 메커니즘은 산성환경에 박테리아가 노출되면서 활성화되기 시작한다. 다만, 생존에 위협적인 pH인 3 이하의 pH에 바로 노출되게 되면, 적응 메커니즘이 작동하기 전에 박테리아를 구성하는 DNA, 단백질, 세포막에 돌이킬 수 없는 손상이 발생하여 사멸한다. 때문에, 박테리아의 적응 메커니즘을 mild acidic pH과 같은 환경적인 스트레스를 사용하여 활성화시킴으로서, 위산과 같은 낮은 pH에 대한 저항성이 향상될 수 있음을 보고하였다.24) 하지만, 이러한 미생물의 자체적인 적응 기전을 사용하는 경우 균주 선택의 제한, 대량생산의 어려움, 배치 별 편차의 측면에서 한계가 있다.

2) 미생물 표면의 강화

다음으로, 미생물의 표면을 강화하는 방법을 고려할 수 있다. 미생물의 세포막은 외부 환경에 대해 내부 환경을 유지할 수 있게 한다. 산성 환경에서 시간이 지남에 따라 세포막에 손상이 가해지는데, 이는 박테리아의 생존율을 확인하는 주요한 지표이다.25) 미생물의 표면을 강화하기 위한 방법은 코팅이 주로 고려된다. 이 방법은 미생물을 봉입하는 경우, 과도한 보호 물질의 사용으로 인해 장에서 방출되지 않고, 그대로 신체 외부로 빠져나갈 가능성이 있는 것과 달리, 장의 표면에 부착될 수 있다는 점에서 장점이 있다. 주로 고려되는 방법은 다당류의 정전기적 반응을 활용한 layer-by-layer 코팅 방법이다. 양전하성 다당류의 경우, 키토산이 주로 고려되고, 음전하성 다당류 의 경우 알지네이트, 잔탄검, 카라기난 등이 고려된다. Priya et al.은 Lactobacillus acidophilus에 키토산과 카르복시메틸셀룰로오스로 3겹의 코팅을 하면, 코팅을 하지 않은 그룹에 비해, 생존율이 6 log CFU cycle 향상되는 것을 보고하였다.26) Anselmo et al.은 Bacillus coagulans에 키토산과 알지네이트로 4겹의 코팅을 하면 6 log CFU cycle이 향상됨을 보고하였다.27) 다만, 박테리아의 표면에 코팅을 하는 경우 코팅 물질의 양전하 때문에 박테리아의 세포막을 손상시켜, 생존율이 저하될 가능성이 있다. Anselmo 그룹은 이를 해결하기 위해, 스트렙트아비딘(streptavidin)과 같은 단백질을 비오틴(biotin)과 함께 사용하여 박테리아의 표면을 코팅한 바 있다. Cao et al.은 E. coli Nissle 1917에 자가조립성(selfassembly) 지질 코팅을 하여 제조 시간을 대폭 감소 시켰고, 대장염 동물 모델에서 효과가 있음을 보고하였다.28) 그럼에도 불구하고, 박테리아의 표면을 강화하는 것은 박테리아의 표면 성질을 고려해야 하고, 코팅-원심분리-회수-워싱 의 과정을 진행되는 코팅의 수만큼 수행해야 하여 시간적 어려움이 있을 뿐 아니라, pH·온도와 같은 환경에 따라 코팅의 성공 여부가 영향을 받을 수 있다는 점에서 어려움이 있다.

3) 미생물 주변의 미세환경 pH를 유지

미생물 주변의 미세환경 pH를 유지하는 방법의 경우, 친수성 혹은 친유성 물질 내 봉입이 고려된다. 친유성 물질의 경우, 위에서 위산의 유입을 아주 효과적으로 막을 수 있지만 제조 시 사용되는 다이클로로메테인, 에틸 아세테이트, 에탄올과 같은 유기용매에 의해 제조 시 생존율이 급격하게 떨어진다. PLGA 마이크로 입자 내에 봉입된 프로바이오틱스의 경우, 제조과정에서의 생존율 저하가 보고된 바 있다.29) 때문에 친수성 물질을 사용하는 경우가 대부분이다. 특히, 칼슘-알지네이트 하이드로겔의 경우 마일드한 제조환경, pH 감응성, 다양한 활용 가능성 때문에 가장 많이 연구되고 있다. 다만, 하이드로겔의 경우 친수성 물질로 이루어진 3차원 망상구조 내에 미생물을 봉입하기 때문에, 그물망 사이로 쉽게 유입되는 위산을 효과적으로 막아내는 것이 관건이다. 이를 제대로 막지 못할 경우, 칼슘-알지네이트 내에 봉입된 살아있는 미생물은 대부분 사멸한다.30) 이러한 하이드로겔 내 위산의 유입에 영향을 주는 요인은 구멍의 크기(pore size)와 확산 길이(diffusion length)이다. 키토산 코팅을 통해 알지네이트 하이드로겔의 표면에 존재하는 구멍의 크기를 줄였고, 위산의 유입을 지연시켜, 봉입한 프로바이오틱스의 생존율을 보호하였다.31) 확산 길이의 경우, 하이드로겔의 크기를 늘리는 방법을 고려할 수 있다. 하지만, 경구 투여 시 2.5 cm 이상의 크기를 가진 전달체의 경우, 위를 통과하지 못하고 정체될 가능성이 있으므로 다른 방법을 고려할 필요가 있다.32) J Kim et al.은 벤토나이트와 알지네이트를 기반으로 한 나노컴포짓 하이드로겔을 제조하여 위의 pH에서 Lactobacillus rhamnosus GG(LGG)의 생존율을 효과적으로 보호하고, 장의 pH에서 봉입한 LGG가 완전히 방출됨을 보였다.33) 컴포짓 하이드로겔의 경우, 코팅과 같은 봉입 후의 추가적인 프로세스가 없어 제조 시 산소와 같은 환경적인 스트레스 요인에 대한 노출이 적고 제조가 간편하다는 장점이 있으나, 다당류를 활용한 컴포짓 하이드로겔의 특성상 높은 점도로 인해 제조 공정상의 어려움이 존재한다. 이를 해결하기 위해, pH 조절 물질을 하이드로겔 내에 봉입하는 방법이 고려될 수 있다. Min Gu et al.은 프로바이오틱스와 CaCO3를 하이드로겔 내 봉입하였다.34) 해당 논문에서 CaCO3는 산성환경에서 해리되고 수소 이온이 H2CO3가 되면서, 하이드로겔 내부 pH가 유지되어 봉입된 프로바이오틱스의 생존율이 향상됨을 보고하였다.

5. 살아있는 미생물 전달 시스템을 통한 질병 치료

살아있는 미생물인 프로바이오틱스와 생균치료제는 병원균에 대해 박테리오신의 분비 및 장소와 영양에 대한 경쟁적 억제를 통해 장내 환경을 개선하여 건강을 도모하고 질병에 의한 증상을 완화하거나 치료할 수 있다.35) 그동안, 살아있는 미생물을 활용한 인체 적용은 불명확한 메커니즘과 효과로 인해 회의적인 시각이 있었다. 특히 인체에 프로바이오틱스와 생균치료제로 취급되는 미생물 균주는 수백 종에 달할 뿐 아니라, 각각의 특성이 상이하여 연구에 어려움이 있고, 방법론이 명확하게 구성되어 있지 않다. 또한, 개인별 장내 환경에 따라 그 효과가 달라서 각 연구의 비교와 분석이 어려웠다. 하지만, 2016년 FDA에 의해 생균치료제 카테고리가 생기면서 제도적인 기틀이 확립되었고, 임상시험에서 기존 난치성 질환에 대한 마이크로바이옴 치료제의 효과 입증을 통해 다수의 관련 연구가 진행 중이다.

1) 클로스트리디오이데스 디피실 감염

최근 CDI에 의한 병원 내 감염이 문제가 되고 있다.36) C. difficile은 성인 중 5%에서 발견될 정도로 흔하고,37) 각종 항생제 처방 후 수주~수개월 동안 CDI의 발병률은 3~10배 이상 증가한다.38) 현재, CDI에 대한 표준 치료법은 메트로니다졸(metronidazole)과 반코마이신(vancomycin)과 같은 항생제를 처방하는 것이지만, CDI는 35% 이상의 환자에서 재발이 보고되고 있다. 이는, 항생제 사용으로 인해 장내 환경이 파괴되어, 정상적인 장내환경에서는 억제되었을 C. difficile의 증식이 억제되지 않아 발생하는 것으로 보인다. 최근까지 살아있는 미생물을 적용하여 CDI를 치료하려는 시도가 이어지고 있는데 이는 영양과 장소에 대한 경쟁적 억제와 박테리오신 분비 등의 기전에 기반하는 것으로 알려져 있다.39) 또한, spore를 형성하는 특성이 있어 항생제로 퇴치가 어려운 CDI에 대해서 생균치료제로 개발된 Seres therapeutics의 SER-109는 치료효과를 입증하였고, 2021년 임상 3상을 통과하여 향후 추이가 기대된다.40)

2) 염증성 장 질환(IBD)

식품 가공과 육류의 섭취가 늘어남에 따라 IBD와 같은 면역질환의 발병 증가가 장내세균총과 연관되어 있다는 사실이 보고되었다.41) 면역질환은 기존의 면역반응 억제제나 항생제를 사용 시 지속적으로 재발하는 한계가 있어, 장내세균총 조절을 통한 치료제 개발 시도가 이루어지고 있다. IBD 중 하나인 궤양성 대장염(ulcerative colitis)의 경우, 장 장벽(intestinal barrier)이 약화되어 미생물이 장내 세포 안쪽으로 전위되어 면역반응이 늘어나고 증상이 악화한다는 것이 보고된 바 있다.42) 또한, 점액을 분비하여 장 장벽을 형성하는 배상세포(goblet cell)의 감소는 궤양성 대장염의 주요한 지표인데, 이를 살아있는 미생물의 적용을 통해 개선할 수 있다고 보고되었다.43) 구체적으로, 살아있는 미생물의 대사에 의해 만들어지는 단쇄지방산(short chain fatty acid; SCFA)인 뷰티르산(butyrate)이 배상세포로의 분화를 촉진함과 동시에 배상세포의 에너지원으로 사용되어 점액의 생산을 촉진하며 장 장벽이 강화되는 기전이 밝혀져 학계의 주목을 받았다.44)

3) 약제내성균 감염

현대 사회에서는 다양한 종류의 항생제 처방으로 감염률이 감소하고 있지만, 약제내성균에 의한 감염은 오히려 증가하는 추세를 보여 심각한 문제가 되고 있다. 미국의 경우 약제내성균에 의한 사망은 매년 23,000명에 달한다.45) 대표적인 약제내성균으로는 메티실린 내성 황색포도알균(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus; MRSA)과 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)이 있고, 최근 이들 균에 의해 발생하는 위장염(gastroenteritis), 대장염(colitis), 장 유래 패혈증(gut-derived sepsis), 상처 감염(wound infection)에 대한 관심이 증가하고 있다.46) 살아있는 미생물을 약제내성균으로 인한 질병에 적용하는 경우 유기산 분비를 통한 산성환경 조성 및 박테리오신 분비 등의 기전을 통해 약제내성균의 증식을 억제할 수 있다고 보고되었다.47) 최근 발표된 연구에 따르면, SiO2 나노 입자로 코팅한 Bifidobacterium breve는 항생제 내성 E. coli에 의한 위장관 감염에 효과가 있었다.48)

4) 비만

비만은 인체에 지방이 과도하게 축적되는 질환으로, 유전적 요인과 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 발생한다. 비만은 고혈압·당뇨병·암·관절염과 같은 만성 질환의 주요한 원인이 될 뿐만 아니라, 정신적·사회적 측면에서도 악영향을 끼칠 수 있는 복합적인 질환이기 때문에 간과하기 어렵다. WHO에 따르면 4백만 명에 달하는 사람들이 매년 비만으로 인해 사망하고, 비만의 유병률은 1975년과 비교하여 2017년 4배 이상 증가하였다. 비만의 치료는 식단·운동·행동을 포함하는 다각적인 측면에서의 접근이 필요하고, 필요한 경우 약물치료를 병행하지만, 약물부작용과 약물 복용 중단 시 다시 체중이 증가하는 문제가 있다. 최근 장내세균총이 비만과 관련이 있다는 사실이 밝혀짐에 따라,49) 살아있는 미생물의 복용을 통해 장내세균총을 조절하려는 시도가 이어지고 있다.50) 동물 모델에서 살아있는 미생물의 복용은 장내세균총을 조절하고,51) 인슐린 저항성을 감소시켜 비만을 치료할 수 있음을 보고하였다.52)

5) 암

암은 세포 주기 조절에 문제가 발생하여 세포가 사멸되지 않고 무분별하게 성장·분열하는 질환으로, 다른 조직으로 끝없이 전이되어 정상적인 조직의 기능을 망가뜨리고 결국 사망에 이르게 하는 치명적인 질환이다. 암의 발생과 진행에는 다양한 요인이 있으며, 그중 하나는 인체 내 면역 및 세포신호 전달 체계의 항상성이 유지되지 못하는 경우이다. 암은 고령화 시대에서 주요한 사망 원인 중 하나로 최근 장내세균총과 암이 밀접한 관계가 있음이 밝혀지고 있다.53) 암 환자의 경우 장내세균총의 불균형이 관찰되었고,54) 장내 Bacteroides의 증가가 대장암의 발생 위험을 높인다는 연구결과 역시 보고된 바 있다.55) 암의 진행은 만성적으로 발생하는 염증, 유해균에 의해 분비되는 독소(toxin), 이차성 담즙염의 변성(secondary bile salt transformation), 황화수소(hydrogen sulfide, H2S) 등의 요인으로 유전자 변이와 세포증식이 자극되어 가속화 될 수 있다.56) 살아있는 미생물의 적용은 대장암뿐만 아니라, 간암·췌장암·폐암에도 치료 및 예방 효과가 있는 것으로 밝혀지고 있는데, 이는 병원균의 증식을 억제하여 장내환경을 개선하고, 정상적인 면역반응을 유도하는 등의 기전에 기인한다고 보고되었다.57) LGG는 in vitro에서 암세포인 Caco-2, DLD-1, HT-29 세포의 증식을 억제하고 사멸을 유도하였고.58) Escherichia coli Nissle 1917은 면역반응을 개선하여 암의 진행속도를 늦추는 것이 보고된 바 있다.59)

결 론(Conclusion)

살아있는 미생물을 사용한 건강 증진과 질병 치료 도모는 최근 제도적인 기틀의 마련, 분석기술의 발달 및 인체와의 상호작용이 밝혀짐에 따라 학계와 산업 전반에서 관심도가 급격하게 증가하고 있으며, 이러한 추세는 마이크로바이옴 기반 의약품의 출시가 임박함에 따라 가팔라지고 있다. 이러한 상황에서 살아있는 미생물을 가혹한 환경에서 보호함과 동시에 표적 부위에 효과적으로 전달하여, 생존율과 기능소실을 최소화하는 장내 전달 시스템 연구의 필요성이 높아지고 있다.

현재, 살아있는 미생물의 생존율을 향상하기 위해, 살아있는 미생물의 자체적인 항상성 유지 메커니즘의 강화, 미생물 표면의 안정화 및 미생물 주변의 미세환경 pH의 유지와 같은 방법이 고려된다. 시판되고 있는 제품에 포함된 프로바이오틱스 균주의 경우, 제도적인 한계로 인해 위장관의 특성을 고려하여 개발한 전달시스템의 적용과 평가가 어렵다. 이는 위장관 환경을 고려한 표적 전달 시스템의 경우, 현재 건강기능식품 공전의 유산균 시험법으로 생균수 측정이 어려울 뿐 아니라, 상부 소화관을 통과 후 살아있는 미생물을 측정하기 위한 시험법과 표적 위치에서의 적정 생균수와 같은 평가 기준이 없음에 기인한다. 시판 제품 내 실제 생균수와 포함하는 균주의 비율과 같은 품질관리에도 어려움이 있다. 또한, 프로바이오틱스와 생균치료제에 사용되는 미생물은 이질적인 그룹(heterogenous groups)으로 이루어져 있어 균주 별로 특성이 상이하여, 이에 대한 고려가 필요하다.

현재 생균치료제 카테고리가 신설 및 관련 가이드라인이 배포되면서, 마이크로바이옴 기반 의약품에 대한 제도적인 기틀이 마련되고 있을 뿐 아니라 지금의 기준 치료 방법으로는 해결이 어려운 질환에 대해 살아있는 미생물의 적용이 적극적으로 고려되고 있다. 그에 따라, 살아있는 미생물 전달 시스템은 환경적 요인에 취약한 생균치료제가, 장내세균총을 효과적으로 조절할 수 있게 하는 수단으로서 꾸준히 관련 연구 및 개발이 증가할 것으로 예상된다.

감사의 말씀(Acknowledgment)

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.

Conflict of Interest

모든 저자는 이해 상충을 가지고 있지 않음을 선언한다.

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