비즈니스 기회
장내 마이크로바이옴, 대변, 그리고 의학의 미래
2023년 가을, 사우스캐롤라이나주 찰스턴에 있는 NIST의 과학자들은 냉동된 인간의 대변으로 가득 찬 봉지로 포장된 컨테이너의 특별 배송을 받았습니다.
그곳과 외부 실험실의 과학자들로 구성된 팀이 협력하여 재료를 미세한 먼지로 분쇄하고 스무디와 같은 농도가 될 때까지 물과 혼합했습니다. 그런 다음 10,000개의 튜브에 부어 메릴랜드주 찰스턴과 게이더스버그에 있는 NIST 직원들에게 배포했습니다.
두 도시의 과학자들은 그 이후로 대변 혼합물을 엄격하게 분석하고 연구해 왔습니다. 이 모든 대변 실험은 인간의 대변에서 추출한 새로운 세대의 치료법과 의약품을 위한 토대를 마련하는 데 도움이 되고 있습니다.
대변의 힘은 대변에 포함된 미생물에서 비롯됩니다. 이는 장내 미생물 생태계의 일부인 장 내에 서식하는 수조 개의 미생물 중 풍부한 표본입니다. 지난 10년 동안 과학자들은 장내 마이크로바이옴을 염증성 장 질환, 세균 감염, 자가면역 질환, 비만, 심지어 암과 정신 질환을 포함한 수많은 인간 질병과 연관시켰습니다.
분변 미생물을 분리한 다음 치료법으로 바꾸는 것이 이러한 많은 질병을 치료하는 방법이 될 수 있습니다. 실제로 FDA는 최근 재발성 세균 감염을 치료하기 위한 두 가지 약물을 승인했는데, 둘 다 고도로 처리된 인간 대변 샘플에서 추출한 것입니다.
"이것은 단순한 희망 사항이 아닙니다. 그것은 이미 일어나고 있습니다"고 NIST 분자 유전학자 스콧 잭슨(Scott Jackson)은 말했습니다. "우리는 의학의 새로운 시대를 열고 있습니다."
왜 대변이 중요할까요?
인간의 배설물에는 물, 소화되지 않은 음식물 및 다양한 무기물도 포함되어 있지만 30%~50%는 한때 장에 살았던 박테리아, 바이러스, 곰팡이 및 기타 유기체로 구성되어 있습니다.
우리는 이 동료 여행자들 없이는 생존할 수 없습니다. 그들은 신진대사, 비타민 생산 및 소화에 중요한 역할을 합니다. 면역 체계를 조절하여 해로운 박테리아와 독소를 막는 데 도움이 됩니다. 그들의 활동은 또한 장-뇌 연결을 통해 신경계에 영향을 미쳐 기분과 정신 건강에 영향을 미치고 알츠하이머 및 자폐증을 포함한 많은 신경 질환에 영향을 미칩니다.
우리는 미생물과 질병 사이의 관계를 이해하기 시작했을 뿐입니다. 미생물이 신체의 다른 시스템과 과정에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 지식에는 상당한 격차가 있습니다. 장내 마이크로바이옴의 변화가 특정 질병과 관련이 있다고 해서 그 질병을 유발하는 것은 아닙니다.
하지만 장내 미생물이 서로에게 보내는 신호와 신체의 다른 세포가 건강에 큰 영향을 미친다는 것은 분명합니다. 의사는 장에서 직접 마이크로바이옴 샘플을 채취할 수 있지만, 이는 대장내시경이나 생검과 같은 침습적 시술을 받아야 한다는 것을 의미합니다. 대변 표본을 얻는 것은 덜 지저분합니다.
대변 치료약?
모든 사람의 대변은 각각 다릅니다. 미생물의 수와 종류는 유전자, 환경, 건강 및 식단에 따라 다릅니다. 그러나 과학자들은 특정 질병을 앓고 있는 사람들의 똥에서 비슷한 점을 발견하였습니다. 예를 들어, 파킨슨병을 앓고 있는 사람들은 특정 박테리아 종의 농도가 높거나 낮습니다. 천식 환자의 경우 미생물 다양성 수준을 감소시킵니다.
일부는 매우 명확하고 다른 일부는 여전히 불분명한 이러한 상관 관계는 대변 샘플을 사용하여 광범위한 질병 및 상태를 진단하는 것이 가능합니다. 분변 샘플을 실험실로 보내면 실험실은 DNA를 해독하거나 "시퀀싱"하여 그 안에 있는 미생물을 식별합니다.
잭슨은 그 결과들이 특정 질병들을 진단하는 것뿐만 아니라 미래에 그 질병들에 걸릴 위험을 평가하는 데에도 사용될 수 있다고 말했습니다.
"우리는 인간의 DNA를 검사하는 것과 같은 이유로 대변의 미생물 DNA를 분석하여 질병의 위험에 대해 알려줍니다.
대변에서 유래한 미생물을 질병 진단에 사용하는 것 외에도, 대변 유래 미생물을 질병 치료에 사용할 수 있습니까?
이것은 실제로 이미 일어나고 있습니다.
분변 미생물군 이식(FMT)은 현재 병원에서 흔히 발견되는 치명적인 박테리아 감염인 재발성 클로스트리디오이데스 디피실 감염(CDI)을 치료하는 데 사용됩니다. FMT는 다른 종류의 이식과 비슷하지만, 이 경우에는 다른 사람의 대변이 아픈 환자에게 이식됩니다.
이식 과정에서 얻은 미생물은 장내 마이크로바이옴의 건강한 생태계를 재생하여 면역 체계가 감염과 싸우는 데 도움을 줍니다. 재발성 CDI에서 시술은 95%의 성공률을 보이며, 이는 거의 모든 치료법에서 주목할 만한 결과입니다.
FMT의 다른 용도에 대한 연구가 폭발적으로 증가하고 있습니다. clinicaltrials.gov 에 따르면, 현재 미국에는 FMT와 관련된 수십 건의 연구가 수행되고 있으며, 임상의와 연구자들은 암에서 대장염, 알코올성 간염에 이르기까지 모든 것에 대해 FMT를 테스트하고 있습니다.
연구원들은 또한 분변 박테리아를 유전자 변형하여 장에 뿌리를 내리고 마이크로바이옴을 완전히 건강하게 회복하는 데 도움이 되는 질병과 싸우는 미생물을 만드는 것과 관련된 대체 접근 방식을 모색하고 있습니다. 자신의 대변 미생물을 변경할 가능성도 있는데, 이는 개별 환자에 맞게 치료법을 맞춤화하는 맞춤형 의학 접근 방식입니다.
장내 마이크로바이옴 외에도 코, 피부, 목, 질에는 수많은 미생물이 있으며, 이 모든 미생물은 인간 마이크로바이옴으로 알려져 있습니다.
잭슨은 차세대 미생물 의약품은 인간 마이크로바이옴 전체에서 파생될 것이라고 말했다. 발효 식품에서 추출하여 건강 보조 식품으로 분류되는 오늘날의 프로바이오틱스보다 훨씬 더 과학적으로 입증되고 질병 치료에 효과적일 것입니다.
"지금과 같은 상황이 계속된다면, 30년 안에 의사들은 광범위한 질병을 치료할 수 있는 새로운 미생물 치료법을 갖게 될 것입니다."
이 모든 것에서 NIST의 역할은 무엇입니까?
NIST는 실험실과 제조업체가 기기를 교정하는 데 도움이 되는 참조 물질(RM)을 생산합니다.
예를 들어, 이 기관은 화합물 및 화학 물질에 대한 자세한 분석 및 측정과 함께 제공되는 땅콩 버터를 판매합니다. 식품 회사는 제품에 얼마나 많은 지방이 있는지 알아야 합니다. 양을 올바르게 측정하고 있는지 확인하기 위해 NIST의 땅콩 버터에 대한 테스트를 수행할 수 있습니다. NIST와 동일한 결과를 얻으면 장비가 정확하다는 것을 알 수 있습니다.
특히 복잡한 재료에 대해 널리 신뢰받고 인정받는 참조 물질을 보유하면 전체 산업 및 연구 분야에서 품질 관리 및 정확성이 보장됩니다.
NIST는 현재 인간 대변에 대한 RM을 개발하고 있으며, 공식 명칭은 Human Gut Microbiome (Whole Stool) Reference Material입니다. NIST의 땅콩 버터에는 칼슘, 구리, 테트라데카노산 및 기타 여러 성분이 함유되어 있습니다. 마찬가지로 올해 출시될 예정인 새로운 RM은 대변의 성분을 항목별로 분류하고 설명합니다.
수백종의 미생물을 식별하고 장내 수천 종의 다양한 대사 산물의 농도를 자세히 설명할 수 있으며, 그 중 다수는 미생물에 의해 생성되며 영양소를 에너지로 변환하거나 세포 기능을 위한 분자를 합성하는 데 도움이 됩니다.
나열된 다른 성분에는 대변에 있는지조차 몰랐을 수 있는 콜레스테롤(대사 산물의 일종)과 세로토닌(대부분 위장관 내벽 세포에서 발견됨) 등 많은 화합물이 포함되어 있습니다.
RM은 인간의 장내 마이크로바이옴 연구 및 약물 개발의 황금 표준이 되는 것을 목표로 합니다. RM의 단일 장치는 실험실에서 측정값을 확인하고 기기를 미세 조정하는 데 사용할 수 있는 긴 보고서와 함께 슬러리 배설물로 채워진 밀리리터 튜브로 구성됩니다.
많은 과학자들은 대변에 대한 참조 물질이 절실히 필요하다고 생각합니다. 현재 잭슨은 "분석을 위해 두 개의 다른 실험실에 동일한 대변 샘플을 제공하면 현저하게 다른 결과를 얻을 수 있습니다"라고 말했습니다. 실험실에서 사용하는 다양한 프로토콜과 도구로 인해 많은 불일치가 발생합니다.
"NIST의 RM은 연구원들이 측정을 개발, 벤치마킹 및 조화시키는 데 도움이 될 것입니다"라고 Jackson은 말했습니다. "이것은 인간의 배설물에 대해 생산된 가장 상세하고 포괄적인 미생물학적, 생화학적 분석입니다."
이상의 기사는 2024년 5월 30일 MedicalXpress에 게재된 “The gut microbiome, poop and the future of medicine”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : The gut microbiome, poop and the future of medicine (medicalxpress.com)