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장내 마이크로바이옴: 오래된 가설을 수백만 달러 가치의 산업으로 구현
2kg 무게로 평균적인 인간의 뇌보다 큰 신체 장기는 무엇일까요? 장내 마이크로바이옴은 이 질문에 맨 처음 떠오르는 답은 아니겠지만 생리학과 병리학에 미치는 광범위한 영향 때문에 '잊혀진 장기'라고 불리고 있습니다.
지난 20세기, 러시아의 미생물학자이자 노벨상 수상자인 일리야 메치니코프는 건강 증진과 노화 지연을 연구하던 중 요구르트에 포함된 숙주 친화적인(host-friendly) 박테리아로 장내 마이크로바이옴을 조작할 수 있는 가능성을 처음 발견했습니다. 이 오래된 가설은 중대한 활동과 함께 Forbes가 2010년대를 마이크로바이옴의 10년으로 정하면서 수백만 달러 가치의 산업으로 성장했습니다. 전세계 인체 마이크로바이옴 시장은 2023년 2억 69백만 달러 가치로 추정했으며 2029년에는 31.1%의 CAGR 성장세와 함께 137만 달러 규모가 될 것으로 예상헙니다.
장내 마이크로바이옴이 인체 건강에 미치는 영향
인체 장내에 서식하는 네 가지의 우세 균류는 피르미쿠테스(락토바실 함유), 박테로이데테스, 액티노박테리아(비피도박테리아 함유), 프로테오박테리아입니다. 인체 미생물은 소화관과의 긴밀한 협력을 통해 소화관 성숙을 지원하고 병원균과 독소에 대한 장벽 기능을 제공하며 면역 체계의 발달을 촉진하는 등 다섯 가지의 중요 기능을 수행합니다.
- 소화 촉진.
- 소화관 성숙 지원.
- 병원균과 독소에 대한 장벽 기능 제공.
- 면역 체계 발달을 촉진하는 데 보호 역할 수행.
- 비타민 B를 포함하는 필수 비타민 합성 지원.
장내 마이크로바이옴에 암호화된 광범위한 유전자 물질은 다양한 대사 기능으로 효소를 합성할 수 있으며 단쇄 지방산, 담즙산, 트립토판 및 인돌 유도체, 신경 전달 물질과 같은 중요한 숙주 기능을 유지할 수 있습니다.
장내 마이크로바이옴에 문제가 생기면 소화기 질환(예: 염증성 장 질환), 신경변성, 대상 장애, 암과 같은 병리학적 증상이 나타날 수 있습니다. 보다 구체적으로, 장내 및 중추 신경계는 장-뇌 축(GBA)을 통해 소통하는 것으로 알려져 있습니다. 대부분의 위장 질환은 GBA 내 전달 변형이 그 원인이며 이때 유전적 요인과 환경적 요인의 영향을 모두 받습니다. GBA는 정신 건강 및 소화 건강과 관련된 장애가 늘어나는 상황에서 새로운 치료법 개발을 위한 효과적인 표적을 제시합니다.
장내 마이크로바이옴 연구 동향
CAS는 소화관/장내 마이크로바이옴/미생물과 관련된 250,000건이 넘는 과학 논문(주로 학술 간행물과 특허)을 파악했으며 그 중 약 15,000건은 정신 및 장내 건강의 다양한 측면과 연관이 있습니다. 마이크로바이옴 관련 문헌은 지난 10년 동안 급격한 증가세를 나타냈으며 특히 1997년부터 2022년까지 학술 간행물이 지속적이면서도 기하급수적으로 증가했습니다(그림 1). 특허 건수는 2004년까지 급속도로 증가했으며 초기 지식 축적과 특허를 받을 수 있는 출원으로의 발전에서 그 상관 관계를 추정하고 있습니다. 이후에는 활동이 정체기에 들어섰습니다(그림 1).
정신 및 장 건강에 있어 장내 마이크로바이옴 연구과 관련된 핵심 간행물 개념(전체 약 4500가지)을 조사한 결과, “면역”(4000개 이상 문서)과 “장내 마이크로바이옴”(3500개 이상 문서)이 해당 분야의 주요 개념으로 밝혀졌습니다. “장-뇌 관계” 개념은 2021년과 2022년 사이 가장 빠르게 증가했습니다(그림 1).
장내 미생물과 정신, 대사 및 소화기 장애, 심혈관 및 신경변성 질환, 다양한 암, 면역 및 자가면역 질환의 상관관계가 발견되었습니다(그림 2).
세균 불균형은 궁극적으로 병리학적 변화를 유발하는 마이크로바이옴 구조 내 불균형을 의미하며 우울증, 알츠하이머병, 파킨슨병, 신경변성을 포함하는 기타 유행 주제와 함께 분석 대상 간행물의 특정 동향이 파악되었습니다(그림 3).
마이크로바이옴 산업의 대표 주자
2022 보고서에서는 130곳이 넘는 마이크로바이옴 기업이 다양한 개발 단계에 있는 200가지가 넘는 파이프라인 치료법을 평가하고 있는 것으로 추정하고 있습니다. 학술지를 발표하는 주요 학술 조직은 대학교와 연구 기관으로, 아일랜드 코크대학교, 중국과학원, 캘리포니아대학교, 맥마스터대학교가 이 분야를 이끌고 있습니다.
활발한 특허 활동을 보이는 대학교와 병원은 캘리포니아대학교, 존스 홉킨스대학교이고 대표적인 특허 양수인은 Ares Medical과 Merck입니다(그림 4).
프리바이오틱스, 프로바이오틱스, 장내 마이크로바이옴 전체의 임상 가능성을 지지하는 마이크로바이옴 연구 분야의 민간 투자도 급격하게 증가하고 있습니다. 이 분야의 평균 연간 투자액은 2014-2017년에 약 20억 달러에서 2021년에 200억 달러 이상으로 증가했습니다. 투자 데이터에 따르면 바이오틱스와 치료 분야에서의 가능성과 관련된 상업적 관심이 최근 증가 추세를 나타내고 있습니다.
주목할만한 적극적인 투자자로는 프랑스 벤처 캐피털 그룹인 Seventure Partners, 미국 생명 과학 투자자인 Flagship Pioneering, 영국 생명 공학 기업인 Microbiotica, 스웨덴 프로바이오틱스 기업인 Biogaia가 있습니다.
정신 건강 및 소화기 장애 치료와 관련된 임상 시험 동향
소화기 및 정신 건강 장애 관련 바이오틱스를 연구하는 주요 임상 시험은 완료된 것과 현재 진행 중인 것이 있습니다(표 1).
표 1. 소화기 및 정신 건강 장애 치료를 위한 바이오틱스 사용을 연구하는 완료/진행 중인 시험.
| 관심 분야 | 치료 | 스폰서 | 연구 개요 |
|---|---|---|---|
| 기능성 변비 | 분변 상청액을 사용한 역행 결장 관장 | 센징 병원(중국) | 소아 기능성 변비 치료를 위해 분변 미생물군 이식(FMT) 방법을 사용하는 역행성 결장 관장의 효능과 안전을 조사하는 무작위 임상 시험(RCT)(NCT05035784) |
| 과민성 대장 증후군(IBS) | 건강한 분변 미생물군 | Helse Fonna(노르웨이) | FMT 개입으로 IBS 증상과 피로의 현저한 감소, 2년차와 3년차에 모두 삶의 질 대폭 향상(NCT03822299) |
| MRx1234(블라우티아 하이드로제노트로피카) | 4D Pharma plc | 2상 RCT 데이터 분석 결과, 변비 IBS와 설사 IBS에서 모두 Rx1234 사용(8주 복용) 지지하는 것으로 확인(NCT03721107) | |
| VSL#3; 스트렙토코쿠스, 락토바실러스, 비피도박테리움으로 구성된 8종 균주 | Kaplan-Harzfeld Medical Center(이스라엘) | PROAGE 연구: 고령 입원 환자를 대상으로 45일 동안 매일 프로바이오틱스를 사용한 결과, 설사와 변비가 크게 감소했으며 80세 이상 환자의 경우 세럼 알부민, 프리알부민, 프로틴이 크게 증가한 것으로 나타남(NCT00794924) | |
| 비피도박테리움 4종, 락토바실러스 5종, 스트렙토코쿠스 1종으로 구성된 다중 균주 프로바이오틱 캡슐 | Children's Memorial Health Institute(폴란드) | 8주간 프로바이오틱 치료를 실시한 RCT 결과, 설사 증세가 심한 IBS 환자의 IBS 중증도와 증상이 크게 개선됨(NCT04662957) | |
| 정신 건강 장애 | 락토바실러스 카제이 균주 시로타가 함유된 프로바이오틱 음료 | Indian Council of Medical Research/ Yakult Honsha Co., LTD | 4주간 프로바이오틱스를 복용한 개념 검증 RCT 결과, 감정 노동자인 건강한 피험자의 뇌 활동과 기능적 연결성에 분변 미생물 구성에 중요한 영향을 미치지 않음(NCT03615651) |
| 락티카제이바실러스 파라카제이(Lpc-37®) | Chr Hansen(덴마크) | 성인 우울증 환자에게 12주 동안 2회 프로바이오틱스를 복용한 효능을 조사하는 파일럿 RCT(백우울증척도 [BDI-II] 20–40점 평가], NCT05564767) | |
| 비피도박테리움 아돌레센티스 또는 락티카제이바실러스 람노서스 LGG와 비피도박테리움 BB-12의 조합 | Chr Hansen(덴마크) | 성인 우울증 환자에게 12주 동안 2회 프로바이오틱스를 복용한 효능을 조사하는 파일럿 RCT(백우울증척도 [BDI-II] 20–40점 평가], NCT05564767) | |
| 불면증 | FMT 캡슐 | 제삼군의대학(중국) | 4주간 FMT 캡슐 복용으로 불면증 환자의 수면 개선 효과를 얻을 수 있는지 여부와 장내 미생물과 그 대사 물질, 전염증 인자, 신경 전달 물질, 말초혈액 내 성 호르몬에 대한 효능을 조사하는 RCT(NCT05427331) |
소화관 그 이상의 가치: 마이크로바이옴의 가능성 확대
지난 10년 간 토종 박테리아와 인체 건강에 미치는 영향에 대한 인식이 크게 변화되었습니다. 소화기 및 정신 건강 장애의 예방과 치료를 위해 마이크로바이옴 치료를 이용하는 방법에 대한 광범위한 연구 활동이 진행되고 있으며 제약 회사의 관심도 높아지고 있습니다. 생명 공학 기업, 학술 기관, 제약업계 간의 협업도 활발하게 이루어지고 있습니다. 동시에 연구 관심 주제의 진화에 따른 추가적인 파트너십도 예상해야 합니다. 장-뇌 축 분야뿐만 아니라 피부과, 호흡기, 종양학은 물론 일반 라이프스타일과 같은 다양한 영역에서 2차 시장이 나타나고 있으며 미생물 조작이 건강 유지를 위한 본질적인 수단으로 대두될 것입니다.
