장내미생물군
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1. 개요
장내미생물군은 소화관 내에 서식하는 다양한 미생물 집합을 의미하며, 위와 소장에는 세균 종이 적고 대장에 가장 많은 미생물이 존재한다. 이들은 세균, 진균, 고세균, 바이러스 등으로 구성되며, 개인의 생활 방식, 식단, 나이 등에 따라 미생물 개체군이 다르게 나타난다. 인간 장내에서는 Bacteroidota, Bacillota (Firmicutes), Actinomycetota, Pseudomonadota 등의 세균 문이 우세하며, 장내 미생물군은 숙주와 상호 이익을 주고받는 상리 공생 관계를 맺으며, 소화, 비타민 합성, 면역 조절 등 다양한 기능을 수행한다. 장내 미생물 불균형은 여러 질병과 관련 있으며, 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 신바이오틱스 등을 통해 장내 미생물군을 조절하여 건강을 증진할 수 있다.
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| 장내미생물군 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 장에 서식하는 미생물 군집 |
| 구성 | 세균 고세균 진균 바이러스 |
| 특징 | |
| 역할 | 소화 작용 도움 면역 체계 발달 및 유지 병원균으로부터의 보호 |
| 중요성 | 건강과 질병에 중요한 영향 |
| 연구 분야 | 메타오믹스 유전체학 |
| 건강과의 관계 | |
| 관련 질병 | 비만 당뇨병 염증성 장 질환 |
| 영향 요인 | 식단 항생제 스트레스 |
| 연구 동향 | |
| 주요 연구 | 장내 미생물과 뇌 기능 간의 연관성 연구 |
| 활용 분야 | 프로바이오틱스 프리바이오틱스 장내 미생물 이식 |
2. 장내 미생물의 형성 및 구성
장의 미생물 구성은 소화관 전체에서 다양하게 나타난다. 위와 소장에는 비교적 적은 수의 세균 종이 존재한다.[15][16] 진균, 원생생물, 고세균, 바이러스 역시 장내 세균총에 존재하지만, 이들의 활동에 대해서는 알려진 바가 적다.[17]
장의 많은 종들은 배양이 불가능하여 숙주 밖에서는 연구되지 못했다.[16][4][18] 대부분의 개인에게서 공통적으로 나타나는 핵심 미생물 종은 소수이지만, 미생물 개체군은 매우 다양할 수 있다.[19] 개인 내에서 미생물 개체군은 생활 방식, 식단, 나이의 변화로 인해 약간의 변화가 있긴 하지만, 비교적 일정하게 유지된다.[15][78]
인간 장에서 우세한 4가지 세균 문은 Bacillota (Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota, Pseudomonadota이다.[20] 대부분의 세균은 ''Bacteroides''(박테로이데스), ''Clostridium''(클로스트리듐), ''Faecalibacterium''(페칼리박테리움),[15][4] ''Eubacterium''(유박테리움), ''Ruminococcus''(루미노코쿠스), ''Peptococcus''(펩토코쿠스), ''Peptostreptococcus''(펩토스트렙토코쿠스), ''Bifidobacterium''(비피도박테리움) 속에 속한다.[15][4] ''Bacteroides''(박테로이데스) 속의 종만 해도 장 내 전체 세균의 약 30%를 차지하며, 이 속이 숙주의 기능에 특히 중요하다는 것을 시사한다.[16]
장에서 검출된 진균 속에는 ''Candida''(칸디다), ''Saccharomyces''(사카로마이세스), ''Aspergillus''(아스페르길루스), ''Penicillium''(페니실리움), ''Rhodotorula''(로도토룰라), ''Trametes''(트라메테스), ''Pleospora''(플레오스포라), ''Sclerotinia''(스클레로티니아), ''Bullera''(불레라), ''Galactomyces''(갈락토미세스) 등이 있다.[21][22]
고세균은 발효의 세균 생성물의 대사에 중요한 장내 세균총의 또 다른 큰 부류를 구성한다.
산업화는 미생물군집의 변화와 관련이 있으며, 다양성의 감소는 특정 종을 멸종시킬 수 있다.
장내미생물군에서 엔터타입(enterotype)은 나이, 성별, 체중 또는 국가적 구분에 의해 결정되지 않고, 인간의 장내 미생물군 내 세균학적 생태계를 기반으로 한 생물의 분류다.[29] 장기간의 식단이 엔터타입에 영향을 미친다는 징후가 있다.[30]
곰팡이와 원생생물 또한 장내 세균총의 일부를 구성하지만, 그들의 활동에 대해서는 알려진 바가 적다.[43]
인간 바이롬은 대부분 박테리오파지이다.[44]
생애 동안 장내 미생물군 구성은 일반적인 패턴으로 진화한다.[45] 일반적으로, 대변 샘플의 미생물군 구성 다양성은 성인이 어린이보다 유의미하게 높지만, 개인 간 차이는 성인보다 어린이에게서 더 크다.[46] 성인과 유사한 미생물군 구성으로의 성숙은 생애 처음 3년 동안 대부분 이루어진다.[46]
미생물군 구성이 변화함에 따라, 장에서 생성되는 박테리아 단백질의 구성 또한 변화한다. 성인 미생물군에서는 발효, 메탄 생성 및 아르기닌, 글루탐산, 아스파트산 및 라이신 대사에 관련된 효소의 높은 유병률이 발견된다. 반면, 유아 미생물군에서는 지배적인 효소가 시스테인 대사 및 발효 경로에 관여한다.[46]
장내미생물군 구성은 인구의 지리적 기원에 따라 달라진다. 미국 인구는 글루타민 분해를 인코딩하는 효소와 비타민 및 리포산 생합성에 관여하는 효소의 발현이 높게 나타나는 반면, 말라위와 아메리카 원주민 인구는 글루탐산 합성 효소를 인코딩하는 효소의 발현이 높으며 장내미생물군에서 α-아밀라아제가 과다 발현된다. 미국 인구는 옥수수 위주의 식단을 섭취하는 아메리카 원주민 또는 말라위 인구보다 지방이 풍부한 식단을 섭취하므로 식단이 장내 세균 구성의 주요 결정 요인일 가능성이 높다.[46]
추가 연구에 따르면 유럽 어린이와 아프리카 농촌 어린이의 미생물군 구성에 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 피렌체 어린이의 분변 세균과 부르키나파소의 작은 농촌 마을인 불퐁 어린이의 분변 세균을 비교했다. 이 마을에 사는 전형적인 어린이는 지방과 동물성 단백질이 부족하고 다당류와 식물성 단백질이 풍부한 식단을 섭취한다. 유럽 어린이의 분변 세균은 ''Firmicutes''가 우세했고 생물 다양성이 현저하게 감소한 반면, 불퐁 어린이의 분변 세균은 ''Bacteroidetes''가 우세했다. 아프리카 인구의 장내미생물군 생물 다양성 증가와 다른 구성은 일반적으로 소화할 수 없는 식물성 다당류의 소화를 돕고 비감염성 결장 질환의 발생률을 감소시킬 수 있다.[47]
더 작은 규모로, 가족 내에서 수많은 공통 환경 노출을 공유하는 것이 개별 미생물군 구성의 강력한 결정 요인임이 밝혀졌다. 이러한 영향은 유전적 영향이 없으며 문화적으로 다른 인구 집단에서 일관되게 관찰된다.[46]
영양실조에 걸린 아동은 건강한 아동보다 장내 미생물군이 덜 성숙하고 다양성이 떨어지며, 영양 부족과 관련된 미생물군 변화는 영양실조의 병태생리학적 원인이 될 수 있다.[48][49] 영양실조에 걸린 아동은 또한 일반적으로 잠재적인 병원성 장내 세균총이 더 많고 입과 목에 효모가 더 많다.[50] 식단을 바꾸면 장내 미생물군 구성과 다양성에 변화가 생길 수 있다.[153]
미국 장내 미생물 프로젝트(American Gut Project)와 인간 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Project) 연구진은 12개의 미생물 과(family)의 풍부함이 개인의 인종 또는 민족에 따라 다르다는 것을 발견했다. 암스테르담에서 진행된 도시 환경에서의 건강한 삶(HELIUS, Healthy Life in an Urban Setting) 연구에 따르면, 네덜란드계 사람들은 가장 높은 수준의 장내 미생물 다양성을 보였고, 남아시아 및 수리남계 사람들은 가장 낮은 다양성을 보였다. 연구 결과는 동일한 인종 또는 민족의 개인들이 서로 다른 인종적 배경을 가진 개인들보다 더 유사한 마이크로바이옴을 가지고 있음을 시사했다.[51]
2020년 기준으로, 최소 두 건의 연구에서 개인의 사회경제적 지위(SES)와 장내 미생물군 사이의 연관성을 밝혀냈다. 시카고에서 진행된 한 연구에 따르면, 사회경제적 지위가 높은 지역의 거주자들이 더 높은 장내 미생물 다양성을 보였다. 또한 사회경제적 지위가 높은 지역 출신 사람들은 ''Bacteroides'' 박테리아가 더 풍부했다. 이와 유사하게, 영국의 쌍둥이를 대상으로 한 연구에서도 높은 사회경제적 지위가 더 높은 장내 미생물 다양성과 연관되어 있다는 사실을 발견했다.[51]
2023년 현재, 한 연구에 따르면 항생제, 특히 광범위한 세균 감염 치료에 사용되는 항생제가 장내 미생물군에 부정적인 영향을 미친다고 한다.[52] 또한 이 연구는 항체 사용이 장내 미생물군의 다양성을 감소시키고, 많은 균주가 손실되며, 세균이 다시 나타나더라도 점진적이고 장기적인 경향을 보인다는 우려를 나타내는 장 건강 전문가들이 많다고 밝히고 있다.[53]
성인과 위장관 기능의 건강에 장내 세균총의 확립은 매우 중요하다.[54] 인간의 경우, 성인과 유사한 장내 세균총은 부모-자녀 전파, 음식, 물, 기타 환경으로부터의 전달을 통해 미생물군이 획득되면서 출생 후 1~2년 이내에 형성된다.[55][9]
정상적인 태아의 위장관은 무균 상태라는 전통적인 견해가 있었지만, 최근 몇 년 동안 이 견해에 대한 이의가 제기되었다.[56] 여러 증거들이 자궁 내 환경에도 세균이 존재할 수 있음을 시사하기 시작했다. 인간의 경우, 연구 결과 미생물 집락이 태아에게서 발생할 수 있으며[57], 한 연구에서는 탯줄 조직에서 ''락토바실러스''와 ''비피도박테리움'' 종이 존재함을 보였다.[62] 그러나 연구자들은 이러한 자궁 내 세균의 기원, 생존 여부, 그리고 그 역할은 아직 밝혀지지 않았다고 경고한다.[61][62]
출생 시점과 직후에, 산모와 주변 환경에서 유래된 세균이 유아의 장에 집락을 형성한다.[9] 세균의 정확한 원천은 완전히 파악되지 않았지만, 산도, 다른 사람들(부모, 형제자매, 병원 직원), 모유, 음식, 그리고 유아가 상호작용하는 일반적인 환경을 포함할 수 있다.[63] 연구에 따르면 자연 분만으로 태어난 아기의 마이크로바이옴은 제왕 절개로 태어난 아기의 마이크로바이옴과 현저하게 다르며, 자연 분만으로 태어난 아기는 대부분의 장내 세균을 어머니로부터 얻는 반면, 제왕 절개로 태어난 아기의 미생물군은 병원 환경과 관련된 세균이 더 많았다.[64]
생후 첫 해 동안, 장내 세균총의 구성은 일반적으로 단순하며 시간의 흐름에 따라 크게 변화하며 개인 간에 동일하지 않다.[9] 초기 세균 집단은 일반적으로 통성 혐기성 미생물이다; 연구자들은 이러한 초기 집락 형성체가 장 내 산소 농도를 감소시켜 ''Bacteroidota'', ''Actinomycetota'', ''Bacillota''와 같은 절대 혐기성 세균이 정착하고 번성할 수 있게 한다고 믿는다.[9] 모유 수유를 하는 아기는 비피더스 인자의 내용물과 모유가 프리바이오틱 성분을 함유하여 건강한 세균 성장을 가능하게 함으로써 비피더스균이 우세하게 된다.[62][65] 모유는 또한 아기의 면역 체계의 관용과 조절을 돕기 위해 높은 수준의 면역글로불린 A (IgA)를 함유하고 있다.[66] 반대로, 분유를 먹는 유아의 미생물군은 더 다양하며, 높은 수의 ''장내세균과'', 장구균, 비피더스균, ''Bacteroides'', 그리고 클로스트리디아를 포함한다.[67]
제왕 절개, 항생제, 그리고 분유 수유는 장내 미생물군 구성을 변경할 수 있다.[62] 항생제로 치료받은 아이들은 덜 안정적이고 덜 다양한 세균 집단을 갖는다.[68] 제왕 절개는 세균의 모자(母子) 전파를 방해하는 것으로 나타났으며, 이는 셀리악병, 천식, 1형 당뇨병과 같은 질병의 위험을 높임으로써 자녀의 전반적인 건강에 영향을 미친다.[62]
임신이 진행됨에 따라 여성의 장내 미생물군이 변화하며, 이러한 변화는 대사 증후군인 당뇨병에서 나타나는 변화와 유사하다. 신생아의 장내 미생물군은 산모의 첫 번째 삼 분기 샘플과 유사하다. 미생물군 다양성은 특정 종의 수가 증가하면서 첫 번째 삼 분기에서 세 번째 삼 분기로 감소한다.[62][120]
메타게놈 분석 등 분석 기술의 진보에 따라[164] 장내에서 생존이 확인된 세균의 종류는 증가하는 추세이며, 장내 세균은 다수의 잡다한 세균종으로 구성되어 있다. 한 사람의 장내에는 100종에서 3000종의 세균이 100조 개에서 1000조 개의 장내 세균이 약 10m 길이의 장내에 서식하고 있으며, 무게로 따지면 약 1.5-2kg에 해당한다. 일반적으로 사람의 세포 수는 60-70조 개 정도로 알려져 있으며, 세포 수로 따지면 그 16배에 해당하는 장내 세균이 존재하게 된다[167]。하지만 세균의 세포는 사람의 세포에 비해 훨씬 작기 때문에 개체 전체에서 차지하는 무게 비율이 숙주를 넘어설 수는 없다. 장관 내용물을 보면 내용물 1g당 100억 개에서 1,000억 개(1010-1011개)의 장내 세균이 존재하며, 변의 약 절반은 장내 세균 또는 그 사체로 구성되어 있다.
| 사람의 대장에서 자주 발견되는 세균[170] | |
| 세균 | 발견율 (%) |
|---|---|
| 박테로이데테스문 Bacteroides fragilis | 100 |
| 박테로이데테스문 Bacteroides melaninogenicus | 100 |
| 박테로이데테스문 Bacteroides oralis | 100 |
| 페르미큐테스문 Enterococcus faecalis | 100 |
| 프로테오박테리아문 대장균 | 100 |
| 프로테오박테리아문 엔테로박터속 sp. | 40-80 |
| 프로테오박테리아문 클레브시엘라속 sp. | 40-80 |
| 방선균문 Bifidobacterium bifidum （비피더스균） | 30-70 |
| 페르미큐테스문 황색포도상구균 | 30-50 |
| 페르미큐테스문 락토바실루스속 （유산균） | 20-60 |
| 페르미큐테스문 웰시균 | 25-35 |
| 프로테오박테리아문 Proteus mirabilis | 5-55 |
| 페르미큐테스문 Clostridium tetani | 1-35 |
| 페르미큐테스문 Clostridium septicum | 5-25 |
| 프로테오박테리아문 녹농균 | 3-11 |
| 프로테오박테리아문 Salmonella enteritidis | 3-7 |
| 페르미큐테스문 Faecalibacterium prausnitzii | ?common（일반적） |
| 페르미큐테스문 Peptostreptococcus sp. | ?common（일반적） |
| 페르미큐테스문 Peptococcus sp. | ?common（일반적） |
사람이나 동물의 장은, 섭취한 음식을 분해하고 흡수하는 기관이기 때문에, 생물이 생육하는 데 필요한 영양분이 풍부한 환경이다. 이 때문에, 장내는 종류와 수 모두에서 가장 상재세균이 많은 부위이다. 이 다양한 세균군은 소화관 내부에서 생존 경쟁을 벌여 서로를 배제하거나 공생 관계를 맺으면서 일정한 균형이 유지된 균형 상태에 있는 생태계가 만들어진다. 이와 같이 만들어진 생태계를 '''장내세균총'''이라고 부른다. 또한, 이 계에는 세균뿐만 아니라 광의의 효모 등의 균류와 세균에 감염되는 파지 등도 혼재되어 균형을 형성하고 있기 때문에, 장내 상재 미생물총, 장내 플로라, 장내 미크로플로라 등의 용어가 보다 엄밀하지만, 일반적으로는 이러한 세균 이외의 미생물도 포함하여 장내세균총이라고 불리는 경우가 많다.
사람이나 동물이 섭취한 음식은, 입, 식도, 위를 거쳐, 십이지장 등의 소장 상부에 도달하고, 그 후, 숙주에 영양분을 흡수되면서, 대장, 직장으로 보내진다. 이 때문에, 소화관의 장소에 따라, 그 내용물에 포함된 영양분에는 차이가 생긴다. 또한 소화관에 보내지는 산소 농도가 원래 높지 않은 데다가, 장관 상부에 서식하는 장내 세균이 호흡함으로써 산소를 소비하기 때문에, 하부로 갈수록 장관 내의 산소 농도는 저하되고, 대장에 이르면 거의 완전히 혐기성 환경이 된다. 이와 같이 같은 숙주의 장관 내에서도, 그 부위에 따라 영양과 산소 환경이 다르기 때문에, 장내세균총을 구성하는 세균의 종류와 비율은, 그 부위에 따라 다르다. 일반적으로 소장의 상부에서는 장내 세균의 수가 적고, 호흡과 발효를 모두 수행하는 통성 혐기성균의 비율이 높지만, 하부로 갈수록 세균 수가 증가하고, 또한 동시에 산소가 없는 환경에 특화된 편성 혐기성균이 주류가 된다.
한편, 담즙산은 지질 및 지용성 비타민을 유화하여 소화 흡수를 돕지만 세균의 세포막을 용해하는 작용도 가지고 있기 때문에[171]소장 내나 담관에서의 장내세균총 형성을 방해하고 있다. 매일 총 20-30g의 담즙산이 장내로 분비되며, 분비되는 담즙산의 약 95%는 회장에서 능동수송되어 재흡수되어 재이용되며, 장관에서 간 및 담낭으로 결합 담즙산이 이동하는 것을 장간 순환이라고 부른다. 살균 작용이 있는 담즙산이 회장에서 거의 흡수되기 때문에, 장내 세균은 회장 이후의 대장을 주요 활동 장소로 하고 있다.
thumb이다. 대장균은 장내 세균과에 포함되며, 그 세균 수는 분변 1g당 100만 개 전후.]]
소화관 부위의 차이에 따른 사람 장내 세균의 수(내용물 1g당)는 대략 다음과 같다. 또한, 세균 수는 영양분, 산소 농도, 위산에 대한 내성, 담즙산에 대한 내성, 장의 면역 시스템에 의해 배제되지 않는 것, 장벽에 대한 부착력의 요소가 고려될 수 있다[172]. 분변에 배출되는 세균의 조성은 대장의 것과 유사하다.
- 소장 상부: 내용물 1g당 약 1만(104)개. 유산균（''Lactobacillus'' 속）、연쇄구균（''Streptococcus'' 속）、''Veionella'' 속、효모[173] 등. 호기성, 통성 혐기성의 것도 많다.
- 소장 하부: 1g당 10만-1,000만(105-107)개. 소장 상부의 세균에 대장 유래의 편성 혐기성균이 혼재.
- 대장: 1g당 100억-1,000억(1010-1011)개. 거의 박테로이데스속(''Bacteroides'')、''유박테리움（Eubacterium）''、비피더스균（''Bifidobacterium''）、클로스트리디움속（''Clostridium''）등의 편성 혐기성균. 소장 상부 유래의 세균은 105-107개 정도.
이러한 장내 세균의 조성은 개인차가 크며, 사람은 각각 자신만의 세균총을 가지고 있다고 한다. 다만 그 조성은 불변이 아니며, 식사 내용이나 노화 등, 숙주인 사람의 다양한 변화에 따라 세균총의 조성 또한 변화한다.
예를 들어, 모유로 키워지는 유아와 인공 우유로 키워지는 유아의 경우, 전자에서는 비피더스균 등의 ''Bifidobacteriumla'' 속 세균이 최우세하고 다른 세균이 극히 적은 데 비해, 후자에서는 비피더스균 이외의 세균도 많이 발견되게 된다. 이 때문에 인공 영양아가 모유 영양아에 비해 세균 감염증이나 소화 불량을 일으키기 쉽다고 생각되는 이유 중 하나이다.
신생아에서는 락토바실루스속이 가장 많아진다. 유아의 장내 세균의 우점종은, 락토바실루스속과 페르미큐테스문의 근연종이 된다. 생후 1개월이 지나면 태변이라는 검은 점성 변이 나오고, 생후 3개월 동안 페르미큐테스문이 우세해진다[175]。
유아가 성장하여 이유식을 먹기 시작하면, 박테로이데스속 （''Bacteroidesla''） 이나 유박테리움속 （''Eubacteriumla''） 등, 성인에게서도 보이는 혐기성 장내 세균군이 증가하고, 비피더스균 등은 감소한다.
채소를 포함한 식사를 하게 되면 박테로이데스속이 전체의 30% 정도를 차지하게 된다[175]。
또한 노화가 진행되어 노인이 되면 비피도박테리움속 （''Bifidobacteriumla''）의 수는 더욱 감소하고, 대신 락토바실루스속 （''Lactobacillusla''） 이나 장내세균과의 세균, 웰시균（''Clostridium perfringensla''）등이 증가한다.
일본인을 포함한 12개국의 사람의 장내 세균 26종의 조성을 조사한 결과, 일본인에게는 다른 국민에 비해 방선균문비피더스균（''Bifidobacterium''）、페르미큐테스문클로스트리디움강 블라우티아(Blautia), 방선균문''Collinsella''、페르미큐테스문바실러스강연쇄구균（''Streptococcus''）、미분류의 클로스트리디움강 세균(Unclassified ''Clostridiales'')이 가장 많이 존재했다. 또한, 일본인의 장내 세균은 탄수화물이나 해조류의 식이섬유의 대사 능력이 높고, 생성되는 수소를 메탄 생성보다 아세트산 생성에 이용하는 경향이 강했다.[176][168]。
사망한 유아(신생아 제외)를 대상으로 한 도쿄도의 조사 결과(1957년)에 따르면, 모유 수유, 혼합 수유, 인공 수유의 각 영양법에 따른 사망률 비는, 성숙아의 경우 대략 1:2:3, 미숙아의 경우 대략 1:2:4의 값을 나타냈다[182]。특히 비피더스균은 모유 수유의 변에 많이 존재한다. 정상적인 모유 수유아의 플로라는 비피더스균이 극히 우세하다. 장내의 비피더스균을 왕성하게 하기 위해 모유에 많이 포함된 유당이나 모유 올리고당 등이 유효하다[182]。비피더스균은 유당이나 올리고당 등을 분해하여 젖산이나 아세트산을 생성하여 장내의 pH를 현저하게 낮추고[183], 유익균으로서 장내 환경을 정비하는 외에도, 꽃가루 알레르기 등 알레르기 증상의 완화에도 기여하고 있음이 밝혀졌다[184]。유아에게 많은 로타바이러스에 의한 감염성 장염의 억제를 할 가능성이 보고되고 있다[185]。락토페린은, 모유, 눈물, 땀, 침 등의 외분비액 중에 포함된 철 결합성의 당단백질이다. 락토페린은 강력한 항균 활성을 갖는 것으로 알려져 있다. 그람 양성 · 그람 음성에 관계없이 많은 세균은, 생육에 철이 필요하다. 트랜스페린과 마찬가지로, 락토페린은 철을 빼앗아감으로써, 세균의 증식을 억제한다[186][187][188]。모유 중에서도, 특히 출산 후 며칠간 분비되는 초유에는 락토페린이 많이 포함되어 있다. 수유를 통해 면역글로불린이나 락토퍼옥시다아제 등과 함께, 모체로부터 락토페린이 신생아에게 흡수된다. 락토페린은 이러한 인자들과 공동으로, 면역계가 미숙한 신생아를 외적으로부터 방어하고 있다고 생각된다. 유산균이나 비피더스균 등의 장내 세균은, 생육의 철 요구성이 낮고, 락토페린은 항균 활성을 나타내지 않거나, 오히려 증식을 촉진한다[187][188]。
2. 1. 위
위는 높은 산성도 때문에 대부분의 미생물이 생존하기 어렵다.[33] 위 미생물군의 주요 세균은 후벽균, 박테로이데테스, 방선균, 푸소박테리아, 프로테오박테리아의 5가지 주요 문(phylum)에 속한다.[33] 지배적인 속(genus)은 ''프레보텔라'', ''연쇄상구균'', ''베일로넬라'', ''로티아'', ''헤모필루스''이다.[33] 기존 위 미생물군과 ''H. pylori'' 유입 사이의 상호 작용은 질병 진행에 영향을 줄 수 있다.[33] ''H. pylori''가 존재할 경우 미생물군에서 지배적인 종이 된다.[34]2. 2. 소장
2. 3. 대장
대장은 인체에서 가장 큰 세균 생태계를 포함하며, 대장과 대변 세균총의 약 99%는 ''Bacteroides''(박테로이데스)와 ''Bifidobacterium''(비피도박테리움)과 같은 절대 혐기성 세균으로 구성된다.[11][37] 대장의 미생물 집단을 파괴하는 요인에는 항생제, 스트레스, 기생충 등이 있다.[11]세균은 결장 세균총의 대부분을 차지하며[38] 대변 질소의 60%를 차지한다.[15]
사람의 결장에서 흔히 발견되는 박테리아는 다음과 같다:[35]
| 박테리아 | 발생률(%) |
|---|---|
| Bacteroides fragilis | 100 |
| Bacteroides melaninogenicus | 100 |
| Bacteroides oralis | 100 |
| Enterococcus faecalis | 100 |
| Escherichia coli | 100 |
| Enterobacter sp. | 40–80 |
| Klebsiella sp. | 40–80 |
| Bifidobacterium bifidum | 30–70 |
| Staphylococcus aureus | 30–50 |
| Lactobacillus | 20–60 |
| Clostridium perfringens | 25–35 |
| Proteus mirabilis | 5–55 |
| Clostridium tetani | 1–35 |
| Clostridium septicum | 5–25 |
| Pseudomonas aeruginosa | 3–11 |
| Salmonella enterica | 3–7 |
| Faecalibacterium prausnitzii | ?common |
| Peptostreptococcus sp. | ?common |
| Peptococcus sp. | ?common |
장내 미생물은 단순 공생을 넘어 숙주와 상호 이익을 주고받는 상리 공생 관계를 맺는다.[69] 일부 소화관과 인간 사이의 관계는 단순한 공생(비유해한 공존)이 아니라 상호적인 관계이다. 인간 내장 미생물은 식이 섬유를 아세트산 및 부티르산을 포함하는 단쇄 지방산(SCFA)으로 변환하여 숙주가 흡수하기 쉽게 만들고, 비타민 B와 비타민 K 합성, 담즙산, 스테롤 및 생체 이물의 대사에 중요한 역할을 한다.[70] 장내 세균이 생산하는 SCFAs와 다른 화합물은 호르몬과 같은 체계적인 중요성을 가지며, 일부 장내 세균군(균총) 자체는 내분비 기관처럼 기능한다. 장 세균 군의 조절 장애는 다양한 염증 및 자가 면역 상태와 관련되어 있다고 보고되었다.
장내 미생물 불균형 (Dysbiosis)은 다양한 질병 발생과 관련이 있다.[110][7][111] 특히, 2차 담즙산인 데옥시콜산은 장 발암성을 증가시키는 미생물 군집 변화와 관련이 있으며, 대장의 높은 세균 밀도가 소장에 비해 대장암 발생률이 높은 것을 설명할 수 있다.[7]
다섯 개의 문이 장내 미생물군을 지배한다. Bacteroidota, Bacillota (Firmicutes), Actinomycetota, Pseudomonadota, 그리고 Verrucomicrobiota이며 Bacteroidota와 Bacillota가 구성의 90%를 차지한다.[39] 300[15]에서 1000가지의 서로 다른 종이 장에서 살고 있으며,[16] 대부분의 추정치는 약 500개이다.[40][124] 그러나 세균의 99%는 약 30~40종에서 나오며, ''Faecalibacterium prausnitzii''(문 Firmicutes)는 건강한 성인에서 가장 흔한 종이다.[4][41]
메타게놈 분석 등 분석 기술의 진보에 따라[164] 장내에서 생존이 확인된 세균의 종류는 증가하는 추세이며, 장내 세균은 다수의 잡다한 세균종으로 구성되어 있다. 한 사람의 장내에는 100종에서 3000종의 세균이 100조 개에서 1000조 개의 장내 세균이 약 10m 길이의 장내에 서식하고 있으며, 무게로 따지면 약 1.5-2kg에 해당한다. 일반적으로 사람의 세포 수는 60-70조 개 정도로 알려져 있으며, 세포 수로 따지면 그 16배에 해당하는 장내 세균이 존재하게 된다[167]。
3. 장내 미생물의 기능
1995년에 장내 미생물군 연구가 시작되었을 때, 장내 미생물군은 병원체에 대한 직접적인 방어, 장 상피의 발달 및 유지, 음식물 중 소화되지 않는 화합물의 대사라는 세 가지 주요 역할을 하는 것으로 여겨졌다.[70] 이후 연구에서는 발달하는 면역계를 훈련시키는 역할과 장-뇌 축에서의 역할이 밝혀졌다.
장내 세균총은 공간을 완전히 차지하고, 사용 가능한 모든 영양소를 활용하며, 사이토카인을 분비하여 병원균에 대한 방어 역할을 한다.[71] 장내 세균의 다양한 균주는 서로 다른 사이토카인 생성을 유발하며, 이는 감염에 대한 염증 반응을 시작하기 위해 면역 체계에서 생성되는 화학 화합물이다. 장내 세균총의 교란은 ''클로스트리디오이데스 디피실''과 같은 경쟁 유기체가 자리를 잡도록 한다.
성인의 장내 미생물군은 출생 후 1~2년 이내에 형성된다.[9] 장내 미생물군이 자리 잡으면서 장의 내벽(장 상피)과 분비되는 장 점막 장벽이 발달하며, 이는 공생 미생물에 대한 내성을 갖도록 하고 병원성 미생물에 대한 장벽 역할을 한다.[9] 점액을 생성하는 술잔 세포가 증식하고, 점액층이 두꺼워져 "친숙한" 미생물이 정착할 수 있는 외부 점막층과 침투할 수 없는 내부층을 제공한다.[9][10] 장 관련 림프 조직(GALT)의 발달은 장내 미생물군이 발달하고 자리 잡는 동안 나타나고 발달한다.[9] 발달된 GALT는 장내 미생물군 종에 내성을 갖지만 다른 미생물에는 내성을 갖지 않으며, 음식, 음식의 소화 산물 및 장내 미생물군의 대사 산물에 내성을 갖게 된다.
인간 면역 체계는 사이토카인을 생성하여 항상성을 유지하고 치유를 가능하게 한다.[9] 장내 미생물군에 나타나는 서로 다른 박테리아 종은 면역 체계가 사이토카인을 선택적으로 생성하도록 유도할 수 있다. ''Bacteroides fragilis''(박테로이데스 프라질리스)와 일부 ''Clostridia''(클로스트리디움) 종은 항염증 반응을 유도하고, 일부 분절상 세균은 염증성 사이토카인의 생성을 유도한다.[9][72] 장내 미생물군은 항체 생산을 조절할 수 있으며, B 세포가 IgA로 클래스 전환을 하도록 유도한다.[9][73] IgA는 장 내 커뮤니티를 다양화하고 염증 반응을 일으키는 박테리아를 제거하는 데 도움이 되며, 숙주와 장내 박테리아 사이의 건강한 환경을 유지한다.[75] 이러한 사이토카인과 항체는 폐 및 기타 조직에도 영향을 미칠 수 있다.[9]
면역 체계는 장내 박테리아가 대사 산물을 생성하는 능력으로 인해 변경될 수 있다. 단쇄 지방산(SCFA)은 호중구, 호염구, 호산구와 같은 선천 면역 세포의 생산을 급격히 증가시킨다.[76]
장내 세균총이 없으면 인체는 소화되지 않은 탄수화물을 활용할 수 없다.[12] 무균 상태에서 길러진 장내 세균총이 없는 설치류는 일반 설치류와 동일한 체중을 유지하기 위해 30% 더 많은 칼로리를 섭취해야 한다.[12] 인간이 박테리아의 도움 없이는 소화할 수 없는 탄수화물에는 특정 전분, 섬유질, 올리고당, 유당 불내증의 경우와 같이 신체가 소화하고 흡수하지 못한 유당과 당알코올, 장에서 생성되는 점액, 단백질 등이 있다.[6][12]
박테리아는 당분해 발효를 통해 발효된 탄수화물을 단쇄 지방산으로 전환한다.[124] 생성물에는 아세트산, 프로피온산, 부티르산이 포함된다.[4][124] 이 물질들은 숙주 세포에서 사용될 수 있으며, 주요 에너지 및 영양소 공급원이 된다.[124] 신호 전달에 관여하고[77] 고창을 유발할 수 있는 가스와 유기산(젖산)도 발효에 의해 생성된다.[4] 아세트산은 근육에서 사용되고, 프로피온산은 간에서 ATP 생산을 촉진하며, 부티르산은 장 세포에 에너지를 공급한다.[124]
장내 세균총은 비오틴 및 엽산과 같은 비타민을 합성하고, 식이 미네랄의 흡수를 촉진한다.[15][78] ''Methanobrevibacter smithii''는 도메인 ''고세균''의 구성원이며, 인간 위장관 미생물군에서 가장 풍부한 메탄 생성 고세균 종이다.[79]
장내 미생물군은 체내에서 생성되지 않거나 소량만 생성되는 비타민 K와 B12의 공급원 역할을 한다.[80][81] 섬유소(셀룰로스)를 분해하는 박테리아는 유인원, 고대 인류 사회, 수렵 채집인 공동체, 현대 농촌 인구에서 널리 발견되지만, 산업화된 사회에서는 드물다. 인간 관련 균주는 옥수수, 쌀, 밀과 같은 특정 식물 섬유를 분해할 수 있는 유전자를 획득했다. 영장류에서 발견되는 박테리아 균주는 곤충에서 풍부하게 발견되는 고분자 키틴도 분해할 수 있는데, 이는 많은 비인간 영장류의 식단의 일부이다. 이러한 박테리아가 인간의 장에서 감소한 것은 서구식 생활 방식으로의 전환에 의해 영향을 받았을 가능성이 높다.
인간의 메타게놈은 개인 간에 상당한 차이를 보인다.[83][84] 인체 내 미생물 세포의 총 개수(100조 개 이상)가 ''호모 사피엔스'' 세포(수십 조 개)보다 훨씬 많다.[83][85] 약물과 개인의 미생물군 사이의 상호 작용 가능성은 상당하며, 여기에는 약물이 인간 미생물군의 구성을 변화시키거나, 미생물 효소에 의한 약물 대사가 약물의 약동학적 프로파일을 수정하거나, 미생물 약물 대사가 약물의 임상 효능 및 독성 프로파일에 영향을 미치는 것 등이 있다.[83][84][86]
탄수화물 외에도 장내 미생물은 약물, 식물화학물질, 식품 독성 물질과 같은 다른 이물질도 대사할 수 있다.[87] 약물의 미생물 대사는 때때로 약물을 비활성화시킬 수 있다.[88]
장내 미생물군은 단쇄 지방산 및 신경 전달 물질과 같은 미생물 대사 산물이 뇌 기능과 행동에 영향을 미치는 장-뇌 축에서 역할을 한다. 장-뇌 축은 위장관과 중추 신경계 사이에서 일어나는 생화학적 신호 전달이다.[70] 이 용어는 상호 작용에서 장내 미생물군의 역할을 포함하도록 확장되었으며, "미생물군-뇌 축"이라는 용어가 사용되기도 한다.[70][112][113] 광범위하게 정의하면, 장-뇌 축은 시상하부-뇌하수체-부신 축(HPA 축)을 포함한 중추 신경계, 신경내분비계, 신경면역계, 자율 신경계의 교감 및 부교감 신경계, 장 신경계, 미주 신경, 그리고 장 미생물군을 포함한다.[70][113] 연구에 따르면 장내 불균형과 정신 건강 상태 사이에 연관성이 있으며, 이는 기분과 인지 기능에 영향을 미치는 복잡한 상호 작용을 나타낸다.
2016년의 체계적 문헌 고찰은 특정 상업적으로 이용 가능한 프로바이오틱스 박테리아 균주로 수행된 전임상 및 소규모 인간 임상 시험을 검토했으며, ''비피도박테리움'' 및 ''락토바실러스'' 속 (''B. longum'', ''B. breve'', ''B. infantis'', ''L. helveticus'', ''L. rhamnosus'', ''L. plantarum'', 및 ''L. casei'')이 특정 중추 신경계 질환에 가장 유용할 가능성이 있다는 것을 발견했다.[114]
사람의 경우, 장내 미생물은 주로 5가지 기능을 한다.[167]
장내 환경을 쉽게 설명하기 위한 예로, '''"유익균"'''과 '''"유해균"'''으로 분류하는 경우가 있다.
이러한 생각은 19세기 말 일리야 메치니코프가 발표한 "자가 중독설"에서 비롯되었다. 장내 부패는 수명을 단축시킨다는 가설을 세우고, 장내 부패를 예방하면 노화를 방지할 수 있다고 생각했다. 유럽 각지를 유세하는 동안, 장수 국가였던 불가리아에서 요구르트를 섭취하는 것을 발견하고, 거기에서 분리한 "유익균"인 젖산균(불가리아균)을 섭취함으로써 장내 부패 물질이 감소하는 것을 확인했다.
그 후의 연구를 통해 장내 세균과 숙주인 사람의 공생 관계가 서서히 밝혀졌고, 장내 세균총의 균형 변화가 감염증이나 설사증 등의 원인이 될 수 있다는 것이 밝혀지면서, 장내 세균총의 균형을 변화시킴으로써 사람의 건강 개선으로 이어진다는 생각이 다시 지지받게 되었다. 암, 심장병, 알레르기, 치매와 같은 질병과의 관련성도 높다고 지적되고 있다[177]。
특정보건용 식품으로 인가된 식품에는 혈압이나 혈청 콜레스테롤의 저하가 확인된 제품이 있다. 꽃가루 알레르기 등의 알레르기 증상이 경감된다는 연구 보고도 있다[179]。암의 예방 효과를 내세운 건강 식품까지 볼 수 있다(약사법 위반). 장 건강과 관련된 암이나 알레르기 등, 다양한 질환을 억제하는 작용에 대한 연구가 이루어지고 있다[180]。프로바이오틱스나, 프리바이오틱스)를 제제나 기능성 식품으로 사용하는 것이 고안되었고, 많은 제품이 개발·실용화되고 있다.
유익균은 인지 능력 향상 등의 건강 효과를 기대할 수 있다고 하여, 현재 의학계에서는 발효 식품을 최대한 섭취하는 것이 권장되고 있다[181]。
인간의 소화관은 전분이나 글리코겐 이외의 식이 섬유인 다당류를 소화할 수 없지만, 대장 내의 장내 세균이 혐기성 발효를 함으로써 일부가 아세트산, 부티르산, 프로피온산과 같은 단쇄 지방산으로 변환되어 에너지원으로 흡수된다. 건강한 사람의 경우, 이 세 종류가 단쇄 지방산의 97%를 차지하며, 궤양성 대장염 환자의 경우, 앓는 부위가 넓어질수록 단쇄 지방산 중 젖산이 차지하는 비율이 커진다. 건강한 사람의 경우, 대장에서 젖산이 생성되면 장내 세균에 의해 빠르게 아세트산, 부티르산, 프로피온산, 탄산 가스, 수소, 메탄 등으로 대사된다[190]
식이 섬유의 대부분은 셀룰로스이며, 인간의 셀룰로스 이용 능력은 의외로 높아서, 분말화된 셀룰로스라면 장내 세균을 통해 거의 100% 분해 이용된다고도 한다. 전분은 약 4kcal/g의 에너지를 생성하지만, 식이 섬유는 장내 세균에 의한 발효 분해를 통해 에너지를 생성하며, 그 값은 일정하지 않지만, 유효 에너지는 0 - 2kcal/g으로 생각된다. 또한, 식이 섬유의 바람직한 섭취량은 성인 남성의 경우 19g/일 이상, 성인 여성의 경우 17g/일 이상이다[189] 식이 섬유는 대장 내에서 장내 세균에 의해 인간이 흡수할 수 있는 분해물로 전환되기 때문에, 식후 오랜 시간이 지난 후에 체내에서 에너지로 흡수되는 특징을 가지며, 에너지 흡수의 평준화에 기여한다.
소장에서는 영양소를 흡수해도, 소장 조직의 대사에는 유용하게 사용되지 않고 즉시 문맥에 의해 운반되어, 소장 자체의 조직은 동맥혈에 의해 공급되는 영양소에 의해 유지된다. 그러나, 대장의 조직의 대사에는 이 발효로 생성되어 흡수된 단쇄 지방산이 주요한 에너지원으로 직접 이용되며, 게다가 잉여 부분은 전신의 조직의 에너지원으로 이용된다.
말과 같은 초식 동물에서는 이 대장에서 생성된 단쇄 지방산이 주요한 에너지원이 되고 있지만, 인간도 저칼로리이고 식이 섬유가 풍부한 식생활을 하고 있는 경우에는 이 대장에서의 발효로 생성된 단쇄 지방산이 중요한 에너지원이 되고 있다.
인간의 결장, 특히 결장 후반의 점막은, 부티르산을 생성하는 장내 세균이 만드는 부티르산을 주된 에너지원으로 이용하고 있다[190] 대장 내에서 생성된 부티르산은 결장 세포에 우선적으로 에너지원으로 이용된다[191] 부티르산은 대장의 영양 에너지의 70-90%를 차지하고 있다[192]
부티르산균인 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)은 편성 혐기성 포자 형성 그람 양성 간균이다. 클로스트리디움속(Clostridium)의 타입종이기도 하다. 포자의 형태로 환경 중에 널리 존재하지만, 특히 동물의 소화관 내 상재균으로 알려져 있다. 일본에서는 미야이리균(宮入菌)이라고 불리는 균주가 부티르산균의 유용한 균주로 유명하며, 포자를 제제화하여 정장제로 사용되고 있다[193][194] 클로스트리디움속의 일부 균은 부티르산균으로 알려져 있으며, 절임의 부티르산 냄새의 원인이 된다[195]
부티르산은 장관 증식 인자로서 작용하며, 항염증 작용을 가지고, 손상된 장관의 복구에도 관여하고 있다[196] 장내 세균이 생성한 부티르산이 히스톤의 아세틸화를 촉진하고, p21 유전자를 자극하여, 세포 주기를 G1기에 머물게 하는 단백질인 p21이 대장암을 G1기에 머물게 하여 대장암을 억제한다는 것이 지적되고 있다[197][198] 부티르산 생성 능력이 높은 ''Butyrivibrio fibrisolvens''을 마우스에 투여한 결과, 부티르산 생성량이 증가하고, 발암 물질로 유발된 대장 전암 병변의 형성이 억제되어, 대장암을 예방, 억제할 가능성이 지적되고 있다[199] 대장암 환자의 분변을 건강한 사람의 것과 비교하면 유기산 농도가 낮고, 특히 n-부티르산의 농도가 특히 저치였다는 것이 보고되고 있다[200]
비타민 K는 음식 섭취와 함께 여러 종류의 장내 세균에 의해서도 공급된다. 비타민 K는 혈액 응고 작용(지혈)과도 관련이 있으며, 이것이 부족하면 각종 내출혈과 같은 결핍증이 발생한다. 사람 성인의 경우, 일반적으로 장내 세균에 의한 공급만으로도 충분한 필요량을 충당할 수 있지만, 갓 태어난 신생아는 아직 충분히 장내 세균총이 형성되지 않아 이를 충분히 생산할 수 없으므로, 장내 출혈(혈변) 등의 이상이 발생하기 쉽다. 태아나 신생아는 출산 시 뼈를 부드럽게 하기 위해 P450에 의해 뼈의 칼슘 정착과도 관련된 비타민 K를 체내에서 분해한다는 설도 있다[201]。또한 성인이라도 항생제 투여로 장내 세균총이 손상되었을 경우에는 마찬가지로 결핍증이 발생할 수 있다.
비오틴 (비타민 B7)의 하루 권장량은 성인 기준 45μg이다. 장내 세균총에 의해 공급되므로, 일반적인 식생활에서는 결핍증이 발생하지 않는다[202]。피리독신 (비타민 B6)도 장내 세균에 의해 공급된다[203]。
식이 섬유를 많이 섭취하면 장내 세균에 의한 비타민 B1의 합성이 활발해진다[204]。
생체 내에서는 나이아신 (비타민 B3)은 트립토판으로부터 생합성된다. 사람의 경우에는, 더 나아가 장내 세균이 트립토판으로부터 나이아신 합성을 수행한다.
프로피온산 생산균은 비타민 B12를 생산하는 주요 균이다[205]。비타민 B12는 특정 진정세균 및 고세균에 의한 원핵생물에 의해서만 천연적으로 생성되며, 다세포 또는 단세포 진핵생물에 의해 생성되는 것은 아니다[206][207]。사람 및 다른 동물의 일부 장내 세균에 의해 합성되지만, 비타민 B12가 흡수되는 소장에서 더 먼 대장에서 비타민 B12가 생성되므로, 사람은 대장에서 만들어진 비타민 B12를 흡수할 수 없지만[208], 소나 양과 같은 반추동물은 공생 세균이 위에서 증식하여 생성된 비타민 B12를 장내에서 흡수한다[208]。
장내 세균은 판토텐산 (비타민 B5), 엽산 (비타민 B9), 리보플라빈, 나이아신 (비타민 B3), 비오틴 (비타민 B7), 비타민 B6, 비타민 B12, 비타민 K도 생성한다[209]。또한, 효모는 비타민 B1을 합성할 수 있다[210]。
비피더스균은 비타민 B1, 비타민 B2, 비타민 K, 기타 비타민 B군을 생성한다[182]。비피더스균 (''B. infantis'', ''B. breve'', ''B. bifidum'', ''B. longum'' 및 ''B. adolescentis'' 모두)은 균체 내에 비타민 B1, B2, B6, B12, C, 니코틴산(B3), 엽산(B9) 및 비오틴(B7)을 축적하고, 균체 외에는 비타민 B6, B12 및 엽산을 생성했다. 사람(성인)의 장내 평균량의 비피더스균의 추정 비타민 생산량은 비타민 B2, B6, B12, C 및 엽산으로 소요량의 14-38%를 차지하여 무시할 수 없는 비율이라고 생각된다[211]。
유산균도 비타민 C를 미량 생성한다. 채소나 과일을 잘 섭취하지 못하는 유목민은 유산 발효된 마유주를 하루 최소 1-3리터 정도 마신다[212][213]。마유주에는 비타민 C가 100ml당 8-11mg 함유되어 있다[214]。
간에서 글루쿠론산 전이 효소에 의해 헴의 분해물인 빌리루빈은 글루쿠론산 포합을 받아 물에 녹게 된다. 포합형 빌리루빈은 대부분이 담즙의 일부가 되어 십이지장으로 분비된다. 포합형 빌리루빈의 일부는 대장에 도달하여 장내 세균의 작용으로 환원되어 우로빌리노젠으로 대사되고, 장에서 재흡수되어 신장을 거쳐 소변으로 배설된다. 이 순환을 장간 우로빌리노젠 순환이라고 부른다. 우로빌리노젠은 항산화 물질인 DPPH 라디칼 제거 작용이 다른 항산화 물질(비타민 E, 빌리루빈 및 β-카로틴)보다 높은 값을 나타낸다.[215][216] 재흡수된 우로빌리노젠이 체내에서 산화되면 노란색 우로빌린이 되어 소변으로 배설된다. 장내에 남은 우로빌리노젠은 더욱 환원되어 스테르코빌리노젠이 되고, 다른 부위가 산화되어 최종적으로 스테르코빌린이 된다. 이 스테르코빌린은 대변의 갈색의 원인이다. 빌리루빈이 담즙으로 분비되지 않고 체내에 축적되면 황달이 발생한다.
난소화성인 식이섬유나 유당 섭취와 장내 세균에 의해 호흡이나 방귀로 가스 발생과 배출이 증가한다. 생성되는 가스는 수소와 메탄이 많지만, 메탄은 개인차가 있어 메탄 생성균을 가지고 있지 않으면 메탄은 생성되지 않는다. 방귀와 호흡의 수소량 상관 관계는 0.44로 높다[217]。
α-글루코시다아제 억제제인 당뇨병 치료제 아카보스를 복용하면 탄수화물 흡수가 억제되어 대장의 장내 세균에 의해 수소 등이 생성되는데, 아카보스 복용이 심혈관 사고를 억제할 가능성이 있으며, 이 원인으로 고혈당 억제 외에, 호흡 중 수소 가스 증가가 확인되었고, 이 증가된 수소의 항산화 작용에 의해 심혈관 사고를 억제하는 메커니즘이 예상되고 있다[218]。
수소에 의한 항산화 작용이 각종 연구에서 보고되고 있으며, 또한 장내 세균은 수소를 생성하고 있다. Concanavalin A를 사용하여 간염을 유도한 생쥐 실험에서, 항생 물질을 사용하여 장내 세균에 의한 수소 발생을 억제한 생쥐와 비교하여, 일반적인 장내 세균이 발생시킨 수소는 생쥐의 간 염증을 억제하는 것이 확인되었다[219]。
유산균 등의 장내 세균은 장내에서 담체로서 증가하여 균체가 장관 노폐물을 흡착하여 배출할 가능성이 있다。건강한 사람의 장내에는 많은 종류의 미생물이 서식하고 있으며, 거의 모든 사람의 장내에서 락토바실러스속이나 비피도박테리움속의 유산균이 검출된다. 사람의 변 1g당의 균수는 비피더스균이 100억 개, 비피더스균 이외의 유산균이 10~100만 개라고 한다。이러한 유산균은 흔히 말하는 "장내 유익균"의 일종으로 여겨지는 경우가 많으며, 장내 상재 세균총(장내 플로라)에서 이러한 세균의 비율을 늘리는 것이 건강 증진에 도움이 된다는 가설이 세워져 있다. 다만 그 유효성에 대해서는 의미가 있다는 실험 결과와 관련이 인정되지 않는다는 결과가 각각 여러 개 얻어져 결론이 나지 않은 것이 현상이다.
꿀 속에는 아포를 형성하여 활동을 휴지한 보툴리누스균이 포함되어 있는 경우가 있다. 보통은 섭취해도 그대로 체외로 배출되지만, 유아가 가열하지 않은 꿀을 섭취하면 체내에서 발아하여 독소를 내어 중독 증상(영아 보툴리누스증)을 일으키고, 경우에 따라 사망할 수 있으므로 주의해야 한다. 충분히 장내 세균이 발달한 사람에서는 생 꿀을 섭취해도 장내 세균이 아포로부터 보툴리누스균의 증식을 방해한다。
장내 세균인 몇몇 프로바이오틱스 균주가 과민성 대장 증후군과 만성 변비 증상의 감소에 효과가 있다고 알려져 있다. 증상 감소를 가져올 가능성이 가장 높은 장내 세균은 다음과 같다.
인체 내에서 하루에 생성되는 요산은 약 700mg이며, 그 중 약 은 식사에서 유래한다.[227] 요산 배설의 약 은 신장을 거쳐 소변으로, 약 은 장관에서 배설된다.
4. 장내 미생물과 질병
광범위 항생제 복용은 장내 세균의 수를 변화시켜 숙주의 건강과 음식 소화 능력에 영향을 미칠 수 있다.[115] 항생제는 항생제 관련 설사를 유발할 수 있는데, 이는 창자를 직접 자극하거나, 미생물군 수준을 변화시키거나, 병원체 세균의 성장을 허용함으로써 발생한다.[4] 항생제의 또 다른 해로운 영향은 항생제 내성 세균의 수 증가이며, 이들은 항생제로 치료하기 어려운 질병을 유발할 수 있다.[115] 항생제는 장내 미생물군에 부정적인 영향을 미치며,[52] 장내 미생물군의 다양성을 감소시키고, 많은 균주가 손실될수 있다.[53]
장내 미생물군의 수와 종의 변화는 신체의 탄수화물 발효 능력과 담즙산 대사 능력을 감소시킬 수 있으며, 설사를 유발할 수 있다.[4] 분해되지 않은 탄수화물은 너무 많은 물을 흡수하여 묽은 변을 유발하거나, 장내 미생물군에 의해 생성된 단쇄 지방산(SCFA)의 부족으로 설사가 발생할 수 있다.[4] 토착 세균 종의 수준 감소는 ''C. difficile'' 및 ''Salmonella'' Kedougou와 같은 유해한 종의 성장을 억제하는 능력을 방해할수 있다.[15][4][115] ''C. difficile'' 감염에 대한 새로운 치료 프로토콜은 공여자의 대변을 이식하는 대변 이식을 포함한다.[116]
장내 미생물군집의 구성은 심각한 질병에서도 변화하는데, 이는 항생제 사용뿐만 아니라 장의 허혈, 식사 실패 및 면역 저하와 같은 요인에 기인한다.[118]
항생제는 위장관 내 미생물군 집단을 변화시키며, 이는 공동체 내 대사 상호 작용을 변경하고, 탄수화물을 사용하여 칼로리 섭취를 수정하며, 숙주 대사, 호르몬 및 면역 항상성에 전반적으로 영향을 미칠 수 있다.
''락토바실러스'' 종을 함유한 프로바이오틱스를 복용하면 항생제 관련 설사를 예방하는 데 도움이 될 수 있으며, ''사카로마이세스''(예: ''사카로마이세스 보울라디'')를 함유한 프로바이오틱스를 복용하면 전신 항생제 치료 후 ''클로스트리디오이데스 디피실'' 감염을 예방하는 데 도움이 될 수 있다는 상당한 증거가 있다.[119]
프로바이오틱스는 살아있는 미생물을 포함하고 있으며 섭취시 미생물군집의 조성을 변화시켜 건강상의 이점을 제공한다고 여겨진다.[121][122][123] 현재 연구에서는 프로바이오틱스를 면역 체계를 자극하고 염증성 사이토카인을 억제하여 위장관의 미생물 균형을 회복하는 방법으로 탐구하고 있다.[121]
장내 미생물과 관련하여, 프리바이오틱스는 일반적으로 소화되지 않는 식이 섬유 화합물로, 위장관의 상부를 통과하여 소화되지 않고 유리하게 장내 미생물의 성장 또는 활동을 자극하며, 미생물에게 기질 역할을 한다.[124][125]
신바이오틱스는 식품 성분 또는 프로바이오틱스와 프리바이오틱스를 상승 작용 형태로 결합한 식이 보충제를 의미한다.[126]
"파마바이오틱스"라는 용어는 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 신바이오틱스의 제약 제형,[127] 유전자 조작 또는 기타 방법으로 최적화된 프로바이오틱스,[128] 장내 미생물 대사의 자연 생성물등 다양한 의미로 사용된다.[129]
특정 프로바이오틱스 균주로 치료하면 과민성 대장 증후군,[130][131] 복부 팽만[132] 및 만성 특발성 변비에 효과적일 수 있다는 일부 증거가 있다.
소화관 내 세균은 다양한 방식으로 질병에 기여하고 영향을 받을 수 있다. 일부 종류의 세균의 존재 또는 과다 증식은 염증성 장 질환과 같은 염증성 질환에 기여할 수 있다.[15] 또한, 장내 세균총의 특정 구성원으로부터의 대사 산물은 숙주 신호 전달 경로에 영향을 미쳐 비만 및 대장암과 같은 질환에 기여할 수 있다.[15] 일부 장내 세균은 감염 및 패혈증을 유발할 수 있다.[15]
만성적인 장의 염증성 질환인 염증성 장 질환의 두 가지 주요 유형인 크론병과 궤양성 대장염의 원인은 알려져 있지 않으며, 장내 미생물군과 숙주와의 관계에 문제가 이러한 질환과 관련되어 있다.[13][142][143][144] 장내 미생물군과 장-뇌 축의 상호 작용이 IBD에 역할을 하는 것으로 보이며, 시상하부-뇌하수체-부신 축을 통해 매개되는 생리적 스트레스가 장 상피의 변화를 유발하고, 장내 미생물군은 장 신경계 및 미주 신경에서 신호를 유발하는 인자와 대사 산물을 방출한다.[3]
건강한 사람에 비해 염증성 장 질환 환자의 장내 미생물군 다양성이 현저히 감소하는 것으로 보이며, 궤양성 대장염 환자에서는 Proteobacteria와 Actinobacteria가 우세한 것으로 나타난다; 크론병 환자에서는 ''Enterococcus faecium''과 여러 Proteobacteria가 과다하게 나타나는 것으로 보인다.[3]
''Lactobacilli''와 ''Bifidobacteria''를 함유한 프로바이오틱스를 복용하여 장내 미생물군 불균형을 교정하는 것이 IBD에서 내장 통증과 장 염증을 감소시킬 수 있다는 합리적인 증거가 있다.[119]
과민성 대장 증후군은 스트레스와 HPA 축의 만성적 활성화의 결과이며, 증상으로는 복통, 배변 습관의 변화, 염증성 사이토카인의 증가 등이 있다. 과민성 대장 증후군 환자에게서 장강 및 점막 미생물군이 변화하며, 이러한 변화는 설사 또는 변비와 같은 자극의 유형과 관련될 수 있다. 또한, 대변 락토바실리와 비피도박테리아의 낮은 수치, ''대장균''(Escherichia coli)과 같은 혐기성 통성 혐기성 세균의 높은 수치, 그리고 Firmicutes: Bacteroidetes의 비율 증가와 함께 미생물군 다양성이 감소한다.[113]
장내 미생물군은 소화 과정에서 중요한 역할을 하기 때문에 비만 및 대사 증후군과 관련이 있다. 서구식 식단은 장내 미생물군에 변화를 유발하고 유지하는 것으로 보이며, 이는 음식으로부터 얻는 에너지의 양과 그 에너지의 사용 방식을 변화시킨다.[144][152] 건강한 식단의 한 측면으로, 서구식 식단에서 종종 부족한 것은 건강한 장내 미생물군이 번성하는 데 필요한 섬유질 및 기타 복합 탄수화물이다. 서구식 식단에 대한 반응으로 장내 미생물군에 변화가 생기면 장내 미생물군에 의해 생성되는 에너지의 양이 증가하는 것으로 보이며, 이는 비만 및 대사 증후군에 기여할 수 있다.[119] 또한 미생물군이 미생물군의 선호도에 따라 식습관에 영향을 미친다는 증거도 있으며, 이는 숙주가 더 많은 음식을 섭취하게 하여 결국 비만을 초래할 수 있다. 일반적으로 장내 미생물군 다양성이 높을수록 미생물군은 다른 미생물군과 경쟁하는 데 더 많은 에너지와 자원을 사용하고 숙주를 조작하는 데는 덜 사용된다는 것이 관찰되었다. 반대의 현상은 장내 미생물군 다양성이 낮을 때 나타나며, 이러한 미생물군은 함께 숙주의 음식 갈망을 만들어낼 수 있다.[153]
또한 간은 혈당 항상성에서 지배적인 역할을 하며, 글리코겐 생성 및 포도당 신생의 대사 경로를 통해 포도당의 흡수와 저장을 균형 있게 유지한다. 장내 지질은 장-뇌-간 축을 포함하는 포도당 항상성을 조절한다. 상부 장에 지질을 직접 투여하면 상부 장에서 장쇄 지방 아실-조효소 A (LCFA-CoA) 수치가 증가하고, 횡격막 아래 미주 신경 절제술 또는 장 미주 신경 구심신경 제거에도 불구하고 포도당 생성이 억제된다. 이는 뇌와 장 사이의 신경 연결을 방해하고 상부 장 지질이 포도당 생성을 억제하는 능력을 차단한다. 장-뇌-간 축 및 장내 미생물군 구성은 간에서 포도당 항상성을 조절할 수 있으며 비만 및 당뇨병을 치료할 수 있는 잠재적인 치료 방법을 제공한다.[154]
장내 미생물군이 비만의 발달을 유발할 수 있는 피드백 루프에서 기능할 수 있는 것처럼, 칼로리 섭취를 제한하는 것(예: 다이어트)이 장내 미생물군의 구성에 변화를 유발할 수 있다는 증거가 있다.[144]
바람직한 장내 미생물 군집을 유도하는 수단으로, 유익균을 직접 섭취하는 방법(프로바이오틱스)과 유익균의 증식을 촉진하는 식품을 섭취하는 방법(프리바이오틱스)이 있다.
클로스트리디움 디피실 장염은 항생물질 투여 등으로 정상적인 장내 세균총이 교란되어 세균 교대증이 생김으로써 발생한다고 생각된다[228]. 정상 장내 세균총을 교란시키는 것은, ''C. difficile''에 증식의 기회를 주는 것이 된다[229]。 즉, 이 질환은 항생제 관련 설사의 하나이다[230]。 ''C. difficile'' 장염의 발생은 항생물질인 뉴퀴놀론, 세팔로스포린, 클린다마이신의 사용과 강하게 상관되어 있다[231]。클로스트리디움 부티리쿰 (미야이리균)의 유용성은 고병원성균의 증식과 길항함으로써 클로스트리디움 디피실 장염의 원인균인 고병원성 클로스트리디움 디피실의 증식을 방해하는 그 능력에 주로 기인한다[232]。
자폐 스펙트럼 장애 아동과 건강한 아동의 장내 세균을 비교했을 때, 클로스트리디움속 세균이 평균 10배 정도 더 많은 상황이 보고되고 있다. 유아기에 다양하고 많은 양의 항생제를 투여받아 장내 세균 조성이 파괴되고, 클로스트리디움속의 증식과 함께 자폐 스펙트럼 장애에 이른 사례가 소개되고 있다. 어린 뇌에 손상을 주는 클로스트리디움속의 신경 독소가 원인이라고 지적하고 있다[233]。
핀란드의 조사에서 장내 플로라가 자폐 스펙트럼 장애를 예방하는 효과가 있을 가능성이 시사되고 있다[235][236]。
리토콜산은 지질을 가용성으로 만들어 흡수를 높이는 계면활성제 역할을 하는 담즙산의 일종이다. 결장 내에서 미생물의 활동에 의해 1차 담즙산인 케노데옥시콜산으로부터 2차 담즙산으로 생합성된다. 이 반응은 일부 장내 세균이 가진 담즙산-7α-데히드록실라제에 의해 리토콜산이 생성된다.[238] 리토콜산은 사람이나 실험 동물에게 암을 발생시키는 것으로 알려져 있다[239]. 발암성을 가진 리토콜산 등의 2차 담즙산을 만들어내는 장내 세균은 모두 클로스트리디움속에 속하는 것으로, 신덴스균, 하이레몬아에균, 히라노니스균 등 6종류가 현재까지 발견되었다[240]
질산태 질소를 포함한 비료가 대량으로 시비된 결과, 지하수가 질산태 질소에 오염되거나, 잎채소 안에 대량의 질산태 질소가 잔류하는 등의 현상이 발생하고 있다. 인간을 포함한 동물이 질산태 질소를 대량 섭취하면, 장내 세균에 의해 아질산태 질소로 환원되며, 이것이 체내에 흡수되어 혈액 중의 헤모글로빈과 결합하여 메트헤모글로빈을 생성하여 메트헤모글로빈혈증 등의 산소 결핍증을 일으킬 가능성이 있을 뿐만 아니라, 2급 아민과 결합하여 발암 물질인 니트로소아민을 생성하는 문제가 지적되고 있다[241][242] . 채소류에는 주로 비료 유래의 질산염, 아질산염이 많이 포함되는 경우가 있다. 시판 절임 식품 중에는 질산염, 아질산염이 많으며, 그중에서도 잎채소류가 가장 높고, 다음으로 뿌리채소류, 과채류 순으로 많았다는 보고가 있다[243] . IARC 발암성 위험 목록에서는 "아시아식 채소 절임 (Pickled vegetables (traditional in Asia))"이 Group2B(사람에 대한 발암성이 의심되는 (Possibly Carcinogenic) 화학 물질, 혼합물, 환경)로 취급되고 있다. 아시아식 채소 절임이란, 중국, 대한민국, 일본의 전통적인 절임을 의미하며, 낮은 농도의 니트로소아민 등이 검출되고 있다[244] .
황화수소 생성균이 생성하는 황화수소가 궤양성 대장염의 원인이라는 지적이 있다. 대장의 점막에는 황화수소를 대사하는 효소가 존재하지만, 그 처리량 이상의 황화수소에 대장이 노출되는 것이 궤양성 대장염의 원인이 될 수 있다는 지적이 제기되고 있다.[245] 황화수소는 미토콘드리아에 존재하는 시토크롬 c 산화 효소를 억제하여 독성을 나타낸다. 고농도의 황화수소에 노출되면 아폽토시스 관련 단백질인 카스파제 3의 활성화, 미토콘드리아로부터 시토크롬 c의 유리가 관찰되어 미토콘드리아를 통한 아폽토시스가 유도될 수 있다.[246] 대장 점막을 손상시킬 수 있는 유해 물질의 발생을 제어하기 위해 꿀풀과를 중심으로 한 몇몇 식물의 추출물을 동물에게 투여하여 황화수소와 메탄티올의 발생을 억제하는 것이 밝혀졌다.[247] 영국에서 진행된 조사에 따르면 약 3분의 1의 사람들이 메탄균을 보유하는 메탄 생성자이다. 메탄 가스를 생성하지 않는 사람의 경우, 수소를 이용하는 메탄균 대신 황산 환원균이 수소나 젖산을 이용하여 황산 이온을 환원시켜 황화수소를 생성한다.[248]
아노이리나아제(=티아미나아제)는 비타민 B1을 분해하는 효소이다. 아노이리나아제는 일부 산채(고사리나 고사리)、담수어 (잉어나 붕어)의 내장, 바지락 등에 포함되어 있다. 또한, 가열하면 통상적으로 이 효소는 실활한다. 아노이리나아제를 생산하는 아노이리나아제균을 장내 세균으로 보유하고 있는 사람도 수 % 존재한다고 알려져 있다. 그러나, 이 균을 보균하고 있더라도, 비타민 B1 결핍증인 각기병의 자각 증상, 타각 증상을 나타내는 경우는 거의 없다[249]。
비만 유무에 베루코미크로비움문에 속하는 아커만시아 뮤시니필라(Akkermansia muciniphila)라는 장내 세균이 관여한다는 지적이 있다. 이 세균이 적은 사람일수록 BMI 수치가 높다. 마른 사람의 경우 이 세균이 장내 세균의 4%를 차지하지만, 뚱뚱한 사람의 경우 거의 0%이다. 이 세균은 장벽을 덮는 점액층 표면에 숨어 있다. 이 세균이 적으면 점액층이 얇아져 리포다당류가 혈액으로 쉽게 들어갈 수 있다고 알려져 있다. 리포다당류는 지방 세포의 염증을 일으켜 새로운 지방 세포 형성을 방해하고, 기존 세포에 지방의 과도한 축적을 일으킨다. 일반 마우스의 주요 2가지 장내 세균과 비교했을 때 비만 마우스의 장내 세균은 박테로이데스문이 적고 피르미쿠테스문이 많았다. 사람에게서도 유사한 결과가 나타났다. 무균 마우스에 일반 마우스와 비만 마우스의 장내 세균을 이식한 결과, 각각 유사한 현상이 발생했다. 비만 마우스의 경우, 마른 마우스에 비해 피르미쿠테스문에 속하는 클로스트리디움속이 월등히 많이 존재했다[250] . 사람의 경우, 이탈리아 도시 지역의 저식이섬유·고에너지 식단을 섭취하는 어린이의 변에서는 피르미쿠테스문이 많았고, 아프리카의 고식이섬유·저에너지 식단을 섭취하는 어린이의 변에서는 박테로이데스문이 많았다[251] . 피르미쿠테스문은 지질과 단백질을 선호하고, 박테로이데스문은 식이섬유를 선호한다. 반대로 말하면, 고식이섬유·저에너지 식단을 지속하면 피르미쿠테스문 세균이 감소하고, 살이 덜 찌게 된다[252] . 한편, 과거 연구를 재분석한 2014년 연구에서는 피르미쿠테스문과 박테로이데스문 간의 비율이 인간의 비만과 일관된 관련성이 없다는 점이 지적되었다[253] .
1950년대부터 미국의 농가에서 약용으로 부족한 저용량의 항생물질을 가축에게 투여하는 것이 가축의 체중 증가를 대폭 가속화하는 것이 확인되어, 이를 사육에 이용해 왔다. 실험 동물인 마우스에게 저용량의 항생물질을 투여해도 체중 증가를 보였다. 생후 6개월 된 유아에게도 항생물질 투여와 체중 증가가 관련되어 있었다[254] .
5. 기타 동물
인간 외의 다양한 동물도 장내 미생물을 가지며, 그 조성은 동물 종에 따라 다르다.[265] 기본적으로는 모두 박테로이데스속(''Bacteroidesla''속) 등의 편성 혐기성균이 우세하지만, 사람, 원숭이, 기니피그 등에서는 유산균으로 비피더스균의 종류가 많은 반면, 돼지, 생쥐, 개, 말 등에서는 락토바실러스(''Lactobacillusla'')가 많다.[265] 말, 토끼 등 초식 동물은 혐기성 세균을 축적하는 비대해진 맹장이나 결장을 가지고 있다.[265] 반추 동물인 소의 제1위에서는, 셀룰로스를 분해하여 아세트산이나 낙산 등을 생성하는 루미노코쿠스속이 많고, 50-100만의 섬모충류도 살고 있으며, 아마 동거하고 있는 세균을 식용으로 하고 있다.[265] 고양이, 토끼, 소 등에서는 두 종류의 유산균 모두 적다.[265]
흰개미와 관련된 미생물 군집은 개체 중량의 대부분을 차지할 수 있으며 리그노셀룰로스의 소화와 질소 고정에 중요한 역할을 수행한다.[157] 항생제[158] 또는 붕산[159](예방 치료에 사용되는 일반적인 제제)와 같은 물질을 사용하여 흰개미의 장내 미생물군을 파괴하면 소화 기능에 심각한 손상을 일으키고 기회 병원체의 증가를 초래하는 것으로 알려져 있다.[159] 흰개미 등의 하등 흰개미류에서는 소화관 내에 사는 공생 원생동물의 효소로 식물 섬유의 셀룰로스를 분해하여 소화 흡수한다.[266] 공생하고 있는 것은 초편모충류와 다편모충류가 중심이며, 그 대부분은 흰개미의 장내에만 서식하고 있다.[266]
조류에서는, 닭에게는 박테로이데스와 락토바실러스가 있다. 어류에서는, 연어, 농어 등에서 해수성 비브리오가 발견되고 있다.[265]
51년 이상 동안, 저용량의 항균제를 투여하면 가축의 성장을 촉진하여 체중 증가를 증가시키는 것으로 알려져 있다.[163] 생쥐를 대상으로 한 연구에서, 서로 다른 항생제의 아(亞)치료 용량으로 처리된 동물에서 ''Firmicutes''와 ''Lachnospiraceae''의 비율이 유의하게 증가했다.
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