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[윤복근 교수 칼럼] 포스트바이오틱스(Postbiotics)의 기능성식품 적용성

  • 일간투데이
  • 승인 2019.10.21  14:34:07
  • 19면
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윤복근 교수

[일간투데이] 지금까지 박테리아가 건강상의 유익한 기능을 실행하기 위해서는 생존력이 중요하다고 알려져 왔다. 그러나 paraprobiotics 또는 postbiotics와 같은 새로운 용어의 등장으로, 생존 불가한 미생물 세포, 미생물 성분 또는 세포용해물이 추가적인 생물작용을 촉진시킴으로써 숙주에게 생리학적 이점을 제공할 수 있음이 밝혀졌다.

따라서 이번 글에는 postbiotics 개념에 대한 개요, 건강상의 이익에 관한 증거 및 보호효과와 연관된 신호경로뿐만 아니라 식품 및 의약품 응용에 대한 관점을 제공하고자 한다.

Postbiotics는 효소, 펩티드, 테이코산(teichoic acids, 그람양성균의 세포벽에 박혀있는 산성물질), 펩티도글리칸 유도 뮤로펩타이드(peptidoglycan-derived muropeptides), 다당류, 세포 표면 단백질 및 유기산과 같은 박테리아 분비물, 또는 세포용해물로부터 얻어지는 용해인자(제품 또는 신진대사 부산물)를 일컫는다. 

 

Postbiotics는 항염증, 면역조절, 항비만, 혈압강하, 저콜레스테롤혈증, 항증식성 및 항산화 활성을 가지는 다양한 신호분자의 명확한 화학구조, 안전 투여량 파라미터 (safety dose parameter), 긴 저장수명으로 주목을 이끌었다. 이러한 특성들은 postbiotics가 특정한 생리적 기능들을 향상시킴으로써, 숙주의 건강 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.

몇몇 연구들은 장내 세균세포(gut bacterial cells)의 건강증진 효과를 뒷받침하는 몇 가지 메커니즘에 대한 타당한 증거를 제시했다. 이 메커니즘들은 내장 microbiota의 변화, 점막과 상피세포의 경쟁적 순응 (competitive adherence), 상피 내막 장벽기능의 향상 및 면역계 조절을 포함한다. 이러한 메커니즘들은 박테리아의 생존력에 의존한다는 점이 중요하다.

그러나 최근에 밝혀진 증거에 따르면 박테리아 생존력은 건강증진 효과를 달성하는데 꼭 필요하지 않은 것으로 알려졌는데, 모든 메커니즘이나 임상적 이점이 생존력이 있는 세균과 직접 관련이 있는 것은 아니기 때문이다.

 

 Lee, Zang, Choi, Shin, Ji (2002)의 연구에 따르면 네 종류의 Bifidobacterium bifidum BGN4 성분 (전체 세포, 무 세포 추출물, 정제 세포벽 및 배양 상등액)모두 면역 조절 능력이 뛰어난 것으로 나타났으며, 각 성분마다 다른 패턴의 면역반응을 보였다.

또한 높은 수치의 미생물 탄수화물을 함유한 비피도박테리움 속(Bifidobacterium)과 락토바실러스 속(Lactobacillus spp)의 성분과 추출물이 상당한 시험관내 종양억제작용을 보여주었다. 

따라서, 박테리아의 생존력이 건강상의 이익을 위한 필수요건이 아님을 암시하는 probiotics 및 postbiotics와 같은 새로운 용어가 등장하면서, 기능성 건강식품산업에 잠재적 기회가 열려있음을 시사했다. "생존할 수 없는 probiotics", "비활성화 된 probiotics" 또는 "ghost probiotics"라고도 알려진 Paraprobiotics는 충분한 양이 투여될 때 투여자에게 도움이 되는 비활성(비생존) 미생물 세포를 의미한다.

Probiotics의 건강상 효과는 입증되었지만, 면역체계가 불균형하거나 손상된 사람들에게probiotics가 전위, 감염 또는 염증반응을 일으킨 것으로 나타났는데, 비생존 미생물 세포는 이러한 위험들을 감소시킴으로써 probiotics보다 안전상의 이점을 가질 수 있다.

박테리아 세포의 비활성화는 미생물 세포구조 또는 생리적 기능을 변화시킬 수 있는 물리적(기계적 파괴, 열처리, γ- 또는 UV 조사, 고 정수압, 동결건조, 초음파 처리) 또는 화학적 (산성 비활성화) 방법으로 수행 할 수 있다. 그러므로 박테리아가 성장할 수 없게 되고, 이런 기능을 하는 상태로 인간에게 유익한 건강효과를 제공할 수 있다.

그와 반대로, postbiotics란 용어는 생균에 의해 분비되거나 세균 용해 후 방출되는 용해성 인자 (생성물 또는 대사부산물)를 의미한다. 이러한 부산물은 추가적인 생물작용을 가능케함으로써 숙주에게 생리학적 이점을 제공한다. 이러한 용해성인자는 여러 박테리아 균주에서 수집된다.

그 예로, 단쇄지방산 (SCFA, Short-chain fatty acid), 효소, 펩타이드, 테이코산(teichoic acids), 펩티도글리칸(peptidoglycan-derived) 유도 뮤로펩타이드(muropeptide), endo-, exo-polysaccharides(다당류), 세포 표면 단백질, 비타민, 플라스마로겐(plasmalogen) 및 유기산이 포함된다.

과학적 데이터는postbiotics가 항생, 항산화 및 면역조절을 비롯한 다양한 기능적 특성을 보유하고 있다는 증거를 제공했다. 이러한 특성들은 미생물 항상성 및 숙주의 대사 그리고 신호전달 경로에 긍정적인 영향을 미침으로써, 특정 생리적, 면역학적, 신경호르몬 생물학적, 제어 및 신진대사 반응에 영향을 미친다.


현재 광범위한 참고문헌들은 생존력을 가진 "좋은"박테리아에 대한 기초, 치료 및 기술적 측면을 다룬다. 이 문헌의 대부분은 전체 세포 (살아 있거나 열에 의해 죽은 세포) 또는 막 세포벽 성분에 초점을 맞추었으며, 세포내 용해성성분(postbiotics)은 다루지 않는다. Postbiotics의 중요성은 상대적으로 간과되었지만, 건강 증진 효과에 대한 과학적 증거가 점차 증가하고 있다.

Postbiotics의 종류와 특성

장내 세균은 미생물 성장에 필요한 영양소를 제공하기 위해 숙주에게 완전히 의존한다. 그러나 박테리아는 생명주기 동안 작은 분자량의 대사물질을 생성한다. 이 화합물은 자기 성장, 발달, 생식조절, 다른 유익한 유기체의 성장, 세포 간의 소통 및 스트레스로 인한 요인으로부터 인체 보호에 핵심적 역할을 한다.

이러한 용해성 대사물질 중 일부는 살아있는 박테리아에 의해 분비되거나 박테리아가 용해된 후 숙주 환경으로 유입되어 숙주의 세포 과정과 대사 경로를 변경함으로써 추가적인 생리학적 이점을 제공한다.

특정 박테리아 (또는 혼합 박테리아)의 유익한 특성은 서로 다를 수 있지만, 이론적으로 생물공학기법을 사용하여 대사물질의 생물학적 사본을 발현시킴으로써 다양한 유익한 특성을 발휘할 수 있는 재조합 probiotics를 설계하는 것이 가능하다.

일반적으로 postbiotics의 구성요소로는1) 낙산염(butyrate), 프로피온에스테르(propionate ester), 디메틸아세틸(dimethyl acetyl) 유도 플라스말로젠(plasmalogen) 과 같은 지질, 2) 락토세핀(lactocepin), p40 분자와 같은 단백질, 3)갈락토오스가 풍부한 다당류 및 테이코산(teichoic acid)과 같은 탄수화물, 4) 비타민·보조 인자 (예 : B 그룹 비타민), 5) 유기산 (예 : 프로피온산 및 3- 페닐젖산) 그리고 6)펩티드글리칸 유도 뮤로펩티드(muropeptide), 리포테이코산과 같은 복합체 분자들로 나뉘어질 수 있다.
다른 방법으로는,항염증성, 저콜레스테롤혈증성, 항비만성, 항고혈압성, 항증식성 및 항산화성 효과와 같은 생리학적 기능을 기준으로 나눌 수 있다.

일반적으로, postbiotics는 선명한 화학 구조, 안전 선량 매개변수 (safety dose parameter), 장기 보관 수명 (식품 재료 및 음료 또는 영양 보충제로 사용되는 경우 최대 5 년)과 같은 매력적인 특성을 가지고 있다. 또한 Shenderov (2013)가 수행한 연구에 따르면, postbiotics는 흡수, 대사, 분배 및 배설 능력이 뛰어나, 여러 기관 및 조직에 높은 효율로 신호를 보냄으로써 여러 생체 반응들을 유발한다.

더욱이, Tsilingiri 등이 이전에 입증한 것처럼 살아있는 미생물이 항상 무해하지는 않을 수도 있는데(2012) 생체외 분석에서 일부 probiotics가 살모넬라에 의해 유발된 반응과 유사한 국소 염증 반응을 유도할 수 있음을 발견했다. Postbiotics는 살아있는 미생물 투여를 할 필요 없이, probiotics의 효과를 그대로 모방할 수 있음이 입증되었다.

또한 살아있는 probiotics 박테리아 투여와 관련된 이론적 우려가 (예: 부풀어 오름과 장염, probiotics 관련 전좌, 균혈증, 진균증, 항생제 내성 유전자의 전이) 환자보고, 임상 시험 및 실험 모델을 통해 (예: 면역 억제, 미숙아)크거나 작은 (예: 장 상피 장벽 손상, probiotics 저항 항생제와 병행 투여) 부작용 위험 요인들이 보고되었다.

따라서 postbiotics 사용은 probiotic 박테리아와 관련된 위험을 피하기 위한 타당하고 안전한 대안이 될 수 있다. 이는, postbiotics가 많은 질병 치료를 위한 탁월한 전략이 될 실제적용성과 기능성을 부여한다.

Postbiotic 생물 작용 및 효과

최근 몇년간 생체 외(in vitro) (예: 다양한 세포주) 및 생체 내 (in vivo) (예: 비만 및 고혈압 쥐) 모델을 사용한 많은 연구가 추출물과 현탁액과 같은 격리된 구조, 또는 혼합물 형태로 존재하는 대사산물 및 세포벽 성분들을 포함하는 여러 postbiotics의 잠재적 생물 작용과 건강 영향을 평가하는데 사용되었다.

대부분의 경우, postbiotics는Lactobacillus 및 비피더스 (Bifidobacterium) 균주에서 얻어진다. 그러나, Streptococcus와Faecalibacterium종 또한 Postbiotics의 원천이 될 수 있음이 보고되었다.
Postbiotics 보충을 통해 혈압을 감소시켜 본 복합체에 항고혈압 수용능력을 부여한다는 사실이 입증되었다. 내피기능을 위한 이러한 보호효과 메커니즘은 장내 미생물 및 대사산물의 변화, 장벽기능의 복원, 내독소혈증, 염증 및 신장교감 신경활동에 대한 영향에 기인할 수 있다.

몇몇 연구 결과에 따르면 장내 미생물은 면역계 발달, 병원균 및 염증예방 등 위장관 기능의 광범위한 기능에도 영향을 미친다. 최근 들어postbiotic에 대한 개념이 발달하면서, Lactobacilli 균주의 분석으로부터 얻어진 데이터는 이러한 유익한 효과들이 분비물 유도 요인 (secreted-derived factors)에 의존할 수 있다는 증거를 뒷받침한다.

항염증성 사이토카인 IL-10 생산을 통해, 레티노산촉진 (retinoic acid-driven) 돌기세포와 그에 따른 세포시험관 내 L. reuteri 17938을 사용한 조절 T세포에 영향을 줌으로써, 면역조절이 영향을 받는다. Sokol et al. (2008)의 관련 연구에 따르면, 세포 내 추출물과 F. prausnitzii의 상등액 분획에 노출되었을 때 Caco-2 세포에서 IL-8 수치가 증가했다.

또한, TNBS 유도 대장염 쥐모델에 무세포 상등액을 투여하면 IL-10수치를 증가시키고 IL-12수치를 감소시킴으로써 항염증 효과를 발휘했는데, 이는 분비대사물질이 이러한 보호 효과를 유발함을 보여준다.

또 다른 결과는 Lactobacillus paracasei B21060의 배양 상등액은 결장의 체외이식 점막 조직 내에서 침습성 살모넬라의 염증성 특성으로부터 건강한 조직을 보호할 수 있으며, Lactobacillus casei DG의 배양 상등액은 전염성 대장 증후군 환자에게서 채취된 회장(ilum) 및 결장 점막 배양에서 염증반응을 완화시킬 수 있다는 증거를 제시했다.

Postbiotics는 또한 L. plantarum RG11, RG14, RI11, UL4, TL1 그리고 RS5 균주에서 얻어진 무세포상등액 배양물을 사용했을 때, Listeria monocytogenes L-MS, Salmonella enterica S-1000, Escherichia coli E-30 및 vancomycin 내성 Enterococci와 같은 병원균을 억제하는 병원성 박테리아로 알려져 왔다.

여러 postbiotics는 광범위한 생물작용을 보이며, 동시에 여러 생리학적 경로를 촉발시킬 수 있다. 예를 들어, LTA와 같은 일부 세포벽 성분은 항종양, 항산화 및 면역조절 능력을 비롯한 다양한 생체 활성을 나타내는 것으로 보고되었다.

게다가, 몇몇 비피더스 균주 내에서 H2O2 유도 산화 스트레스에 저항성을 부여하는 내생성(endogenous) 항산화제로 알려진 플라스말로겐(plasmalogen)을 포함한 미생물막 스테롤(microbial membrane sterol) 유사 화합물이 특별한 관심을 받았다.

다른 연구들에 따르면, 장내 미생물에 의해 생성된 SCFA는 G 단백질 결합 수용체(GPRs)와 같은 수용체의 활성화를 통해 지질 대사, 포도당 항상성 및 인슐린 민감성의 조절을 개선하는 신호전달물질로써 기능한다고 밝혀졌다.

이를 통해, 에너지 균형조절에 기여하고, 대사성 항상성(metabolic homeostasis)을 유지한다. 특정 SCFAs (예: 낙산염(butyrate), 아세트산염(acetate) 및 프로피온산도 설치류 및 인간에서 혈장 콜레스테롤 항상성에 기여하는 것으로 입증되었다.

Postbiotics의 간보호작용도 기술되어있다. 이러한 의미에서 Lactobacillus fermentum BGHV110의 세포용해물 현탁액은 PINK1 신호 전달 경로를 통해 HepG2 세포 내 자가소화작용인 자식작용(autophagy)을 활성화시킴으로써, 아세트아미노펜(acetaminophen)에 의한 간독성을 감소시켰다.

Sharma et al. (2011)의 연구에 따르면, 배양된 쥐 간세포에서 Enterococcus lactis IITRHR1 및 Lactobacillus acidophilus MTCC447의 세포내 성분이 acetaminophen에 의해 유발된 간세포 독성에 보호효과를 나타낸 것으로 알려졌다. 또한, 저자들은postbiotics가 글루타티온(glutathione)수치를 회복시키고 산화 스트레스 생체지표(biomarker)의 수치를 낮출 수 있는 잠재력이 있음을 발견했다.

아울러 postbiotics는 효소 대사활성에 도움이 되는 제품으로도 생산될 수 있다. Canocini et al. (2011)은 Saccharomyces boulardii에서 얻은 배양 상등액이 생체외 모델을 사용한 α2β1 인테그린(integrin) 콜라겐 수용체의 활성화를 통해 상처 회복능력과 상피세포 이동을 개선한다고 보고했다.

또한 7일 동안 쥐의 배양 상등액 경구투여가 면역염색에 의해 밝혀진 바와 같이, 소장조직의 융모축 (crypt-villus axis)을 따라 장세포 이동을 개선한다는 것을 발견했다. 이런 데이터는 상등액이 손상된 장 상피세포의 회복 과정을 개선시키고 다양한 위장 장애에 대한 잠재적인 치료작용을 보일 수 있음을 시사한다.

Postbiotics의 생물작용 특성들은 이러한 화합물이postbiotics, 다른 대사산물과 살아있는 미생물의 복합 효과를 통해 더 나은 특정 생리적 효과들을 제공함으로써, 숙주 건강의 향상에 기여할 수 있음을 보여준다. 이러한 시너지 효과는 결국 더욱 효과적인 보호기능으로 나타날 것이다.


일간투데이 duden0730@gmail.com

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