장-뇌-미생물 축 (Gut-Brain-Microbiome Axis, GBM) 이란, 양방향 상호작용 시스템으로, 음식 섭취, 면역, 수면 등 핵심적인 생리적 기능을 조절한다.
신체적, 정신적 건강에 영향을 줄 수 있는 GBM 이론에 대하여 알아보자.
장-뇌-미생물 축(GBM) 개념 및 배경
- 장-뇌 축(Gut-Brain Axis) : 뇌와 위장관이 상호작용하며 자율신경계, 시상하부-뇌하수체-부신 축(hypothalamic-pituitary-adrenal axis, HPA), 면역계 등을 통해 소통한다는 개념.
장-뇌-미생물 축(GBM)개념에 앞서 연구된 개념이며, 뇌하수체의 내분비 기능이 알려지고 스트레스라는 개념이 확립된 이후에 관심을 받게 되었다.
- 장-뇌-미생물 축(GBM): 장-뇌 축에 장 내 미생물이 추가되었으며, 뇌와 장 사이의 양방향 신호 전달을 매개한다는 개념.
장 내 미생물이 뇌 발달, 행동, 신경학적 질환에 영향을 미친다는 연구 결과가 다수 발표되고 있다.
GBM 구성 요소 및 상호작용 매커니즘
내장 감각 (interoception)
- 뇌가 신체 내부 상태 정보를 처리하며, 장내 미생물군이 주요 신호원으로 작용.
- 주요 경로: 장 신경계(ENS), 척수, 뇌간을 통해 신경 신호 생성.
- 관련 뇌 구조: 뇌섬엽과 전측 대상피질은 감각 정보를 통합하고 정서적/사회적 과정에 관여.
음식 관련 대사물 (food-related metabolites)
- 단쇄 지방산(Short-chain fatty acids, SCFAs): 식이섬유 발효로 생성, 면역 조절, 식욕, 신경 가소성 조절.
- 장내 세로토닌: 대부분의 세로토닌이 장에서 생성되며 신경 및 면역 기능 조절에 기여.
- 담즙산 및 에스트로겐: 장내 미생물이 이들의 대사를 조절해 전신 및 뇌 기능에 영향을 미침.
내인성 대사 (endogenous metabolites)
- 담즙산(Bile acids): 장내 미생물이 이차 담즙산으로 전환하여 뇌 포도당 대사와 스트레스 축(HPA 축) 억제.
- 에스트로겐(Estrogen): 장내 미생물이 에스트로겐의 재흡수를 조절하여 폐경 후 과민성 대장 증후군(IBS) 와 같은 상태에 영향을 미침
미생물 세포벽 신호 (Signals of microbial cell wall components)
- 면역 활성화: 리포다당류(lipopolysaccharide, LPS) 등 미생물 분자가 면역 반응을 통해 뇌와 행동에 영향을 미침.
- 염증성 사이토카인: Toll 유사 수용체(Toll-like receptors, TLR) 활성화로 생성된 염증성 사이토카인이 뇌 기능 및 질환에 기여.
뇌->장->미생물 경로:
- 자율신경계와 호르몬 변화를 통해 장내 미생물군의 조성에 영향을 줌.
- 스트레스가 장 운동성 및 점막 면역 반응을 변화시킴.
미생물->장->뇌 경로:
- 장내 미생물이 신경계, 면역계, 내분비계를 통해 신호 전달. ex)단쇄지방산(SCFA)이 신경 활동 및 염증 반응에 영향을 미침.
- 장내 미생물이 신경전달물질(세로토닌, 도파민 등)을 생산하여 뇌에 간접적으로 작용.
장-뇌-미생물 신호의 장벽 (Barriers to GBM signaling):
- 장 장벽(Intestinal barrier)
- 구성: 상피세포층(긴밀 이음), 점액층(외층과 내층).
- 문제 요인: 서구식 식단으로 점액층 손상, 염증 유발, 대사성 내독소혈증.
- 보호 기전: SCFAs 생성 미생물이 장벽 투과성 감소
- 혈액-뇌 장벽(Blood-brain barrier, BBB)
- 역할: 뇌와 순환계 간 분자 이동 조절.
- 장내 미생물의 영향: SCFAs와 미생물군이 BBB 투과성을 감소시키고 염증에 의한 손상 조절
장 내 미생물군의 구성 및 기능
- 건강한 인간 장내 미생물군은 Firmicutes와 Bacteroidetes가 주를 이룸.
- 건강한 미생물군은 저항성, 회복성, 풍부함, 다양성을 특징으로 하며, Bifidobacterium과 Lactobacillus가 대표적인 유익균으로 꼽힘.
- Firmicutes : Bacteroidetes 비율은 비만 등 병리학적 상태와 연관 가능.
관련 질환 및 치료적 응용
과민성장증후군(IBS):
- 스트레스와 장내 미생물 불균형이 주요 기전.
- 장 투과성 증가와 내장 감각의 변화와 연관됨.
염증성 장질환(IBD):
- 장내 미생물 불균형과 특정 병원균의 연관성이 밝혀짐.
- 불안 및 우울증과의 양방향 상관성이 확인됨.
뇌질환:
- 장내 미생물군 변화가 자폐 스펙트럼 장애, 우울증, 파킨슨병 등에 영향을 미칠 수 있음.
정신의학적 치료:
- 인지행동치료, 약물(항우울제 등)이 뇌와 장에 양방향 효과
프로바이오틱스:
- 특정 유익균(ex: Lactobacillus, Bifidobacterium)이 우울증, 불안 증상 완화에 도움.
- ‘Psychobiotics(사이코바이오틱스)’ 라는 새로운 치료 영역으로 발전.
분변 이식(FMT):
- 미생물-장-뇌 축 관련 연구는 새로운 치료법 개발의 기초를 제공하며, 임상 응용 가능성을 확장하고 있음.
- 추가 연구 필요:
- 대규모 임상시험 및 메커니즘 연구.
- 미생물군의 다양성 및 기능적 변화 분석.
식단:
- 지중해식 식단(Mediterranean diet):
- 미생물 다양성과 건강을 증진시키는 균주(ex: Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia, Bifidobacterium adolescentis)의 증가.
- 식물 기반 식단(Plant-based diet):
- 풍부한 미생물군과 Bacteroidetes, Actinobacteria의 우세.
- 유익균(예: Bifidobacterium, Lactobacillus)의 증가 및 유해균 감소.
- 발효 식품(Fermented foods):
- 프로바이오틱 미생물과 대사물질 섭취로 인한 긍정적 효과.
- 섬유질 및 프리바이오틱스(Fiber and Prebiotics):
- 미생물 다양성을 높이고 유익균(예: Akkermansia, Faecalibacterium)을 증진시키며, 병원균을 감소시킴.
참고문헌
- Mayer, E. A., Nance, K., & Chen, S. (2022). The gut–brain axis. Annual review of medicine, 73(1), 439-453.
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- Lee, A., Lee, J. Y., Jung, S. W., Shin, S. Y., Ryu, H. S., Jang, S. H., … & Kim, Y. S. (2023). Brain-gut-microbiota axis. The Korean journal of gastroenterology, DOI: 10.4166/kjg.2023.028