폐 마이크로바이옴과 호흡기질환 관리의 미래

The Lung microbiome and the future management of respiratory disease

2020년 1월 22일

 

우리 폐는 미생물로 가득 차 있습니다. 미생물 중 일부는 다른 유해한 유기체로부터 우리를 보호해주는 반가운 손님이지만, 일부는 우리 몸에 있는 면역체계보다 수가 많을 경우 문을 부수고 들어와 문제를 일으키는 불청객이 될 수도 있습니다.

10년 전 까지만 해도 건강한 사람의 폐에는 균이 살지 못한다고 생각했지만, 이제 우리는 폐 안에 다양한 균, 바이러스, 곰팡이가 존재한다는 사실을 알고 있습니다.[1,2,3] 우리 폐 안에 살며 유전자 물질로 구분되는 미생물 군집(microbial community)은 폐 마이크로바이옴(lung microbiome) 이라고 불리며, 반드시 나쁘기만 한 것은 아닙니다. 과학자들은 마이크로바이옴이 어떻게 한 개인의 질병 상태에 대한 정보를 제공하고, 개인의 치료 결정을 이끌며, 환자의 치료 결과를 개선시키는지 알아보기 위해 폐 마이크로바이옴을 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 호흡기질환에 대한 신약 개발을 이끌 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다.

100,000

공기에는 1입방 리터당 10만 개의 박테리아가 존재합니다.

10,000

성인 1명은 매일 1만 리터의 공기를 마십니다.

10억

우리의 폐로 매일 최대 10억 개의 박테리아가 유입됩니다.[3,6]

지문처럼 사람마다 다른 '폐 마이크로바이옴'

폐 마이크로바이옴은 객담 샘플(sputum samples)을 채취하는 방식으로 분석됩니다. 첨단 검사기법(16S ribosomal (r) RNA 및 metagenomic sequencing)은 샘플 안에 존재하는 다양한 균 수와 정체에 대한 정보를 얻을 수 있게 해줍니다.[4,5]

폐 마이크로바이옴은 많은 요인들에 의해 영향을 받아 구성되기 때문에 개인마다 다른 특성을 가지고 있습니다.[4,5,6] 식습관, 운동, 항생제 사용, 인종, 환경요인, 노화, 그리고 거쳐온 삶 모두가 영향을 미치며, 시간이 지나면서 바뀔 수 있습니다.[6]

폐 마이크로바이옴에 영향을 미치는 3개의 주요 요인은 다음과 같습니다.[1,4]

1. 숨을 쉴 때 위장 또는 구강에서 기도로 유입되는 다양한 유기체

2. 폐가 효과적으로 미생물을 제거하는 정도

3. 폐 내부 상태 및 미생물 성장에 유리한 정도

폐 마이크로바이옴이란?

던디대학교 호흡기질환 연구학과 제임스 찰머스 교수(Professor James Chalmers, Professor of Respiratory Research at the University of Dundee)가 폐 마이크로바이옴이 호흡기질환 치료제의 미래에서 매우 중요한 이유에 대해 설명합니다.

폐 마이크로바이옴은 왜 호흡기질환 분야에서 각광받고 있을까?

‘착한’ 장 박테리아들은 우리 생명에 꼭 필요한 기본적인 기능들을 많이 하기 때문에, 그 중요성이 널리 인정되어 왔습니다. 지난 10년 동안, 우리 몸의 다양한 부분에 있는 마이크로바이옴이 암, 심혈관질환, 장기이식 거부반응, 파킨슨병, 뇌졸중, 비만 같은 다양한 질환과 관련되어 있는 이유를 입증하기 위한 연구가 계속 이어져 왔습니다.[2]

호흡기에서 폐 마이크로바이옴이 담당하고 있는 복잡한 역할을 이해할 수 있다면, 질병의 증상을 완화하고 질병의 진행정도를 늦출 수 있는 방법을 찾게 될지도 모르며, 이런 지식은 더 나은 치료제를 개발하는데 도움이 될 수 있습니다.

폐 질환은 폐 조직 구조를 다양하게 변화시키면서 폐 환경을 바꾸고, 이러한 환경 변화는 폐 마이크로바이옴의 미세한 균형에 영향을 미치게 됩니다.[2,6] 폐 안의 상태가 바뀌면, 건강한 폐를 좋아하는 ‘착한’ 균들의 종류와 수는 줄어들게 되고, 반면 새로운 환경에서 더 자라기 쉬운 특정 종류의 박테리아들은 번식하기 시작합니다.[2,4,6]

천식 또는 만성폐쇄성폐질환 환자는 어떨까?

천식 환자와 호흡기질환이 없는 사람을 비교한 연구에 따르면, 많은 천식 환자들은 유익한 박테리아 수가 적어지는 반면, 잠재적인 병원성(해로운) 박테리아 비율이 더 높은 것으로 나타났습니다.[5] 이런 변화는 질병을 더 악화시키거나 예후를 더 나쁘게 만들 수 있습니다.[5]

시골생활 등을 통해 어릴 때 미생물이 많은 환경을 접할 경우 천식 발생을 예방할 수 있습니다.[5]

만성폐쇄성폐질환(COPD; Chronic obstructive pulmonary disease)은 폐기능이 손상된 질환으로, 사망률이 높다는 특징이 있습니다.[2,7] COPD 증상이 갑작스럽고 일시적으로 악화되는 것을 ‘급성악화’라고 하는데, 증상 악화를 경험하는 환자들은 추가 치료와 입원이 필요한 경우가 많습니다.[2,6,8]

COPD 관리가 어려운 이유 중 하나는 환자마다 질병의 진행 상태, 중증도, 증상 및 사망위험이 모두 다르다는 것입니다.[9]

각기 다른 두 명의 COPD 환자에서 서로 다른 증상 악화가 나타날 수 있기 때문에, 의료진은 둘 중 어떤 환자가 더 위험한지, 어떤 환자가 특정 치료제로 효과적인 치료가 가능할지 구분하기가 어려워집니다.[2,6,9] 폐 마이크로바이옴은 이런 차이를 이해하는 데 도움을 주고 있습니다.

COPD 환자의 폐는 건강한 대조군에 비해 박테리아 군집(Communities)이 더 두드러지게 나타나기 때문에, 다양한 종류의 박테리아가 감소된 흔적을 보이는 COPD 환자는 질병이 더 악화돼 있음을 암시합니다.[2,7,8] 폐 마이크로바이옴은 증상 악화 또는 증상을 악화시킬 수 있는 원인들을 구분하는데 도움을 줍니다. 증상이 악화되는 동안 폐 마이크로바이옴이 변하기 때문에, 증상이 안정적일 때와 악화될 때 박테리아의 종류와 수가 다르다는 것은 여러 연구를 통해서 확인되었습니다.[2,7,8]

GSK는 호흡기질환 연구에 폐 마이크로바이옴을 어떻게 사용하고 있을까요?

호흡기 연구분야에서 50년 역사를 이어온 GSK는 꾸준히 미래를 내다보며 호흡기질환으로 고통받고 있는 환자들의 삶을 개선하는 새로운 방법을 찾아내기 위해 노력하고 있습니다. GSK의 연구는 폐 안에 있는 각기 다른 박테리아 그룹들이 어떻게 변화하면서 호흡기 상태에 대한 정보를 주는지, 그리고 새로운 치료제를 개발하기 위한 새로운 타깃이 무엇인지를 알아내기 위함입니다.

폐 마이크로바이옴과 인체 간 복잡한 상호작용을 이해함으로써 단순히 COPD에 그치지 않고 기타 다른 호흡기질환을 포함한 호흡기 전반을 치료하는 방법을 발견할 수 있을 것이다.

COPD Endotyping 브루스 밀러 대표, GSK 선임연구원(Bruce Miller, COPD Endotyping Lead, GSK Senior Fellow)

GSK는 우수한 전문가 및 연구팀과 협력하고 있습니다. GSK의 폐 마이크로바이옴 연구는 견고한 샘플링 기법을 활용해 많은 환자 대상으로 진행되고 있으며, 시간의 흐름에 따른 각 환자의 변화를 확인하고 있습니다. 또한, 환자의 폐 마이크로바이옴에서 보이는 변화는 염증이나 면역체계 활성화를 암시할 수 있는 다른 임상적 요인과 매칭됩니다. 이러한 과정을 통해 폐 마이크로바이옴과 호흡기 건강 간의 복잡한 상호작용에 대해 더 많은 정보를 알 수 있습니다.

폐 마이크로바이옴을 구성하는 요인들에 대해 많이 알려진 바가 없기 때문에, GSK의 연구는 매우 흥미롭습니다.[5]

의료진이 환자의 질병 경과 및 악화 상태, 다른 호흡기질환과의 합병증 위험이 더 높은 환자를 확인하는 데 폐 마이크로바이옴이 도움을 주며, 환자에게 더 적극적이고 맞춤화 된(정밀 의학) 치료법을 제공할 수 있도록 해줍니다.

GSK의 연구로 폐 마이크로바이옴에 악영향을 끼치는 특정 요소를 사전에 예방할 수 있는 백신이나 표적약물이 개발될 수 있을 것이고, 이로 인해 폐 손상이나 질병의 진행, 더 나아가 호흡기질환의 발병을 감소시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.[2]

폐 마이크로바이옴과 면역반응이 특정 박테리아에 반응하는 방식을 조절할 수 있게 되고, 이를 기반으로 새로운 타깃을 발견해 혁신적인 신약을 개발하며, 현재 사용하는 치료법으로는 불가능했던 질병을 관리할 수 있게 될 것입니다.


References

1. Dickson RP and Huffnagle GB. The lung microbiome: new principles for respiratory bacteriology in health and disease. PLOS Pathol 2015; 11(7): e1004823.

2. Domenico Maurizio Toraldoa and Luana Conte. Lung Microbiota Dysbiosis in COPD Exacerbations. J Clin Med Res 2019;11(10):667-675

3. Cookson WOCM, Cox MJ and Moffatt MF. New opportunities for managing acute and chronic lung infections. Nat Rev microbiol 2018 118(16): 111-120

4. Richardson H, Dicker AJ, Barclay H, et al. The microbiome in bronchiectasis. Eur Respir Rev 2019; 28: 190048

5. Moffatt MF and Cookson WOCM. The lung microbiome in health and disease. Clinical Medicine 2017 17(6): 525–9

6. O’Dwyer DN, Dickson RP, Moore BB. The lung microbiome, immunity and the pathogenesis of chronic lung disease. J Immunol 2016; 196(12): 4839–4847.

7. Wang Z, Bafadhel M, Haldar K, et al. Lung microbiome dynamics in chronic obstructive pulmonary disease exacerbations. Eur Respir J 2016; 47(4): 1082–1092.

8. Mayhew D, et al. Longitudinal profiling of the lung microbiome in the AERIS study demonstrates repeatability of bacterial and eosinophilic COPD exacerbation 2018;73:422–430

9. Caverly LJ, Huang YJ, Sze MA. Past, present, and future research on the lung microbiome in inflammatory airway disease. CHEST 2019; 156(2): 376–382.

10. Dicker AJ, Lonergan M, Keir HR, et al. Lung Microbiome Dysbiosis is associated with Mortality in Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). ERS 2019 Abstract OA358.