HMO와 영아 장 건강의 관계 탐구

요약

• 사람 유래 모유 올리고당(HMOs)은 유아 장에서 비피도박테리움 속의 안정적인 정착을 지원하는 인간 모유의 중요한 생리활성 성분입니다.^1,2
• 연구에 따르면 비피도박테리아는 유아의 건강에 유익하며, 면역계 성숙에 기여하고 감염으로부터 보호를 제공합니다.³ HMOs와 비피도박테리아 사이의 기전적 연관성을 이해하는 것은 HMOs가 유아 건강에 미칠 수 있는 잠재적 이점을 완전히 규명하는 데 필수적입니다.
• dsm-firmenich의 HMO Donation Program이 HMOs 분야 연구를 어떻게 지원해 왔는지 조사하는 일련의 인터뷰 중 첫 번째로, HMOs와 Bifidobacterium.^4–9 dsm-firmenich가 그의 연구에 HMOs를 제공함으로써 가타야마 다케네 교수(교토대학교)의 연구를 지원한 내용을 살펴봅니다.

어떤 세균 군집이 영아 장내에서 두드러지며, 모유와는 어떤 관련이 있습니까?

장내 미생물군은 인간의 건강과 질병에 밀접하게 연관되어 있습니다. 여러 연구는 장내 미생물군이 초기 생애에 형성되며, 에너지 대사와 면역 발달에 장기적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.^10,11 Bifidobacterium은 인간 장을 식민화하는 첫 번째 우점성의 안정적인 세균 속입니다.⁹ 연구에 따르면 모유 수유는 Bifidobacterium이 풍부한 영아 장내 미생물군을 유도하며, 이는 모유 수유 영아의 장에서 우세한 세균 집단입니다.⁶ 비피도박테리아는 이유식으로 전환할 때까지 영아 장에서 우세한 세균으로 남아 있으며, 이는 모유에 비피도박테리아의 성장을 선택적으로 자극하는 성분이 있음을 시사합니다.

1950년대에 모유에는 푸코스, 갈락토스, 시알산, N-아세틸글루코사민 및 포도당으로 구성된 분해되지 않는 성분인 인간 모유 올리고당(HMOs)이 포함되어 있다는 주장이 처음 제기되었습니다.¹² 그러나 특정 Bifidobacterium 종이 HMOs를 이용할 수 있다는 것을 우리가 보고한 것은 2011년이 되어서였습니다.⁶ 이 중대한 발견 이후, 지속적인 연구는 영아의 건강한 장내 미생물군을 유지하는 데 있어 HMOs의 전체적인 역할을 규명하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

HMOs는 영아 마이크로바이옴에 어떻게 영향을 미칩니까?

HMO는 인간 모유에서 락토스와 지질 다음으로 가장 풍부한 세 번째 고형 성분입니다.¹³ 이들은 췌장 소화에 저항성을 보여 소화되지 않으며, 그대로 대장에 도달해 Bifidobacterium 종이 이용할 수 있습니다.¹³

영아 장내 미생물군의 형성은 Bifidobacterium 종의 HMO 섭취 수준에 의해 영향을 받습니다. 실제로, 대변 내 HMO 농도는 영아에서 Bifidobacterium의 대변 내 풍부도와 음의 상관관계를 보였습니다.¹⁴ HMO가 장내 미생물군에 어떻게 긍정적인 영향을 미치는지 조사하기 위해, 우리는 Bifidobacterium longum infantis 종에서 두 개의 푸코실락토스(FL) 수송체를 확인하고 특성화했습니다.⁹ 우리의 연구는 FL 수송체가 모유 수유 영아의 대변 샘플에서 풍부하며, 모유 수유 영아에서 비피도박테리아가-풍부한 미생물군 형성과 양의 상관관계를 보인다는 것을 밝혀냈습니다.⁹ 반면 분유를 먹는 영아의 대변에서는 FL 수송체 유전자가 풍부하지 않았으며, 이는 이 유전자들이 모유 수유 영아 장내 미생물 생태계에만 존재함을 시사합니다.

이러한 연구들은 Bifidobacterium 종이 HMO를 이용한다는 중요한 발견과 함께, 영아 영양 솔루션에 HMO를 포함하는 연구를 가속화했습니다. 이로 인해 인간 모유에서 가장 풍부한 HMO인 2’-푸코실락토스(2’FL)의 상용화로 이어졌습니다.⁷

비피도박테리아 균주에 의한 HMO 대사의 기전은 무엇입니까?

비피도박테리아 균주가 HMO를 이용할 수 있는 주요 경로는 두 가지가 있습니다.⁹ 첫째, 일부 Bifidobacterium 종은 HMO를 단당류와 이당류로 분해하는 효소를 보유하고 있으며, 이들은 이후 흡수를 위해 유입됩니다.⁵ 반면 다른 Bifidobacterium 종은 ATP 결합 카세트(ABC) 수송체를 사용하여 온전한 HMO를 세포내에서 소화합니다.⁴

일부 Bifidobacterium 종의 우선 도착은 영아 장내 미생물군의 추가 발달에 역할을 할까요?

미생물 군집에서 새로운 Bifidobacterium 종의 정착은 도착 순서 및/또는 시기에 따라 달라질 수 있으며, 이를 우선 효과(priority effect)라고 합니다. 비피도박테리아는 이질적인 세균으로, 서로 다른 종과 균주가 HMO를 이용하는 능력이 다양하며, 이는 비피도박테리아 군집 형성에 영향을 미치는 데 일부 기여합니다.

예를 들어, Bifidobacterium breve (B. breve) 종은 HMO 동화 능력이 제한적이며, B. breve 균주의 10%만이 FL 수송체 유전자를 보유하고 있고 lacto-N-tetraose와 lacto-N-neotetrose만 동화할 수 있습니다.⁸ 그럼에도 불구하고 B. breve는 HMO 매개 군집 형성 동안 우선 효과의 이점을 얻을 수 있어 영아 장내 Bifidobacterium 군집에서 때때로 우점 종이 됩니다. 예를 들어, B. breve가 HMO가 풍부한 환경에 다른 종보다 더 일찍 또는 동시에 도착하면, 다른 Bifidobacterium 종에 의해 HMO에서 방출된 푸코스와 기타 분해당을 이용하여 군집을 지배할 수 있습니다. 데이터는 B. breve 종의 4개월 영아에서의 풍부함이 출생 시 B. breve가 검출되었을 때 통계적으로 더 높았음을 보여준다.⁸ 이러한 결과는 각 종의 HMO 동화 능력뿐 아니라, 정착 시점도 영아 장내 미생물군의 성숙 궤적에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

인간은 왜 다른 영장류보다 더 많은 양의 소화되지 않는 올리고당을 합성하도록 진화했을까?

모든 영장류의 우유에는 올리고당이 포함되어 있지만, 인간의 모유만이 이를 세 번째로 풍부한 고형 성분으로 포함한다.¹⁵ 흥미롭게도, 비피도박테리아가 풍부한 미생물군은 다른 영장류가 아니라 인간 영아에서만 보고되었다. HMO 동화 유전자의 존재 비율은 Bifidobacterium 종과 균주에 따라 달라진다. 따라서 HMO 종의 다양성은 Bifidobacterium 속에서 HMO 동화 유전자의 다양한 존재와 대응할 수 있으며, 그 결과 서로 다른 개인들 사이에서 이 종의 다양성이 유지된다.

HMO 연구와 응용은 앞으로 어떻게 발전할 것으로 보나?

분유에 HMOs를 보충하여 영아의 건강한 장내 미생물군을 형성하는 것은 응용 연구에서 여전히 최우선 과제이다. HMO 연구의 중요한 목표 중 하나는 괴사성 장염(NEC)과 같은 질병을 예방하는 것인데, 이는 미숙아에게 영향을 미치는 가장 심각한 질환 중 하나이다.¹⁶ 미국에서는 최신 연구 결과, 하나의 HMO인 disialyllacto-N-tetraose(DSLNT)가 NEC 병리를 잠재적으로 예방할 수 있음을 시사한다.¹³ 이 발견은 HMOs를 활용하여 영아의 생명을 위협하는 질병의 위험을 잠재적으로 줄일 수 있는 유망한 가능성을 보여준다.

또한 HMOs는 유사한 구조를 지닌 이들 당쇄와 HMOs가 구조가 비슷하기 때문에, 바이러스와 독소가 상피세포 표면의 글리칸에 결합하는 것을 막아 병원성 부착을 차단하고 감염을 예방할 수 있다.^17–19

dsm-firmenich의 HMO 기부 프로그램 소개

HMO 기부 프로그램은 약 20가지의 서로 다른 HMO 구조와 혼합물로 구성된 dsm-firmenich의 HMO 라이브러리를 활용합니다. 이 프로그램은 HMO 접근성과 최첨단 과학을 통해 HMO 분야의 선도적 과학자들이 dsm-firmenich와 협력할 수 있도록 합니다. 현재까지 dsm-firmenich는 전 세계에서 100건이 넘는 연구 프로젝트를 지원해 왔습니다.

다카야마 가타야마 교수

가타야마는 1999년 교토대학교에서 박사학위를 받았습니다. 이후 가타야마는 Bifidobacterium에서 1,2-α-l-fucosidase와 endo-α-N-acetylgalactosamindase라는 두 효소를 유전적으로 분리했으며, 이 둘은 모두 숙주 글리칸에 작용(또는 분해)합니다. 다음으로 가타야마는 HMO 분해에 관여하는 유전자와 효소의 기능을 조사했습니다. 그의 연구는 모유의 HMO와 영아 장내 Bifidobacterium 종 사이의 관계에 대한 우리의 이해에 크게 기여했습니다.