장내균총, 물질대사 적일까? 아군일까?

• 장내 균총, 약물 생리학적 약리활성 성분들은

[2]프로바이오틱스와 약물

지난 2007년 중국, 애완용 동물과 어린 아이들이 각각 멜라민이 들어간 사료 와 우유를 먹고 급성 신독성으로 사망하는 사건이 발생했다. 이 동물들의 사체를 부검해보니 신세뇨관에서 결정체들이 발견되었고 이를 분석한 결과 멜라민과 시아누르산(cyanuric acid)의 공결정체 (cocrystal) 로 드러났다. 이 불용성 결정체들이 신세뇨관을 막아 신장조직을 괴사시킨 것이다.

한편 2013년 발표된 멜라민을 정상 쥐와 항생제로 장내 세균총을 억제한 쥐에게 투여한 실험연구를 살펴보자. 그 결과 항생제 처리된 쥐에서 멜라민의 신독성은 감소했고, 배설은 증가된 반면 정상 쥐의 변에서는 멜라민이 시아누르산으로 생체내 변환이 일어난 것을 확인할 수 있었다. 이어 멜라민을 시아누르산으로 전환시킨 것이 Klebsiella terrigena 로 밝혀지고 이를 투여한 쥐는 멜라민 신독성이 매우 강력하게 나타났다. 이 균은 장내에 아주 적은 분포로 존재하는 상재균중 하나이며 결국 멜라민 신독성은 각 개인의 장내 세균총의 구성 및 대사능력에 의해 결정된다는 것을 알 수 있었다. 포스파티딜콜린(또는 레시친)은 생체막의 주요 구성성분이며 달걀, 우유, 닭, 조개, 물고기, 붉은 육류, 간, 콩등에 많이 들어 있다. 포스파티딜콜린의 대사체중 하나인 TMAO(trimethlamine N-oxide)가 들어간 음식을 쥐에게 먹였더니 죽상동맥경화증과 관련된 muitiple machrophage scavenger 수용체의 증가 및 혈관벽에 machrophage와 지질의 축적이 관찰됐다. 그러나 항생제 처리 또는 무균쥐의 경우에는 TMAO가 죽상동맥경화증을 초래하지 않았다. 또한 사람의 경우도 항생제를 복용한 뒤에는 혈중 TMAO수치가 크게 감소하지만 항생제를 중단한 경우 다시 증가했다.

Sulfate환원성 박테리아에 의한 콜린의 TMA(trimrthylamine)으로 전환은 choline utilization cluster의 유전자로부터 발현된 효소인 glycyl radical enzyme즉 choilne TMAlyase에 의한 glycyl radical 반응을 통해 이뤄진다. TMA는 휘발성 물질로 암모니아와 유사한 냄새가 난다. 장내 세균총이 TMA형성에 관여하고, 간의 FMOs(flavin mono-oxygenase)는 N-oxidation에 의한TMA의 TMAO로의 전환을 맡는다. 콜린과 유사한 카르니틴도 역시 장내 세균에 의해 TMA로 전환후 간에서 FMO에 의해 TMAO로 산화된다. 그래서 카르니틴을 먹인 정상 쥐는 TMA,TMAO숫자가 급증하고 죽상동맥경화가 발견됐으나 항생제 처리를 한 쥐는 그렇지 않았다. 사람 역시 카르니틴을 TMAO로 전환시킬 수 있으며 육식을 하는 사람들이 채식을 하는 사람들에 비해 TMAO 수치가 높게 나타난다.

1993년 일본에서는 항암제5-FU(5-fluorouracil) 의 prodrug인 tegafur(또는 capacitabine)을 복용중이던 18명의 암환자들이 헤르페스 바이러스에 의한 대상포진을 치료하기 위해 새로 개발된 소리부딘이라는 항바이러스제를 복용후 사망하는 사건이 발생했다. 이 항바이러스제가 세상에 나온지 불과 40일만의 일이었다. 5-FU와 그 prodrug은 장점막이나 골수와 같은, 세포의 증식이 빠른 조직에 독성이 있어, 고용량시 설사, 백혈구 및 혈소판의 감소가 발생할 수 있으나, 내인성 pyrimidine들인 uracil, thymine의 대사에 관여하는 효소인 dihydropyrimidine dehydrogenase에 의해 무독화될 수 있다. 이후 동일한 병용투여를 실시한 동물실험에서도 역시 10일만에 모두 폐사하는 결과를 가져왔다.

한편 소리부딘은 in vitro에서 동물이나 사람의 이 효소를 저해하지 않는 것으로 나타났으나 환자들에게서는 소리부딘이 이 효소의 활성을 감소시키고 정상으로 돌아오기 까지 4주가 걸리는 것을 알아냈다. 당시 bromovinyluracil이 이 효소를 강력하게 저해하여 5-FU의 반감기를 5배나 늘리는 것으로 알려졌었는데 쥐의 간, 신장, 장관에서 소리부딘을 bromovinyluracil 대사체로 전환시키는 효소 활성은 거의 없었지만 장 내용물에서는 높게 나타났다. 또한 항생제 처리한 쥐에서는 소리부딘을 투여한 경우에도 bromovinyluracil이 거의 발견되지 않았다.

이후 Dihydropyrimidine dehydrogenase에 의한 bromovinyluracil의 대사는 반응성이 있는 중간대사체를 생성하는데, 이 대사체가 비가역적으로 효소를 저해하는 소위 suicide inhibition (mechanism-based enzyme inactivation)이 나타나는 것이 밝혀졌다. 결론적으로 장내 균총에 의해 소리부딘으로부터 생성된 bromovinyluracil이 dihyropyrimidine dehydrogenase를 불활성화시켜, 5-FU가 무독화되지 못했던 것이다. 그래서 일본 암환자들이 소리부딘과5-FU prodrug을 병용투여받고 사망한 사건은 소리부딘의 장내균총에 의한 대사때문이었다

TCDD(2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin)은 다이옥신 중에서도 가장 유독한 물질로서 AhR(aryl-hydrocarbon receptor)의 강력한 agonist인 면역독성물질이다. 그러나 최근 연구결과에 의하면 덜 활성화된 수용체가 면역 체계에 중요한 역할을 한다고 하며, 트립토판이 결핍된 식이를 하면 장관 면역체계가 손상되는 것으로 보아, 장관내에서의 트립토판의 대사체가 이 수용체를 활성화시키는 것으로 보고 있었다. 그리고 트립토판 대사와 장내 균총의 metagenome 구성을 비교분석한 결과 indole-3-aldehyde가AhR 리간드로서 장관면역에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이렇게 림프구의 이 수용체가 활성화되면 IL-22를 분비하고 이는 lipocalin-2와 calprotectin의 체내 생성을 유도한다. 이 두 단백질들은 박테리아로부터 아연, 철, 망간을 격리시켜 이들의 성장을 막아, 질병 등으로 사람의 면역 체계가 약화된 경우 해로운 기회감염의 리스크를 감소시킬 수 있게 된다. 장내 정상 균총 유지를 위한 수호병역할을 하는 것이다.

근래 건강보조제로서 식물 제제들의 사용이 급증했고 기존 생약제제들과 더불어 이들은 장내 균총의 대사에 가장 민감한 성분인 phytochemical(특히 페놀류나 플라보노이드)들을 포함하고 있기에 더욱 관심을 가져야 할 필요가 있다. 지금까지 알려진 장내 세균에 의한 phytochemical 들의 대사는 esterase, glycosidase 연관 전환 프로세스, demethylation, dehydroxylation, decarboxylation이다. 그 중 커큐민(Curcumin)은 항염, 항산화 작용에 의한 약리학적 효과로, 가장 많이 연구되고 있는 페놀류이다. 커큐민의 약리학적 활성은 그 대사체인 tetrahydrocurcumin에 의한 것으로 알려져 있다. 그런데 2011년 연구에서, 대장균(Escherichia coli )이 가장 높은 커큐민 대사활성을 가진 것으로 나타났다. 커큐민을 tetrahydrocurcumin으로 전환시키는 대사효소는 CurA 즉 NADPH-dependent curcumin/dihydrocurcumin reductase로, medium-chain dehydrogenase/reductase superfamily에 속하며, 다른 페놀류, 레스베라트롤도 대사하는데 관여한다. 플라보노이드는 소장 및 대장에서 glycosides로서 흡수되는데 장점막세포에서 sulfates, glucuronides, methylated metabolites들로 전환된다.

이후 간으로 유입돼 phase 1대사를 거쳐 수많은 대사체들이 소변으로 배출된다. 즉 플라보노이드의 생물학적 이용율은 매우 낮은 편으로 대략2.5-18.5%정도인데, 이는 대부분 숙주나 균총에 의해 발현된 효소들에 의한 대사정도에 의해 좌우되지만 플라보노이드가 장내 균총에 의해 대사된 후 혈중을 순환하다가 소변으로 배출되는 정도 및 플라보노이드 subclass와 화학적인 구조적 특징에 따라 조직으로 분포되는 비율에 의해서도 역시 결정된다. 플라보노이드는 특히 전통 생약제제들의 가장 강력한 활성 성분으로, 주요 약리 효과에 있어서 높은 기여도를 갖는 중요한 성분이다.

예를 들어 한방생약제제의 한 예로 음양곽(Epimedii)은 삼지구엽초의 말린 잎으로서, 약 141가지의 다양한 플라보노이드들이 포함된 것으로 알려져 있고 골다공증 치료에 응용된다. 그 중 음양곽의 대표적 약리 활성을 가지는 것이 이칼린(icariin)인데 골다공증의 개인별 상태가 이 성분의 생물학적 이용율과 약효에 미치는 영향 및 조절 정도가 연구되고 있다. 이는 장내 균총이 플라보노이드 대사에 중요한 역할을 하며, 질병의 개인별 상태는 장내 균총에 영향을 미치므로 당연한 이유이기도 하다. 또한 황기(Astragali radix)역시 플라보노이드들이 항염 및 항산화 약리효과를 내는 생약이다. 황기의 가장 풍부한 플라보노이드로서, 화학적 지표성분인 calycosin-7-O-β-D-glucoside (C7G)을 쥐에게 경구투여시, 혈중 존재하는 주요 물질이C7G가 아닌, calycosin-3'-O-glucuronide (G2)이며, 소량의 calycosin도 관찰됐다.

그런데 쥐의 장내 균총이 in vitro에서는 C7G를 빠르게 가수분해하여 aglycone인 calycosin을 생성하며, calycosin은 C7G보다 더 높은 장점막 투과율을 보이기 때문에 더욱 강력한 glucuronidation을 거쳐 주요 대사체로서 3-glucuronide을 생성했다. 한편 생물학적 활성도 측정에서는 사람의 in vitro 제대정맥 내피세포에서 그리고 제브라피쉬의 혈관 내피세포 성장인자 수용체 tyrosine kinase inhibitor 2에 의해 유도된 혈관 결핍 모델에서 모두 calycosin보다 G2가 더욱 강력한 혈관 신생 촉진 효과를 보여줬다. 또한 C7G를 정상 및 대장염을 상태 쥐 모델의 장내 균총과 배양시 마치 프로바이오틱스 같은 효과로 유익한 균들인 Lactobacillus와 Bifidobacterium의 성장을 촉진시키는 것을 확인할 수 있었다.

결론적으로 황기의 화학적 지표인 C7G는 경구투여시 장내 균총과 상호작용을 해 혈관 생성 전구체를 조절하는 동시에 장내 균총을 조정하는 역할을 한다. 즉 장내 균총이 C7G의glucuronidation 및 약리활성을 조절하고 반대로 C7G이 장내 균총 구성을 조정하기 때문이다. 지금까지 지난 글에 이어 장내 균총이 숙주의 세포와 상호작용하면서 약물, 생리학적 약리활성 또는 영양목적을 가지는 성분들 그리고 생체이물질들의 대사에 관여하며 약물 대사 효소의 발현을 조절하거나 핵내 수용체의 활성 및 발현 조절등 여러 기능을 하여 여러 가지 가능성의 근거로 제시됨을 알수 있었다. 그러나 더욱 중요한 것은 이러한 상호작용이 결국 개인별 다양성이 특정 약물의 약동학적 성격 및 객체의 약물에 대한 반응을 결정하는 상당히 중요한 암시가 된다는 것이다. 다음 글에서는 이러한 작용들을 총정리해보고 그 의의를 제시해 보고자 한다.