□ 개요

서울대학교 약학대학 박성혁 교수 연구팀은 숙주-장내 미생물의 대사적 상호작용을 실시간으로 모니터링 가능한 연구 방법을 개발하였으며, 이를 이용하여 서로 다른 종간 시스템에서 항암제 5-FU 대사에 대한 장내 미생물의 기여를 정량적으로 연구하였습니다. 또한, 다양한 유전적 배경을 가진 장내 미생물의 5-FU 대사정도가 5-FU에 의한 숙주 발달 독성과 상관관계가 있음을 밝혀내었습니다.

이 연구 결과는 종합 화학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 '미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society, IF 15.419)'에 게재되었습니다. (논문명: Real-Time Monitoring of Host-Gut Microbial Interspecies Interaction in Anticancer Drug Metabolism, 공동1저자: 서울대학교 응웬만틴틴 연구원, 마이반히유 연구원, 참여저자: 서울대학교 김한선, 김도연, 서문준, 교신저자: 서울대학교 박성혁 교수, 안용진 선임연구원)

□ 연구배경 및 결과

인체는 본질적으로 인간 세포와 미생물군집을 수용하는 공생 시스템이며, 실제로는 미생물의 수가 인간 세포의 수를 훨씬 능가합니다. 따라서 미생물의 역할을 파악하는 것은 숙주 생리 및 질병을 이해하는 데 중요합니다. 하지만 종간 상호작용의 복잡성으로 인해 자세한 연구가 매우 어려운 실정이기 때문에 약물 대사에 있어서도 장내 미생물군집과 숙주 사이 상호작용이 약물의 효능 또는 독성에 영향을 준다는 개념은 수십 년 동안 알려져 왔지만, 장내 미생물의 다양성과 숙주와 미생물군집의 개별적이고 정량적인 기여를 생체 내에서 연구할 수 있는 기술의 부재로 상세한 이해가 어려운 상황입니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구팀은 C. elegans (숙주)-E. coli (장내미생물군) 시스템 및 19F-NMR을 통해 살아있는 숙주-장내미생물 시스템에서 각 종의 개별적이고 정량적인 기여를 평가할 수 있는 실시간 약물 대사 모니터링 플랫폼을 개발하였습니다.

이에 박성혁 교수 연구팀은 새로운 연구 방법을 이용해 C. elegans-E. coli(OP50)에서 5-FU를 대사하여 fluoro-β-ureidopropionic acid (FUPA)와 fluoro-β-alanine (FBAL)를 생성하는 것을 실시간으로 관찰하였으며. 다양한 방법을 통해 새로운 연구 방법이 살아있는 공생 시스템에서 다양한 숙주-장내미생물군 조합에 따라 정량적으로 연구하기에 적합하다는 것을 증명하였습니다. (그림 1).

이 연구 시스템의 인간 장내 미생물군집에 대한 적절성을 입증하기 위해 프로바이오틱스와 인간 장내 미생물로 알려진 KCTC1116 및 MG1655에 대해 실시간 약물대사 모니터링을 수행하였습니다. 프로바이오틱스는 5-FU 의 대사에 아무런 영향을 주지 못하였지만, KCTC1116은 5-FU 로부터 FUPA 및 FUH2 의 두 가지 대사물질을 생성하였고, MG1655는 OP50 균주와 마찬가지로 FUH2 하나의 대사물질만을 생성하였습니다. (그림 2A). 다음으로, 본 연구팀은 이렇게 상이한 박테리아에 의한 서로 다른 약물 대사활성이 종간 대사 상호작용에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였습니다. 5-FU 대사의 실시간 대사 모니터링을 통해 KCTC1116을 먹인 C. elegans가 MG1655를 먹인 경우보다 5-FU를 더 효율적으로 대사시키는 것으로 나타났으며, MG1655의 기여는 OP50의 기여와 유사했다는 점을 알아낼 수 있었습니다. 이러한 결과는 동일한 장내 미생물 종 (E. coli)의 다른 하위 균주라도 숙주 약물 대사에 대한 기여가 다를 수 있음을 보여줍니다. (그림 2B-D). 중요하게도 이 결과로부터 장내미생물의 5FU 대사 능력이 얼마나 숙주-박테리아 공생시스템의 전체적인 5FU대사에 기여하는지에 대한 정량적인 평가도 가능하게 되었습니다. 마지막으로, 장내 미생물에 따른 5-FU 대사의 차이가 실제로 숙주의 표현형에 차이를 나타내는지 조사한 결과 5-FU를 적게 대사 시키는 박테리아를 먹인 경우 더 큰 5-FU 의 발달독성이 숙주에서 나타남을 관찰할 수 있었습니다. 결과적으로 박테리아에 의한 약물대사정도가 숙주에 대한 약물독성에 있어서 주요한 기여를 할 수 있다는 구체적인 증거를 제시할 수 있었습니다. (그림 2E).

□ 연구결과의 의의

본 연구에서는 숙주-장내미생물 상호작용 실시간 모니터링 방법을 개발하였고 이를 이용하여 항암제인 5-FU 대사 및 숙주에 미치는 영향을 연구하였습니다. 이 연구 방법은 장내미생물-숙주의 종간 시스템에서 장내미생물에 의한 약물대사 기여를 정량적으로 평가할 수 있게 하였습니다. 또한, 상이한 유전적 배경을 가진 동일한 종의 장내미생물이 대사활성에 따라 약물의 숙주에 대한 독성발현에 있어 서로 다른 영향을 줄 수 있다는 사실도 밝힐 수 있었습니다. 최종적으로는 장내미생물의 약물대사능력과 숙주의 발달독성간에 정량적인 연관성이 있다는 구체적인 증거를 제시하였습니다. 본 연구에서 제시한 NMR 기반의 숙주-장내미생물 상호작용 실시간 모니터링 방법은 특별한 하드웨어가 필요하지 않은 편리하고 경제적인 접근 방식이며 다른 많은 약물 대사에 대한 미생물군집 이질성의 영향 연구에 적용될 수 있었습니다.

□ 기타

본 연구는 한국연구재단 리더과제 및 학문후속세대지원사업 지원을 받아 수행되었습니다.