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세계 최초 오가노이드로 효과 검증한 신규 유산균 발굴

- 인간 장 오가노이드 이용해 장 발달 촉진 효과 검증한  신규 락토바실러스 

  루테리 유산균 균주 발굴

- 인체에 유용한 신규 유산균 발굴과 제품 개발에 기여 기대

 

연구진 사진 (아랫줄 왼쪽부터) 제1저자 이하나 박사후연구원, 공동저자 손예슬 박사후연구원 (윗줄 왼쪽부터) 연구책임자 손미영 박사, 제1저자 정광보 박사후연구원, 제1저자 권오만 박사

국내 연구진이 오가노이드로 유산균 효능 검증 모델을 개발하고 이를 활용하여 신규 유용 유산균을 발굴하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성) 손미영․박두상 공동연구팀은 세계 최초로 인간 장(腸) 오가노이드(organoid, 장기유사체) 모델을 이용해 장 발달 촉진과 염증성 장 질환 보호 효과를 검증한 신규 유산균을 발굴하는 데 성공하였다고 밝혔다.

향후 인체의 장 건강에 유용한 신규 유산균과 유산균 대사산물인 포스트바이오틱스 발굴에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

리모실락토바실러스 루테리(Limosilactobacillus reuteri, 이하 루테리)는 인간을 포함한 포유류의 위와 장을 비롯한 다양한 자연환경에서 발견되는 유산균으로, 다른 유산균에 비해 질병과 감염 예방에 효과가 뛰어나며, 항균물질인 루테린을 생산하는 것으로 알려져 있다.

 

오가노이드

최근 다양한 세포로 분화할 수 있는 전분화능 줄기세포에서 유래한 장 오가노이드 기술이 비약적으로 발전하면서 유산균 효능 평가의 새로운 플랫폼으로 주목받고 있다.

지금까지 효능 평가에는 배양된 장 세포주나 생쥐 모델이 주로 이용되었으나, 실제 인간 장과는 유사성이 낮은 한계가 있었다.

전분화능 줄기세포 유래 장 오가노이드는 기능 차원에서 인간의 장을 정확히 모사할 수 있으며, 태아의 미성숙 장과 비슷한 특성이 있어 초기 장 발달 과정을 살펴볼 수 있다는 장점이 있다.

이에 연구팀은 신규 루테리 유산균(L. reuteri DS0384)을 발굴하고, 인간 장 오가노이드 플랫폼을 이용하여 유산균의 장 발달 효과와 유산균 대사산물의 염증성 장 질환에 대한 보호 효능을 규명하였다.

연구팀이 발굴한 루테리 균주는 다른 균주들에 비해 장 오가노이드의 성숙과 발달을 촉진할 뿐만 아니라, 내산성을 갖고 있어 장까지 살아서 갈 수 있으며 장 정착성도 높은 것으로 확인하였다.

또한 신규 루테리에서 유래된 대사산물은 장 줄기세포를 증식시키고 염증성 장 질환과 대장염에 대한 보호 효능이 있다는 사실을 밝혀내었다.

 

마이크로바이옴 프로파일 시스템 및 장 오가노이드 기반 유용 미생물 발굴, 장 발달 효과 검증 플랫폼 모식도. (위) 유용 미생물을 탐색하여 마이크로바이옴 뱅킹 제작 및 미생물 라이브러리 구축(중간) 미생물 및 미생물 대사체 연구를 위해 미생물 분리 및 배양액을 수거하여 전분화능 줄기세포 기반 인간 장 오가노이드에 적용(아래) 유용 미생물 대사체의 장 성숙 및 발달 검증을 위하여 인간 장 오가노이드에 처리하여 확인, 아기 생쥐 경구 투여를 통해 장 발달에 효과가 있음을 검증

연구팀은 이와 같은 효능을 마우스 동물모델 실험에서도 확인하며 향후 제품화에 대한 가능성을 높였다.

연구책임자인 손미영 박사는 “인간 전분화능 줄기세포에서 유래한 장 오가노이드 플랫폼이 인체 유용 미생물 발굴에도 이용될 수 있음을 확인하였다”라며,  “새롭게 발굴된 기능성 루테리 유산균이 유아의 장 발달과 염증성 장 질환의 예방에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

이번 연구는 마이크로바이옴 분야의 세계적인 저널인 Gut microbes(IF 9.434) 9월 21일자 온라인 판에 게재되었으며, 논문명은 Limosilactobacillus reuteri DS0384 promotes intestinal epithelial maturation via the postbiotic effect in human intestinal organoids and infant mice / 교신저자 : 손미영·박두상·김대수 박사 / 제1저자 : 이하나·정광보 박사후연구원, 권오만 박사)

과기정통부의 Korea Bio Grand Challenge 사업, 과기정통부와 복지부의 범부처재생의료기술개발사업, 산업부의 바이오산업기술개발, 식약처의 첨단 독성평가기술 기반구축사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

□ 연구배경

출생 후 장 성숙은 생후 첫 2년 동안 일어나며, 장 상피 장벽과 면역 체계의 확립, 미생물 군집 형성 및 안정화를 포함하여 장의 정상적인 발달과 생리 기능에 중요한 역할을 한다.

최근, 장 상피 기능을 강화하기 위한 전략은 ‘적절한 양으로 투여될 때 숙주에게 건강상의 이점을 주는 살아있는 미생물’로 정의되는 프로바이오틱스(Probiotics) 또는 프로바이오틱스의 대사산물인 포스트바이오틱스(Postbiotics)의 투여이다.

하지만 장내 미생물과 장 상피 사이의 상호작용 연구는 일반적으로 인간 정상 장을 모사하기 힘든 종양유래세포 또는 마우스 모델이 활용되고 있다. 또한, 초기 장 발달에서 장내 미생물, 특히 프로바이오틱스(유산균)의 조절 능력에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

따라서 출생 후 장 발달을 모방하는 강력한 도구인 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드 플랫폼을 활용하여, 장 발달에 효능이 있는 새로운 인체 유용 미생물 발굴에 주목할 필요가 있다.

□ 연구내용

연구팀은 인체의 장 발달을 모사한 인간 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드 플랫폼을 이용하여 다양한 프로바이오틱 균주의 배양액 처리를 통하여, 리모실락토바실러스루테리 DS0384(Limosilactobacillus reuteri DS0384)가 장의 성숙 및 발달에 탁월한 효과가 있음을 규명하였다.

이 연구에서 연구팀은 다른 루테리 균주와 비교해 루테리 DS0384에서 더 많은 양이 발현되는 대사산물 중 NCG(N-carbamyl glutamic acid)가 장 오가노이드의 성숙 및 발달에 효과가 있는 것을 발견하였다.

이 연구에서 프로바이오틱스 균주로서 루테리 DS0384가 유용물질을 생산할 뿐만 아니라, 내산성/내담즙성을 가져 장까지 살아서 가고, 장내 부착/정착능이 높은 것을 확인함으로써 실제 유산균 제품으로 개발이 가능함을 확인하였다.

루테리 DS0384 균주 및 대사산물을 아기 생쥐에게 경구 투여하여, 장 발달을 촉진하고 장의 기능성을 향상시키는 것을 확인하였다.

또한, 루테리 DS0384 유래 대사산물은 장 줄기세포의 증식을 증가시키고, 루테리 DS0384 유래 대사산물 및 NCG는 장 오가노이드를 이용한 염증성 장질환 세포 모델과 염증성 대장염 마우스 모델에서 장 보호 효능이 있음을 밝혔다.

이 연구의 성과는 신규 발굴된 루테리 DS0384가 유망한 프로바이오틱스(유산균)임을 제시하였으며, 조기 장 발달장애의 치료 및 장 장벽 기능장애 예방에 유용한 약제임을 시사하고 있다.

□ 연구성과의 의미

○ 인간 장 오가노이드 기반 유용 미생물 효능 평가 플랫폼 개발

- 인간 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드는 인체 유사도가 높은 모델로 잘 알려져 있다. 본 연구를 통해 장 오가노이드는 장 상피 성숙, 장 줄기세포 증식 및 장 염증으로부터의 보호를 확인할 수 있는 다목적 장 실험 플랫폼으로써, 프로바이오틱 작용기전 연구에 대한 방향성을 제시하고, 유아의 장 발달 및 장벽 기능 장애의 예방에 유용한 물질 발굴에 활용될 것으로 기대한다.

○ 신규 프로바이오틱스(유산균) 루테리 DS0384 균주 및 이의 핵심 대사체 NCG의 기능성 유산균 제제 및 약제 개발

- 루테리 균주는 포유류의 위장관에서 발견되는 유산균으로, 항균 효능 및 유아 또는 성인의 장 질병 및 감염 예방에 효과적인 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존 루테리 균주보다 장 성숙에 탁월한 효능을 가진 신규 루테리 D0384 균주를 발굴하였으며 이 균주의 대사산물 및 핵심 대사체(NCG)의 장 성숙, 발달 촉진 기능 뿐 아니라 염증성 장 질환의 보호 효능을 규명함으로써, 장 질환을 예방할 수 있는 치료제 개발의 가능성을 제시하고 있다.

○ 장내 공생 미생물 유래 장 오가노이드 성숙화 인자 발굴

- 신규 루테리 균주 DS0384가 분비하는 기능성 대사산물 NCG는 인간 장 오가노이드의 성숙화를 유도할 수 있는 신규 성숙 인자로 확인하였다. 일반적인 인간 전분화능 줄기세포 유래 장 오가노이드는 태아 정도의 장 성숙도를 가지고 있어 실제 성인의 장과는 차이가 있었는데, 이런 미성숙을 극복하기 위한 연구결과로 본 연구팀에서 발표한 인터루킨-2 (interleukin-2) 면역인자에 의한 장 성숙 인자 발표(‘18. Nature Communications) 이후 추가적인 장 오가노이드 성숙 인자 발굴 성과이다.

□용어설명 

1. 인간 장 오가노이드(Human intestinal organoid)

◦ 장 오가노이드는 시험관 내에서 원래 조직의 정체성, 세포 이질성 및 세포의 특성을 부분적으로 요약하는 자가 조직화된 3차원 구조이다. 줄기세포의 자가 재생 능력과 장 계통으로의 분화 능력이 포함되며, 인간 장 오가노이드는 전분화능줄기세포(Pluripotent stem cell; PSC) 또는 성체 장 줄기세포(Adult stem cell; ASC, 또는 Intestinal stem cell; ISC)로부터 제작될 수 있다. 최근 전 세계적으로 인간 장 오가노이드를 활용하여 질환 모델링, 세포 치료, 독성 평가 플랫폼 및 신규 유용물질 발굴 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 장 발달(intestinal development)

◦ 장 발달은 출생 후에도 계속되어 이유 시까지 완료된다. 장 발달의 초기 선와 부위에서 선와(Crypt) 발달이 시작되어, 선와-융모의 상향 이동을 통해 장 상피 세포의 분화 발달이 동반된다. 장 상피 장벽과 면역체계의 확립, 미생물 군집 형성 및 안정화를 포함하며, 장의 정상적인 발달 및 생리 기능에 중요한 역할을 한다.

3. 장 상피 성숙(epithelial maturation)

◦ 인간 전분화능 줄기세포로부터 직접적인 분화 프로토콜을 사용하여 3차원 인간 장 오가노이드를 제작함으로써 체외에서 미니 장관 제작 방법이 개발되었다. 하지만 이렇게 제작된 장 오가노이드는 성숙한 인체의 소장과 구조와 기능이 크게 유사함에도 불구하고, 마커 유전자의 발현이 충분하지 않은 미성숙한 태아(fetus) 소장의 특성을 가진다. 이러한 미성숙 장 오가노이드는 특정 인자 또는 미생물 대사산물을 통해 생체 외 성숙이 가능하다.

4. 장내 미생물총 (Gut microbiome)

◦ 장내 미생물총은 인간의 건강에 지대한 영향을 미치는 광범위하고 복잡한 미생물 집합체이다. 이는 소화관과 같은 단일 환경에 존재하는 박테리아, 바이러스, 곰팡이 및 기타 미생물의 다양한 군집으로 구성된다. 장내 미생물총은 소화된 음식에서 에너지를 수확하거나 병원체로부터 보호, 면역 기능 조절, 장과 장의 생화학적 장벽 강화, 미생물총 구성 변화 등의 기능에 영향을 줄 수 있다.

5. 포스트바이오틱스(Postbiotics)

◦ 메타 바이오틱스(metabiotics), 바이오제닉(biogenics) 또는 대사산물(metabolites)라고도 알려져 있는 포스트바이오틱스는 살아있는 박테리아에 의해 분비되거나 숙주에 생리학적 이점을 제공하는 박테리아 용해 후 방출되는 가용성 인자 (대사산물 또는 부산물)를 의미한다. 프로바이오틱스에는 단쇄지방산, 지질다당류, 엑소폴리사카라이드, 효소, 세포벽 조각, 박테리아 용해물, 무세포 상층액, 비타민 및 아미노산과 같은 다양한 기타 대사산물이 있다.

6. 리모실락토바실러스 루테리(Limosilactobacillus reuteri; L. reuteri)

◦ 리모실락토바실러스 루테리(L. reuteri)는 인간을 포함한 포유류의 위장관을 비롯한 다양한 자연환경에서 발견되는 유산균이다. 1980년 별개의 종으로 확인되었으며, 2020년 4월 Limosilactobacillus 속에 재할당되었다. 최근 연구에 따르면 루테리는 항균 효능을 하는 루테린, 루테리신 및 루테리사이클린을 생산하는 것으로 알려져 있다. 또한, 다른 프로바이오틱스에 비해 루테리는 유아 또는 성인의 장 질병 및 감염 예방에 효과적인 것으로 보고되고 있다.

한국생명공학연구원 홍보실 제공 

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