장속의 미생물이 인간의 뇌와 정신에 어떻게 영향을 줄까?

록키산홍반열에 걸린 소년 / 미생물과 뇌의 연관성 / 미생물과 기억력의 상관관계 / 미생물이 미치는 정신적, 육체적 영향 / 박테리아가 생산해 내는 신경전달 물질들 / 미생물, 항생제 그리고 자폐증의 연관성 / 미생물과 인간의 건강

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   며칠 전 큰 애가, 매우 흥미로운 동영상이 있다며 유튜브 링크 하나를 알려줬다. 제목은 How the Gut Microbe affects the Brain and Mind이다. What I've Learned라는 채널에 게시되어 있었다. (게시일은 2018년 2월 19일이고 13분 22초 분량이다)

 

   혼자 보기가 아까워 짬을 내어 번역 (의역)을 했다. 예전부터 막연하게 어떤 미생물이 인간의 육체는 물론 정신적인 부분에도 영향을 미칠 수 있을것이라는 생각을 가지고 있었다. 코로나바이러스 대유행에 따른 심리적, 정신적인 피해와 같은 유형을 말하는 것이 아니다. 뇌와 정신에 직접적으로 영향을 미치는 그런 형태를 말한다. 이 동영상을 보면 상당히 설득력이 있어서 그럴 수도 있겠다는 생각이 든다. 꼭 한 번 볼만한 그런 동영상이다.

 

미생물: 일반적으로 진균(Fungi), 원생동물(Protozoa), 세균(Bacteria), 바이러스(Virus), 조류(Algae) 등을 포함한다. (위키백과)

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록키산홍반열 (Rocky Mountain Spotted Fever)에 걸린 소년

 

   마틴 블레이저 박사 (뉴욕대학교 인간 미생물 군집 프로젝트의 센터장이자 저명한 미생물 분야 연구가)가 아직 의대에 재학 중이던 어느 여름날 오후, 갑자기 몸에 이상이 생겨서 병원에 입원한 11살짜리 소년을 진찰하러 갔다. 그 소년은 급성 발열과 배탈 증상이 나기 이틀 전까지만 해도 멀쩡했다. 발병이 시작된 다음날 열이 더 심해졌고 사흘째 되는 날에는 몸에 작고 푸르스름한 점이 생겼다. 응급실 의사들은 그 소년이 록키산홍반열 (Rocky Mountain Spotted Fever)에 걸렸다는 것을 단번에 알아봤다.

 

   록키산홍반열은 리켓시아 (Rickettsia)라고 불리는 박테리아에 감염된 진드기에 물려 발병한다. 리켓시아 박테리아는 혈관을 이루는 세포 내에서 증식하여 공격적인 면역 반응을 일으킨다. 이것은 뇌의 혈관과 관련이 있기 때문에, 뇌염 증상을 야기시켰고, 뇌가 부어서 생기는 심각한 두통을 유발한다. 블레이저 박사가 그 소년을 진찰하기 위해 의사들과 동행했을 때, 햇빛이 그 소년의 안구에 통증을 유발했기 때문에 방을 어둡게 해 놓은 상태였다. 소년의 몸은 자주색 반점으로 덮여 있었고 땀으로 범벅이 된 상태로 침대 위에서 몸부림을 치고 있었다. 또한 그 소년은 환각 상태에서 정신없이 고성을 내지르고 있었다. 블레이저 박사가 그의 저서 '미생물의 실종 (Missing Microbes)'에서 설명한 것처럼 결국 이 소년은 테트라사이클린 (Tetracycline)이라는 항생제로 치료를 시작한지 불과 5일 만에 회복한 후 퇴원했다. 

 

미생물과 뇌의 연관성

 

    최근에 내장 속에서 서식하는 미생물들이 건강과 관련이 있다는 사실이 커다란 관심거리다. 소년을 감염시켰던 리켓시아 박테리아와 같은 병원성 미생물이 있는 반면, 인체에 유익한 미생물도 있다. 대략 500에서 1,000종의 박테리아들이 인체에 존재한다. 지속적인 연구를 통해 새로운 사실들이 밝혀질수록 인체에 서식하는 유익한 박테리아의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 그럼에도 불구하고, 우리의 장 속에 서식하고 있는 미생물들이 우리의 일상적인 인지능력과 뇌 기능에 어떻게 연관되어 있는지를 판단하기는 아직 쉽지 않다. 

   앞서 언급된 소년의 록키산홍반열 증상에서 나타난 바와 같이, 박테리아에 의한 감염이 인간의 정신상태에 어떤 급격한 변화를 일으킬 수 있다는 것은 놀랄만한 사실이 아닐 수도 있다. 우리의 장에 일반적으로 존재하는 미생물들과 뇌가 어떠한 연관성을 갖는지 살펴보면 수긍이 간다.

 

미생물과 기억력의 상관관계

 

   과학자들이, 미생물이 장속에 서식하지 않는, 멸균된 실험 구조물 속의 실험쥐들을 관찰한 결과, 미생물을 보유한 실험쥐와는 구별되는 특성을 가지고 있다는 것을 알게 됐다. 미생물 없는 실험쥐는 주변의 위험요소에 대한 경각심이 낮아서 거리낌 없이 주변을 탐색하며 다녔다. 젊은 사업가라면 위험을 마다하지 않는 과감함이 좋을 수도 있겠지만, 이 실험쥐들이 처한 위험은 마치 노출된 공간에서 무방비 상태로 헤매고 다니는 그런 종류의 위험이다. 쥐를 노리는 포식자에게는 손쉬운 먹잇감이 될 것이다. 과학자들은, 이러한 실험쥐들이 비정상적으로 무모할 뿐만 아니라, 기억능력과 관련된 결함을 가지고 있다는 것도 알게 되었다.

 

   에리카 소넨버그 (Erica Sonnenburg)와 저스틴 소넨버그 (Justin Sonnenburg)의 책 "The Good Gut"은, 어떤 방법으로 정상 실험쥐와 미생물 없는 실험쥐에 대한 기억력 테스트를 실행 했는지 설명하고 있다. 먼저, 5분 동안, 작고 무늬가 없는 고리와 큰 체크무늬를 띤 고리, 두 개를 실험 구조물에 집어넣어 실험쥐들이 탐색하도록 했다. 그 후 그 두 개의 고리를 시험관에서 꺼내고 나서 20분이 경과한 후 기존의 체크무늬 고리와 새로운 물체인 별 모양의 쿠키 커터를 넣었다. 예상대로 정상 실험쥐들은 새로운 물체인 쿠키커터에 관심을 보였고, 이미 경험한 체크무늬 고리에는 큰 관심을 보이지 않았다. 반면 미생물이 없는 실험쥐들은 쿠키커터를 탐색하기는 했지만 체크무늬 고리를 확인하는데도 많은 시간을 할애했다. 이들은 20여분 전에 이미 봤던 체크무늬 고리를 기억하지 못하는 것 같았다.

 

미생물이 미치는 정신적, 육체적 영향

 

   이러한 기억력 문제는 미생물 없는 실험쥐의 BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor, 뇌유래신경영양인자, BDNF 유전자에 의해 생성되는 뇌 안에 있는 단백질로서, 성장 요소의 일부인 신경영양인자 집단 중의 하나임. 기본적인 신경 성장요인에 연관되어 있음. 이 인자가 결여될 경우 자폐성 장애나 정신적 트라우마의 증상이 있고, 과다할 경우 공포 반응이 생성된다는 연구결과가 있음)의 수치가 낮다는 사실로 설명될 수 있다. 단백질로 이루어진 BDNF는 새로운 뇌세포의 생성을 촉진하고 기존 뇌세포를 강화시키는 역할을 하는 영양인자로서 학습과 기억력에 매우 중요한 것이다. BDNF의 수치가 낮은 경우 우울증이나 불안감과 관련이 있다.

 

   인체를 대상으로 하는 실험은 윤리적인 문제로 실제 시행되지는 않았다. 하지만 여기 다른 사람의 분변을 통해  미생물을 이식받은 후에 분변 제공자와 같은 비만형 체질로 변형된 한 여성에 대한 사례가 있다. 분변 (대변) 이식술 (Fecal Microbiota Transplantation, FMT)은 건강한 사람의 대변에서 이로운 미생물만을 추출하여 다른 사람에게 이식함으로써 장내의 질환을 치료하는 의료기법이다. FMT는 특히 길게는 몇 주 이상 설사와 복통을 일으키고 항생제에 대한 내성이 매우 강한 클로스트리디움 디피실리균 감염에 대한 가장 효과적인 치료법으로 알려져 있다. 한 여성이 내장 질환을 치료하기 위해, 과체중인 점을 제외하면 매우 건강한 16세의 딸로부터 FMT 시술을 받게 되었다. 그 결과, 질환을 치료할 수 있었지만 이후 16개월 동안 체중이 34파운드 (15.4 킬로그램)나 늘었다. 그 여성은 지속적인 식습관 개선, 규칙적인 운동과 심지어 전문적인 액상 단백질 다이어트까지 병행했지만 체중을 줄일 수 없었다.

 

  이 여성의 경우와 반대인 예로, 마른 체질의 실험쥐가 보유한 미생물을 다른 실험쥐에 이식하였을때 이 실험쥐의 체중이 늘어나는 것을 억제한다는 사실이 밝혀졌다. 이처럼 미생물 이식이 체형을 바꿀 수있는 것으로 보이는데 과연 성격 변화도 가능할까?

 

   2011년 맥마스터 대학 (McMaster University)의 한 연구팀이 두 그룹의 실험쥐로 이와 관련된 실험을 했다. 한 그룹은 보통 쥐가 가진 정도의 경계심을 지닌 그룹이었고, 다른 그룹은 보다 사교적이고 외향적인 특성을 가지고 있었다. 실험쥐들의 망설임을  유발하는 긴장감을 부여하기 위해 높이가 있는 플랫폼에 올려놓고, 바닥으로 내려오는데 시간이 얼마나 소요되는지 측정하였다. 경계심 그룹은 천천히 조심스럽게 내려오느라 평균 4분 30초를 소요했다. 반면 외향적인 실험쥐 그룹은 망설임 없이 몇 초 안에 뛰어내렸다. 실험 중간에 과학자들은 두 그룹의 실험쥐가 보유한 미생물을 상호 이식한 후 플랫폼 실험을 다시 진행했다.

 

   경계심 그룹의 미생물이 이식된 외향적인 그룹은 플랫폼에서 내려오는데 1분이 넘게 걸렸다. 반면 외향적인 그룹으로부터 미생물을 이식받은 경계심 그룹은 이전보다 1분 더 빨리 내려왔다. 이 실험을 통해서 알 수 있는 것은, 장 속에 어떤 미생물이 서식하고 있느냐에 따라서 행동과 불안의 정도가 좌우된다는 것이었다. 

 

박테리아가 생산해 내는 신경전달 물질들

 

   우리가 더 나은 두뇌 기능을 위해 많을수록 좋은 단백질 BDNF를 기억하는가? 불안감이 높은 실험쥐들의 자신감을 증진시킨 미생물 이식은 해당 실험쥐들의 BDNF 수준도 증가시켰다. 미생물 이식은 눈으로 볼 수 있는 행동변화뿐 아니라 보이지 않는 뇌속의  화학적 변화도 일으켰다. 사실, 뇌에 영향을 줄 수 있는 모든 종류의 화학 작용이 내장에서 진행되고 있다. 심지어 어떤 미생물이 어떤 신경전달물질을 생산하는지 알아내는 연구도 있다. 예를 들어, 세로토닌 (행복감을 포함한 광범위한 감정을 느끼는 데에 기여한다고 보고되고 있는 복잡한 신경전달물질)의 90%가 장에서 생성되는 것으로 추정되는데, 이 세로토닌의 일부는 캔디다 (Candida), 스트렙토코커스 (Streptococcus), 에세리키아 (Escherichia), 엔테로코커스 (Enterococcus) 등의 모두 네 종류에 의해 생성되는 것으로 밝혀졌다. 락토바실러스 (Lactobacillus)와 비피도박테리움 (Bifidobacterium)은 주억제 신경전달물질 (Chief Inhibitory Neurotransmitter)인 감마-아미노부티르산 (Gamma-Aminobutyric Acid, GABA)을 생성하는데, 이 GABA는 긴장을 완화하고 불안감을 억제하는 효과를 지니고 있다. 또한 바실러스 (Bacillus)와 세라티아 (Serratia)는 우리의 동기부여 역할을 하는 신경전달물질인 도파민을 생산한다. 결국 우리는 기본적으로 뇌에 영향을 미치는 다양한 물질들을 뿜어내는 대용량 약품생산공장들을 장속에 보유하고 있다는 것이다.

 

   사실 장과 그 속의 미생물은 뇌에 지대한 영향을 미치는 것으로 보여져, 쥐와 같은 설치류들을 대상으로 한 임상 전 연구를 통해 특정 프로바이오틱스가 항우울제와 항불안 효과를 가지고 있다는 점을 제시했다. 프로바이오틱스는 기본적으로 특정 미생물의 성장을 촉진하기 위해 구강으로 복용할 수 있는 물질이다. 한 연구에 따르면, 비피도박테리움 인판티스 프로바이오틱스 (Bifidobacterium Infantis Probiotic)가 항우울제 약물인 시탈로프람 (Citalopram)과 동등한 항우울제 효과를 보인다는 것이다. 나는 섬유소의 유일한 이점은 배변을 돕는 것이라고 생각했었다. 하지만 식이섬유를 이용한 다이어트가 사람이 아닌 미생물을 위한 것이라는 점을 고려하면, 다양한 공급원을 함유한 식이섬유가 풍부한 다이어트 요법은 우리의 정신 건강에도 좋을 것으로 여겨진다.

 

미생물, 항생제 그리고 자폐증의 연관성

 

   장속의 미생물에 대한 이러한 정보는, 얼마나 다양한 정신적 불균형 증상이, 섬유질이 결여된 가공식품과 정제탄수화물이 풍부한 식품 섭취나 무분별한 항생제 사용으로 인한 장 건강의 차질을 통해 촉발되는지 궁금하게 만든다. 이전에 언급된 소년의 사례에서 처럼, 항생제는 절대적으로 필요한 순간에 생명을 구할 수 있다. 그러나 가장 일반적으로 처방되는 항생제 - 광범위한 항생제는 유해한 박테리아만 죽이는 것이 아니라 다른 모든 종류의 박테리아도 무차별적으로 죽인다. 미국에서만 수천만 명의 사람들이 경미한 감염을 취료하기 위해 항생제를 처방받고 있다. 심한 이비인후 부위 통증을 호소하며 병원에 이송된 어린이의 60-80%가 항생제를 처방받고 병원을 나선다. 일반적으로 40세까지, 30회 정도의 항생제 복용 과정을 거치는 것으로 추정된다. 그러나 1,000명당 1,365회의 항생제 처방을 보이는 2세 미만 어린이의 연령대에서 가장 높은 복용률을 보이고 있다. 그렇다면 이 모든 항생제가 아기들의 장속에 서식하는 미생물과 뇌 발달에 영향을 미칠 수 있을까?

 

   2012년 발표된 데릭 맥파브 박사 (Dr. Derrick MacFabe)의 논문에는 실험쥐에게 프로피온산 (Propionic Acid , PPA)을 주입했을 때 어떤 현상이 벌어지는지 묘사되고 있다. PPA 주입으로 인해, 실험쥐의 뇌에 신경세포염증, 산화스트레스 증가, 글루타티온 결핍과 같은 증상을 일으켰다. 또한 실험쥐들은 비정상적인 움직임, 반복적인 관심, 인지 결함, 그리고 손상된 사회적 상호작용을 보여주었다. 이러한 증상들은 자폐성 장애 증상과 매우 유사했다. 그리고 PPA는 데설포비브리오 (Desulfovibrio), 박테로이데테스 (Bacteroidetes), 클로스트리디아 (Clostridia)와 같은 박테리아의 발효에 따른 생성물이다. 자폐 증상을 보이는 이들은 클로스트리디움 (Clostridium) 박테리아 종을 훨씬 더 많이 보유하고 있고 대변에서 높은 PPA 수치를 보이는 것으로 밝혀졌다. 자폐증상을 보이는 아이들의 3분의 1 정도가 생후 18~24개월 전까지 자폐 증상을 보이지 않았던 것으로 추정된다.

 

   몇몇 자폐아의 부모들에 따르면, 아이들이 이비인후염 치료를 위한 항생제를 복용하기 전까지는 정상적으로 발육하고 있었다고 한다. 시드니 파인골드 박사 (Dr. Sidney Finegold)에 따르면 항생제는 내장에 있는 여러 유기체를 말살시키거나 억제하지만, 클로스트리디아 박테리아는 살아남는 종류 중 하나라고 한다. CBC (Canada Broadcasting Corporation)가 2011년에 방영한 "자폐증 수수께끼 (Autism Enigma)"라는 제목의 다큐멘터리에서, 한 중증 자폐증 아이의 엄마인 엘렌 볼트 (Ellen Bolte)가 등장한다. 그녀는 아들 앤드류가 귀에 발생한 통증 때문에 생후 2개월때부터 3개월 반이 되는 사이에 총 6차례에 걸쳐 항생제를 복용한 후 행동이 급변한 과정을 설명하고 있다. 그 후 앤드류는 심각한 자폐증 진단을 받았다. 조사를 거듭하던 엘렌은 클로스트리디아 박테리아에 대한 정보를 우연히 발견했다. 그래서 그녀는 앤드류에게 "밴코마이신 (Vancomycin)"이라는 항생제를 기꺼이 시도해볼 의사를 찾기 시작했다. 밴코마이신은 특별히 클로스트리디아 박테리아를 타겟으로 설계되었다. 마침내 그녀의 바람에  동의하는 의사를 찾은 후, 밴코마이신 항생제를 시도해 보았고 인상적인 효과를 보게 되었다. 

그 결과는 놀라웠습니다. 불과 몇 주 만에 앤드류는 침착해졌어요. 자신의 주변 환경을 인식할 수 있었습니다. 퍼즐을 맞추고 있네요.

   밴코마이신은 앤드류에게 일시적이지만 급격한 개선을 가져왔다. 이 사건은, 파인골드 박사와 샌들러 박사 (Dr. R. Sandler)에 의해 10명의 자폐아를 대상으로 밴코마이신을 투약하여 그중 8명이 일시적이었지만 상당한 개선을 보인 결과를 도출한 시범연구의 계기가 되었다. 과거, 자폐증의 원인에 대해 성급하게 결론을 내리는 것은 도움이 되지 않았다. 그러나 자폐증이 장에서 발생한 문제의 결과일 수 있다는 이론을 뒷받침하는 데이터는 점점 늘고 있다. 무너진 장 내의 미생물 생태계는 자폐아들이 흔히 겪는 위장 문제와도 깊은 연관성이 있는 것으로 보인다. 자폐증이 있는 어린이의 약 70% 정도가 위장 장애를 갖고 있다는 추정치도 있다.

 

미생물과 인간의 건강

 

   자폐증은 장건강의 문제와 연관될 수 있는 여러 가지 장애 중 하나일 뿐이며, 장내 미생물에 대한 연구는 빠르게 발전하고 있다. 2010년부터 2015년 사이에 이러한 주제와 관련된 기사가 약 3,600건이 게재되었다. 여기서 우리가 "장내 미생물이 건강에 중요하다"라고 말하는 것은 절제된 표현이다. 마틴 블레이저 박사는 "장 내의 미생물을 완전히 잃는 것은 신장이나 간을 잃는 상태와 거의 비슷한 수준일 것"이라고 말한다. 그러나 신장이나 간과는 달리 우리는 음식물을 통해서 미생물의 구성을 바꿀 수 있다. 

 

   히포크라테스가 말했다

모든 병은 장에서 시작된다.

음식을 당신의 약이 되게 하라.

   그가 무슨 말을 하고 있었는지 알고 있었던 것 같다.

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