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‘사촌이 땅을 사면 배가 아프다’라는 옛 속담이 있다. 질투와 시샘 때문에 스트레스를 받아 배가 아프다는 말이다. 이러한 경험은 한번쯤 겪어 봤을 것이다. 그런데 스트레스를 받았는데 왜 장에 탈이 나는 걸까? 어쩌면 우리는 장(gut)과 뇌(brain) 사이의 긴밀한 관계가 밝혀지기 훨씬 이전부터 직감적으로 이 사실을 알고 있었는지도 모른다.
최근에는 장내미생물이 장과 뇌 사이의 양방향 커뮤니케이션에서 중요한 역할을 한다는 사실이 알려지기 시작했다. 장내미생물 구성의 변화나 장내미생물에 의한 면역계, 사이토카인, 신경전달물질, 대사물질 등의 매개체가 직접 뇌에 영향을 끼친다는 것이다. 자연스럽게 장내미생물과 뇌질환 간의 상관관계에 대한 연구도 진행되고 있다. 파킨슨병이 장에서부터 시작됐다는 가능성도 제기되면서 퇴행성뇌질환 치료에 대한 새로운 접근법이 제기되고 있다.
바이오스펙테이터는 장내미생물이 어떻게 장과 뇌를 연결하면서 영향을 주는지 최근 연구결과에 대해 알아봤다. 특히 신약개발에서 어려움을 겪고 있는 파킨슨병, 알츠하이머병 분야에서 장내미생물과의 연관성과 더불어 장을 타깃해 뇌질환 치료제를 개발하고 있는 Enterin, Immuron, 4D Pharma 회사의 파이프라인에 대해 살펴봤다.
◇ 멀고도 가까운 장(腸)과 뇌(腦), 대화채널은 호르몬, 면역세포, 신경전달물질, 대사산물 등
장과 뇌는 서로 신호를 주고받으며 긴밀하게 소통하고 있다. 장-뇌 축(Gut-Brain Axis)이 바로 그 연결 통로다. 이때 장내미생물이 중요한 역할을 한다. 2011년 장내미생물을 없앤 무균 쥐와 장내미생물을 지닌 보통 쥐의 행동 및 질환 패턴을 비교하는 연구가 발표되면서 ‘미생물총-장-뇌 축(Microbiota-Gut-Brain Axis)’이라는 용어도 등장했다.
이 연결망을 통해 장내미생물은 뇌에 영향을 주면서 개체의 행동, 감정, 에너지 대사, 뇌의 발달까지 조절한다. 반대로 뇌에서 장까지 연결된 신경세포망을 통해 뇌 신경세포가 장에 존재하는 미생물이나 면역세포에 영향을 미치기도 한다. 우리 몸에서 가장 멀리 떨어진 장기인 장과 뇌가 장내미생물에 의해 밀접하게 연결돼 있는 것이다.
그렇다면 그들을 연결하고 있는 매개체는 무엇일까? 현재까지 신경, 호르몬, 면역계, 신경전달물질, 장내미생물이 분비하는 대사산물 등이 알려져 있다.
2012년 연구에 따르면 장내미생물인 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus)를 먹인 쥐는 우울증이나 불안증세가 완화되고 스트레스도 덜 받았다. 쥐의 뇌를 관찰해보니 신경전달물질인 GABA를 만들어내는 유전자의 mRNA 발현이 높았던 것이다. 일반적으로 GABA가 저하되면 우울증이나 불안증이 심해진다. 연구진은 쥐에 박테리아를 먹이기 전에 장과 뇌의 주요 연결통로인 미주신경(Vagus nerve)을 잘랐다. 그러자 박테리아를 먹여도 쥐의 GABA mRNA 발현양은 정상과 같았다. 장내미생물이 미주신경을 통해 신경전달물질을 조절함으로써 뇌에 영향을 미친다는 의미다.
또 다른 연구도 있다. 기분을 좋게 하는 호르몬인 세로토닌은 90% 이상이 장에서 만들어진다. 장내미생물은 여기서 다시 등장한다. 2015년 Cell에 발표된 연구 결과, 무균 쥐가 장내미생물을 지닌 보통 쥐보다 세로토닌 수치가 약 60% 정도 낮았다. 그런데 무균 쥐의 장에 특정 미생물(Spore-forming bacteria, Sp)을 이식하니 세로토닌 양이 정상 수준으로 증가했다. 즉 특정 장내미생물이 세로토닌 합성에 중요하며 세로토닌과 관련된 생물학적 과정에도 중요한 역할을 한다는 것이다.
장내미생물의 대사산물도 뇌에 직접 영향을 준다. 장내미생물의 주된 역할은 사람이 소화 흡수할 수 없는 다당류를 단쇄지방산(short chain fatty acids, SCFA)으로 분해시키는 것이다. SCFA는 장 상피세포 및 면역세포 표면에 존재하는 GPCR(G protein-coupled receptors) 수용체에 결합하면서 신호전달 분자로 작동할 수 있다고 알려져 있다. 이를 통해, 급성 감염 상황에는 염증성 면역반응을 유발하는 것이다. SCFA가 직접 신경절뉴런(ganglionic neurons)에 있는 GPCR에 결합해 교감신경계를 활성화 시킬 수도 있다. 또한 세포 간의 연접(connection)을 단단하게 함으로써 혈뇌장벽(Blood-Brain-Barrier, BBB)을 강화시키는 역할을 한다.
면역체계와 뇌의 연관성은 이전부터 알려져 있던 사실이다. 최근 장내미생물과 장 점막 세포가 면역세포를 자극해 분비되는 사이토카인이 뇌에 영향을 미친다는 가능성이 제기되고 있다. 장내미생물이 뇌의 행동 및 인지기능에 영향을 주는 전염증성 사이토카인(IL-8, IL-1)이나 항염증성 사이토카인(TGFβ, IL-10)의 분비를 조절하는 것이다. 실제 조현병(schizophrenia) 환자에서 염증성 사이토카인의 수치가 정상인보다 높았으며 임상 증상에 따라 그 양이 증가했다는 보고도 있다. 또한 조현병 환자에서 염증 및 자가면역질환에 중요한 Th17세포(T helper 17 cell)도 많이 발견됐다. 환자의 불균형한 장내미생물이 Th17세포의 분화를 촉진해 뇌에 영향을 미칠 가능성을 가늠해 볼 수 있다.
비슷한 예는 자폐증에서도 찾을 수 있다. 2017년 9월 Nature에 발표된 연구는 산모 쥐가 특정 장내미생물에 감염될 경우 후손이 자폐증상을 나타낼 수 있다는 연결고리를 규명했다. 산모 쥐의 절편섬유상세균(segmented filamentous bacteria)이 Th17세포의 분화를 촉진해 자폐행동을 일으킨다는 것이다. 항생제로 쥐의 균을 제거했더니 자폐증상은 나타나지 않았다. 연구팀은 산모 쥐가 모체 면역활성화(MIA, maternal immune activation) 현상에 노출됐을 때 장 내 수지상세포가 IL-1β, IL-23, IL-6 등을 분비함으로써 IL-17a의 분비를 촉진시키는 것도 밝혔다. 특정 장내미생물에 의해 면역체계를 변화시켜 뇌 발달에 영향을 주는 것이다.
일련의 연구에서 밝혀진 것처럼 장내미생물은 호르몬, 사이토카인, 신경전달물질, 대사물질, 면역체계 등을 매개로 뇌에 직·간접적으로 영향을 미치고 있다. 자연스럽게 장내미생물과 뇌질환과의 상관관계를 밝히는 연구에 관심이 쏠리는 이유다.
◇ 파킨슨병 발병 수년 전부터 변비증상이 나타나는 이유, 장내미생물과의 연관성
파킨슨병은 뇌의 흑질에 분포하는 도파민 분비 신경세포가 점차 소실되면서 생기는 퇴행성 뇌질환이다. 손발의 떨림, 경직, 서행, 자세불안 등의 운동기능 장애가 파킨슨병의 대표적인 운동성 증상이다. 삶의 질에 직접적인 영향을 미치는 비운동성 증상도 존재한다. 우울증, 수면장애, 변비 등의 위장관(Gastrointestinal, GI) 증상이다. 특히 변비는 파킨슨병의 초기에 관찰되는 비운동성 증상이다. 장 기능의 조절장애가 파킨슨병의 임상증후가 나타나기 수년 전부터 관찰되기 시작하는 것이다.
그렇다면 파킨슨병이 장에서 시작됐다고 볼 수 있을까? 이 질문에 대한 실마리를 풀어줄 근거가 최근 잇따라 나오고 있다. 장내미생물이 파킨슨병에 깊은 관계가 있다는 것을 암시하는 연구결과들이 발표되고 있다.
미국 캘리포니아공과대학 연구팀은 2016년 12월 Cell에 장내미생물이 파킨슨병 운동장애 증상 발현과 연관성이 있다는 결과를 발표했다. 실험에서 연구팀은 알파시누클레인(α-Synuclein) 단백질이 과발현된 파킨슨병 쥐 모델을 사용했다. 뇌에서 서로 뭉쳐 응집 덩어리를 이룬 알파시누클레인은 파킨슨병의 원인중 하나로 꼽힌다.
연구결과 장내미생물을 없앤 무균 파킨슨병 쥐가 장내미생물을 보유한 파킨슨병 쥐에 비해 뇌 염증이나 운동장애 증상이 줄었다. 알파시누클레인이 지나치게 많아도 장내미생물이 없는 상황에서는 단백질이 뭉치는 현상이 적었고 운동장애 증상도 줄었다는 얘기다. 반대로 무균 쥐에 장내미생물의 대사산물인 단쇄지방산(SCFA)을 먹이자 뇌 염증과 운동장애는 다시 관찰됐다. SCFA가 미세아교세포(microglia)의 활성을 조절해 뇌 염증을 일으키고 파킨슨병의 증상을 향상시킨 것이다.
장내미생물의 특정 군집도 파킨슨병 증상에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 무균상태의 파킨슨병 쥐에 파킨슨병 환자의 장내미생물을 이식하자 6-7주 후 운동장애가 나타났다. 반면 정상인의 장내미생물이 이식된 쥐에서는 이런 증상이 관찰되지 않았다. 2017년 3월에는 파킨슨병 환자에서 장내미생물 불균형이 나타난다는 결과도 Movement Disorders 저널에 발표됐다.
파킨슨병의 초기 비운동성 증상인 급성·만성 장염이 파킨슨병과 관련돼 있다는 결과도 나왔다. 지난해 6월 Innate Immunity 저널에서는 알파시누클레인의 축적이 장에서 시작해 뇌로 전파할 수 있다는 가능성을 제시했다. 장염을 앓고 있는 어린이 42명을 대상으로 십이지장의 생검 샘플을 분석한 결과, 장 신경(enteric nerves)에서 알파시누클레인이 발견됐으며 염증이 심할수록 그 양도 많았다. 노로바이러스에 의해 장염에 걸린 어린이를 관찰했을 때도 대부분 염증이 진행되는 동안 알파시누클레인이 많이 발견됐다. 알파시누클레인과 장염 증상이 밀접한 관계가 있음을 의미하는 결과다. 다시 말해, 알파시누클레인이 장 신경에서 염증을 유도하고 파킨슨병 발병기전에 공통적으로 위장관(GI) 감염을 일으킨다는 것을 시사한다. 파킨슨병 발병 이전에 나타나는 변비증상이 이해되는 대목이다. 이와 관련해 연구팀은 미국 회사 Enterin과 장 신경계에 축적된 알파시누클레인을 겨냥한 파킨슨병 치료제를 개발하고 있다.
장에서 뇌간까지 이어진 미주신경을 잘랐을 때 파킨슨병 발병확률이 낮다는 관찰연구도 보고됐다. 스웨덴 스톡홀름 카롤린스크 연구소팀이 2017년 4월 Neurology에 발표한 내용이다. 연구팀은 스웨덴 국가자료를 이용해 1970년부터 2010년까지 40년 동안 장에서 뇌간까지 연결된 미주신경(vagus nerve)을 제거하는 바고토미(vagotomy) 수술을 받은 사람과 수술을 받지 않은 사람을 비교 분석했다. 바고토미 수술은 궤양을 가진 사람을 대상으로 시행된다.
비교 결과, 최소 5년 전에 바고토미 수술을 받은 사람에서 파킨슨병 발병 확률이 적었다. 연구진은 만성 폐질환, 당뇨병, 관절염 같은 다른 영향을 미치는 요소를 감안해서 조정했을 때는 미주신경 절제술을 시행한 사람이 그렇지 않은 사람들에 비해 파킨슨병 발병 가능성이 40%나 낮았다고 발표했다. 파킨슨병이 장에서 시작될지도 모른다는 초기 증거를 제시한 셈이다.
장과 파킨슨병의 상관관계에 대한 연구는 최근에서야 발표되기 시작됐다. 파킨슨병 동물모델 실험과 추적 관찰 결과들을 바탕으로 파킨슨병이 장에서 유래한 후 미주신경을 통해 뇌로 퍼진다는 가능성을 보여주고 있다. 현재 파킨슨병과 관련된 특정 미생물 또는 장내미생물 군집에 대한 연구가 시작되고 있으며, 뇌에 직접 영향을 주는 장내미생물의 대사산물을 비롯한 매개체를 찾아 인관관계를 밝히려는 메커니즘 연구도 진행되고 있다. 여전히 중간 단계의 많은 연구들이 필요하지만 장이 뇌질환에 영향을 미친다는 사실은 흥미롭다.
◇ “장내미생물, Aβ 축적에 관여“..“프로바이오틱스 먹인 AD 쥐, 병리증상 개선“
알츠하이머병 신약개발 성공이 희박해지면서 아밀로이드를 넘어 다양한 시도들이 일어나고 있다. 장내미생물과 알츠하이머병의 상호작용을 연구하는 것도 그 중 하나다. 우리나라 정부는 지난 6일 1조1000억원의 예산을 들여 치매 정복 10년 프로젝트를 추진한다고 발표했다. 지원하기로 한 연구 분야에는 장-뇌 축 관련 치매 유발인자 발굴 및 기전분석 내용도 포함됐다.
최근 장내미생물이 알츠하이머병 병리기전에 영향을 미친다는 연구가 주목받기 시작했다. 스웨덴 룬드 대학교 연구팀은 2017년 2월 Scientific Reports에서 알츠하이머병 쥐(APPPS1)와 보통 쥐의 분변샘플을 분석한 결과 장내미생물 구성이 달랐으며, 무균상태의 알츠하이머병 쥐에서 알츠하이머병의 주요 병인요인으로 꼽히는 베타아밀로이드(Aβ)가 현저히 적은 것을 발견했다. 무균 쥐에 알츠하이머병 쥐의 장내미생물을 이식하자 뇌 속 베타아밀로이드의 양이 많아졌다. 이는 장내미생물이 뇌 속의 베타아밀로이드 병리기전에 직접 관여하면서 알츠하이머병의 발달에 기여할 수 있음을 보여주는 결과다.
장내미생물을 조절해 알츠하이머병의 병리증상을 개선한 연구도 진행됐다. 2017년 5월에 Scientific Reports에서 알츠하이머병 초기단계의 쥐(3xTg)에 유산균과 비피도박테리아가 풍부한 프로바이오틱스 ‘SLAB51’를 먹이자 장내미생물 및 대사산물의 조성에 영향을 미쳤다. 전염증성(pro-inflammatory) 사이토카인(IL1β, IL2, IL12, IL17, IFNɣ, TNFα)이 현저히 감소했고, 염증을 감소시키는 사이토카인(IL4, IL6, G-CSF, GM-CSF)은 증가시켰다. 항 염증성 대사산물 SCFA의 양도 향상했다.
흥미롭게도 SLAB51 처리한 알츠하이머병 쥐는 18주, 24주차가 되자 plasma 내 호르몬 수치도 변했다. 신경보호효과를 위해 확인한 Ghrelin, leptin, GLP1, GIP 등이 유의미하게 증가했다. 이때 쥐의 아밀로이드베터와 아밀로이드 올리고머의 양이 감소했고, 세포 외 아밀로이드 플라크도 확연히 줄었다. 연구진은 프로바이오틱스를 처리한 알츠하이머병 쥐에서 단백질 분해 경로와 자가포식(autophagy)의 회복을 확인했다.
결론적으로 알츠하이머병 모델 쥐에 프로바이오틱스를 처리하자 장내미생물을 조절됨으로써 사이토카인 및 신경보호기능 역할을 하는 호르몬의 수치를 변화시켰다. 이는 알츠하이머병의 주범인 베타아밀로이드 및 플라크도 감소시켰으며 행동기능도 회복시켰다. 동물모델에서 장내미생물 조절로 알츠하이머병의 치료 가능성을 보여주는 것이다.
알츠하이머병에 영향을 미치는 특정 미생물을 찾기 위해 마이크로바이옴을 비교분석한 결과도 나왔다. 2017년 10월 Scientific Reports는 알츠하이머병 환자 25명과 정상인 94명의 대변에서 bacterial 16s rRNA 시퀀싱을 통해 마이크로바이옴 연구를 수행했다. 분석결과, 알츠하이머병 환자는 대조군에 비해 Firmicutes와 Actinobacteria 문(Phylum)이 적었고, Bacteroidetes이 풍부했다. 속(Genus) 수준에서는 6종(Blautia, Bacteroides, Phascolarctobacterium, Alistipes, Bilophila, Gemella)이 풍부했고, 7종(Clostridium, Bifidobacterium, Dialister, Turicibacter, SMB53, Adlercrutzia, cc115)이 부족했다.
알츠하이머병 환자에서 보인 마이크로바이옴 변화는 뇌척수액(cerebrospinal fluid, CSF) 내 바이오마커와도 상관관계를 보였다. 알츠하이머병 환자에서 나타난 6종의 풍부한 균주가 많을수록 7종의 부족한 균주가 적을수록 아밀로이드 버든(burden)이 심했다. 특히 Dialister, SMB53 균종에서 음의 상관관계가 뚜렷하게 나타나면서 알츠하이머병 예방효과의 가능성을 제시했다.
다른 연구들도 있다. 알츠하이머병 환자는 정상인보다 그람음성세균의 세포벽을 구성하는 지질다당질(lipopolysaccharide, LPS)의 양이 약 3배 많이 관찰된다. LPS의 농도가 증가하면서 내장장벽 기능이 손상되고 염증 및 침투가 증가해 결국 아밀로이드와 타우 단백질의 응집을 촉진시킨 것이다. 장내미생물이 세로토닌이나 해마의 신경세포 생성을 촉진하는 뇌유래신경영양인자(BDNF, brain-derived neurotrophic factor) 등에 영향을 끼쳐 베타아밀로이드의 생산에 변화를 준다는 보고도 있다.
이처럼 장내미생물이 알츠하이머병에 연관돼있다는 여러 가지 단서들이 밝혀지고 있다. 조각나 있는 근거들을 이어줄 연구들이 필요한 시점이다. 최근에는 동물모델에서 밝혀진 사실들이 사람에게도 적용되는지 확인하는 연구들이 수행되고 있다.
◇ 장내미생물로 뇌질환 신약개발까지..“장 α-Syn, LPS 타깃“
장내미생물이 감염성질환, 면역질환, 대사질환에 이어 CNS 질환까지 근본적인 영향을 미친다는 연구가 발표되면서 마이크로바이옴 기반 신약개발 회사도 많이 나타났다. 주로 궤양성대장염, 크론병, 감염성 질환, 암 등에 집중해 파이프라인을 개발한다. 그중에는 자폐증, 우울증, 파킨슨병 같은 뇌질환에 도전하는 회사도 있다.
장을 겨냥한 새로운 접근법으로 파킨슨병 신약개발을 하는 회사가 있다. 미국 Enterin은 장 신경계에서 신경염증을 유발하는 알파시누클레인을 제거하는 기전으로 ‘ENT-01'의 임상2a상을 진행 중이다(NCT03047629). 퇴행성신경질환에서 장-뇌 축을 겨냥해 치료제를 개발하는 것은 세계 최초다. 여기에는 알파시누클레인이 장에서 먼저 축적되면서 장-뇌 축을 따라 뇌까지 영향을 준다는 가설을 뒷받침하고 있다.
‘ENT-01’은 상어 간에 함유된 스테로이드인 스쿠알라민(squalamine)을 합성한 경구용 약물이다. 스쿠알라민이 장 신경계에서 알파시누클레인의 염증 유발 작용을 차단하고 배별활동을 촉진시키는 역할을 한다. Enterin은 파킨슨병 외에도 정신분열증(schizophrenia), 자폐증(Autism Spectrum Disorder, ASD)에서 ENT-01을 테스트하고 있으며, 다계통위축증(multiple systems atrophy)에서 ‘ENT-02(zacharin)'의 효과를 연구 중이다. 지난해 7월에는 1270만 달러(약 143억원) 규모의 시리즈A 투자유치에 성공했다.
마땅한 치료제가 없는 자폐증 치료제에 도전하는 회사도 있다. 호주에 위치한 마이크로바이옴 회사 이뮤론(Immuron)은 호주의 3대 연구소 Childrens Research Institute, La Trube, RMIT University와 전략적 제휴를 맺고 자폐증과 장의 상관관계에 대한 연구를 하고 있다. Immuron은 파이프라인 'anti-LPS IMM-124E' 화합물이 자폐증 쥐 모델의 미생물에 미치는 변화를 조사하고 있다. ‘IMM-124E’은 E.coli 추출물에서 LPS에 대해 생성한 소의 초유(bovine colostrum)에서 얻은 경구용 LPS 중화항체다. 마이크로바이옴 변화를 일으켜 LPS 활성을 낮추고 T세포 면역반응을 조절해 염증을 억제하는 기전이다. 현재 비알콜성지방간질환(NASH), 알콜성지방간질환(ASH) 및 위장장애 치료제로 개발 중인데 적응증을 확대해 자폐증에도 적용할 계획이다.
영국 소재의 4D파마(4D Pharma PLC) 역시 장내미생물을 이용해 자폐증, 우울증 신약개발을 연구하고 있다. 현재 장-뇌 축을 통해 질병 기전연구 및 전임상 시험단계다. 이 연구는 아일랜드에 위치한 Cork College의 APC 마이크로바이옴 연구소와 지난 2015년부터 함께 진행중이다. 4D파마의 MicroRx 발견 플랫폼을 이용해 살아있는 미생물로 자폐증과 같은 CNS 질환에 대한 새로운 치료법 개발을 목표로 한다.
4D파마는 건강한 사람의 기증자로부터 장내미생물 균주를 분리하고 이를 캡슐화해 미생물 기반 의약품을 제조하고 있다. 자체적으로 5L~3000L 발효까지 제조할 수 있는 시설을 갖추고 있으며 정제, 순도, 효능, 안정성 측면에서 일관성을 유지할 수 있는 제조기술을 보유 중이다. 회사 측은 정상인으로부터 균주를 얻어 제조했기 때문에 안전한 약물 프로파일을 가져 독성 등의 부작용이 없을 것으로 예상하고 있다.
이은아 기자 euna.lee@bios.co.kr
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< 토성분자 >
인산의 가르침에 따르면
통찰력과 예지력 ( 고도의 두뇌활동 )
조차도 토성분자가 원인이 된다고 일찌기 예견하셨다.
토성분자 = 마이크로바이옴
< 신약본초 > 에 이미 다 나온 내용임.
토성분자(土性分子)로 화하는 영력은 토성분자 합성에서 이뤄지니 토성분자 합성비법을 짐승도 아는 놈이 있다. 토혈(土穴)에 은거하는 동물이 모공(毛孔)과 기공(氣孔)으로 영력의 재료인 토성분자 합성원료를 흡수하여 영력을 키운다.
사람은 기압(氣壓)을 주고 척추를 바로 세워 호흡하여 토성분자(土性分子)를 합성할 수 있는데 공해독을 처리하지 못하면 그 독에 의해 잡심(雜心) 내지 악심(惡心)이 이뤄져 자비심(慈悲心)이 일생을 두고 자리 잡지 못하여 흉물로 종신(終身)하고 만다.
https://www.ft.com/content/e181f02e-12a4-11e8-8cb6-b9ccc4c4dbbb?segmentid=acee4131-99c2-09d3-a635-873e61754ec6
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Good bacteria can help brain function better
Scientists investigate link between gut, mood and memory
The trillions of bacteria living inside healthy human bodies can alter mood and behaviour
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Clive Cookson in Austin, Texas FEBRUARY 16, 2018 21
Researchers are discovering remarkable new links between gut bacteria and the brain. Problems from poor sleep to memory loss could be helped by manipulating the microbiome, the trillions of bacteria living inside healthy human bodies, the American Association for the Advancement of Science heard on Thursday.
Scientists have only recently come to appreciate the importance of the microbiome for health — perhaps the biggest advance in understanding human biology so far this century. Since the bacteria live mainly in the gut, scientists focused first on their role in digestion and metabolism and in problems such as obesity and inflammatory bowel disease, but research outlined at the AAAS annual meeting in Austin is now showing how the microbiome can alter mood and behaviour, too.
“We are finding strong evidence of associations between the brain and microbiome,” said Janet Jansson, director of biological science at Pacific Northwest National Laboratory in Washington state. “Now we are trying to discover the biochemical and genetic factors responsible. We have some exciting preliminary findings but they are not yet published.”
Working with mice, her lab discovered genetic variations in the animals that promote the growth of particular gut bacteria. Several of the genes also turned out to be involved in memory. When researchers transplanted Lactobacillus microbes into mice bred to be germ-free, they found that they developed “a much better memory” than otherwise identical mice without the microbes, Dr Jansson said. The team is now trying to identify chemicals produced by the bacteria that might reach the brain and improve memory.
Her work is funded partly by the US Office of Naval Research, which supports microbiome research on a substantial scale. The ONR said it identified the field “as a top priority because of its potential far-ranging impact on warfighter performance”. The Navy wants to “increase warfighters’ mental and physical resilience in situations involving dietary changes, sleep loss or disrupted circadian rhythms from shifting time zones or living in submarines”.
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Another recipient of ONR funding is Rob Knight, professor of paediatrics at the University of California, San Diego. “Sleep modifies the microbiome and the microbiome affects sleep,” he said. Prof Knight is investigating the nature of the interaction by experimentally disrupting sleep in animals and human volunteers.
Other experiments have shown that mice become more resistant to stress when their microbiome is supplemented through inoculations of the soil bacterium Mycobacterium vaccae.
“We want to work out how to inoculate first mice and rats and then humans with probiotics and ultimately vaccines to produce beneficial changes in the microbiome,” said Prof Knight. Personalised microbiome-promoting diets are another prospect for the future, because the bacterial population of the human body varies greatly between individuals.
But microbiome researchers are uncertain about the benefits of taking the probiotics that are widely available today in supermarkets and pharmacies.
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