마이크로바이옴 (Microbiome)이란

[하은초]

Created On2019-10-07

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마이크로바이옴 (Microbiome)이란

특정 환경에 존재하는 모든 미생물 유전체 (Genome)의 결합으로, 특정 환경에 존재하는 미생물 군집을 의미하는 마이크로바이오타 (Microbiota)와 한 개체의 모든 유전 정보를 의미하는 유전체 (Genome)의 합성어이다. 미생물 (Microbe)와 생태계 (Biome)의 합성어로도 볼 수 있다. 인체 마이크로바이옴 (Human microbiome)은 인체에 서식하는 모든 미생물의 유전체를 통칭한다. 엄밀하게 이야기하면, 인체 마이크로바이오타 (Human microbiota)는 미생물 자체, 인체 마이크로바이옴은 유전체를 지칭하는 말이다. 예를 들어 대변 미생물 이식은 영어로 Fecal microbiota transplant (FMT)로 쓴다. 영어권에서는 이 Microbiota와 Microbiome이 잘 구분되어 쓰이지만, 국내에서는 모두 마이크로바이옴으로 쓰고 있다.

인체 마이크로바이옴의 구성

인체의 구강 내, 피부 표면, 질 내부, 위장관 내 등 인체의 부위마다 독특한 마이크로바이옴이 존재하며, 다양한 미생물 (세균과 고세균, 바이러스, 곰팡이) 종류로 구성된다​1​. 세균의 바이러스인 파아지 (Bacteriophage)를 제외하면 인간의 마이크로바이옴은 세균이 대부분을 차지란다.

정확한 인체 마이크로바이옴의 세포 수와 무게

많은 자료와 논문에서 사람과 미생물의 세포수는 1:10, 즉 미생물이 사람의 10 배이고, 그 수는 100 조, 무게는 수 kg이라고 설명하고 있다. 하지만 이 자료는 과학적인 근거가 미약함에도 불구하고 지속적으로 인용에 인용이 되어 30년 넘게 널리 사용되왔다​2​. 이스라엘 와이즈만 연구소의 최근 연구에 따르면 사람의 몸에는 약 3.8 X 1013 (38조)의 세균이 존재하며 대부분이 사람의 위장관 내, 특히 대장의 세균 밀도와 종 다양성이 가장 높다 (대변 1g당 세균이 1011이 존재)​3​. 장내 미생물의 무게는 약 200 g으로 추정된다. 사람의 세포수를 30조 개로 추정하면, 사람과 미생물의 세포수는 미생물이 약간 많은 것으로 볼 수 있지만, 개인 간의 차이와 실험 오차를 생각하면 1:1 정도로 보는 것이 타당하다​2,3​.

사람과 마이크로바이옴의 세포수의 비교

미국의 인체 마이크로바이옴 프로젝트 (Human Microbiome Project, HMP)와 유럽의 인체 장관 메타게놈 (Metagenomics of the human intestinal tract, MetaHIT)과 같이 대규모 메타게놈 기반의 연구 프로젝트를 통해서 대장에만 사람의 전체 유전자 (약 20,000개)의 150배에 달하는 330만개의 독특한 유전자가 있다는 사실이 밝혀졌다​4​. 인체 마이크로바이옴은 인체가 하지 못하는 면역 발달, 병원균에 대한 방어, 에너지 대사에 중요한 역할을 하는 짧은 사슬 지방산의 합성, 비타민 합성과 같은 다양한 기능들을 수행한다​5,6​.

마이크로바이옴과 질병

지난 10년간 6만편이 넘는 논문을 통해 다양한 질병이 마이크로바이옴과 관련되어 있는 사실이 밝혀지고 있다.

마이크로바이옴과 관련된 질병

초기에는 생쥐, 특히 무균 생쥐 (Germ-free mouse)를 이용해서 마이크로바이옴이 질병의 원인 중 하나임이 증명되었다면, 최근에는 사람을 대상으로 한 임상연구도 활발하다. 최소 한편 이상의 학술 논문으로 마이크로바이옴과의 연관성이 밝혀진 질병에 대한 환자 통계는 다음과 같다.

출처: 질병관리본부·건강보험심사평가원·학술논문

Table 1. 마이크로바이옴 관련 질병의 환자 통계 (마지막 수정 2019년 11월 3일)

질병	한국 환자 통계	세계 환자 통계
비만	세계보건기구(WHO) 기준 BMI 25이상은 과체중, 30이상은 비만으로 분류 ​7​ 2012년 성인의 32.8%가 과체중 (BMI 25이상)이며 4.8%가 비만(BMI 30 이상) (질병관리본부) 2020년 남성 미만율 47%, 여성 비만율 32% 일 것으로 예상​8​	미국: 2015-2016년 성인 비만율 39.8%, 미취학아동 비만율 18.4% (2017년, CDC)​9​ 1975-2014년 전 세계 비만 유병률 추정결과 2025년엔 남성의 18%, 여성의 21%가 비만일 것으로 예상​10​
당뇨	2016년 30세 이상 성인 당뇨병 유병률은 11.3% (남성는 12.9%, 여성은 9.6%로 남성이 여성보다 1.3배 높음) (질병관리본부) 30세 이상 성인 당뇨병 유병률 13.7%, 약 4백 8십만명이 당뇨병 환자​11​ 2018년 의사진단 당뇨병 환자 3,028,128 명​12​	2017년 전 세계 4억 5천1백만명이 당뇨병 환자로 추산, 2045년엔 인구의 거의 절반인 49.7%가 당뇨병일 것으로 예상 (2018, 국제당뇨병연맹)​13​
만성간질환/간경변증	2012년 30세 이상 간경변증 유병률 0.5% (남성은 0.5%, 여성은 0.4%) (질병관리본부) 2018년 간경변증 환자 110,710명으로 2013년 (95,719명)에 비해 15.6% 증가​12​	미국: 450만명 진단 (성인의 1.8%), 4만1천명 사망 (2017년,CDC) 1990-2017년 전 세계 인구 중 1억 5천만명이 만성간질환와 간경화 환자로 추산​14​
만성신부전	2017년 30세 이상 중등도 이상 만성신장병 유병률 3.0% (남성은 3.4%, 여성은 2.6%로 남성이 여성보다 1.3% 높음) (질병관리본부) 2011-2013년 20세 이상 성인 만성신부전 유병률 8.2%​15​ 2018년 의사진단 신부전 환자 226,877명 ​12​	1990-2017년 전 세계적으로 6천9백만명이 만성신부전 환자​14​
심혈관질환	2017년 30세 이상 성인 고혈압 유병률은 26.9% (남성은 32.3%, 여성은 21.3%) (질병관리본부) 2015년 성인 1000명 중 죽상 동맥경화증에 의한 심혈관 질환 환자는 101.1명​16​ 2018년 의사진단 심혈관 질환 환자 1,089,861명 ​12​	미국: 2015년 성인의 약 15% 죽상 동맥경화증 관련 심혈관 질환 환자
염증성 장질환 (크론병, 궤양성 대장염[Ulcerative colitis])	2017년 염증성 장질환 환자 61,170명 (궤양성 대장염 40,939명, 크론병 20,231명)으로 2013년에 비해 29.7% 증가 (질병관리본부) 2018년 의사진단 염증성 장질환 환자 65,802명​12​	미국: 2015년 기준 약 3백1천만명(1.3%)이 염증성 장질환 환자​17​ 노르웨이: 1990-2010년 10만명 중 궤양성 대장염 진단 환자 505명, 크론병 진단 환자 262명​18​
과민성 대장 증후군	2006년 18세-60세 1066명 설문조사 결과 과민성 대장 증후군 유병률 6.6% (남성 7.1%, 여성 6.0%)​19​	전 세계적으로 과민성 대장 증후군 유병률은 11.2%이며 남아시아에서 가장 낮은 유병률 (7.0%)과 남미에서 가장 높은 유병률 (21.0%)이 나타남​20​
아토피	2010년 아토피 피부염 평생 의사진단 유병률은 초등학생 35.5%, 중학생 24% (질병관리본부) 2018년 의사진단 아토피 피부염 환자 921,070명 이 중 소아·청소년(0~19세)는 451,743명으로 약 50%를 차지​12​	미국, 유럽, 캐나다, 일본 국가 대상 설문 조사에서 성인 아토피 유병률 2.1-4.9%​21​ 전 세계적으로 아동의 15-20%, 성인의 1-3%가 아토피 피부염 환자​22,23​
다발성 경화증 (Multiple sclerosis)	2000-2005년 다발성 경화증 유병률 10만 명당 3.5명 (남성은 3.1명, 여성은 3.9명) (질병관리본부) 국내 다발성 경화증 유병률은 10만명 당 0.1명으로 남성보다 여성의 유병률이 약 1.26배 높음​24,25​ 2016년 다발성 경화증 환자 19,826명으로 1990년 대비 31.2% 증가​26​	2016년 전 세계적으로 약 2백2십만명의 다발성 경화증 환자가 발생하였으며, 1990년 이후 10.4% 증가​26​
류마티스관절염	2016년 30세 이상 류마티스관절염 유병률 2.0% (여성은 2.8%, 남성은 1.1%) (질병관리본부) 2018년 류마티스관절염 환자 24,875명으로 이 중 50-59세 여성이 5만4천명으로 약 25%를 차지​12​	미국: 2014년 류마티스관절염 유병률 0.53-0.55% (남성 0.29-0.31%, 여성 0.73-0.78%)로 약 128-136만명​27​
갑상선장애	2013-2015년 갑상선기능저하증 유병률은 전체 3.1% (남성 2.26%, 여성 0.81%), 무증상 갑상선기능항진증은 2.98% (남성 2.43%, 여성 3.59%) (질병관리본부) 2015년 갑상선 호르몬에 의한 갑상선 항진증 유병률 1000명 중 15.9명​28​ 2018년 의사진단 갑상선 기능 장애 환자 1,376,651명 ​12​	전 세계적으로 0.2~1.3%의 인구가 갑상성 항진증​29,30​ 미국: 2002년 National Health and Nutrition Examination Survey (NHNES)에 의하면 미국 시민의 0.5%이 갑상선 기능 항진증 환자이며, 0.7%가 불현성 갑상선 기능 항진증 환자 ​30​
골다공증	2008-2011년 골다공증 유병률은 22.5%로 50세 이상 성인 5명 중 1명이 골다공증 유병자 (여성37.5%, 남성 7.5로 여성이 남성의 5배) (질병관리본부) 2018년 의사진단 골다공증 환자는 972,196명으로 2013년 대비 20.7% 증가했으며, 이 중 50세 이후 여성 환자 915,901명​12​	미국: 폐경 여성 3359명, 60세 이상 남성 3205명 대상 조사 결과 여성은 9.65%, 남성은 8.08%가 골다공증이었으며, 여성의 27%, 남성의 26%가 골감소증 환자​31​
신생아괴사성장염	2013-2014년 저체중출생아 2,386명 중 149명이 괴사성장염을 진단​32​	미국: 괴사성 장염의 유병률은 1000명당 1-3명​33,34​
자폐 스펙트럼 장애 (ASD)	일산지역 7~12세 조사에서 2.6% (39명 중 1명)​35​ 2018년 의사진단 자폐증 환자 10,298명​12​	미국: 2018년 조사에서 8세 아이 1.6% (59명 1명)이 ASD로 진단 (CDC). 남아가 여아보다 4배.
치매/알츠하이머병	2012년 65세 노인 인구 중 치매 유병률 9.18%로 540,755명 85세 이상에서는 33.9%이며 치매 환자의 71%가 알츠하이머성 치매 (보건복지부) 2016년 65세 이상 노인 인구 중 치매 환자 수 약 66만명, 2024년 백만명, 2039년 2백만명, 2050년에 3백만명을 넘어설 것으로 추정​​36​ 2018년 의사진단 치매 환자 511,931명​12​	미국: 2014년 5백만, 2040년엔 천5백만명으로 예상 (CDC)
파킨슨병	전 연령 대상 파킨슨병 유병률 10만 명당 27.8명, 60세 이상에선 165.9명 (질병관리본부) 2004년 파킨슨병 유병률 10만명당 41.4명에서 2013년도 142.5명으로 10년간 해마다 13.2%씩 증가​37​ 2018년 의사진단 파킨슨병 유병 규모는 120,977명으로 2013년 대비 31% 증가​12​	북아메리카: 2010년, 45세 이상 인구 10만명 중 572명이 파킨슨 환자이며 2020년엔 93만명, 230년엔 123만8천명으로 예상​38​
우울증	2016년 19세 이상 우울장애 유병률은 5.6% (여성은 7.0%, 남성은 4.1%로 여자 유병률이 남성보다 1.7배 높았음) (질병관리본부) 2018년 의사진단 우울증 환자 752,195명​12​ (산후우울증 265명 포함)	미국: 2013-2016년 20세 이상 성인 우울증 유병률 8.1%, 여성이 남성의 약 2배 유병률이 높음 (2018년, CDC)​39​
조현병	2016년 정신질환실태 조사에 의하면 조현병 평생 유병률 0.5% (보건복지부) 2018년 조현병 유병 규모 121,439명​12​	2008년 오스트레일리아 퀸즐랜드 정신건강연구소에 의하면 조현병 발병률은 10만명 중 15.2명으로 추정​40​ 미국: 조현병 유병률 1000명 중 5.1명​41​
클로스트리디움 디피실 감염증	2013-2014년 평균 유병률 10만 명당 69명​42​	미국: 매년 50만 명 환자 발생, 29,000 명 사망. 2/3가 병원감염 (2012년)​43​
대장암	2015년 대장암과 직장암 유병률 10만 명당 30.4명 (남성 40.2명, 여성 22.2명)​44​ 2018년 의사진단 대장암 환자 159,388명​12​	2012년 전 세계 대장암 환자 136만명으로 추정​45​ 2030년까지 대장암 유병률이 60%까지 증가하여 220만명의 새로운 환자 발생, 암 사망 환자 110만명 예상​46​
췌장암	2016년 췌장암 유병률 7.0% (남성 8.1%, 여성 6.0%)​47​ 2018년 의사진단 췌장암 환자 19,971명​12​	2018년 췌장암 진단 환자 45만명 (전체 암 환자의 2.5%), 2040년엔 35만명의 새로운 환자가 더 늘어나며, 췌장암 사망자 34만명으로 증가할 것으로 예상​48​
간암	2014년 감암 유병률 10만 명당 113.6명 (남성 170명, 여성 57명)​49​ 2018년 의사진단 간암 환자 74,848명(남성 77%, 여성 23%)​12​	2012년, 전 세계적으로 간암 발병률은 10만명 중 15.3명, 사망률은 14.3명​50​

마이크로바이옴의 이상(불균형)의 질병의 원인인지, 또는 결과인지에 대한 많은 논란이 있었으나, 지난 10여 년 간의 연구를 종합해서 보면, 마이크로바이옴은 질병의 원인이기도 하고, 질병에 의해 변하기도 한다. 대변 미생물 이식 (Fecal Microbiota Tranplant)는 불균형인 마이크로바이옴을 정상, 즉 균형 마이크로바이옴으로 바꾸어 주는 시술인데, 이 방법으로 다수의 질병의 동물 모델과 사람을 대상으로 한 인상 실험에서 치료 가능성이 확인되었다. 아래 테이블은 그 논문을 정리한 것이다.

Table 2. 대변 미생물 이식 (Fecal Microbiota Tranplant)으로 마이크로바이옴을 이용한 치료제 개발 가능성이 입증된 질병과 근거 (마지막 수정 2019년 11월 3일)

질병	동물실험으로 치료 가능성 증명	인간 대상의 임상시험으로 치료효과가 보인 경우
비만	Ridaura et al. (2013) Science ​51​
당뇨	Suez et al. (2014) Nature ​52​	Vrieze et al. (2012) Gastroenterology (RR : x, 포도당 감소율 26.2에서 45.3로 상승 (μmol/kg/min, 중앙값 기준)) ​53​
면역항암제 병용요법	Gopalakrishnan et al. (2018) Science (Anti–PD-1/흑색종) ​54​ Matson et al. (2018) Science (Anti–PD-1/흑색종) ​55​ Routy et al. (2018) Science (NSCLC/신장암) ​56​	Wang et al. (2018) Nature medicine (RR : 100% (2/2), 2명 실험) ​57​
대장암	Wong et al. (2017) Gastroenterology ​58​ Bullman et al. (2017) Science ​59​
급성췌장염	Zhu et al. (2019) Journal of Gastroenterology
과민성 대장 증후군	Touw et al. (2017) Physiological Reports ​60​ De et al. (2017) Sci Trans Med ​61​	Johnsen et al. (2018) Lancet Gastroenterology & Hepatology (RR: 65% (36/55)) ​62​
염증성 장 질환	Tian, Zhihui, et al. (2016) Digestive diseases and sciences ​63​	Meighani et al. (2017) Digestive Diseases and Sciences (RR: 75% (15/20)) ​64​
만성 변비	Cao et al. (2017) Scientific Reports ​65​	Ding et al. (2018) Gastroenterology Report (RR : 50% (26/52)) ​66​
클로스트리디움 디피실 감염증	Battaglioli et al. (2018) Sci Trans Med ​67​	Zipursky et al. (2014) Canadian Journal of Gastroenterology and Hepatology (RR : 97% (135/139)) ​68​
다제내성균 감염증		Wei et al. (2015) BMC Infectious Diseases (RR : 100% (5/5)) ​69​
고혈압	Li et al. (2017) Microbiome ​70​
알츠하이머	Kim et al. (2019) Gastroenterology Sun, Jing, et al. (2019) Translational psychiatry ​71​
자폐 스펙트럼 장애		Kang et al. (2019) Scientific Reports (RR : 83%, 18명 실험) ​72​ Kang et al. (2017) Microbiome (RR : 24%, 18명 실험) ​73​
파킨슨병	Sampson et al. (2016) Cell ​74​
조현병	Zeng et al. (2019) Science Advances ​75​

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