Untargeted Cross-Matrix Metabolomics Reveals Tryptophan Metabolism Shift in Children with Autism

자폐 스펙트럼 장애는 사람이 소통하고, 타인과 상호작용하며, 세상을 경험하는 방식에 영향을 미치는 복잡한 질환입니다. 과학자들은 유전과 환경이 역할을 한다는 것을 오랫동안 알고 있었지만, 이 질환을 유발하는 정확한 생물학적 기제는 여전히 불분명합니다. 최근 몇 년 동안 관심은 장, 특히 그곳에 살고 있는 수조 개의 작은 박테리아로 향했습니다. 이 미생물들은 단순히 음식을 소화하는 데 그치지 않고, 미생물-장-뇌 축이라고 알려진 신경, 호르몬, 화학적 신호의 네트워크를 통해 뇌와 소통합니다. 이 소통 시스템이 제대로 작동하지 않을 때, 자폐 증상에 기여할 수 있습니다. 이 연결 고리를 이해하기 위해, 연구자들은 종종 대사산물, 즉 우리 몸과 장내 박테리아가 음식을 분해하고 에너지를 처리할 때 생성하는 작은 화학 분자들에 주목합니다. 이 분자들은 화학적 언어로서 작용하여, 미시적인 수준에서 우리 몸 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 알려줍니다.

중난 대학 부속 병원의 연구팀은 장 자체와 혈액이라는 두 가지 서로 다른 신체 부위를 동시에 조사함으로써 이 화학적 언어에 귀를 기울이기로 했습니다. 이전의 많은 연구가 대변이나 소변 중 하나만을 고립시켜 살펴보았던 반면, 이 그룹은 장 내의 국소적인 환경이 신체의 나머지 부분과 어떻게 연결되는지에 대한 전체적인 그림을 보고 싶어 했습니다. 연구진은 자폐증이 있는 아동 33명과 자폐증이 없는 아동 27명을 모집했습니다. 각 아동으로부터 대변과 소변 샘형을 채취했습니다. 한 번에 수천 개의 작은 화학 구조를 식별할 수 있는 첨단 기계를 사용하여, 과학자들은 두 집단의 대사 지형을 지도화했습니다. 그들은 자폐 아동에게서 나타나지만 다른 아이들에게는 나타나지 않는 특정 화학적 징후를 찾고자 했으며, 이를 통해 장에서 뇌로 이어지는 경로를 추적하기를 희고했습니다.

분석 결과, 자폐 아동들이 트립토판이라는 특정 영양소를 처리하는 방식에서 명확한 차이가 있음이 드러났습니다. 트립토판은 뇌와 수면을 위한 중요한 화학 물질을 만드는 데 몸이 사용하는 음식 속의 아미노산입니다. 자폐 아동의 대변 샘플에서 연구진은 두 가지 핵심 물질인 인돌(indole)과 멜라토닌의 일종인 6-하이드록시-멜라토닌(6-hydroxy-melatonin)의 수치가 현저히 낮다는 것을 발견했습니다. 인돌은 장내 박테리아가 트립토판을 분해할 때 생성하는 화학 물질이며, 멜라토닌은 수면-각성 주기를 조절하는 호르몬입니다. 이 수치들이 장에서 낮게 나타났다는 사실은 이 아이들의 박테리아가 트립토판을 올바르게 분해하지 못하고 있음을 시사합니다. 이러한 발견은 많은 자폐 아동이 수면 문제로 어려움을 겪는다는 잘 알려진 관찰 결과와 일치하는데, 이는 신체가 휴식에 필요한 화학적 신호를 충분히 생성하지 못하고 있을 수 있음을 의미합니다.

이야기는 장에서 끝나지 않았습니다. 연구진이 신체의 나머지 부분을 반영하는 소변을 조사했을 때, 이와 관련되면서도 다른 패턴을 발견했습니다. 자폐 아동의 소변에는 5-메톡시트립토판(5-methoxytryptophan)과 같은 다른 특정 트립토판 분해 산물의 수치가 높게 나타난 반면, 2-메틸니코틴산(2-methylnicotinic acid)의 수치는 낮았습니다. 장에서 일어나는 일과 소변에 나타나는 현상 사이의 이러한 불일치는 전신적인 교란을 시사합니다. 트립토판 경로가 여러 곳에서 끊어져 있어, 신체가 적절한 시기에 올바른 화학 물질을 만들지 못하게 하는 것으로 보입니다. 이러한 교란은 수면뿐만 아니라 뇌세로가 서로 대화하는 데 사용하는 화학 물질인 신경전달물질의 균형에도 영향을 미칠 가능성이 큽니다.

트립토판 경로 외에도, 연구는 세포 내의 더 깊은 에너지 위기에 대한 증거를 찾아냈습니다. 연구진은 자폐 아동의 대변과 소변 모두에서 신체의 주요 에너지 생성 주기에 관여하는 특정 화학 물질들이 상승해 있다는 것을 발견했습니다. 이 화학 물질들은 세포 내의 작은 발전소 역할을 하는 미토콘드리아를 가동하는 과정의 일부입니다. 이 발전소들이 효율적으로 작동하지 않으면 신체는 에너지를 제대로 생성할 수 없고 노폐물이 쌓이게 됩니다. 장과 소변 모두에서 나타나는 이러한 에너지 관련 이상 현상의 동시성은 전신적인 문제를 시사하며, 대사 장애의 근본 원인이 에너지를 생산하는 세포의 능력 실패에 있을 수 있음을 보여줍니다. 이는 자폐가 뇌을 훨씬 넘어 신체의 에너지 네트워크 전반의 광범위한 교란을 포함한다는 생각을 뒷받침합니다.

장내 박테리아가 어떻게 이러한 변화를 일으킬 수 있는지 이해하기 위해, 과학자들은 다양한 박테리아 집단의 풍부함이 이러한 화학 물질의 수치와 어떻게 상관관계가 있는지 보여주는 지도를 만들었습니다. 그들은 때때로 해로울 수 있는 특정 박테리아가 유익한 멜라토닌 화학 물질의 낮은 수치와 연관되어 있음을 발견했습니다. 반대로, 보통 유익하다고 여겨지는 다른 박테리아들은 높은 수준의 에너지 관련 화학 물질과 연관되어 있었습니다. 이는 자폐 아동의 장내 미생물 구성이 단순히 다른 것이 아니라, 연구에서 관찰된 대사 오류를 능동적으로 유발하고 있음을 시사합니다. 박테리아가 영양소를 처리하고 에너지를 생성하는 신체의 능력을 방해하는 방식으로 화학적 환경을 변화시키고 있는 것입니다.

연구진은 자신들의 발견이 최종적인 답이라기보다 시작점이라는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 이 연구는 단일 시점을 조사했기 때문에, 이러한 대사 변화가 자폐를 유발한 것인지 아니면 자폐의 결과인지를 확실하게 말할 수는 없습니다. 연구 대상이 된 아동 집단도 상대적으로 작았으며, 연령과 성별이 두 집단 간에 완벽하게 일치하지는 않았으나 통계적 방법을 사용하여 이러한 차이를 보정했습니다. 이러한 한계에도 불구하고, 이 연구는 문제에 대한 강력하고 통합적인 관점을 제공합니다. 장과 신체를 함께 살펴봄으로써, 연구팀은 자폐가 트립토판을 처리하고 에너지를 생성하는 방식의 광범위한 교란과 관련이 있음을 보여주었습니다. 이 작업은 향후 치료법이 장내 미생물을 복구하여 이러한 필수적인 화학 물질의 흐름을 회복시키는 데 집중될 수 있으며, 이를 통해 자폐 아동의 수면과 전반적인 웰빙을 개선하는 데 도움을 줄 수 있음을 시사합니다.