Gut Bacterial and Fungal Dysbiosis in Patients with Non-Statutory Infectious Diarrhea in Hohhot: A 16S rRNA and ITS Amplicon Sequencing Case–Control Study

인간의 장 내부에는 신체를 건강하게 유지하기 위해 끊임없이 노력하는 방대하고 북적이는 미생물 생태계가 존재합니다. 이 생태계는 단일한 덩어리가 아니라 박테리아와 진균이라는 두 개의 뚜렷한 집단으로 구성된 복잡한 사회입니다. 박테리아가 오랫동안 주요 거주자로 인식되어 왔지만, 진균 또한 중요한 역할을 수행하며, 이 두 집단은 음식의 소화를 돕고 면역 체계를 훈련시키는 동시에 공간과 자원을 차지하기 위해 끊임없이 상호작용하고 경쟁합니다. 이 섬세한 균형이 깨지면 디스바이오시스(dysbiosis)라고 불리는 상태가 발생하며, 이는 종종 질병으로 이어집니다. 중국에서 흔하고 광범위하게 나타나는 질병 중 하나는 비법정 감염성 설사로, 이는 다양한 세균에 의해 유발되어 빈번하고 묽거나 물 같은 변을 보게 되는 질환입니다. 콜레라와 같은 심각한 법정 전염병과는 달리, 이러한 사례들은 개별적으로는 덜 극적일 수 있지만, 집단적으로는 거대한 공중보건 과제를 나타냅니다. 이러한 감염 중에 장내 미생물 군집이 정확히 어떻게 변화하는지 이해하는 것은 더 나은 치료법을 개발하는 데 필수적이지만, 과학자들은 역사적으로 박테리아와 진균을 각각 별개로 연구함으로써 그들이 서로에게 미치는 복잡한 영향을 놓치며 전체적인 그림을 보는 데 어려움을 겪어 왔습니다.

내몽고 홀호트의 한 연구팀은 박테리아와 진균 군집을 동시에 조사함으로써 이 문제에 대해 새로운 관점으로 접근하기로 했습니다. 그들은 감염성 설사를 앓고 있는 환자 15명으로부터 대변 샘플을 수집하였고, 이를 건강한 사람 70명의 샘플과 비교하였습니다. 과학자들은 첨단 유전자 시퀀싱 기술을 사용하여 각 샘플에 존재하는 미생물의 고유한 DNA 서명을 읽어냈으며, 이를 통해 어떤 종이 존재하고 그 수가 얼마인지 정확히 식별할 수 있었습니다. 이 접근 방식은 장 내부의 풍경에 대한 상세한 지도를 제공하여, 사람이 병에 걸렸을 때 군집 구조가 어떻게 변화하는지를 드러냈습니다. 연구는 이 맥락에서 아직 철저히 탐구되지 않은 특정 장내 미생물 영역에 초점을 맞추었으며, 경고 신호나 치료 표적으로서 기능할 수 있는 특정 미생물 패턴을 찾는 것을 목표로 했습니다.

조사 결과, 감염성 설사는 장의 생태계에 심각한 혼란을 일으키지만, 그 영향이 모든 거주자에게 동일하게 나타나지는 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 박테리아 군집이 가장 심각한 손상을 입었습니다. 건강한 개인의 장에는 장 점막을 튼튼하게 유지하는 데 도움이 되는 유익한 화합물을 생성하는 많은 박테리아를 포함하여 풍부한 다양성의 박테리아가 서식합니다. 환자들의 경우, 이 다양성이 붕괴되었습니다. 연구진은 다양한 박테리아 종의 수가 급격히 감소했으며, 군집의 전반적인 균형이 혼돈에 빠졌음을 발견했습니다. 구체적으로, 대장 세포의 핵심 연료인 부티레이트(butyrate)를 생성하는 것과 같이 유익하다고 알려진 박테리아들이 거의 전멸했습니다. 그 자리에는 해를 끼칠 수 있는 기회주의적 박테리아들이 빠르게 증식하기 시작했습니다. 여기에는 감염 및 염증과 자주 연관되는 에스케리키아(Escherichia)와 스트렙토코커스(Streptococcus) 유형이 포함됩니다. 진균 군집 또한 변화했지만, 그 변화는 덜 극적이었습니다. 전체 진균 종의 수는 감소했지만, 진균 네트워크의 전반적인 구조는 박테리아보다 더 안정적으로 유지되었습니다. 그러나 환자들에게서는 신체의 방어력이 떨어졌을 때 문제가 될 수 있는 종류의 진균인 칸디다(Candida)가 유의미하게 증가한 반면, 아스페르길루스(Aspergillus)는 감소했습니다.

이 연구에서 가장 놀라운 발견 중 하나는 연령이 이러한 미생물 변화를 어떻게 형성하는가였습니다. 연구진은 장내 미생물 군집이 영아에게 반응하는 방식이 노인에게 반응하는 방식과 다르다는 것을 발견했습니다. 박테리아 세계에서 다양성은 명확한 생애 주기를 따릅니다. 즉, 영아기에 가장 낮았다가 성인기에 정점에 도달한 후 노년기에 다시 감소합니다. 환자들이 병에 걸렸을 때, 이 연령 의존적 패턴은 유지되면서도 왜곡되었습니다. 영아들은 그들의 발달 단계에 전형적인 박테리아가 우세한 매우 다른 미생물 프로필을 보인 반면, 고령층은 보호 박테리아의 뚜렷한 손실과 유해한 박테리아의 증가를 보였습니다. 반면, 진균 군집은 이와 같은 강력한 연령 관련 구조적 변화를 보이지 않았습니다. 대신, 연령에 따른 주요 차이점은 단순히 존재하는 다양한 진균 종의 수였습니다. 이는 박테리아 군집이 숙주의 생물학적 발달과 깊게 엮여 있는 반면, 진균 군집은 식단이나 환경과 같은 외부 요인의 영향을 더 많이 받아 연령에 관계없이 더 일관된 구조를 유지한다는 것을 시사합니다.

연구진은 또한 이러한 미생물 변화가 질병을 진단하는 데 사용될 수 있는지 테스트했습니다. 컴퓨터 모델을 사용하여 데이터를 분석함으로써, 연구진은 단 세 가지의 특정 박테리아 속인 페칼리박테리움(Faecalibacterium), 로부리아(Roseburia), 루미노코커스(Ruminococcus)의 존재 여부만으로 매우 높은 정확도로 환자를 식별할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이들은 모두 부티레이트를 생성하는 박테리아이며, 환자들에게서 이들이 심각하게 고갈된다는 점은 이들을 질병의 훌륭한 표식(marker)으로 만듭니다. 이와 대조적으로, 진균 표식은 진단에 있어 그리 신뢰할 만하지 않았으며, 이는 박테리아 군집이 감염 중 눈에 보이는 변화를 일으키는 주요 동력이라는 생각을 뒷받나합니다. 연구진은 자신들의 결과가 홀호트 인구에 특화되어 있으며, 단일 시점을 조사한 연구 설계는 미생물 변화와 질병 사이의 강한 연관성을 보여주지만, 이러한 변화가 질병을 유발했다는 것을 입증하는 것은 아니라고 언급했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 작업은 감염성 설사 동안 장 생태계가 어떻게 붕괴되는지에 대한 명확한 기준을 제공하며, 유익한 박테리아의 손실이 질병의 핵심적인 특징임을 강조하고, 연령이 감염에 대한 신체의 내부 세계가 반응하는 방식에 있어 결정적인 요인임을 밝혀냈습니다.