Supernatant from primary human gut microbiota fermentation as a modulator of intestinal barrier in in vitro models

인간의 장은 수조 개의 미생물이 신체의 세포들과 끊임없이 대화를 나누며 살아가는 활기찬 생태계입니다. 이 미생물들은 집단적으로 마이크로바이오타(microbiota)라고 불리며, 단순히 음식을 소화하는 것 이상의 역할을 합니다. 이들은 면역 체계를 조절하고 장벽의 건강을 유지하는 데 도움을 주는 복잡한 화학적 부산물의 '수프'를 만들어냅니다. 이 장벽은 유해한 물질은 혈류로부터 차단하고 영양분은 통과시키는 정교한 문지기이자 엄격한 장벽 역할을 합니다. 이 장벽이 새거나 염증이 생기면 소화기 질환부터 전신 염증에 이르기까지 일련의 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 장내 박테리아가 생성하는 화학 물질이 이 장벽에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것은 장 질환을 치료하는 새로운 방법을 개발하는 데 필수적이지만, 이러한 상호작용을 직접 연구하는 것은 매우 어렵습니다. 박테리아와 인간 세포는 서로 상충하는 요구 조건을 가지고 있기 때문입니다. 박테리아는 종종 인간 세포를 죽게 만드는 산소가 없는 환경을 필요로 하는 반면, 세포는 박테리아가 견딜 수 없는 산소를 필요로 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 영리한 우회 방법을 사용했습니다. 먼저 박테리아가 시험관에서 음식을 발효하게 한 다음, 그들이 만들어낸 액체를 추출하여 인간 세포에 테스트하는 방식입니다. 이 접근법을 통해 과학자들은 살아있는 박테리아와 살아있는 인간 세포를 같은 접시에 함께 키워야 하는 기술적 난제 없이도 미생물의 '수프'가 미치는 영향을 연구할 수 있습니다. 최근 한 과학자 팀은 인간 장 박테리아의 발효에서 유래한 액체가 장벽의 강도에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 이 방법을 사용했습니다. 그들은 두 가지 방식으로 배양된 인간 장 세포에 이 액체를 테스트했습니다. 하나는 일반적인 정지 상태의 용기에서 기른 것이고, 다른 하나는 장의 움직임을 모방한 더 발전된 형태인 흐름이 있는 장치에서 기른 것입니다. 그들의 목표는 박테리아 액체가 장벽을 손상시키는지, 손상된 장벽을 복구할 수 있는지, 그리고 어떤 테스트 방법이 가장 현실적인 결과를 제공하는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 건강한 자원봉사자들로부터 대변 샘플을 채취하여 이를 영양분이 풍부한 액체와 함께 산소가 없는 챔버에 넣는 것으로 시작했습니다. 그들은 이 혼합물을 하루 동안 그대로 두어 장내 박테리아가 영양분을 섭취하고 화학적 부산물을 생성하도록 했습니다. 그 후, 박테리아를 걸러내고 단쇄 지방산(short-chain fatty acids)과 기타 대사산물이 풍부한 상층액만을 남겼습니다. 그런 다음 이 액체를 실제 인체 내부와 유사하게 형성된 인간 장 세포에 적용했습니다. 이 세포들은 장의 영양 흡수 세포를 모사하는 세포와 보호층인 점액을 생성하는 세포가 혼합된 형태였습니다.

연구팀은 먼저 액체가 세포 위에서 정지해 있는 정적 환경에서 세포를 테스트했습니다. 또한, 장의 지속적인 흐름을 시뮬레이션하기 위해 세포 위로 액체를 펌핑하는 미세 유로 칩(microfluidic device) 내의 흐름 환경에서도 세포를 테스트했습니다. 두 경우 모두 세포가 얼마나 잘 결합되어 있는지를 측정했습니다. 그 결과, 건강한 세포를 박테리아 액체에 노출시켜도 세포에 해를 끼치지 않았으며 장벽은 여전히 튼튼하고 온전한 상태를 유지했습니다. 그러나 두 가지 테스트 방법을 비교했을 때 명확한 차이가 나타났습니다. 흐르는 칩 안의 세포는 정지된 용기 안의 세포보다 더 많은 양의 테스트용 염료를 통과시켰습니다. 이는 흐르는 환경이 실제 인간의 장이 작동하는 방식에 더 가까운, 즉 더 투과성이 높거나 '새는' 듯한 장벽을 만든다는 것을 시사하며, 반대로 정지된 용기는 인위적으로 너무 촘촘한 밀봉 상태를 만들 수 있음을 보여줍니다.

실험의 유효성을 장기간 확보하기 위해 연구팀은 실질적인 문제를 해결해야 했습니다. 박테리아 샘플을 희석하는 데 사용된 액체가 세포를 하루 동안 생존하게 할 만큼 충분한 영양을 공급하지 못한다는 점이었습니다. 단순한 염 용액(salt solution)에 세포를 두었을 때, 세포는 약해지고 장벽은 무너졌습니다. 연구진은 염 용액에 특정 완충제(buffering agent)를 추가하면 실험 기간 동안 세포를 건강하게 유지하고 장벽을 튼데 유지할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 매우 중요했는데, 이를 통해 세포가 굶주려 결과가 왜곡되지 않도록 하면서 박테리아 액체를 더 오랜 기간 테스트할 수 있게 되었기 때문입니다.

연구의 가장 중요한 부분은 이 박테리아 액체가 손상된 장벽을 복구할 수 있는지 테스트하는 것이었습니다. 연구진은 먼저 염증을 유발하는 분자에 세포를 노출시켜 의도적으로 장벽을 약화시켰으며, 이로 인해 장벽이 새고 조직의 전기 저항이 거의 절반 수준으로 떨어지게 만들었습니다. 이는 병들고 염증이 생긴 장의 모델을 만든 것입니다. 그 후, 이 손상된 세포들에 박테리아 발효 액체를 처리했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 이 처리는 장벽의 회복을 도왔습니다. 세포들은 다시 촘촘해졌고, 염료가 새어 들어오는 양은 건강하고 손상되지 않은 세포의 수준으로 돌아왔습니다. 이러한 회복은 세포가 여전히 염증 상태에 있음에도 불구하고 일어났으며, 이는 장내 박테리아가 생성하는 화학 물질이 장벽을 복구하는 자연적인 능력을 갖추고 있음을 시사합니다.

연구팀은 세포 내부의 유전적 지침을 살펴 세포가 어떻게 반응하고 있는지도 조사했습니다. 그들은 염증이 세포를 결합하는 데 도움을 주는 특정 단백질의 수치를 감소시켰다는 사실을 발견했는데, 이는 손상된 장벽의 흔한 징후입니다. 박테리아 액체 처리가 물리적 장벽을 복구하는 데는 효과적이었지만, 유전적 반응은 복잡했으며 모든 변화를 단순하고 즉각적으로 되돌리는 모습을 보이지는 않았습니다. 이는 해당 액체가 물리적 기능을 복구하는 데는 효과적이지만, 근본적인 세포 기제는 더 미묘한 방식으로 반응하고 있으며 이에 대한 추가 연구가 필요함을 나타냅니다.

궁극적으로, 이 연구는 살아있는 박테리아를 인간 세포와 함께 배양하지 않고도 장내 박테리아가 인간 건강에 미치는 영향을 테스트할 수 있는 신뢰할 수 있는 청사진을 제공합니다. 연구진은 발효액이 건강한 세포에 안전하며 손상된 장벽을 적극적으로 복구할 수 있음을 입증했습니다. 또한, 효과를 테스트하는 방법이 매우 중요하다는 점을 강조했습니다. 즉, 흐르는 장 칩 모델이 전통적인 정적 용기보다 장이 실제로 작동하는 방식에 대한 더 다르고 현실적인 그림을 제공했다는 것입니다. 적절한 도구와 조건을 세심하게 선택함으로써, 과학자들은 이제 장내 미생물로부터 유래된 유익한 제품들을 더 잘 선별할 수 있게 되었으며, 이는 우리 몸의 미생물 동맹을 활용하여 장을 치유하는 새로운 치료법을 향한 길을 열어줄 것입니다.