Carboxymethylcellulose ameliorates high-fat diet-associated colitis through the reduction of deoxycholic acid and restoration of mitochondrial complex I in macrophages

궤양성 대장염은 대장의 안쪽 벽에 염증이 생겨 통증, 출혈, 잦은 설사를 유발하는 만성 질환입니다. 정확한 원인은 여전히 수수께끼로 남아 있지만, 과학자들은 사람들이 무엇을 먹느냐가 이 질병의 양상에 중요한 역할을 한다는 사실을 알고 있습니다. 최근 몇 년 동안 지방 함량이 높은 식단은 이 질환의 발생 위험을 높이고 상태를 악화시키는 것과 관련이 있다고 밝혀졌습니다. 고지방 식단이 장에 해를 끼치는 방법 중 하나는 장 내부의 화학 성분을 변화시키는 것입니다. 구체적으로, 이는 우리 몸이 데옥시콜산(deoxycholic acid)이라는 물질을 더 많이 생성하도록 유도합니다. 이 물질은 소화 과정에서 나타나는 정상적인 성분이지만, 너무 많아지면 장벽에 독처럼 작용하여 면역 세포가 조직을 공격하게 만들고 심각한 염증을 일으킵니다. 다른 부작용 없이 이 산의 수치를 낮추는 방법을 찾는 것은 의사들에게 어려운 과제였습니다.

쓰촨 대학교의 연구진은 흔히 쓰이는 식품 첨가물 속에 숨겨진 놀라운 해결책을 발견했습니다. 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)는 많은 가공식품에 들어있는 물질로, 식품을 부드럽게 만들고 신선함을 유지하는 데 사용됩니다. 오랫동안 과학자들은 이 첨가물이 사람의 장 질환에 도움이 되는지 혹은 해가 되는지 확신하지 못했습니다. 어떤 연구들은 이 첨가물이 염증을 악화시킬 수 있다고 제안했고, 다른 연구들은 해롭지 않을 수도 있다는 암시를 주기도 했습니다. 하지만 아무도 이 일상적인 성분이 고지방 식단을 섭취할 때 구체적으로 어떻게 작용하는지에 대해서는 살펴보지 않았습니다. 연구팀은 이 흔한 성분이 지방 수치가 높을 때 장을 진정시킬 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 CMC가 단순히 소화관에 머무는 것이 아니라, 해로운 산의 생성을 막기 위해 장 내부의 환경을 능동적으로 변화시킨다는 것을 발견했습니다.

이 과정이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구진은 먼저 실제 궤양성 대장염 환자들을 조사했습니다. 환자들에게 식습관을 물어본 결과, 현재 증상이 나타나 있는(flare-up) 환자들이 상태가 호전된 환자들보다 지방을 더 많이 섭취하는 경향이 있음을 발견했습니다. 이는 이는 지방 섭취가 질병의 활성도와 밀접하게 연관되어 있음을 확인시켜 주었습니다. 그 후 연구진은 기전을 테스트하기 위해 생쥐를 대상으로 실험을 진행했습니다. 일부 생쥐에게 고지방 식단을 먹이고 대장염을 유발하는 화학 물질을 투여했습니다. 예상대로 고지방 식단은 질병을 훨씬 더 악화시켰습니다. 생쥐들은 체중이 더 많이 줄었고, 염증은 더 심해졌으며, 장 내부에는 높은 수준의 데옥시콜산이 가득했습니다.

연구진이 생쥐의 음용수에 CMC를 추가했을 때, 상황은 극적으로 변했습니다. CMC를 섭취한 생쥐들은 더 건강한 상태를 유지했고, 체중을 유지했으며, 장 내 염증도 훨씬 적었습니다. 이러한 개선의 핵심은 데옥시콜산의 수치였습니다. CMC를 섭취한 생쥐들의 경우, 이 해로운 산의 양이 급격히 감소했습니다. 이 산은 높고 파괴적인 수준에서 훨씬 낮고 안전한 수준으로 떨어졌습니다. 연구진은 CMC가 단순히 스펀지처럼 산을 흡수하는 것인지, 아니면 애초에 산이 만들어지는 것을 막는 것인지 알고 싶었습니다. 이를 확인하기 위해 실험실 접시에서 CMC와 지방을 섞어 테스트한 결과, 지방의 화학적 구조는 변하지 않았습니다. 이는 CMC가 직접적으로 산을 중화하는 것이 아님을 의미했습니다. 대신, CMC는 장 속에 살고 있는 미세한 박테리아를 통해 작용하고 있었습니다.

장은 수조 개의 박테리아의 집이며, 이 미생물들은 정상적인 담즙산을 데옥시콜산과 같은 이차 담즙산으로 바꾸는 역할을 합니다. 연구진은 고지방 식단이 '바테로이데스 아시디파시엔스(Bacteroides acidifaciens)'라고 불리는 특정 유형의 박테리아를 증식시킨다는 것을 발견했습니다. 이 박테리아는 해로운 산을 만들어내는 공장 역할을 합니다. 생쥐에게 CMC를 투여하자 이 특정 박테리아의 개체 수가 급격히 감소했습니다. 이 박테리아들이 줄어들자 장은 더 이상 많은 양의 데옥시콜산을 만들어내지 못했습니다. 연구진은 생쥐에게 해당 박테리아를 직접 투여함으로써 이를 확인했습니다. 살아있는 박테리아를 받은 생쥐들은 더 아파졌지만, 열을 가해 죽인 박테리아를 받은 생쥐들은 그렇지 않았습니다. 이는 살아있는 박테리아가 문제였으며, CMC가 그 숫자를 낮게 유지함으로써 작용한다는 것을 입증했습니다.

그런데 왜 이 산이 줄어드는 것이 장의 치유에 도움이 될까요? 그 답은 장을 순찰하는 면역 세포에 있습니다. 장에 염증이 생기면, 대식세포(macrophage)라고 불리는 일종의 백혈구가 형태와 행동을 바꾸어 공격자로 변합니다. 'M1 대식세포'로 알려진 이 공격자들은 조직을 손상시키는 화학 물질을 방출합니다. 연구진은 높은 수준의 데옥시콜산이 있는 생쥐들에게서 이러한 공격자 세포들이 도처에 널려 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 CMC에 의해 산 수치가 낮아지자, 이 세포들은 공격자처럼 행동하는 것을 멈추고 다시 차분한 상태로 돌아갔습니다.

이 현상이 어떻게 일어나는지 확인하기 위해, 과학자들은 세포 내부를 들여다보았습니다. 그들은 높은 수준의 데옥시콜산이 면역 세포의 에너지 발전소인 미토콘드리아를 손상시킨다는 것을 발견했습니다. 미토콘드리아는 에너지를 생성하는 역할을 합니다. 이것이 손상되면 세포는 에너지를 만드는 데 덜 효율적인 방식으로 전환되며, 이는 세포가 화난 공격자가 되도록 유도합니다. 연구진은 CMC가 산 수치를 낮추었을 때, 면역 세포의 발전소가 복구된다는 것을 발견했습니다. 발전소들이 다시 효율적으로 작동하기 시작했고, 세포가 차분함을 유지하며 장벽을 공격하는 것을 방지하는 방식으로 에너지를 생산하게 되었습니다.

연구팀은 이 에너지 복구가 필수적이라는 것을 증명하기 위해 한 단계 더 나아갔습니다. 그들은 면역 세포 내의 특정 발전소 부품이 결여된 생쥐들을 만들었습니다. 이 생쥐들의 경우, CMC가 산 수치를 낮추더라도 면역 세포가 발전소를 복구할 수 없었습니다. 결과적으로 CMC는 생쥐를 낫게 하는 데 도움이 되지 못했고, 생쥐들은 여전히 심각한 대장염을 앓았습니다. 이는 세포의 에너지 생산을 수리하는 능력이 CMC가 작동할 수 있게 하는 결정적인 단계임을 보여주었습니다.

또한 연구는 CMC를 담즙산을 결합하는 데 사용되는 표준 의료 약물인 콜레스티라민(cholestyramine)과 비교했습니다. 연구진은 CMC가 고지방 식단으로 인한 염증을 줄이는 데 있어 이 약물만큼 효과적이라는 것을 발견했습니다. 이는 CMC가 일반적으로 안전하다고 간주되는 식품 첨가물인 반면, 해당 약물은 부작용이 있을 수 있고 항상 잘 받아들여지는 것은 아니라는 점에서 매우 중요합니다. 이 연구 결과는 고지방 식단을 섭취하는 사람들에게 있어, 이 흔한 첨가물이 박테리아 공동체를 재편하고 해로운 산의 수치를 낮춤으로써 실제로 장을 보호하는 방패 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

비록 이 연구는 생쥐와 인간 환자를 대상으로 수행되었지만, 결과는 음식과 장 건강에 대한 새로운 사고방식을 제시합니다. 이는 식품 첨가물의 효과가 무엇을 함께 먹느냐에 따라 완전히 달라질 수 있음을 보여줍니다. 일반적인 식단에서 CMC는 다른 효과를 낼 수 있지만, 고지방 식단에서는 보호막 역할을 합니다. 장내 박테리아를 통해 특정 산의 수치를 낮춤으로써, 면역 체계가 진정되어 신체를 공격하는 것을 멈추게 합니다. 이 발견은 고지방 식단 관리에 어려움을 겪는 사람들에게 단순한 성분을 치유의 도구로 바꾸는 잠재적인 경로를 제공합니다.