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서 론
대장암은 대장 점막에 유전적, 후성유전적(epigenetic) 변이가 생기고, 샘종-암 경과(adenoma-carcinoma sequence)를 통해 대장암이 발생하게 된다.1,2 대장암의 위험인자는 비만, 적색 고기의 과다 섭취, 섬유소 섭취 부족, 운동 부족, 음주 및 흡연 등으로 알려져 있다.3 세균, 바이러스 등 미생물은 발암 물질로 작용하여 암을 유발하기도 한다. 대표적으로 Helicobacter pylori, hepatitis B virus, hepatitis C virus, human papilloma virus는 위암, 간세포암, 자궁경부암 발생의 잘 알려진 발암 물질이다.4 최근 차세대 염기서열 분석방법의 발달로 질병과 장내 미생물 무리(intestinal microbiota)의 연관성에 대한 연구가 활성화되고 있다. 본 고에서는 대장암 발생, 예방 및 치료에서 장내 미생물 무리의 역할에 대해 알아보고자 한다.
본 론
1. 대장암 발생
미생물 무리가 발암에 관여하는 기전은 미생물 무리가 염증반응, 대사과정 및 면역체계에 관여하고 미생물 무리가 그 자체로 유전독성(genotoxicity), genomic integration 등의 역할을 하게 되어 암을 유발하게 된다.4 미생물 무리 불균형(dysbiosis)은 대장암 발생(development) 및 진행(progression)에 관여한다. 대장암 환자에서는 건강인에 비해 Bacteroides, Escherichia. coli, Fusobacterium 등 악성 종양을 발생하는 세균의 풍부도(abundance)가 증가하는 것으로 알려졌다.5-7 특정 미생물 무리가 대장암 발생에 관여하는 기전은 다음과 같다.
1) 염증(Inflammation)
만성 염증은 잘 알려진 대장암의 위험인자이다. 만성 염증은 DNA 손상, 장벽손상(barrier dysfunction), 면역 역제 등의 기전으로 대장암 발생에 관여한다.8 염증성 장질환은 대장에 원인불명의 염증이 만성적으로 발생하는 질환인데, 염증성 장질환 환자에서 대장암의 발생률은 일반인에 비해 높은 것으로 알려져 있다.9 대장암 환자와 건강인의 대변을 쥐에 복용하였던 실험에서 대장암 환자의 대변을 복용하였던 실험군에서 염증반응과 관련된 사이토카인 및 Th1, Th17 cell이 증가하였고, 대장폴립이 유의하게 증가하였다.10 대장의 만성 염증으로 인해 발생하는 대장암을 염증 연관 대장암(colitis-associated colorectal cancer)이라고 하며, 다양한 방법의 동물 실험에 의해 기전이 규명되고 있다.11
Fusobacterium은 혐기성의 그람 음성 간균이며 주로 구강에 서식한다. F. nucleatum은 면역 체계와의 상호작용을 통해 염증반응을 활성화하여 대장암 발생에 관여한다.12 F. nucleatum은 대장암의 진행 및 예후에도 관여하는 것으로 알려져 있으며, 대장암에서 가장 연구가 많이 시행된 균주이다. F. nucleatum은 대장암 이외에도, 췌장암, 염증성 장질환, 및 인체내의 다양한 감염병을 일으키기도 한다.12 미생물 무리는 장관내에 서식하기도 하고 위장관 점막에 서식하기도 하는데,13 F. nucleatum은 장관 내강보다는 대장암 조직에서 풍부하게 관찰된다.4 구강에 존재하는 F. nucleatum은 잇몸의 점막을 침범하여 혈행으로 대장암 조직에 침투하기도하고, 구강내의 F. nucleatum이 위장관을 타고 내려가 장관 벽을 침범하여 대장암 조직에 서식하기도 한다.14
F. nucleatum은 대장암의 발생 위치와도 연관이 있다는 보고가 있다. Mima 등15은 대장암 조직에서 PCR로 F. nucleatum DNA정량을 측정하였고, 원위부 대장암에 비해 근위부 대장암에서 F. nucleatum의 DNA가 높게 측정되었다.
F. nucleatum은 직접적으로 장염을 발생시키지는 않으나, 종양세포에 침착하는 면역세포를 동원하여 염증 반응과 유사한 환경을 조성하여, T cell 매게 면역 반응을 억제하기도 한다.12 F. nucleatum은 어댑터 단백질인 myeloid differentiation protein 88 (MYD88)을 통해 toll-like receptor 4 (TLR4) 신호전달을 활성화한다. 이를 통해 발현 전사 인자(transcription factor)인 nuclear factor kappa B (NF-κB)가 활성화되고 microRNA21의 발현이 증가되어 대장암 세포가 증식하게 된다.16 F. nucleatum은 대장상피세포의 베타 카테닌 신호전달을 활성화하여 cyclin D1, MYC 등 종양유전자(oncogene)의 발현을 증가시킨다.17
Enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF)는 독소를 생성하는 세균이다.18 ETBF가 생성하는 독소는 직접적인 DNA 손상을 일으키지는 않으나, 장염을 일으킴으로써 대장암을 유발한다. 역학 연구에서 대장암 환자에서 ETBF 감염이 높았다는 보고가 있고,19 동물실험에서도 ETBF 군집(colonization)이 대장에 염증 반응을 일으키고 원위부 대장에 종양을 발생시킨다고 보고하였다.18,20
미생물이 대장암을 유발하는 발생 기전은 주로 동물 실험을 통해 이루어졌다. 대장암에 관련된 동물실험에 널리 이용되는 동물모델은 ApcMin/+ mouse (APC 유전자 결핍마우스)이다. 종양억제유전자인 APC 유전자에 변이를 유발하게 되면, 생후 4주 이후부터 대장폴립이 발생하게 되고, 12–20주가 되면, 종양으로 인해 종말증(cachexia)이 발생한다.21 ApcMin/+ mouse를 이용한 모델에서 종양발생 효과를 극대화하기 위해 발암물질인 azoxymethane과 염증유발 물질인 dextran sulfate sodium를 ApcMin/+ mouse에 복용하기도 한다.
2) Genotoxin
세균과 대사물질이 직접적인 유전자 독성 물질로 작용하여 대장 상피세포에 변형을 일으키는 기전으로 대장암이 발생하기도 한다. 대표적인 세균으로 genomic island polyketide synthase를 표현하는 pks+ E. coli가 있고, pks+ E. coli는 변이를 유발하는 DNA 산물을 생성하는 콜리박틴 (colibactin)을 생성한다.22 E. coli는 장내에서 발견되는 공생균(commensal bacteria)이나 pks+ E. coli는 건강인에 비해 대장암 환자의 대변이나 대장암 조직에서 풍부하게 발현된다.23,24
2. 바이오마커
앞서 소개한 여러 연구들에서 대장암 환자에서 특정 미생물이 건강인에 비해 증가해 있었고, 이를 토대로 미생물 발현을 대장암 진단의 바이오마커로 이용할 수 있다. 한 연구에서 대변 검체를 이용하여 PCR로 Fusobacterium을 분석하였고 fecal immunochemical test (FIT)와 비교하였다. 대장암 환자에서 Fusobacterium PCR 결과를 FIT와 병합하였을 때, FIT 단독에 비해 대장암 진단 민감도가 증가하였다(92.3% vs. 73.1%, p<0.001). 같은 연구에서 Fusobacterium PCR 결과를 advanced adenoma에 적용하였을 때 Fusobacterium PCR을 FIT와 병합하게 되면 FIT에 비해 민감도를 높일 수 있었다(38.6% vs. 15.5%, p<0.001). 이 연구에서 Fusobacterium PCR 단독으로는 FIT와 비교하여 대장암 진단에 차이가 없었고(AUC 0.83 vs. 0.86, p>0.05), 병합하였을 때만 FIT와 비교하여 우월한 결과를 보였다.28
대변검사는 대변채집에 불편감이 있어, 검사에 순응도가 낮다는 단점이 있다. 대변검체 이외에도 다양한 종류의 검체를 이용한 연구가 이루어졌다. 구강점막의 미생물 무리를 비교한 연구에서, 대장암 환자는 건강인에 비해 구강점막의 Streptococcus, Prevotella가 유의하게 증가해 있었다.29 해당 연구에서 F. nucleatum은 차이가 없었다. 하지만 또다른 연구에서는 대장암 환자의 타액에서 F. nucleatum이 14명의 대장암 환자에서 100% 발견되었다. 저자들은 타액 및 대장암 조직의 미생물을 분석하였는데, 14명의 환자 중 6명에서 타액 및 대장암 조직에서 동일한 strain이 발견되어 대장암 환자의 F. nucleatum이 구강에서 기원한다는 가설을 제시하였다.30
Yachida 등31은 대장암 환자에서 미생물 무리와 대사체를 분석하였다. 건강인과 비교하여 대장암 환자에서 아미노산 등을 포함한 65개의 대사체 조성에 차이가 있었고, 담즙산의 증가도 관찰되었다. Bosch 등32은 대장암, 대장선종, 건강인에서 미생물 무리 및 대변검체의 아미노산, 단백산물(proteome) 등을 비교하였다. 대장암과 건강인, 대장 선종 및 건강인, 대장암과 대장 선종을 비교하였을 때 단백산물의 AUC는 0.98, 0.95, 0.87로 각각 확인되었다.32
최근에는 진단율이 개선되고 있지만 멀티오믹스를 이용한 대장암 진단의 제한점은 대사체 분석에 많은 비용이 소요되어 비용대비 효용성이 낮다는 것이다.33 대장암은 샘종-암 경과를 통해 비교적 오랜 기간을 통해 발생하게 되므로 적절하게 대장내시경을 시행하게 되면, 전암성 병변인 샘종을 제거함으로써 대장암 발생을 사전에 차단할 수 있다. 우리나라처럼 대장내시경에 대한 접근이 쉬운 나라에서는 대장암 진단을 위한 미생물 검사의 유용성이 크지 않다. 하지만 진단율이 개선되고, 비용 측면에서의 개선이 이루어진다면, 대장내시경을 받기 힘든 고령 환자 등에서 도움이 될 것으로 생각된다.
3. 대장암의 예후, 치료 및 예방에 대한 장내미생물의 역할
1) 대장암의 예후와 관련된 미생물 무리의 역할
2) 대장암의 치료와 관련된 미생물 무리의 역할
(1) 약제 효과 증진
미생물 무리는 대장암의 치료 과정에 관여하여 예후에 영향을 주기도 한다. 미생물 무리는 직접적으로 항암제가 활성화되는 대사과정에 기여하거나 항암제의 부작용을 나타날 경우, 간접적으로 이를 억제하기도 하여 항암 치료에 관여한다.33 무균쥐를 이용한 동물실험에서 무균쥐는 면역치료, 항암치료 후에 사이토카인이 적게 생성되었고, 종양의 괴사가 적게 발생하였다. 따라서 항암치료가 효과를 나타내기 위해서는 미생물 무리가 적절하게 보존되어야 한다.37
폴폭스 요법은 5-FU, calcium folinate, oxaliplatin으로 이루어진 항암요법이며 대장암의 1차 항암요법으로 널리 이용된다. 폴폭스 요법으로 항암치료를 받는 환자 중 30–50% 정도에서 항암치료 효과가 있는 것으로 알려져 있다.38,39 대장암으로 항암치료를 받을 때 치료 반응이 있는 경우와 반응이 없는 군에서 미생물 조성이 다르다는 보고가 있다. Hou 등40은 대장암 동물 모델을 이용하여 항암치료 효과와 미생물 무리의 연관성에 대해 연구하였다. CT-26 대장암 mouse 모델에서 폴폭스 요법으로 항암치료를 하였다. 항암치료 전 대변검체에서 16sRNA 분석으로 미생물 무리 분석을 하였다. 폴폭스 요법에 효과가 있었던 군에서는 항암치료 전 Staphylococcus, Jeotgalicoccus, 및 Sphingomonas 등이 풍부하게 관찰되었고, 효과가 없었던 군에서는 Prevotella가 풍부하게 관찰되었다.40 Baldwin 등41은 젖산 생성 미생물인 L. acidophilus와 L. casei의 효과에 대해 연구하였는데, 대장암 세포주에 5-FU와 함께 L. acidophilus 와 L. casei 를 투여하면 이들 균주들이 5-FU의 효과를 증진할 수 있다고 보고하였다.
F. nucleatum은 항암치료에 관여하기도 하는데, F. nucleatum이 오토파지를 발현하여 항암제 내성을 일으킨다는 기전이 규명되었고, 이를 토대로 F. nucleatum 발현이 증가된 환자에서는 항암제 내성이 발생할 수 있는 가능성을 제시하였다.34
F. nucleatum과 관련된 동물 실험에서 메트로니다졸로 치료 후에 F. nucleatum이 감소하고 동시에 종양 세포의 증식도 억제되었다.42 저자들은 F. nucleatum이 발현된 대장암에서 치료 반응을 향상시키기 위해 항생제를 사용하는 치료전략을 제시하였다. 그러나 항암치료가 효과를 발휘하기 위해서는 미생물 무리가 필요한데, 항생제는 공생균을 광범위하게 없애는 효과가 있어 무분별한 항생제 치료는 항암치료의 효과를 약화시킬 수도 있다는 사실을 염두해야 한다.37 박테리오파지는 세균에 침입해서 세균을 죽이는 항균효과를 지닌 바이러스이다. 박테리오파지는 특정 세균에 작용하여 공생균에 영향을 주지 않으면서 목표가 되는 세균을 없앨 수 있다는 장점이 있다. 최근에는 나노 입자를 이용한 박테리오파지 제작 기술이 발달하여 새로운 종류의 박테리오파지에 대한 연구가 이루어지고 있다. Dong 등43은 대장암 동물 모델에서 F. nucleatum에 선택적으로 결합하는 M13 박테리오파지의 효과에 대한 연구를 시행하였다. 면역관문억제제(immune check point inhibitor)는 폐암, 악성 흑색종, 대장암에서 사용되는 면역치료제이다. 대장암 동물모델에서 면역관문억제제인 anti-PD-1 및 항암치료제로 치료를 하였을 때 M13 박테리오파지는 실험에 이용된 쥐의 생존률을 높였다고 보고하였다.43
(2) 대변이식
미생물 무리는 anti-PD-1 면역관문억제제의 치료효과에 영향을 미친다. Baruch 등44은 anti-PD-1 치료를 받는 악성 흑색종 환자에서 대변이식의 효과에 대해 연구하였다. Anti-PD-1 사용 후 완전 관해를 보인 2명의 악성 흑색종 환자의 대변을 이용하여 대변이식을 시행하였다. Anti-PD-1 치료에 반응이 없었던 10명의 환자가 대변이식을 받았고, 이후에 Anti-PD-1을 재사용하였고 10명의 환자 중 3명의 환자에서 치료 반응을 보였다.44
면역관문억제제 사용 후 장염이 발생할 수 있는데, 심한 경우에는 대장에 심한 궤양을 발생할 수 있으며, 이러한 면역관문억제제 연관 장염(immune check point inhibitor-induced colitis)은 질병 양상이 염증성 장질환과 비슷하여, 정도에 따라 심한 경우에는 스테로이드, 생물학제제 등으로 치료하기도 한다.45 대변이식은 스테로이드, 생물학제제 사용 후에도 치료가 되지 않았던 면역관문억제제 연관 장염 치료에도 도움이 되었다.46 면역관문억제제 치료와 관련된 대변이식에 대한 연구는 대장암 이외의 암종에서 이루어진 경우가 많았고, 이론적 근거를 토대로 대장암 분야에서의 적용을 기대해 볼 수 있겠다.
3) 대장암 발생 예방과 관련된 미생물 무리
(1) 예방화학요법(Chemoprevention)
대장암 발생에서 아스피린, NSAID, 및 메트포민 등의 약제는 대장암 발생예방 효과가 있다고 알려진 약제이다.47 ApcMin/+ mouse를 이용한 동물실험에서 아스피린은 대장종양 발생을 억제하였다.48 아스피린을 복용한 쥐의 대변에서 유익한 효과를 나타내는 미생물로 알려진 Bifidobacterium, Lactobacillus가 풍부하게 발견되었고, 유해한 효과를 나타내는 B. fragili는 적게 발견되었다. 같은 실험에서 Lysinibacillus sphaericus는 아스피린을 분해함으로써 아스피린의 종양발생 억제 효과를 감소시켰다.
(2) 프로바이오틱스
프로바이오틱스는 숙주의 건강에 유익하게 작용하는 미생물을 뜻하며, 젖산(lactic acid)을 생성하는 Bifidobacterium, Streptococcus는 장내 항상성을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 유산균은 장점막에 서식하지는 않고, 유산균에 의해 생성된 대사산물을 통해 장점막의 방어효과를 증가하고 병원균을 억제하는 역할을 한다.49 대장암과 관련된 미생물 불균형은 대장암을 유발하는 미생물의 과증식 및 젖산 생성 미생물의 감소와 관련이 있다.50 메타지놈 분석에서 대장암 환자의 대변에서 Lactobacillus gallinarum, Streptococcus thermophilus의 감소가 증명되었다.51 동물모델에서 젖산 생성 미생물은 항산화 효소 생성을 증가하여 항염증 작용을 매개할 수 있다고 제시되었다.52
동물실험에서 L. gallinarum이 대장암 세포의 세포자멸사를 증가시켜 종양발생을 억제하였고, L. gallinarum 복용 후에 L. helveticus, L. reuteri 등의 유산균 성분의 증가도 관찰되었다.53
S. thermophilus는 유제품에서 관찰되는 유산균으로 위장관 점막의 항상성을 유지하는데 역할을 하며 enteroinvasive E. coli가 위장관으로 침입하는 것을 방어한다. 동물실험에서 S. thermophilus 복용 후에 종양 발생이 유의하게 억제되었고, S. thermophilus에 의해 분비된 β-Galactosidase가 세포증식을 억제하고, 종양세포의 세포자멸사를 유발하였다.54
프로바이오틱스는 항암치료와 관련된 부작용을 감소할 수 있는 효과도 있다. Osterlund 등55은 5-FU를 이용한 항암치료를 받는 환자들을 대상으로 L. rhamnosus GG를 24주간 투여하였고, 투여 군에서는 투여받지 않은 군에 비해 항암제 관련 설사가 적게 발생하였다고 보고하였다.
결 론
미생물 무리 불균형은 위장관 질환, 호흡기 질환, 대사 질환, 순환기 질환, 및 신경계 질환에 관련이 있는 것으로 알려졌다.56,57 미생물 무리는 대장암 발생에 관여하며, 대장암 예방 및 치료에 관여하기도 한다(Table 1). 미생물 무리가 대장암 발생에 관여하는 기전은 주로 동물실험을 통해 증명되었고, 인간기반 대상의 연구는 많이 이루어지지 않았다. 대장암은 샘종-암 경과를 통해 비교적 오랜 기간을 통해 발생하게 되므로, 대장암 예방에 도움이 되는 프로바이오틱스에 대한 연구는 오랜 기간을 두고 추적 관찰을 해야 하나, 대장내시경의 보급으로 대장암이 발생하기 전에 전암성 병변인 샘종을 제거하게 되면, 대장암 발생을 사전에 차단하는 효과가 있어 이러한 연구를 진행하는데 제한이 있다. 또한 대장암은 식이, 생활습관 등 대장암 발생에 기여하는 인자가 많아, 미생물 무리에 대한 연구를 시행할 때 이러한 교란변수를 통제하기가 쉽지 않다. 이러한 제한점에도 발달하고 있는 차세대 염기서열 분석 및 메타볼로믹스 등으로 대장암 분야에서 미생물 무리의 역할에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대장암 분야에서 있어 미생물 무리에 대한 연구는 대장암 진단에서 보다 정확하고 간편한 바이오마커의 개발, 항암치료 및 면역치료의 효과를 증진하는데 미생물 무리가 기여할 수 있는 방법을 규명하는 연구가 기대된다.
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