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장내 미생물의 세계는 복잡미묘하다. 인간에게 유익한 균과 박테리아가 있는가 하면, 유해한 것들도 있다. 단순하게 생각하면 장내에 유익균만 있는 편이 좋다고 생각할 수 있다. 하지만 실제로는 유해균도 어느 정도 존재하는 상태를 건강한 것으로 본다. 장내 유해균에 의해 면역 체계를 훈련시킬 수 있기도 하고, 일부 유해균은 대사에 필요한 물질을 생성하기도 하기 때문이다.

핵심은 장내 유해균이 과도해지지 않도록 통제하는 것이다. 의료과학계에서는 이를 통제하는 데 도움이 될 수 있는 이른바 ‘미생물 백신’에 대한 연구를 거듭하고 있다. 

 

유해균을 통제하는 백신

장내 유해균도 종류가 다양하다. 어떤 것은 단순히 설사를 일으키는 정도에 그치는 것도 있지만, 어떤 것은 조용히 잠복해 있다가 면역력이 약해지거나 장벽이 손상되는 등 혈류로 들어갈 수 있는 기회를 노린다. 이는 패혈증이나 장기 염증과 같은 심각한 문제로 이어질 수 있다. 심지어 이들 중에는 항생제에 내성을 갖고 있어 통제할 수 없는 경우도 있다.

스위스 취리히 연방 공과대학(ETH 취리히)와 영국 옥스퍼드 대학에서 병리학 교수로 있는 에마 슬랙의 연구팀은 국제적 협력을 통해 장내 병원균(유해균)에 대한 백신 연구를 진행 중이다. 특히 항생제가 듣지 않는 미생물들에 대한 백신에 주목하고 있다.

이 국제 연구팀은 최근 기존과는 다른 방식의 백신 적용을 시도했다. 인체에는 무해하면서 장내 유해균과 같은 먹이를 공유하는 미생물을 먹는 약 형태로 투여함과 동시에 백신 접종을 병행한 것이다. 유해균의 힘을 약하게 만든 다음, ‘먹이 경쟁에서 밀려 굶어죽게 만든다’라는 접근법이다. 

연구팀은 쥐를 대상으로 이 방법을 테스트하고, 그 결과를 현지시각 3일 <사이언스(Science)> 저널에 발표했다.

 

유해균과 경쟁하는 무해균

연구팀은 이 방법으로 살모넬라균의 과도한 증식을 예방했다. 또한, 이미 과하게 증식한 병원성 대장균을 효과적으로 처리할 수 있었다. 백신 접종과 박테리아 투여를 각각 따로 진행한 결과와 비교했을 때, 두 가지 방법을 함께 적용한 쪽이 훨씬 효과적이었다.

이 방법의 핵심은 장내 유해균과 경쟁할 수 있는 이른바 ‘무해한 미생물(무해균)’을 확보하는 것이다. 장의 같은 부위에 살면서, 동일한 pH 및 산소 수준을 견딜 수 있어야 하며, 동일한 영양소를 먹이로 삼아야 한다. 그러면서도 인체에는 해를 끼치지 않아야 한다.

꽤나 까다로운 조건이지만 연구팀은 그에 적합한 경쟁 미생물을 확보할 수 있었다. 게재된 논문에 따르면 유전공학적 접근법을 활용해 살모넬라균과 경쟁할 수 있는 무해한 균주를 생산하는 데 성공했다.

 

‘정원 가꾸기’와 비슷하다

기존의 방법은 백신을 써서 장내 유해균을 제거하는 방식이었다. 하지만 이 방법은 유해한 균들이 차지한 자리를 무해한 균으로 ‘대체’한다는 점에서 다르다. 

슬랙 박사는 이 작업을 원예, 즉 ‘정원 가꾸기’에 비유했다. “정원의 한 구역에 잡초가 자라는 것을 막으려면, 잡초를 제거한 다음 다른 식물을 심어야 한다. 비워두면 다시 잡초가 자랄 테니까.”라는 것이 슬랙 박사의 설명이다.

장내 미생물 생태계는 사람마다 세세한 차이를 보인다. 과거의 연구 사례들을 살펴보면, 어떤 사람들의 장내에는 유해균을 견제할 수 있는 미생물들이 자연스럽게 포함돼 있다. 이런 사람들은 기존의 백신 접종 방법만으로도 효과를 볼 수 있다.

반면 어떤 사람들은 장내 유해균의 비중이 너무 높거나 유해균을 견제할 무해균이 없다. 연구팀은 새로운 복합 투여 방식이 이런 사람들에게 유의미한 효과를 줄 수 있을 거라고 말한다. 무엇보다 이 방법은 항생제를 사용하지 않는다. 항생제로 인한 부작용을 걱정할 필요도, 항생제 내성균을 걱정할 필요도 없다는 설명이다.

슬랙 박사는 “예를 들면, 장기 이식을 위해 면역 억제제를 복용해야 하는 환자에게 특히 유용할 수 있다”라며 “이 방법이 진척되면 임상에서 항생제 사용을 줄일 수 있는 획기적인 수단이 될 것”이라고 강조했다.

 

최근 다양한 방식으로 새로운 암 치료법들이 등장하고 있다. 이번에는 ‘박테리아’를 이용해 암을 치료할 수 있는 가능성이 제기됐다. 독성이 없는 박테리아를 통해 암 치료제를 직접 종양까지 전달하는 방법이다. 이를 통해 사망률이 높은 편에 속하는 간암, 난소암, 전이성 유방암 등에 대해서도 치료 가능성이 높아졌다는 전망이 나온다.

 

독성 없는 박테리아로 항암제 전달

일반적으로 박테리아는 인체에 유해하다는 이미지가 있다. 하지만 모든 박테리아가 그런 것은 아니다. 우리 몸 안에도 무수히 많은 종류의 박테리아가 존재하며, 그중 일부는 소화나 면역을 돕는 등 유익한 기능을 한다. 

이런 박테리아들을 활용해 암을 치료할 수 있는 방법이 유의미한 성과를 거두고 있다. 매사추세츠 대학교(UMass) 암허스트 캠퍼스와 어니스트 제약의 공동연구팀이 개발한 독성 없는 박테리아 ‘BacID’에 대한 이야기다. 

연구팀은 독성을 띠지 않도록 유전자 조작된 살모넬라균을 개발했다. 그리고 종양을 표적으로 하여 암 세포 내에 들어가 항암 치료제를 방출하는 기술을 연구했다. 이는 1차적으로 항암제로 인해 건강한 조직이 손상되는 것을 보호하는 효과가 있다. 암 세포 안으로 들어가기 전까지는 치료제를 방출하지 않기 때문이다.

BacID에는 그보다 더 중요한 특성이 있다. 항암제를 포함한 박테리아가 종양 내에서 기하급수적으로 성장한다는 것이다. 이를 통해 실제 투여한 치료제의 용량보다 훨씬 뛰어난 치료 효과를 발휘할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀의 수석 저자인 비슈누 라만은 “우리는 이 박테리아의 안전하고 인체 친화적으로 만드는 것에 집중했다”라며 “과거에 시도된 방법에 비해 최소 100배 더 안전할 것”이라고 말했다. 또한 그는 “우리의 목표는 병기가 상당히 진행된 암을 치료할 수 있는 잠재력을 끌어내는 것”이라고 덧붙였다. 

 

주사 맞고 3일 후 아스피린 복용

현재의 BacID는 ‘3세대’로 분류한다. 1세대에서는 박테리아의 ‘뇌’가 스스로 종양을 찾아 치료하는 것을 기대해야 했다. 언제 치료 효과가 나타날지를 제어할 수 없었다는 한계가 있었다. 이후 2세대를 거쳐 현재는 박테리아가 암 세포를 침습해 치료를 시작하는 시점을 제어할 수 있게 됐다.

연구팀은 현재 쥐 모델을 사용해 임상 전 연구까지 진행한 상태다. 정맥 주사 방식으로 박테리아를 주입하게 되면 체내 어디로든 빠르게 퍼져나간다. 이후 2일에 걸쳐 박테리아는 종양 내에서 기하급수적으로 성장한다. 다른 건강한 장기에 퍼진 박테리아는 면역 체계에 의해 제거된다.

정맥 주사를 투여한지 3일째 되는 시점에 아스피린을 투입한다. 이는 투입된 박테리아의 편모(이동을 돕는 역할)를 활성화하는 역할을 한다. 이를 통해 성장한 박테리아는 종양 내 암 세포로 이동하게 되고 치료제를 방출하기 시작한다.

복잡해보이지만 이는 실질적인 작용 기전을 설명하는 내용이기 때문에 그렇다. 연구팀은 “가능한 한 간단하게 만드는 것이 목표였다”라고 이야기했다. 환자 입장에서 보면 단 두 가지 단계다. 정맥 주사를 받고 귀가한 다음, 3일이 되는 시점에 아스피린을 복용하면 되는 것이다. ‘암을 치료하는 방법’이라고 생각하기에는 너무도 간소화된 방법이다.

연구팀은 현재 임상시험을 위한 규제 승인 절차를 진행 중이다. BacID를 이용하는 치료법의 임상시험은 2년 뒤인 2027년에 시작한다는 계획이다.