위장관(GT, gastrointestinal tract)은 면역세포의 성숙에 중요한 수많은 박테리아를 포함하는 미생물학적으로 가장 활동적인 생태계 중 하나이다. 장에서는 음식물 섭취를 통해 장에 도달하는 많은 박테리아가 장내 미생물총과 서로 공존하며 융모의 점막 고유판과 관련된 면역세포의 기능에 관여한다. 이 장내 미생물총은 상피세포와 직접 상호작용하지 않지만, 대사산물을 통해 면역세포의 성숙과 기능을 자극한다.
프로바이오틱스라고 불리는 유익한 박테리아군으로 처음에 "숙주인 인간에게 유익한 영향을 미치고 장내 미생물 균형을 개선하는 살아있는 미생물 보충제"로 정의되었다. 그러나 현재 이 정의는 "적절한 용량으로 투여될 때 숙주의 건강에 도움이 되는 살아있는 미생물"로 수정되었다. 많은 프로바이오틱스 박테리아는 장내 미생물의 일원이며, 위장관에서 적절한 미생물 균형을 유지하고 손상된 장 건강을 개선하기 위해 점점 더 식품으로 섭취하는 것까지 그 범위를 넓혀가고 있다.
프로바이오틱스로 사용되는 가장 일반적인 미생물은 유산균(LAB), 특히 락토바실리(Lactobacilli), 스트렙토코치(Streptococci), 페디오코쿠스(Pediococcus), 엔테로코커스(Enterococcus), 비피도박테리아(Bifidobacteria) 및 사카로마이세스 불라디(Saccharomyces boulardii)와 같은 일부 효모이다. 그러나 모든 박테리아가 균주 특이적이므로 다 프로바이오틱스가 될 수는 없다.
프로바이오틱스의 유익한 효과는 숙주 건강을 개선하고 동물 모델에서 다양한 전염성 및 비 감염성 병을 치료하는데 광범위하게 사용되었다. 즉, 감염 예방, 과민성대장증후군의 완화, 위에 서식하는 헬리코박터 파일로리균의 성장 억제, 암 예방, 장 염증반응 감소 및 알레르기 예방 등에 사용되고 있다. 인간의 경우, 프로바이오틱스가 당뇨병, 다중 약물 내성 병원체, 과민성대장증후군과 같은 여러 건강상태에서 고무적인 결과를 보였지만 프로바이오틱스를 인간의 건강, 영양 및 다양한 불균형 조절에 통합하기 위해서는 여전히 철저한 연구가 필요하다.
건강에 유익한 영향을 미치려면 프로바이오틱스 미생물이 인간의 소화기관을 통과하는 동안 가혹한 조건에서 생존할 수 있어야 한다. 이는 프로바이오틱스가 위산과 담즙산염(bile salt)을 견디는 능력, 상부 위장관을 통과하여 생존· 증식하여 군집을 이루고 장 기능을 개선하는 것을 포함하는 것이다. 그러나 프로바이오틱스라고 주장하는 많은 미생물은 위산과 담즙염의 높은 산도 수준에서 거의 살아남을 수 없다.
프로바이오틱스가 인간의 건강을 증진시키는 방법 중 하나는 병원성 박테리아의 성장을 억제하는 것이다. 그렇지 않으면 프로바이오틱스는 병원균이 이용할 수 있는 성장과 증식을 위해 영양소를 놓고 경쟁한다. 즉, 인체의 장은 미생물간의 경쟁적 억제를 통해 장건강을 지키려는 상대적인 미생물들간의 전쟁터와 같다. 여러 연구에서 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus) 균주 GG 및 락토바실러스 플란타럼(L. plantarum)과 같은 프로바이오틱스가 위장관에서 장 병원성 대장균의 부착을 억제하는 능력을 보여 주었다는 것이 입증되었다.
또한, 프로바이오틱스 균주에 필요한 가장 중요한 특성 중 하나는 상피세포에 달라붙는 능력이다. 이와 관련하여 Galdeano 외 연구진들은 2개의 프로바이오틱스 미생물인 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei) CRL 431 및 락토바실러스 파라카제이(Lactobacillus para-casei) CNCM I-1518이 톨유사수용체(TLR, Toll-Like Receptor)를 통해 장 상피세포(IEC, Intestinal Epithelial Cell)에 부착되고, 면역 자극을 매개한다는 것을 전자 현미경을 사용하여 입증하였다. 이 상호작용 후, 장내 장벽을 변경하지 않고 장 상피세포에서 인터루킨 IL-6 및 대식세포 화학 유인 단백질 1과 같은 사이토카인 생산의 증가가 발생했고, 소장에서는 단핵세포 침윤이 약간 증가했을 뿐이다.
또한 연구자들은 전체 박테리아가 아닌 프로바이오틱스 박테리아의 단편만이 장 상피세포 내부에 내재화되었음을 입증하였다. 결과적으로 장 상피세포는 점막 고유판과 관련된 면역 세포를 자극하고 주로 T세포가 방출하는 선천적 반응과 사이토카인을 활성화하는 복잡한 신호 네트워크를 시작한다.
장 상피세포는 외부 환경으로부터 숙주 결합조직을 분리하기 위해 다양한 물리적 적응 능력을 나타낸다. 이 물리적 장벽에는 상피세포의 단일층, 세포 간 밀착결합 및 상피 표면을 덮는 점액이 포함된다. 또한, 이 물리적 장벽은 장점막 상피세포에 있는 단세포의 점액선인 술잔모양 세포(Goblet cell)에 의해 과도하게 당질피질(glycocalyx)화 된 뮤신의 분비와 정점 부착에 의해 형성된 당질피질과 같은 수많은 생화학적 적응에 의해 강화된다. 이와 함께, 이들은 상피의 정점 표면에 점성이 있고 상대적으로 불투과성층을 형성한다. 이는 프로바이오틱스는 점액층을 강화하는 술잔모양 세포의 수를 증가시켜 장벽을 강화하는 것을 의미한다. 더욱이, 몇몇 락토바실러스 종은 인간 장 세포주(細胞株, 생체 밖에서 지속해서 배양이 가능한 세포집합)에서 점액 발현을 증가시키는 것으로 나타났다. 일부 락토바실러스 종을 포함하는 고농도 프로바이오틱스인 VSL #3은 인간 대장암 세포주인 HT29 세포에서 뮤신2, 뮤신3 및 뮤신5AC의 발현을 증가시킨다. 또한, 락토바실러스 에시도필러스(L. acidophilus) A4 세포 추출물은 HT29 세포에서 뮤신2 발현을 증가시켰으며, 이 효과는 세포 단층에 대한 프로바이오틱스 접착과 무관하다.
프로바이오틱스가 인간의 건강을 증진시키는 방법 중 하나는 유기산과 같은 저분자량 화합물 및 천연의 무독성 방부제로 세균의 생장을 억제하거나 사멸시키는 박테리오신(bacteriocin)이라는 큰 분자량의 항균 화합물의 합성을 통해 병원성 박테리아의 성장을 억제하는 것이다. 유기산은 아세트산과 젖산이다. 이들 화합물은 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori)균과 같은 병원성 그람 음성균에 대해 강력한 억제 효과를 나타내는 것으로 입증되었다. 프로바이오틱스에 의해 생산되는 일부 박테리오신에는 락토바실러스 에시도필러스균의 락타신(lactacin) B, 비피도박테리움 비피덤(Bifidobacterium bifidum) NCFB에서 생산된 비피도신(bifidocin) B, 락토바실러스 플란타럼의 플란타리신(plantaricin) 및 락토코쿠스락티스(Lactococcus lactis)가 생산하는 항생물질인 니신(nisin) 등이 있다.
