장내 미생물총은 수조개의 미생물과 최소 1000여 종의 박테리아를 포함하며, 미생물 전체 게놈 서열의 집합체이면서 5백만 개 이상의 유전자로 구성되어 있다. 또한 생리학적 조건에서 공생균와 병원균간의 완벽한 장내 미생물 균형은 장내 항상성을 유지시켜 준다. 그러나 모든 건강의 불균형은 ‘장내 미생물 불균형’으로 알려진 병리학적인 상태를 촉진한다.
장내 미생물총은 다양한 메커니즘을 통해 숙주의 생리적인 신진대사를 조절하는데 이는 성호르몬과도 밀접한 관계가 있다. 장내 미생물총은 염증으로 이어지는 호르몬 변화를 유도할 수도 있으며, 다른 한편으로는 호르몬 수치 자체가 미생물총 구성을 형성하기도 한다. 장내 미생물총 구성의 변화는 숙주 호르몬 축의 변화뿐만 아니라 면역체계의 기능 조절에도 영향을 미칠 수 있다.
최근, 무균 NOD(Non-Obese Diabetic, 비 비만성 당뇨병) 쥐 모델은 특정 공생 박테리아에 의한 미생물 군집화가 수컷 vs. 암컷에서 테스토스테론(Testosterone) 수치의 상승을 유도했음을 보여주었다. 다른 증거들은 항생제가 스테롤(sterol)대사와 관련된 유전자 발현의 변화와 T세포 분화에 영향을 미칠 수 있음도 보여주었다. 장내 미생물총 유전체의 호르몬 의존적인 조절은 남성과 여성간의 질병에 대한 다양한 감수성을 설명해 준다.
또한 장내 미생물총은 각 개인의 라이프스타일과 엄격하게 연결되어 있다. 사실, 인간 삶의 각 단계는 특정한 장내 미생물 구성으로 특정 지어진다. 인간의 삶에 있어서 획기적인 전환은 출생 후 질 내 세균성 군집화에 의해 전신의 불임이 유발될 때 설정된다. 성인기 동안에 장내 미생물총은 안정이 되고 숙주와 균형을 이루게 되며, 노년기에 남아있는 신체기능 및 생활환경과 관련하여 중요한 변화를 겪는다.
식이요법과 식품 보조제는 장내 미생물 구성과 시간에 따른 다양성에 큰 영향을 미친다. 서구식 고지방 식단은 비만, 대사증후군, 당뇨병 등과 같은 질병의 위험요소이며, 이것들은 모두 장내 미생물 구성의 심각한 변화와 깊은 관련이 있다. 또한 음식과 장내 미생물총의 사이의 상호작용은 우리의 생체리듬에 의해 정교하게 조정된다. 생리학적 순환기 리듬의 교란은 장내 미생물 불균형을 일으킬 가능성을 증가시키고, 당뇨병, 염증성 장 질환, 심지어 암을 포함한 여러 가지 대사 및 염증성 질병을 유발시킬 수 있다.
최근 몇 년 동안 ‘장-뇌-축(gut-brain axis)’이라는 개념이 도입되었다. 내분비계는 일종의 신경-장-내분비시스템의 축으로 조절될 수 있다. 이 시스템은 장내 항상성을 유지하기 위해서 점막의 상태에 따라 면역체계와 상호작용하면서, 병리학적 상태에서 미생물의 침입에 대한 방어력을 강화한다. 그 결과, 장내 미생물총 구성의 조절은 신경 정신병, 신경 퇴행성, 신경 염증장애와 같은 신경계의 여러 가지 질환과 관련될 수 있다.
장내 미생물총이 장 점막 면역체계와 밀접하게 상호작용하고 있다는 것은 잘 확립된 사실이다. 실제로 장 점막은 미생물총 외에도 여러 염증의 매개뿐만 아니라 T세포 하위 집단과 관련된 항염증성 사이토카인(proinflammatory cytokines)에 의해 구성된 복잡한 면역기능 기관을 보유하고 있기 때문에 면역학적 영역으로 간주될 수 있다. 선천적 면역체계와 적응 면역체계는 모두 장 면역학적 영역에 관여한다. 몇 가지 장벽들은 병원균의 침입으로부터 면역학적 영역을 보호한다.
첫째, 알파-디펜신(alpha-defensins), 분비성 IgA와 같은 향균 펩타이드(antimicrobial peptides)를 함유한 점액층과 세포간의 결합이 촘촘한 장 융모 세포에 의해 제공되는 기계적 장벽이 있다. 호중구와 선천성 림프구 세포(ILC)는 또 다른 세포 방어선을 나타낸다. 마지막으로 톨 유사 수용체 (TLR)와 NOD 유사 수용체(NLR) 같은 대식세포(macrophage), 수지상세포(DC, 항원제시세포)와 림프구 관련 패턴 인식 수용체(예: Toll 유사 수용체/TLR) 및 NOD 유사 수용체는 선천성 면역과 적응 면역세포의 활성화를 연결하는 추가적인 장벽을 제공한다.
박테리아에 의해 활성화된 이 모든 메커니즘은 보조 T세포1과 17(Th1 및 Th17 세포)과 IL-1, IL-2, IL-15, IL-17, IL-22, IL-23과 같은 관련 사이토카인을 포함하는 전염증성 적응 면역반응을 결정한다. 따라서 미생물총과 장 면역학적 영역 구성 요소 사이의 균형이 무너지는 디스바이오시스 상태가 되면 대사성 간 질환, 염증성 장 질환, 췌장 질환, 자가 면역질환, 노화와 같은 감염성, 염증성, 내분비성 질병을 유발할 수 있고, 이것은 암에도 해당된다.
장내 미생물 불균형인 디스바이오시스(dysbiosis)가 대장, 위, 간, 췌장 등 위장 종양을 형성한다는 증거가 있으며, 화학적 항암치료와 면역요법을 실시하는 동안 항암반응을 방해하는 원인이 될 수도 있다.
