자가면역 질환의 병인은 완전히 이해되지 않았지만 환경 요인(생활 방식, 식습관, 약물, 감염)과 특정 유전적 배경이 제안되었다[9,10]. 인체 마이크로바이옴은 선천면역세포 및 적응면역세포의 분화 조절을 통해 자가면역에 주요 역할을 할 수 있다. 특정 공생균은 조절 T세포(regulatory T cell, Treg)의 유도를 통해 면역 관용을 유지하지만 인체 마이크로바이옴의 변화로 인하여 면역세포들 간의 균형이 무너질 경우 자가면역 반응이 촉진된다[4,11]. 미생물이 면역 관용 메커니즘을 교란시켜 호스트에 대한 면역 반응을 유발할 수 있는 기전은 다음과 같다[12-15].

먼저 에피토프 확산은 염증 반응 중에 자기 항원이 방출되면서 내인성 에피토프에 대한 자가면역 반응이 발생하는 과정으로 단백질 구조의 변화(예: 아르기닌에서 시트룰린으로의 아미노산 잔기 변화)에 의해 유발된다. 그리고 분자 모방은 감염이 자가면역 반응을 유발하는 메커니즘으로 외래 항원이 자기 항원과 서열 또는 구조적 유사성을 공유할 때 발생한다. 세 번째로 미생물 감염이 항원제시세포(antigen-presenting cells)의 톨-유사수용체 및 기타 패턴 인식 수용체를 자극하여 염증 매개체를 생성하며 이는 조직 손상으로 이어질 수 있다. 마지막으로 바이러스의 장기적인 감염은 T세포의 지속적인 활성화와 증식을 유발하여 단일클론 및 다클론 항체 및 면역 복합체의 생산을 초래하며 이는 내성 상실을 초래한다.

장 점막 장벽이 손상되면 미생물 성분(지질다당류[lipopolysaccharide, LPS], 펩티도글리칸[peptidoglycan] 등)이 혈류로 유입되어 전신 염증 반응을 유도할 수 있으며 이는 자가면역 반응의 트리거로 작용할 수 있다. 이러한 장 누수(leaky gut) 현상은 여러 자가면역 질환에서 공통적으로 보고된다[16]. 장 누수 현상이 심화되면 각종 세균, 독소, 큰 입자의 영양소 등이 장 점막세포를 뚫고 몸속 깊숙이 침투할 수 있다. 면역세포가 이를 비정상적인 항원으로 인식하여 공격하면서 각종 자가면역 질환이 나타날 수 있다.

류마티스관절염은 유전적 배경이 중요한 역할을 하지만 흡연 및 감염과 같은 환경적 위험 요인이 질병의 발병 메커니즘에 강하게 관여하고 있다. 여러 연구에서 류마티스관절염과 치주염 사이의 연관성이 발견되었다. 구강 세균에 의해 유발되는 만성 구강 염증과 백혈구 침윤, 치조골의 점진적 파괴는 류마티스관절염과 동일한 병리학적 메커니즘을 공유하는 것으로 보인다. 또한 치주염의 병인에 연관된 세균인 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis)를 포함한 프레보텔라(Prevotella), 렙토프리키아(Leptotrichia)는 peptidyl arginine deiminase 효소를 통해 단백질의 아르기닌 잔기를 시트룰린으로 전환하는 반응을 촉매한다[17]. 시트룰린을 포함하는 단백질은 류마티스관절염에 특이적인 항시트룰린 펩티드 항체(anti-citrullinate peptide antibodies)에 의해 인식된다. 이는 치주 질환 유발균이 항시트룰린화 항체의 존재와 관련이 있음을 시사한다[18]. 한편 류마티스관절염 환자의 장내에서 프레보텔라 코프리(Prevotella copri)의 증가는 조기 류마티스관절염 발병과 연관되며[19] 장내 세균이 생성하는 부티레이트는 T helper 17 (Th17) 세포의 활성화를 억제하는 동시에 Treg의 분화를 촉진하여 Treg/Th17 세포 균형을 조절하는 주요 역할을 한다[20]. 콜라겐 유도 관절염(collagen-induced arthritis) 마우스 모델에서 장내 미생물 군집의 변화가 관절 염증 발생에 중요한 역할을 하는 것이 확인되었다. 이는 류마티스관절염의 면역 활성화 단계에서 장내 미생물 군집 변화가 관절 염증을 유발하거나 조절할 수 있음을 시사한다.

장내 미생물 불균형(dysbiosis)은 장벽 손상과 함께 전신 염증을 유도하며 interferon-α (IFN-α) 중심의 루푸스 면역 반응을 증폭시킬 수 있다[21-23]. 혈중 및 조직에서의 type I interferon (IFN-I) 신호 활성화가 질병 발현과 활동성의 핵심 병리 표지이다. 최근 연구들은 단순한 dysbiosis가 아닌 특정 균주의 증식, 장투과성 변화, 조직 전이(translocation)와 같은 미시적 요인들이 IFN-I 축을 직접 자극하여 전신홍반루푸스의 발생 및 악화를 촉진할 수 있음을 시사한다[24]. 자가면역 소인을 가진 동물 모델에서 장내 공생 미생물인 Enterococcus gallinarum이 장장벽을 넘어 간, 비장 등으로 전이되면 해당 조직에서 수지상세포-간세포 연계 반응을 통해 IFN-I 생성이 촉발되고 자가항체 및 염증이 증가하였다. 일부 루푸스 환자의 간 조직 내 Enterococcus gallinarum 검출이 보고되어 인간 질병과의 연관성도 제시되었다. 이 연구는 lipoglycan, 특정 LPS 변형 등 균주 특이적 분자(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)가 장내에서 과발현되거나 장누수 현상을 통해 전신에 노출되면 조직 포양 수지상세포(plasmacytoid dendritic cell, pDC)/간세포를 자극하여 IFN-I를 유발시켜 자가면역이 증폭되는 인과적 흐름을 실험적으로 증명하였다[25]. 여러 코호트에서 Ruminococcus gnavus의 장내 과증식이 전체 질병 활성도 및 루푸스 신염(lupus nephritis)과 강하게 연관되었다[26]. 일부 Ruminococcus gnavus strain은 세포벽 lipoglycan을 갖고 있어 루푸스 환자에서 이들에 대한 특이적 항체가 검출되며 이 항체 반응은 전통적 자가항체(anti-dsDNA 등)와도 연관된다. 특정 Ruminococcus gnavus 성분은 선천면역수용체를 자극하여 염증성 사이토카인, 보체 활성 및 간접적으로 IFN 축을 증폭할 가능성이 제안되었다[27]. 즉 특정 균주에 대한 환자 특이적 Ruminococcus gnavus lipoglycan 항체는 마커, 기전적 연결 고리로서 루푸스 특이적인 진단, 예후, 표적 치료의 가능성을 시사한다.

강직척추염(axial spondyloarthritis)의 병인을 환자의 95% 이상에서 발견되는 human leukocyte antigen (HLA)-B27을 중심으로 해석하고 있지만 유전 영향은 15% 정도로 보고 있으며 감염 및 충격 등 환경적인 문제가 나머지를 차지한다. 강직척추염 동물 모델인 HLA-B27 형질 전환 마우스를 무균(germ-free) 사육 조건에서 키우면 장과 관절에 염증이 발생하지 않는다[28]. 이는 마이크로바이옴과 강직척추염 발병이 밀접하게 관련되어 있음을 강력하게 시사한다. 세균성 장염을 일으키는 주요 원인균인 살모넬라(Salmonella)와 쉬겔라(Shigella) 등이 척추관절염의 일종인 반응 관절염을 일으킨다고 알려져 있고 장내 폐렴간균(Klebsiella pneumonia)의 상호작용(anti-Klebsiella antibody 증가 및 분자 모방 가 능성)이 중요하게 여겨진다[29]. 강직척추염은 전형적인 interleukin (IL)-23/IL-17 축 의존적 자가염증성 질환으로 장-관절 축(gut–joint axis)에서 비롯된 면역 편향이 병인에 중심적 역할을 한다. 최근 multi-omics 연구는 단순한 장내 다양성 감소나 HLA-B27과 같은 유전적 요인을 넘어 특정 균주의 기능적, 면역학적 특성이 병리적 Th17 반응을 매개한다는 기전을 제시한다. 대표적으로 Dialister 속의 증식은 다 중 코 호트에서 척추염의 질병 활성도(Bath Ankylosing spondylitis disease activity index, BASDAI)와 밀접히 연관되었으며 메타 전사체 및 면역 전사체 분석에서는 Th17 관련 유전자 발현(IL17A, IL23R, CCR6 등) 상승과 동반되어 보고되었다[30,31]. Dialister 유래 LPS 및 대사산물은 점막 수지상세포를 자 극하여 IL-23을 유도하고 이로부터 CD4⁺ T세포의 병리적 Th17 분화를 촉진한다[32]. 한편 Ruminococcus gnavus 는 강직척추염 및 기타 척추관절염(spondyloarthritis) 환자의 장내에서 공통적으로 증가되어 있으며 일부 strain의 capsular polysaccharide 및 lipoglycan은 수지상세포를 통해 IL-1β/IL-6/IL-23 축을 활성화시켜 Th17 반응을 증폭시킨다[33]. Ruminococcus gnavus에 대한 immunoglobulin A (IgA) 항체가 높게 검출된 환자에서 장 염증 및 질병 활성도가 높은 결과는 면역계가 특정 pathobiont를 인식하고 이를 통해 Th17 면역을 유지한다는 점을 뒷받침한다. 일부 연구는 장내 세균 변화가 관절 외 증상인 비감염성 전방포도막염과의 관계에 대해 보고하였다[34]. 강직척추염의 5-20%가 염증성 장질환과 건선을 동반하여 이 세 질환으로 공통 분모를 찾는 것은 의의가 있지만 아직까지 연구는 매우 미진하다.

여러 연구에서 크론병(Crohn’s disease)과 궤양성 대장염(ulcerative colitis) 모두 공생 미생물군의 다양성 감소와 미생물 불균형 상태로의 일관된 변화와 연관되어 있음을 보여주었다. 빠른 도시화와 산업화로 인하여 서구화된 식습관, 생애 초기 항생제 사용의 증가, 대기 오염 등은 장내 세균총 변화를 일으켜 염증성 장질환 발병 증가 원인으로 추정되고 있다[35]. 과거의 연구 사례들을 일부 참고해 보면 급성 점막 감염 시 관찰된 것과 유사하게 크론병과 궤양성 대장염 환자에서 모두 슈도모나도타문의 과도한 증식, 특히 엔테로박테리아과(Enterobacteriaceae)와 푸소박테리아과(Fusobacteriaceae)의 증가로 특징지어진다[36]. 또한 점막 부착 침습성 대장균(adherent-invasive Escherichia coli), 예르시니아(Yersinia) 및 클로스트리디움 디피실레(Clostridium difficile)는 크론병 환자에게 건강한 사람보다 훨씬 더 흔히 발견되며 일부 쥐 모델에서 이러한 세균이 염증성 장질환의 주요 원인 요인으로 확인되었다[37,38]. 이러한 미생물의 변화는 점막 면역의 붕괴와 관련이 있다. 장내 미생물 불균형은 Th17 경로 활성화, IL-23/IL-17 axis의 자극을 통해 만성 염증을 유도한다. 환자군에 따른 차이는 인종적, 지역에 따른 환경 차이가 매우 중요한 것이 확인되었고 이에 따라 염증성 장질환 발병이 급증하고 있는 한국 및 동아시아인을 대상으로 한 마이크로바이옴의 체계적인 연구가 반드시 필요하다[39,40].

장내 미생물 불균형이 1형당뇨병의 병인에 관여하는 것은 널리 알려진 사실이다. 일반적으로 1형당뇨병 환자들의 장내에서는 대조군과 비교하여 비피도박테리움(Bifidobacterium) 및 블라우티아(Blautia)의 증가와 라크노스피라과(Lachnospiraceae) 및 인테스티니모나스(Intestinimonas)의 감소가 잘 알려져 있다[41]. 1형당뇨병의 발병 전 장내 미생물 다양성 감소, 박테로이데스(Bacteroides)의 비정상적 증가, 낙산(butyrate) 생성균 감소가 관찰된다. 이로 인한 장 점막 투과성 증가 및 면역 활성화는 췌장 베타세포에 대한 자가면역 반응을 유도한다. 한편 특정 병원체가 없는(specific pathogen-free) 비비만 당뇨병 마우스에서 수컷과 비교하여 1.3-4.4배 높은 암컷에서의 1형당뇨병 발병률이 무균 마우스에서는 사라졌다[42]. 이러한 질병의 성별 편향적 발병률의 근본적 원인이 스테로이드 계열의 호르몬을 통해서 조절되며 수컷과 암컷의 서로 다른 장내 미생물 군집에서 기인함을 제시한다[43]. 즉 장내 미생물이 남성의 1형당뇨병을 보호하는 과정에서 호르몬과 미생물이 함께 1형 당뇨병의 보호 경로를 촉발하는 것이다. 이러한 성 편향의 신호 모델을 통해 우리는 질병 특이적 발병 빈도의 차이가 나타나는 근본적 발병 원인을 마이크로바이옴 연구에서 찾을 수 있을 것이다.

특정 프로바이오틱스(Lactobacillus, Bifidobacterium spp. 등)는 염증 감소, Treg 유도 증가, 사이토카인 균형 조절, 장 장벽 회복 등을 통해 자가면역 질환 개선 가능성을 보인다. 셀리악병, 전신홍반루푸스, 루푸스신염, 소아기 특발성 관절염, 건선, 섬유근육통, 다발성 경화증, 전신 경화증, 1형당뇨병, 크론병, 궤양성 대장염 등 14가지 질환 대상 80개의 무작위 대조 시험(randomized controlled trial, RCT)을 분석한 결과 프로바이오틱스를 이용한 치료는 여러 질환에서 증상 또는 염증 인자를 개선하는 효과가 있는 것으로 보고되었다[44]. 특정 균주(예: Escherichia coli Nissle 1917)나 제형(예: VSL#3)의 프로바이오틱스 섭취 효과가 입증된 질환으로는 궤양성 대장염과 재발성 장루염(pouchitis)가 대표적이다[45]. 궤양성 대장염에서는 프로바이오틱스 섭취가 관해 유지 및 일부 경증-중등도 활성기 관해 유도에 유의한 효과를 보였고 특히 Escherichia coli Nissle의 경우 메살라진(mesalazine, 5-ASA)과 유사한 재발 예방 효과를 보였다[46]. 류마티스관절염, 다발성 경화증, 건선, 전신홍반루푸스에서는 소규모 긍정 보고가 있으나 증거 이질성, 표본 크기 한계로 아직 일반 권고 수준에는 이르지 못하였다[47-50]. 류마티스관절염의 경우 소규모 RCT와 메타 분석에서 일부 프로바이오틱스(Lactobacillus casei 등)가 염증 표지자(C-reactive protein, CRP) 및 질병 활성도 지표에서 소폭 호전(또는 보조적 이익)을 보였다는 보고가 존재하나 연구 간 이질성과 작은 표본 크기로 인하여 확정적 권고는 어려운 상태이다[47]. 전신홍반루푸스의 경우 동물 실험, 소규모 임상 및 파일럿 연구들에서 염증 수치 및 면역 지표 개선의 보고가 있으나 임상적 결론으로 표준 치료로의 권고엔 충분하지 않다[50]. 또한 다기관 전향적 코호트 TEDDY 연구(미국, 핀란드, 독일, 스웨덴의 7,473명 대상)에서는 생후 첫 해 조기 프로바이오틱스 섭취가 유전적 1형당뇨병 고위험군 아동에서 islet autoimmunity 발생 위험 감소와 연관된다는 결과가 보고되었다[51]. 그러나 인과성을 규명하기 위한 추후 검증이 필요하며 이에 따라 유전적 1형당뇨병 고위험군 아동에 대한 예방 목적으로의 프로바이오틱스 섭취는 권고되지 않는다. 크론병은 현재까지 확실한 효과 근거가 부족하거나 활성기 유도 및 관해 유지 모두에 대해 일관된 이득이 관찰되지 않아 현재 크론병에 대한 프로바이오틱스의 효능은 입증되지 않았다[52]. 또한 강직척추염에서는 프로바이오틱스 섭취에 의한 부작용은 증가하지 않지만 일부 지표에서의 효과가 미확인 되어 임상 권고 불가 사례들도 확인된다[53,54].

FMT는 건강한 사람의 대변 내 미생물 군집을 대상자에게 투여하는 시술로 이식된 미생물 군집에 의해서 대상자의 비정상적인 장내 미생물 군집이 회복되는 것을 기대한다[55]. 자가면역 질환 중에서 특히 장내 미생물 다양성 회복과 염증 완화에 효과를 통한 임상 관해 및 내시경적 관해 증가가 인정되어 궤양성 대장염 환자에서는 일부 치료 과정에서 적용되고 있지만 제약이 많다[56]. 대변 이식을 시행하는 경우에는 미국식품의약국으로부터 시험용 신약 인증(investigational new drug, IND) 승인을 받아야 하며 대변 준비, 투여량 및 투여 경로 등에 있어 환자의 개별적 특성을 고려한 치료적 접근이 필요하다. 그러나 대변의 표준화 문제 및 투여 장기 안전성 문제가 숙제로 남아 있고 대부분의 자가면역 질환에서의 대부분의 연구가 전임상 단계에 머물러 있거나 치료에 의한 효과가 불명확한 부분 때문에 향후 연구의 진행 과정과 결과에 대한 확인이 필요하다[57].

NGP는 기존의 전통적인 프로바이오틱스보다 특정 질병 치료나 건강 증진에 더욱 특화된 미생물로 정의된다. NGP로 활용될 수 있는 장내 환경 유래 미생물의 분리와 동정은 일반 세균 배양에 비해 까다로우며 특별한 배양 기술이 필요하므로 NGP로 활용될 수 있는 미생물은 매우 제한적이다. 대표적인 NPG 후보 미생물로 절대 혐기성 미생물인 Akkermansia muciniphila (기대 효과: 장 점막 점액층 분해를 통한 장내 장벽 항상성 유지 및 대사 건강 촉진), Faecalibacterium prausnitzii (기대 효과: butyrate를 생산을 통한 항염증 및 장내 건강 증진), Clostridium scindens (기대 효과: 담즙산의 2차 담즙산 전환 및 natural killer T세포의 활성) 등이 활발히 이용되고 있다. 이 외에도 Bacteroides thetaiotaomicron, Christensenella minuta , Prevotella copri, Parabacteroides distasonis 등이 NPG로의 개발에 활용되고 있다[58-60]. 최근에는 유전자 조작 등의 방법으로 특정 기능을 강화하거나 새로운 기능을 부여한 살아있는 미생물을 이용해 질병을 치료하거나 예방하는 바이오 의약품으로 미생물유전자치료제(engineered live biotherapeutic products, eLBP)가 새롭게 등장하고 있다[61]. 이처럼 학계와 산업계에서는 기존의 전통적 프로바이오틱스 연구의 한계를 인정하고 미생물 기반 치료제 연구 개발 과정에서 NGP에 주목하고 있다. 그러나 다수의 NGP/eLBP 파이프라인은 동물 실험 결과와 달리 전임상 및 초기 임상시험에서 효능 불일치(동물 실험 대비 효과 미비)로 보고되고 있어 임상 적용을 위해서는 여전히 많은 과제가 남아 있다. 가장 처음 활용되었던 Akkermansia muciniphila는 수많은 동물 모델에서 효과가 검증되었지만 임상시험에서 명확한 효과가 확인된 사례가 없어 이러한 관련 산업이 일시적인 침체기에 빠져 있다. 또한 새로운 미생물의 인체 적용 시 안전성과 효능을 입증하기 위한 임상시험이 까다로우며 NGP에 대한 국제적인 규제 기준이 명확하지 않아 제품 개발 및 상용화에 제약이 여전히 크다.

자가면역 질환에서 마이크로바이옴 연구는 특정 질환에 쏠림 현상이 매우 심하고 코호트 중심의 상관관계는 비교적 잘 설명되어 있지만 질병의 인과관계 규명을 위한 기초 연구의 진행은 매우 미진하다. 그 기반에는 동물 실험의 어려움, 실험을 통한 인과관계 규명의 어려움, 컬쳐로믹스를 통한 난배양성 혐기성 미생물 확보의 어려움 등을 꼽을 수 있지만 이러한 기초 연구가 질병의 병태생리 기전을 이해하는 핵심 과정이라 할 수 있다. 또한 미생물의 상대 비율 측정을 통한 샘플 간 비교 방법이 맞는 것인지에 대한 의문이 제기되고 있다. 연구자가 특정 미생물의 영향에 대한 주장을 하기 위해서는 샘플에 존재하는 특정 미생물의 비율뿐만 아니라 양적인 차이와 변화에도 주목해야 한다[62,63]. 미생물 학계의 저명한 저널에서는 이러한 측정법을 에디터들이 editorial로 발표하여 저널이 나아갈 주요한 방향 중 하나로 강조하고 있으며[64] 이러한 분석 과정의 한계를 극복하기 위한 다양한 연구 방법론이 개발되고 있다. 특히 치료/약물의 투여 전과 후의 마이크로바이옴 군집의 변화를 관찰하거나 종단 연구에서는 상대 비율에 기반한 분석이 아닌 미생물의 절대 정량을 측정하여 미생물의 수를 평가하는 것이 반드시 필요한 접근법이다[65]. 따라서 최근에는 스파이크-인(spike-in) 접근법, 디지털 중합효소 연쇄 반응(digital polymerase chain reaction) 등의 절대 정량 기법 등이 강조되고 있다.

현재 마이크로바이옴 연구의 또 다른 트렌드는 질병을 조기에 진단하거나 혹은 치료제의 효과를 예측하거나 혹은 예후를 예측하는 새로운 하나의 마커로 개발하기 위한 다양한 시도들이 있다. 그러나 다양한 유전적 요인 및 환경적 요인에 크게 영향을 받는 마이크로바이옴의 가장 대표적인 특징 때문에 연구마다 편차가 크게 나타나고 연구 결과를 다른 독립적인 코호트에 적용시킬 수 없는 것이 현재 대두되는 가장 큰 문제이다. 따라서 개발된 마커를 보편적으로 활용하기 위해서는 인종, 지역이 다른 독립적인 코호트에서의 검증 과정이 요구된다. 이러한 검증 과정이 보다 객관적이기 위해서는 인종, 지역, 성별, 나이에 따른 전 지구적 대규모 협업 시스템 구축에 기반한 체계적인 코호트 구성과 일괄적인 데이터 수집이 반드시 필요하다. 따라서 세밀한 환자군 구성(성별, 나이, 약제 사용력 등), 대조군 구성, 샘플 타입 표준화, 샘플 수집 방법 표준화, 분석 방법 표준화를 통해 비교 가능한 데이터 확보가 선행되어야 할 것이다.