섬유질 보충으로 항생제로부터 보호

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5161(2023) 이 기사 인용

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항생제로 인한 장내 세균 불균형(AID)은 항생제 사용으로 인해 발생하는 빈번하고 심각한 부작용이며 이러한 세균 불균형을 완화하는 것이 중요한 치료 목표입니다. 우리는 숙주 식단이 장의 화학적 환경을 조절하여 항생제 치료 중 미생물군집의 구조와 기능을 변화시킬 수 있다고 제안합니다. 장내 미생물 불균형은 일반적으로 호기성 호흡 박테리아 대사, 산화환원 잠재력 및 풍부한 프로테오박테리아의 증가를 특징으로 합니다. 본 연구에서 우리는 장내 세균 불균형의 패턴을 줄이기 위해 장내 화학적 환경의 잠재적인 조절제로서 식이섬유 보충제를 탐구합니다. 식이 조절 및 항생제 치료 중에 정의된 식이 요법과 암컷 쥐 미생물군집의 전체 게놈 시퀀싱을 사용하여 우리는 섬유질 프리바이오틱스가 미생물군집 구성 및 기능에 대한 항생제 치료의 영향을 크게 감소시키는 것을 발견했습니다. 우리는 호기성 박테리아의 감소된 풍부함과 산화 대사와 관련된 대사 경로를 관찰합니다. 이러한 메타전사체 결과는 eH와 pH의 화학적 측정에 의해 확증되는데, 이는 섬유질이 항생제의 생물불균형 효과를 약화시킨다는 것을 의미합니다. 이 연구는 섬유질이 장내 박테리아 대사를 조절하여 산화환원 잠재력의 증가를 방지하고 항생제 치료 중 공생 미생물을 보호함으로써 AID에 대한 잠재적인 치료제로 작용할 수 있음을 나타냅니다.

항생제는 감염에 대한 방어를 가능하게 하는 현대 의학의 중요한 부분이지만, 항생제 사용으로 인해 장내 미생물군집에 부수적인 손상이 발생하는 경우가 많습니다1,2,3. 이 AID는 염증성 장 질환, 비정상적인 면역 기능, 감염 및 대사 장애와 같은 건강상의 합병증을 유발할 수 있습니다4. 여러 연구에서 경구 약물 흡착제와 프로바이오틱 보충제를 사용하여 미생물군집에 대한 항생제 스트레스를 줄이는 방법을 탐구했습니다5,6.

그러나 이러한 접근법은 프로바이오틱스6의 경우 약물 효능을 감소시키거나 장내 불균형을 증가시킬 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 식이요법을 사용하여 장의 화학적 환경을 수정하고 섬유질 프리바이오틱스가 항생제 치료 후 나타나는 장 산화환원 잠재력의 증가를 방지함으로써 어떻게 AID를 완화할 수 있는지 조사합니다4,7,8.

식단에 포함된 탄소원의 유형에 따라 어떤 전자 수용체가 장내 박테리아에 도달하여 구체적이고 예측 가능한 생화학 반응을 일으키는지 결정할 수 있습니다9,10,11. 예를 들어, 서양의 고당 식단에 존재하는 단순한 탄소원은 숙주에 빠르게 흡수되어 장내 미생물의 탄소를 제한합니다. 이들 미생물은 제한된 탄소를 두고 경쟁하기 때문에 장의 점막 내막에서 숙주 유래 탄소를 대사합니다12,13. 결과적으로, 염증성 및 호기성 환경에서 번성하는 박테리아를 선택하여 장 염증을 증가시키고 미생물군집의 구조를 변경합니다14. 이러한 생물 불균형 환경은 O2, NO3, Fe3+와 같은 전자 수용체를 제공할 수 있으며 더 높은 산화환원 전위 에너지를 갖는 대사 반응을 위해 열역학적으로 선택할 수 있습니다. 반면에 식이섬유는 발효 대사를 통해 복합 다당류를 대사할 수 있는 미생물을 선택합니다. 발효를 통해 박테리아에 의해 생성된 단쇄지방산(SCFA)은 산소 소비 반응에서 결장세포에 의해 대사됩니다16,17,18. 이러한 혐기성 환경의 결과로, 발효와 같이 더 낮은 산화환원 전위 에너지를 갖는 대사 반응이 열역학적으로 선호됩니다.

항생제에 대한 박테리아 감수성에 대한 현재의 관점은 대사를 수정하면 항생제 스트레스로부터 보호할 수 있음을 시사합니다. 여러 시험관 내 연구에서 이 가설을 테스트한 결과 미생물 대사를 억제하면 항생제에 대한 감수성이 감소한다는 사실이 밝혀졌습니다19,20,21,22. 이러한 연구는 감수성이 무익주기 상향 조절, ATP 회전율, 더 높은 막 전위 및 라디칼 종 증가와 같은 대사 활동의 특징과 연관되어 있음을 시사합니다. 반대로, pH 상승, 전자 수송 분리 및 포도당 가용성 감소는 모두 미생물 대사를 억제하고 항생제로부터 보호하는 것으로 나타났습니다20,22. 이러한 대사에 의한 감수성 메커니즘은 주로 시험관 내에서 조사되었지만 최근 연구에서는 숙주의 장내 세균 대사를 조절하는 것도 AID에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.

1 and p-adj <0.05 (n = 6). Full results available in supplementary information and visualized in Rshiny (https://belenkylab.shinyapps.io/shiny). h Changes in Bacteroides phylum at D1 and D5 of experiment, adj p value = 0.0049. i Verrucomicrobia phylum, adj p value = 0.0004. j Firmicutes phylum k Proteobacteria phylum, Glucose day 5 vs Fiber day 5 adj p value = 0.0014, Fiber day 1 vs Fiber day 5 adj p value = 0.0478. l Actinobacteria phylum, adj p value = 0.0330. m Archaea, adj p value = 0.0002. For h–m (n = 6) Mean ± SEM Kruskal Wallis with Dunn’s Correction *p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001; ****p < 0.0001./p> 2. Antibiotic effect on glucose vs fiber is shown. Full results in Supplementary Information. c Schematic of proteins involved in bacterial electron transport. Significant pathways increased in fiber (left) and glucose (right) as determined by HUMAnN3.0 and MaAsLin2. Day 1 (n = 6) (d) and day 5 (n = 6) (e) qval = FDR, Coefficient shown on x-axis. See Supplementary Information for full results. Significant changes in expression of electron transport proteins (complex 1, flavoproteins, cytochromes) aligned to the Refseq database D1 (n = 6) (f) and D5 (n = 6) (g) during antibiotic treatment. padj < 0.0001 and log2 FC > 2. Log2 FC ± SEM. Antibiotic effect on glucose vs fiber is shown. Full results in Supplementary Information./p>

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