Ji Sun Hwang, Sin-Hyeog Im : Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders 질환은시골이나개발국에비해특히서구화된나라에서그 증가율이크게증가되고있는데이는위생가설 (hygiene hypothesis

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1 소아알레르기호흡기 : 제 22 권제 4 호, pp325~335, 2012 년 Pediatr Allergy Respir Dis(Korea) 2012;22: ) 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 광주과학기술원생명과학부면역조절실험실 황지선ㆍ임신혁 Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders Ji Sun Hwang, MSc, Sin-Hyeog Im, PhD School of Life Sciences and Immune Synapse Research Center, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Gwangju, Korea Allergic disorders such as atopic dermatitis and asthma are common hyperimmune disorders in industrialized countries. Although the exact etiology is unclear, several factors may trigger the disease onset. These include susceptible genetic background, environmental factors and an aberrant gut microbiota with a shift of the Th1/Th2 balance towards a Th2 response. Probiotics confer health benefits through multiple action mechanisms including modification of immune system in both systemic immune system and gut associated lymphoid tissue. Although many human clinical trials and mouse studies demonstrated the beneficial effects of probiotics in diverse allergic disorders, therapeutic efficacy is quite diverse depending on administration dose and types of strains or their mixture. To properly modulate allergic diseases, administration of tailor made probiotics with immune tolerance activity is required. Human clinical trials demonstrate a limited benefit of probiotics in atopic dermatitis in a preventive as well as a therapeutic capacity. In addition, beneficial effect of probiotics treatment is limited in the treatment of bronchial asthma. Identification of specific probiotics that has immune modulating activity and elucidation of the underlying mechanism of action will lead to develop probiotics as an as immune modulator targeting allergic disorders. Herein, we briefly review the diverse functions and regulation mechanisms of probiotics in allergic disorders including atopic dermatitis and asthma.[pediatr Allergy Respir Dis(Korea) 2012;22: ] Key Words : Probiotics, Immune system, Gut-associated lymphoid tissue, Cytokine, Atopic dermatitis, Asthma 서 론 이오틱스가장관미생물의균형을유지함을통해건강을증 진시킨다고생각되었으나최근에는이들이면역기능을조 프로바이오틱스는적당량을섭취하였을때숙주의건강 에이득을주는살아있는미생물을뜻한다. 초기에는프로바 본연구는농촌진흥청국립농업과학원농업과학기술연구개발사업 ( 과제번호 : PJ907153) 및한국식품식품구원의지원에의해이루어진것임접수 : 2012 년 12월 4 일, 승인 : 2012 년 12월 6일책임저자 : 임신혁, 광주광역시북구첨단과기로 123 광주과학기술원생명과학부면역조절실험실 Tel : 062) , Fax : 062) imsh@gist.ac.kr 절함을통해숙주에이로움을준다는충분한보고들이제시 되고있다. 염증성장질환 (inflammatory bowel disease), 아토피피부염 (atopic dermatitis) 및천식(asthma) 등의 마우스모델에서프로바이오틱스의섭취는주로염증성사 이토카인의발현감소및또다른조절작용을유도함을통 해질병의증상을완화및예방시켰으며이런효능은사용 한프로바이오틱스종류에따라달랐다 (strain specific effect). 최근 년동안아토피피부염, 천식과같은알레르기

2 Ji Sun Hwang, Sin-Hyeog Im : Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders 질환은시골이나개발국에비해특히서구화된나라에서그 증가율이크게증가되고있는데이는위생가설 (hygiene hypothesis) 에의해뒷받침되고있다. 이두가지질환은 만성적이며재발성이높으며, 민감성이높은특정유전자, 환경, 면역적인요인등이영향을미치는복합적면역반응 이다. 주로아토피피부염및천식은영, 유아시기부터발병 하나최근에는성인에있어서도그발병률이증가하고있는 추세이며환자에게있어육체적고통뿐만아니라심각한정 신적스트레스를유발시킨다. 특히아토피피부염의경우이 를통한우울증으로자살이증가하고있고사회생활을함 에있어서도대인관계등에큰지장을주고있어사회적문 제가되고있고이를치료하기위한치료제개발이활발히 진행중이다. 현재까지국부적인 corticosteroid 사용이가장흔한알 레르기질환치료법으로사용되고있으나장기적으로사용 할경우피부위축및성장지연등의부작용이야기되고있 다. 따라서최근들어이를극복하기위한치료법의개발에 대한노력이활발히이루어지고있으며그중에서프로바이 오틱스를이용하여장내의미생물을조절하여아토피피부 염및천식등의알레르기질환을치료하려는시도가활발 히진행중이다. 본종설에서는프로바이오틱스의효능, 작 용기전과프로바이오틱스를이용한아토피피부염및천식 의치료를위한다양한연구및현황에대해설명하고자한 다. 위생가설 (hygiene hypothesis) 많은가설들이아토피피부염을포함한알레르기질환의 원인을설명하기위해제안되었다. 이중에서위생가설(hy- giene hypothesis) 이여러가지과학적근거에의해널리 받아들여지고있다. 이가설은면역시스템의발달이활발히 일어나고있는유년기 - 청소년기에비위생적인환경적노출 이많은지역/ 나라에거주하는것이알레르기질환을예방 할수있다고설명하고있다. 면역시스템은감염성질환에 노출되는다양한비위생적인환경에노출될수록다양한면 역반응을통해학습을하게된다. 즉, 면역반응을일으켜야 할외부병원성인자와면역관용을유도해야할비유해성 면역원들에대한교육을받게되어, 오히려인체에해로운 반응을나타낼수있는, 비감염성의무해한면역인자에대 한면역과민반응을억세하는능력을획득하게된다. 또한 이러한위생가설은, 너무깨끗한면역환경에노출되는경 우, 감염에의한 Th1 면역반응의감소를야기시켜결국 Th1/Th2 의균형이깨지고, 그결과 Th2 면역반응이과하 게되어알레르기반응이유도된다는 Th1, Th2 패러다임 의가설과밀접히연관되어있다. 최근에는이위생가설은 다시개정이되어, 유아기의장내미생물의군집변화도알 레르기질환의중요한유발의원인으로포함되었다. 특히너 무지나치게깨끗한환경은면역조절 T 세포(regulatory T cell, Treg) 의발달및활성을약하게하여, Th2 면역반응 뿐만아니라 Th1 면역반응을활성화시켜알레르기질환을 더욱심화시킬수있다고제시되고있다. 1) 장관미생물 (intestinal microbiota) 많은과학자들은주거환경의차이에의한다양한면역 원에대한노출정도가알레르기질환의유발요인일것이 라고주장하고있다. 산업화된도시거주자가시골에사는 사람들에비해높은빈도의알레르기질환의발생도를보이 고있다. 이러한현상을과학자들은 hygiene hypothesis 를이용하여알레르기발병을설명하고한다. 최근에는이러 한다양한환경적요인으로서비감염성장내미생물의중 요성이대두되고있다. 장내미생물의다양성과특정미생 물의분포량이알레르기질환의경중및빈도에크게영향 을미치는것으로알려지고있다. 즉, 알레르기반응은면역 시스템이발달하는과정중에미생물에대해충분한노출이 되지않았을때발병이증가된다고여겨지고있다. 2) 사람의위장관은사람과외부환경사이에존재하는중 요한연결통로이며영양분의흡수가일어나는동시에병원 균의침입을막는두가지역할을동시에진행한다. 사람의 장에는최소 400 여가지의다른종류의박테리아가존재하 며그밀도는대장에서가장높으며 cells/g 의농 도를보인다. 최근에는배양기술의발달로많은장내미생 물의발견이가능해졌으나아직까지도배양이불가능한균 주가많기때문에실제사람의장내에는 1,000 종이상의 박테리아가존재하는것으로여겨지고있다. 일부장내박 테리아는질병을일으키는병원균으로여겨지지만, 대부분 의장내미생물은숙주와서로이익을주고받는공생관계 이다. 3) 이들장내미생물들중에서도유산균은대표적인 유익한세균으로분류되고있다. 프로바이오틱스 (probio - tics) 는적당량을섭취하였을경우숙주의건강을증진시 키는살아있는미생물이라고정의되고있다. 프리바이오틱 스 (prebiotics) 는 fructo- oligosaccharide 나 trans-betagalacto-oligosac charide 와같은소화되지않는 oligosac- charide 이다. 이들의투여는선택적으로 Bifidobacteria 나

3 황지선ㆍ임신혁 : 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 Lactobacilli 의성장을자극하여이들의증식및이들에의 해생성되는다양한인자들에의해다양한생물학적효능을 나타내는것으로정의되어지고있다. 또한프로바이오틱스 와이들의생육을촉진하는프리바이오틱스를동시에일컫 는의미로서 신바이오틱스 (synbio tics) 란용어가사용되 어지고있다. 음식물속에존재하는유산균은주로 gramposi tive인 lactic acid bacteria 로서 Lactobacilli 와 Bifidobacteria 가주로차지한다. 4) 하지만새로운종류의 유산균이라고해서과량으로섭취할수있는유익한세균 (pro biotics) 이라는개념으로사용할수없다. 따라서일반 적으로사람이섭취할수있는프로바이오틱스는안전성을 이유로아래와같은몇가지의요건을충족해야한다. 즉, 1) 주로사람의위장에서분리되며균의종명, 기원등균주 에대한정확한정보가있어야한다. 2) 병원성이없고장 내점액및위산에저항성이있어분해되지않고항생제저 항성유전자를포함하지않아항생제에민감해야한다. 3) 사람의장까지살아있는상태로도달해야하며상피세포 표면에잘부착되어야하며장내에서군집가능해야한다. 4) 다양한항균물질을생성하여병원성을가지는주변박 테리아의작용을억제가능해야한다. 또한새롭게분리된 새로운유산균은매우엄격한규정을통해안전성이검토되 어져야한다. 프로바이오틱스의장관상피세포와의접촉방법은프로 바이오틱스의종류와숙주에따라다양하지만주로 M 세포 나 follicle- associated epithelial 세포를통해서일어난다. 장내에존재하는상피세포는침투성 (invasiveness) 과 flagella 의유무로병원균과비병원균을구분하는것으로알 려져있고좀더정확한구분메커니즘에대해서는연구가 더필요하다. 5) 장관미생물과면역계 사람의몸에서가장큰림프조직(lymphoid organ) 은장 관계에존재하는 gut-associated lymphoid tissue (GALT) 이며, Peyer s patch 와 mesenteric lymph node 등의림프 cytes) 표면의 M 세포를통해 Peyer s patch 의수지상세 포(dendritic cell) 로전달되며 lamina propria 수지상세 포는직접 dendrite 를이용해항원을포획한다. GALT 는 장에존재하는다양한박테리아와상호작용을하며, 이런 박테리아는수지상세포나장의상피세포에존재하는 toll-like receptor 나 nucleotide-binding oligomerization domain 을통해인지된다. 6,7) 몸에어떠한세균도존재하지 않는 germ free mouse 는장내상피세포(gut intestinal intraepithelial) 림프구수가적고 Peyer s patch 에 ger - minal center 수가적어 immunoglobulin A (IgA) 생성 plasma cell 의수가감소되는현상을보이고있다. 이러한 발견은, 장관미생물들이 GALT 의발달과기능에상당히중 요한역할을한다는것을의미한다. 8,9) 또한장내미생물은 경구관용(oral tolerance) 유도에매우중요한역할을담 당한다. 경구관용은주로경구를통해노출된항원( 단백질 ) 에대해항원특이적인 peripheral tolerance 가일어나는 것을말하며이러한 peripheral tolerance 의생성과유지는 regula tory T 세포에의해서조절된다. 다양한보고를통해 germ free 마우스는특정항원에대해 oral tolerance 를유 도하지못하며실제로 regulatory T 세포의수가현저히감 소되어있음이확인된바있으며, 역으로 germ free 마우스 에 Bifidobacterium infantis 나 Lactobacillus plantarum 조직을포함한다. 장내항원(antigen) 은장세포 (entero- 을경구투여했을때 oral tolerance 가유도되고 regula- tory T 세포의수가증가됨이확인되었다 ) 1. 프로바이오틱스의작용기전 일반적인작용기전 장관미생물은소화되지않는탄수화물 (carbohydrate) 을분해하거나짧은사슬지방산 (short chain fatty acid), 아미노산 (amino acid), 비타민 (vitamin) 등을생성하는등 다양한영양학적역할을가지고있다. 미생물은섬유질이나 뮤신같은물질의소화를도와서지방산 (fatty acid) 의형태 로제공하여숙주에게에너지를제공하는역할을하며 13) 또 한침입한병원균에대해서방어벽역할을한다. 이러한방 어기전은영양분및결합부위에대해박테리아와경쟁하 거나항균(antibacterial) 물질의생성을통해서일어난다. 2. 면역조절기전 대부분의알레르기질환은 Th1/Th2 균형이깨어져 Th2 면역반응이더활발하게일어나게되고이로인해 interleukin (IL)-4, IL-5, IL-13 같은 Th2 type 사이토카인이 많이분비되어결국 immunoglobulin E (IgE) 의생성이증 가하게된다. 프로바이오틱스의면역조절기능은프로바이 오틱스균주에따라특이적인데, Lactobacillus reuteri 는 수지상세포에서 IL-12, tumor necrosis factor (TNF)-α 의분비를증가시키지만 Lactobacillus casei 는반대로염

4 Ji Sun Hwang, Sin-Hyeog Im : Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders 증성사이토카인인 IL-12 나 TNF- α의발현을억제시킨다. 반면대부분의프로바이오틱스는공통적으로 Tr1, Th3 세 포의생성유도를통해면역조절기능을가지는사이토카 인인 IL-10 이나 transforming growth factor (TGF)- β의 분비를증가시킨다. 이로인해 Th2 면역반응이억제되게 되고결국 Th1 면역반응쪽으로균형이변화되어알레르 기증상을완화시킨다. 4) 잘알려진프로바이오틱스의기능으로는장벽의기능의 안정화 14), 장내 IgA 생성자극 15) 그리고가장중요한기능 인, 사이토카인분비조절등이있다. 다양한 in vitro 실험 결과는프로바이오틱스는 IL-12 나 INF- γ 등의 Th1 type 사이토카인의분비의증가및 Treg 세포에서의 IL-10 분비 를통해 Th2 type 사이토카인의발현을억제함을증명하였 다. 또한 ex vivo 실험을통해서는프로바이오틱스를처리 했을경우 IL-10 과 interferon (IFN)- γ가증가하나 Th2 type 사이토카인의발현은감소되지않거나, Th2 type 사 이토카인의발현이감소되나 IL-10, TGF- β 등의조절사이 토카인의발현량이감소한다는연구결과가있다. 따라서 in vitro 결과에비해 ex vivo 실험결과는아직명확한결론이 나지않았으며이렇게다른결과가야기되는이유는각각의 실험에사용한프로바이오틱스의종류및실험설계시사 이토카인생성을위한자극방법의차이로생각된다. 3) 또한 최근보고에따르면프로바이오틱스는장내존재하는다른 장관미생물의구성이나활성의조절을통해전반적인면역 시스템을변화시키는역할도수행한다고한다. 16,17) 3. 수지상세포의성숙과기능에프로바이오틱스가미치는영향 GALT 에서수지상세포를통해활성화된 T 세포는인지 되는항원의종류에따라다양한장관면역반응을보인다. 또한섭취한프로바이오틱스가장내로이동하는정도는균 주종류및초기농도에따라다르며실제로수지상세포를 통해인지되는섭취한프로바이오틱스의수는매우적다. 5) 즉, 프로바이오틱스에의한장관면역시스템의조절에있어 장내에존재하는수지상세포의종류및수가상당히중요 하다. 수지상세포는뛰어난항원전달세포(antigen pre- senting cell) 의역할을하며 T 세포의활성화를유도하며 Th 세포의 Th1, Th2, Treg 세포로의분화를조절한다. 특 히수지상세포는 IL-10, TGF- β 등의사이토카인을분비하 여 Treg 세포를유도하고 Tr1 세포의경우 IL- 10, Th3 세 포의경우 TGF- β를분비하여면역조절기능을나타내게 돕는다. 수지상세포는항원을포획한후 2차림프기관으로 이동한후성숙(maturation) 과정을겪게된다. 이과정동 안수지상세포는사이토카인분비량의변화뿐만아니라표 면에존재하는 MHC class, CD40, CD83, CD80 (B7.1), CD81 (B7.2) 의발현량이증가하게된다. 최근들어프로바 이오틱스가수지상세포의표현형의성숙과사이토카인의 분비를조절한다는보고가많이나오고있다. 장내에서분 리할수있는수지상세포수가제한이있기에대부분의 in vitro 실험은 bone marrow- derived dendritic cell 또는 monocyte- derived dendritic cell 로진행을했다. 앞서언 급한바와같이수지상세포에미치는영향또한프로바이 오틱스의종류에따라다양하며프로바이오틱스의종류에 따라 IL-12, TNF- α의분비를유도하는정도는다양하나대 부분의프로바이오틱스가공통적으로크게 IL-10 의발현을 증가시켰다 ) 최근본연구팀은 5가지프로바이오틱스 혼합물인, IRT5 프로바이오틱스를투여하였을때 IL-10, TGF- β, indoleamine 2,3-dioxygenase 를많이발현하는 CD11c+ regulatory dendritic cells 의형성유도를통해 mesenteric lymph nodes 에서 CD4+Foxp3+ Tregs 의형 성을증가시킴을밝혔다. 21) 또한본연구팀은이렇게생겨 난면역세포가케모카인의신호를따라서염증이일어난곳 으로이동하여다양한질환을치료할수있음을증명하였다. IRT5 프로바이오틱스를투여하였을때아토피피부염, 류마 티스관절염, 염증성장질환모델에서효과적으로염증을 억제함을증명하였다. 21) 최근에는이 IRT5 프로바이오틱 스투여에의해신경계자가면역질환인중증근무력증및 다발성경화증모델에서도질환유도억제효능이있음을 증명하였다. 이는 IRT5 프로바이오틱스투여에의해 Treg 세포의활성및생성증대가다양한염증성질환을제어할 수있는가능성을지니고있음을의미한다. 향후환자를대 상으로하는임상실험을통해 IRT5 프로바이오틱스투여 가실제로다양한과민면역질환제어가능성을효능을검 증하는것이필요할것으로사료된다. 알레르기질환에서의프로바이오틱스의역할 1. 아토피피부염 아토피피부염은만성적이며재발성이높은염증성피부 질환이며, 민감성이높은특정유전자, 환경, 피부외벽의손 상정도, 면역적인요인등이영향을미치는복합적면역반 응이다. 아직까지발병원인은명확히알려지지않았지만면 역학적측면에서는 Th2 type 사이토카인의과량생산에의

5 황지선ㆍ임신혁 : 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 한체액성면역반응의과도한활성이중요한역할을하는 것으로알려져있다. 알레르기반응을일으키는외부의알레 르겐이피부를통해몸속으로들어오게되면가장먼저 antigen presenting cell 인수지상세포에의해포획되게 되고 precursor T cell 과의상호작용에의해 Th2 세포로 분화되고증식된다. 이를통해많은양의 Th2 type 의사이 토카인 (IL-4, IL-5, IL-13) 이분비되게되고그중에서특 히 IL-4 에의해서 B세포에서분비되는면역글로불린이 isotype switching 에의해다량의 IgE 로전환되게된다. 이 런 IgE 는비만세포나호염기성세포(basophill) 의표면에 발현하는 FcεR1 에결합하게되고외부의알레르겐이재침 입할경우이세포들을활성화시키게되어히스타민, pro- staglandin 등의염증을유발시키는매개체와염증관련사 이토카인등을분비하게되어염증반응을유도하게된다. 이러한사이토카인에의해앞단계에서 Th2 세포로의분화 를더욱자극시키고이과정들이반복되어 immunological cascade 가진행되게된다 ) 최근의연구결과에의하면, 사람의장관미생물구성을 조사하는과정에서장에존재하는박테리아가알레르기유 도와관련성이있다는증거가제시되고있다. 특히아토피피 부염에걸린유아와걸리지않은건강한유아의장관미생 물의구성을비교하였을때건강한유아의장에는 Bifidobacteria 와 Lactobacillus 의군집이더많고아토피피부염 유아의경우는 Clostridia 가많이군집되어있다는보고가 있으나또다른연구에서는큰차이가없다는보고가있 다. 25,26) 또한 IgE 매개성아토피피부염의경우에도큰차이 가없다는연구결과도제시되고있다. 따라서유아기의아 토피피부염발달에있어장관미생물의역할에대해서는앞 으로더많은연구가더욱필요하다. 27) 이러한박테리아의 종류의차이뿐만아니라정상인과아토피피부염환자에서 분리된장내미생물은같은종이라도질적인차이가크다는 보고가있다. 아토피피부염유아의 Bifidobacteria 는정상 유아의 Bifidobacteria 에비해 in vitro 에서염증성사이토 카인의분비를더욱증가시키는반면정상인의 Bifidobacteria 는항염증사이토카인을더욱잘분비시키는것으로알 려져있다. 또한장내상피세포에결합하는능력도차이가 나서 GALT 를통과하여면역시스템을자극하는정도도차 이가나는것으로보고되었다. 28) 현재까지국부적인 corticosteroid 사용이가장흔한아 토피피부염치료법으로사용되고있으나장기적으로사용 시피부위축및성장지연등의부작용이야기되고있다. 따라서최근들어이를극복하기위한치료법의개발에대 한노력이활발히이루어지고있으며다양한환자및동물 을이용한연구를통해알레르기질환에프로바이오틱스가 효능이있음이증명되고있으며특히아토피피부염에있어 프로바이오틱스를이용한예방및치료의효능에대한연구 가활발히진행중이다. 1) 프로바이오틱스를이용한임상시험결과 아토피피부염의예방에대한프로바이오틱스의효능을 확인한연구에서는태어나자마자알레르기를일으킬확률이 높은고위험군아이를낳을임산부에게임신기간중프로 바이오틱스를섭취시킨후태어난유아의아토피피부염발 병여부를확인하였다. 첫번째보고에서는 2살때위약그 룹에비해서프로바이오틱스를섭취한엄마가낳은유아의 아토피피부염발병이약 50% 정도감소하였다. 이효능은 4살때와 7살때까지지속되었고아토피피부염을제외한다 른알레르기질환의경우에는큰효능을보이지않았다. 29) 또다른연구에서는비록일반적인아토피피부염의발병정 도에는큰영향이없었으나 IgE 관련아토피피부염의경우 는프로바이오틱스섭취그룹에서발병이크게감소되었고 다른알레르기질환에는큰영향을보이지않았다. 30) 또다 른보고에서는 Lactobacillus rhamnosus 의섭취는아토피 피부염발병을감소시켰으나 Bifidobacterium animalis 는 큰영향을보이지않았으며프로바이오틱스종에따라특이 적인효능을보였다. 31) 반면몇몇보고에서는엄마의프로 바이오틱스의섭취가태어난유아의아토피피부염발병률 을낮추지않거나오히려알레르기에대한민감성을증가시 켰다. 32,33) 이렇듯실험마다다른결과를보이는이유는첫 째, 실험마다다른프로바이오틱스주를사용했기때문이고 따라서모든프로바이오틱스가아토피피부염의예방에효 과가있지않다는것을말해준다. 두번째는프로바이오틱스 는투여량에따라나타나는효과가다르기때문에각실험 마다투여된프로바이오틱스의양이달랐기때문일것이다. 세번째는실험에참가한참가자의아토피피부염정도차이, 임신과정중에엄마가섭취한음식물, 보충제차이등의기 본적인실험설계차이가다른결과의요인이라생각된다. 다음으로아토피피부염치료에대한프로바이오틱스의 효능을검증하는여러가지보고를비교해보면예방의효 과와마찬가지로실험마다서로다른효과를보여주고있다. 몇몇연구에서는프로바이오틱스를먹인그룹에서중증도 가크게감소되었지만이보고들은실험에참가한환자의 수가적었고아토피피부염환자의증상정도가약했다는단 점이있었다. 이를보완한다른보고는아토피피부염의증상 도심하며참가환자의수도증가시켜새롭게디자인하였고

6 Ji Sun Hwang, Sin-Hyeog Im : Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders 이실험에서도마찬가지로프로바이오틱스의섭취는아토 피피부염의중증도를낮췄다. 34) 다른보고들에서는프로바 이오틱스의섭취는일반적인아토피피부염에는큰효과가 없었으나 IgE 관련아토피피부염의중증도를낮췄다. 35,36) 이러한보고는특히 IgE 민감성을보이는영 유아의경우초 기의프로바이오틱스섭취가아토피피부염치료에효과적 이라말하고있다. 하지만몇몇다른보고들은프로바이오틱 스의섭취가일반적인아토피피부염및 IgE 관련아토피피 부염의증상및발병률에전혀영향을미치지않았다. 37,38) 이러한반대되는결과는예방실험과마찬가지로사용한프 로바이오틱스의종류, 투여한양, 실험에참가한환자의수 와나이, 경중정도의차이, 프로바이오틱스섭취한기간등 의차이가원인이된것으로보인다. 2) 실험동물모델 인간의아토피피부염을가장잘모사하는동물모델의 개발및확립은치료제후보물질평가및질병기전을이해 하는데매우중요하다. 하지만아토피피부염의원인및병리 과정이환자들마다매우다양하며따라서이러한다양한형 태의아토피피부염을닮은동물모델의확립은매우어려운 상황이다. 아토피피부염의경우에도크게 IgE 증가가수반 되는경우와수반되지않는환자군으로나눌수있으나많 은경우 IgE 수치가아토피피부염진단및치료효능을평가 하는중요한인자로활용되고있다. 지금까지사용되고있는 아토피피부염동물모델로는크게자연발생적모델 (appendix 1) 과집먼지진드기나 hapten 을활용하여유도 하는모델(appendix 2) 이주로활용되고있다. 이두가지 모델의주요특징및장단점은 Appendices 1, 2에요약되 어있다. 아토피피부염동물모델을활용하여아토피피부염을제 어할수있는프로바이오틱스의효능및작용기전에관한 연구가매우활발히이루어지고있다. 프로바이오틱스의아 토피피부염에대한예방효과를확인하기위해임신한 Nc/ Nga 마우스를임신기간부터출산후수유를하는동안 Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) 가함유된음식을먹인 후태어난유아의아토피피부염발병정도를확인하였다. 대 조군에비해프로바이오틱스를섭취한쥐는아토피피부염 의발병률및발병시기가늦었으며이는특히장관면역계 에서증가된 IL-10 에의한것으로밝혀졌다. 39) 유사한연구 로김치에서분리한 3가지 Lactobacillus 균주또는 Lactobacillus rhamnosus 를집먼지진드기로아토피피부염을유 도한 Nc/Nga 마우스에먹였을때도혈청내 IgE 감소및 Th2 사이토카인감소등을통한전반적인아토피피부염증 상이호전되었고 IFN- γ와 IL-10 이증가됨을확인하였다. 40, 41) 또한본연구팀에서는 BALB/c 마우스에 Dinitrochlorobenzene 와집먼지진드기를이용하여아토피피부염을유도 한후 IRT5 프로바이오틱스 (5 가지프로바이오틱스혼합물 ) 를먹였을때혈청내의 IgE 농도가감소하고귀두께및염증 부위로의면역세포의침투가감소하는것을확인하였다. 이 는프로바이오틱스의섭취를통해형성된 CD11c+ regula- tory DC가 regulatory T cell 의생성을유도하고억제기 능을증가시켜전반적인 Th2 면역반응이억제되어유도된 것으로밝혔다. 21) 2. 천식(Asthma) 천식은기관지가좁아지고염증이생겨, 숨쉬기가곤란 해지고, 숨쉴때쌕쌕거리는소리( 천명음 ) 가들리는만성폐 질환이다. 천식은증상이아주가벼운경우부터매우심한 경우까지다양하게나타날수있으며, 천식발작동안에는 기관지를둘러싸고있는근육이수축을하여기도가매우좁 아진다. 이로인하여기도의일부가막히게되는데, 만일기 관지의염증으로점액질의가래가만들어져서그좁아진기 도를채우게되면, 기도가완전히막히게된다. 아직까지어 떤요인에의해기도에염증이발생하는지에대해서명확하 게밝혀지지않았지만, 동물의털이나침, 꽃가루, 곰팡이, 집먼지진드기, 바퀴, 일부약제, 특정음식같은환경요인에 의해염증이유발된다는것은밝혀져있다. 또한감기나독 감과같은상기도감염, 운동, 차고건조한공기의흡입, 흡 연, 나무탈때나오는연기, 페인트증기, 각종화학물질과 같은환경오염원들, 강하고자극적인냄새, 그리고정신적인 스트레스도천식을일으킬수있다. 천식의발병에는환경적 요인뿐만아니라유전적요인도관여하여, 일부사람들에서 는알레르기질환의가족력이확인되기도한다. 천식또한 아토피피부염과마찬가지로프로바이오틱스를이용한천식 치료효능을확인하고자하는연구가활발히진행중이다. 1) 실험동물모델 아토피피부염과마찬가지로프로바이오틱스를어린영 유아기시절부터섭취를할경우천식과같은기도염증을 예방할수있을것이라고생각되나아직까지이를뒷받침 할만한명확한근거가많지않다. 최근 Hamelmann 등은 프로바이오틱스의경구투여가기도염증에미치는영향을 확인하기위해갓태어난쥐에 LGG 또는 Bifidobacterium lactis 를먹인후 ovalbumin 으로천식을유도한후프로바 이오틱스에의한치료효능을확인해보았다. 두가지프로 바이오틱스의섭취는항원특이적 IgE 농도및호산구의수

7 황지선ㆍ임신혁 : 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 를감소시키는등다양한천식의특징을완화시켰다. 특히 장간막림프절세포(mesenteric lymph node cell) 에서분 비하는 Th2 type 사이토카인 (IL-4, IL-5, IL-10) 의양을 감소시켰으며비장세포(spleen cell) 의증식을억제시켰다. 이는프로바이오틱스의섭취로인한 Foxp3+ regulatory T cell 의유도와 TGF- β의분비가증가에의해이루어지는것 으로밝혀졌다. 42) 또다른연구에서는엄마의프로바이오틱 스섭취가자식의알레르기유발에미치는영향을확인하기 위하여임신한어미쥐에게 LGG 를임신기간동안경구투 여한후태어난새끼에게 ovalbumin 으로천식을유도시킨 후천식의진행정도를비교해보았다. 프로바이오틱스를먹 인쥐에서태어난새끼쥐는대조군새끼에비해전반적으 로천식발병률이낮았으며특히비장세포에서분비하는 TNF- α, IFN - γ, IL-5, IL- 10 의양이크게감소되어있었다. 이는아주어린시기유아의프로바이오틱스섭취는천식의 발병을억제하는효능이있음을제시하고있다. 43) 하지만 마우스를이용한천식모델에서와달리프로바이오틱스의 천식치료효능은임상의경우아직연구가미비하며현재 까지의결론또한명확하지않아더욱정확한프로바이오틱 스의치료효능을밝히기위한구체적이고다양한연구가 필요하다. 결 선진국형만성면역과민질환인알레르기성질환의증 가는유전적요인뿐만아니라특히주거환경변화에따른 면역체계의변화가주요요인으로작용하고있다. 특히면 역체계가발달하는과정에있는유야및청소년기시기에 적절히자연환경에노출시키는것이면역과민을억제하는 중요한방법으로대두되고있다. 또한장내세균의다양한 균총형성및충분한양의이로운세균의공생은건강한면 역체계형성및면역과민질환을억제하는데매우중요한 역할을하는것으로여겨진다. 프로바이오틱스를이용한다 양한알레르기질환의예방및치료시험이다양하게진행 되고있고일부긍정적인결과가나오고있지만아직까지 성급한결론을내리기는이른상태이다. 이는프로바이오틱 스의종류, 투여량및기간등여러가지요인에기인하는 것으로추정되고있다. 따라서이제는면역과민반응을선 택적으로타겟할수있는기능성 ( 맞춤형 ) 프로바이오틱스 를선별하고이들의면역학적작용기전규명및임상실험 을통한검증등연구자와임상가의체계적이고협력적인 연구가필요하다. 론 참고문헌 1. Yazdanbakhsh M, Kremsner PG, van Ree R. Allergy, parasites, and the hygiene hypothesis. Science 2002;296: Michail S. The role of probiotics in allergic diseases. Allergy Asthma Clin Immunol 2009;5:5. 3. van der Aa LB, Heymans HS, van Aalderen WM, Sprikkelman AB. Probiotics and prebiotics in atopic dermatitis: review of the theoretical background and clinical evidence. Pediatr Allergy Immunol 2010;21(2 Pt 2):e Corthesy B, Gaskins HR, Mercenier A. Crosstalk between probiotic bacteria and the host immune system. J Nutr 2007;137(3 Suppl 2): 781S-790S. 5. Rimoldi M, Chieppa M, Larghi P, Vulcano M, Allavena P, Rescigno M. Monocyte-derived dendritic cells activated by bacteria or by bacteriastimulated epithelial cells are functionally different. Blood 2005;106: Macdonald TT, Monteleone G. Immunity, inflammation, and allergy in the gut. Science 2005; 307: Kelly D, Conway S, Aminov R. Commensal gut bacteria: mechanisms of immune modulation. Trends Immunol 2005;26: Macpherson AJ, Hunziker L, McCoy K, Lamarre A. IgA responses in the intestinal mucosa against pathogenic and non-pathogenic microorganisms. Microbes Infect 2001;3: Bandeira A, Mota-Santos T, Itohara S, Degermann S, Heusser C, Tonegawa S, et al. Localization of gamma/delta T cells to the intestinal epithelium is independent of normal microbial colonization. J Exp Med 1990;172: Ostman S, Rask C, Wold AE, Hultkrantz S, Telemo E. Impaired regulatory T cell function in germfree mice. Eur J Immunol 2006;36: Sudo N, Sawamura S, Tanaka K, Aiba Y, Kubo C, Koga Y. The requirement of intestinal bacterial flora for the development of an IgE production system fully susceptible to oral tolerance induction. J Immunol 1997;159: Herias MV, Hessle C, Telemo E, Midtvedt T, Hanson LA, Wold AE. Immunomodulatory effects of Lactobacillus plantarum colonizing the intestine of gnotobiotic rats. Clin Exp Immunol

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9 황지선ㆍ임신혁 : 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 of 1 year. Clin Exp Allergy 2009;39: Kopp MV, Hennemuth I, Heinzmann A, Urbanek R. Randomized, double-blind, placebo-controlled trial of probiotics for primary prevention: no clinical effects of Lactobacillus GG supplementation. Pediatrics 2008;121:e Weston S, Halbert A, Richmond P, Prescott SL. Effects of probiotics on atopic dermatitis: a randomised controlled trial. Arch Dis Child 2005; 90: Viljanen M, Savilahti E, Haahtela T, Juntunen- Backman K, Korpela R, Poussa T, et al. Probiotics in the treatment of atopic eczema/dermatitis syndrome in infants: a double-blind placebocontrolled trial. Allergy 2005;60: Sistek D, Kelly R, Wickens K, Stanley T, Fitzharris P, Crane J. Is the effect of probiotics on atopic dermatitis confined to food sensitized children? Clin Exp Allergy 2006;36: Folster-Holst R, Muller F, Schnopp N, Abeck D, Kreiselmaier I, Lenz T, et al. Prospective, randomized controlled trial on Lactobacillus rhamnosus in infants with moderate to severe atopic dermatitis. Br J Dermatol 2006;155: Chen YS, Jan RL, Lin YL, Chen HH, Wang JY. Randomized placebo-controlled trial of lactobacillus on asthmatic children with allergic rhinitis. Pediatr Pulmonol 2010;45: Sawada J, Morita H, Tanaka A, Salminen S, He F, Matsuda H. Ingestion of heat-treated Lactobacillus rhamnosus GG prevents development of atopic dermatitis in NC/Nga mice. Clin Exp Allergy 2007;37: Tanaka A, Jung K, Benyacoub J, Prioult G, Okamoto N, Ohmori K, et al. Oral supplementation with Lactobacillus rhamnosus CGMCC prevents development of atopic dermatitis in NC/NgaTnd mice possibly by modulating local production of IFN-gamma. Exp Dermatol 2009; 18: Won TJ, Kim B, Lim YT, Song DS, Park SY, Park ES, et al. Oral administration of Lactobacillus strains from Kimchi inhibits atopic dermatitis in NC/Nga mice. J Appl Microbiol 2011;110: Feleszko W, Jaworska J, Rha RD, Steinhausen S, Avagyan A, Jaudszus A, et al. Probioticinduced suppression of allergic sensitization and airway inflammation is associated with an increase of T regulatory-dependent mechanisms in a murine model of asthma. Clin Exp Allergy 2007;37: Blumer N, Sel S, Virna S, Patrascan CC, Zimmermann S, Herz U, et al. Perinatal maternal application of Lactobacillus rhamnosus GG suppresses allergic airway inflammation in mouse offspring. Clin Exp Allergy 2007;37:

10 Ji Sun Hwang, Sin-Hyeog Im : Probiotics as an Immune Modulator for Allergic Disorders Appendix 1. Spontaneous Atopic Dermatitis Mouse Model Nc/Nga mouse -Inbred 마우스종으로, conventional condition 에서마우스를키웠을때 6-7주정도부터자연적으로긁기시작하여아토피피부염과유사한증상이나타나기시작함. -나이가들수록점차혈청에존재하는 immunoglobulin E (IgE) 의농도가높아지며아토피피부염증상발병부위에서 Th2 type 사이토카인인 interleukin (IL)-4, IL-5, IL- 13 및 Th2 type 케모카인인 macrophage- derived chemokine 의발현양이높음. 특징및원인 장점 단점 -병리학적으로목, 등, 얼굴부위에서붉은반점과염증, 각질등의아토피피부염증상이보이고실제로 eosinophil, mast cell, lymphocytes 등의 infiltration 또한증가되어있음. -IL-4R signaling 에서 JAK3 의인산화가계속유지되고 B세포가 CD40L, IL- 4에의해쉽게활성화되어 IgE의분비가증가되는것으로보임. -염색체 9번에모여있는 IgE 생성과 Th2 type 사이토카인발현에관련된유전자의돌연변이로인해이러한유전자의발현량이더증가되어아토피피부염의증상이심화된것으로보임. - 여러가지병리학적특징이사람의아토피피부염과유사점이많이나타나고있어아토피피부염연구를위한마우스모델로많이사용되고있음 - 자연적으로아토피피부염이유발되는기전은아직밝혀지지않았음. - 이마우스에서찾아낸진드기종인 Myocoptes musculinus, Myobiamusculi 는마우스나랫은감염이가능하지만사람은불가능하다는것이확인됨. Transgenic/Knock out mouse -아토피피부염상황에서많이발현되는 IL-4, IL- 31, thymic stromal lymphopoietin 등이과발현된 transgenic 마우스경우에도자발적인아토피피부염증상이나타나기시작함. -Epidermal caspase- 8 결핍마우스, STAT6- 결핍 NC/Nga 마우스경우자발적인아토피피부염증상이나타남 -IgE 의농도가증가되어있고아토피피부염피부에는 T cell, eosinophil 등의 lymphocytes 가 infiltration 되어있음. -자발적으로일어나며발병하는 incidence 가일정하여아토피피부염의메커니즘밝히는연구에적합함. - 아토피피부염의증상이나타나는시기가인위적으로유도한경우에비해늦으며그발병률또한낮은편이라서아토피피부염치료에관한연구를하기에는다소문제가있음

11 황지선ㆍ임신혁 : 프로바이오틱스를이용한알레르기질환제어 Appendix 2. Induced Atopic Dermatitis Mouse Model Hapten-induced model House dust mite-induced model Hapten/mite-induced model 특징및원인 -Hapten 이란분자량이작은화학물질로그자체로는활성이작아면역반응을일으키지않지만공유결합으로인해단백질이나펩타이드에결합하게되면그구조를변형시켜외부의단백질또는알레르겐으로인식하게되어면역반응을일으키게됨. -이러한원리를이용해마우스의귀나등에 TNCB, DNCB, oxazolone 등의 hapten 을처리하여아토피피부염을유도하기도함. -Hapten 계열은원래 Th1 면역반응을일으킨다고알려져있으나지속적으로같은부분에처리하게되면이런 Th1 형의 delayed type 과민감형반응 (delayed type hypersensitivity) 이사람의아토피피부염증상과유사한 chronic Th2 염증성반응으로변하게됨. -지속적인 hapten 처리를통해유도된아토피피부염모델의경우도 IgE 농도가증가되어있고유도부위의 epidermis, dermis 의두께가두꺼워져있으며특히 eosinophil, mast cell, lymphocytes 등이많이 infiltration 되어있음. -집먼지진드기중에서도 Der f, Der p 가가장많이존재함. -집먼지진드기가분비하는배설물에존재하는 gut enzyme 이알레르겐으로작용을하며공기중으로흡입되거나직접피부를통해몸속으로통과됨. -피부를통해통과된알레르겐은피부의수지상세포인랑게르한스세포나 mast cell 에의해흡수되어 IL-4 나 IgE의생성을증가시킴. -집먼지진드기추출물을 BALB/c 마우스에주기적으로국소적으로귀또는등에발라주었을때혈청내의 IgE 가증가하고, Th2 type 의사이토카인양이증가하고 Th2 cell 의 infiltration 이증가됨. 또아토피피부염의염증, 홍반, 각질등의증상또한관찰되고있어아토피피부염치료연구에있어이모델또한많이사용되고있음. -Hapten induced model 과 house dust mite extract induced model 의장단점을합친새로운동물모델로본실험실에서처음으로고안함 [21]. -BALB/c mouse 의귀에일주일에 DNCB 와 mite 를주 1회씩번갈아 5 주정도반복하면귀두께가상당히증가하고심각한건조증상으로인한각질및홍반, 염증을보임. -또한혈청내 IgE 농도가크게증가하며 Th2 type 사이토카인의발현량이크게증가함. 장점 -재현성이높고, 예측이가능하며, 상대적으로유도기간이짧고비용이적게든다는장점이있어아토피피부염의병리학적메커니즘이나치료의목적으로연구에많이쓰이고있음. -사람의경우아토피피부염의발병원인은다양하지만그중에서도집먼지진드기가주된원인의하나로간주되고있음. 따라서가장원인이유사함. -아토피피부염유도기간이 5주정도로짧으며아토피피부염환자와유사한증상을보이며혈청내에특이적으로 IgE 의농도만증가, IgG 는크게증가하지않음. 단점 -혈청내의 IgE 농도뿐만아니라 IgG까지증가되어 IgE 특이적으로증가하는아토피피부염특징과는차이가남. - 집먼지진드기만으로는외관상으로보이는증상이약하며유도하는기간이오래걸림. -Hapten 만으로아토피피부염을유도했을때보다 mite extract 의가격이높아비용이비쌈