포스트바이오틱스

프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 포스트바이오틱스는 모두 장 건강과 관련된 용어이지만, 그 정의와 작용 방식에서 명확한 차이를 보인다. 이들은 서로 상호보완적인 관계에 있으며, 종합적으로 '장내 미생물 군집 관리'라는 큰 틀 안에서 이해된다.

프로바이오틱스는 살아있는 유익한 미생물 그 자체를 지칭한다. 락토바실러스나 비피도박테리움과 같은 균주가 대표적이며, 충분한 양이 섭취되었을 때 숙주의 건강에 이로운 효과를 주는 살아있는 미생물로 정의된다[1]. 이들은 장내에 정착하거나 일시적으로 머물며 장내 환경을 개선한다. 반면, 프리바이오틱스는 프로바이오틱스의 먹이가 되는 성분이다. 인간의 소화효소로 분해되지 않고 대장에 도달하여 장내 유익균의 선택적인 성장과 활성을 촉진하는 식이 성분을 말한다. 이눌린, 프락토올리고당, 갈락토올리고당 등이 대표적인 프리바이오틱스이다.

포스트바이오틱스는 프로바이오틱스 균이 생산한 물질 또는 그 균 자체의 사균을 포함하는 개념이다. 즉, 프로바이오틱스 균이 프리바이오틱스를 먹고 발효 과정에서 생성하는 대사산물이 핵심이다. 이는 균체 구성 성분(예: 세포벨 다당류, 펩티도글리칸), 유기산(예: 젖산, 초산, 낙산), 항균 펩타이드, 효소 등을 포괄한다. 따라서 포스트바이오틱스는 살아있는 미생물의 존재에 의존하지 않고도 직접적인 생리활성 효과를 발휘할 수 있다는 점이 가장 큰 차별점이다.

아래 표는 세 개념의 주요 차이점을 요약한 것이다.

이러한 차이에도 불구하고, 세 요소는 시너지를 낼 수 있다. 프리바이오틱스는 프로바이오틱스의 먹이가 되어 그 수를 늘리고, 프로바이오틱스는 포스트바이오틱스를 생산하며, 포스트바이오틱스는 직접적으로 건강 효과를 제공한다. 이들의 복합체는 종종 신바이오틱스라고 불린다.

포스트바이오틱스는 다양한 생물학적 활성 성분을 포함하는 복합체이다. 주요 성분은 유산균 및 기타 유익균이 발효 과정에서 생성하는 대사산물로, 세포 파편, 사균체, 유기산, 박테리오신, 효소, 비타민, 단쇄지방산 등을 포괄한다.

구체적인 종류는 그 기원이 되는 균주와 생산 방법에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 다음과 같은 범주로 구분할 수 있다.

특히, 부티르산과 같은 단쇄지방산은 장 상피 세포의 주요 에너지원이 되어 장벽 기능을 강화하는 핵심 물질로 주목받는다. 또한, 특정 균주에서 생성되는 박테리오신은 병원성 세균에 대한 항균 활성을 나타낸다.

포스트바이오틱스 제품은 이러한 성분들이 단일 또는 복합적으로 함유된 형태로 존재한다. 최근 연구에서는 특정 건강 기능을 목표로 균주와 배양 조건을 최적화하여 원하는 생리활성 물질의 함량을 높인 표준화된 제품 개발이 활발히 진행되고 있다.

포스트바이오틱스의 면역 조절 기능은 주로 장내 면역 세포와 직접 상호작용하여 이루어진다. 장 점막에는 인체 면역 세포의 상당 부분이 집중되어 있으며, 포스트바이오틱스는 이들의 활성을 조절하는 신호 분자로 작용한다. 예를 들어, 단사슬 지방산과 같은 대사산물은 장 상피세포와 수지상세포, T세포 등에 영향을 미쳐 항염증성 사이토카인의 분비를 촉진하거나 과도한 면역 반응을 억제한다.

구체적인 기전은 다음과 같은 경로를 포함한다.

* Treg 세포 유도: 낙산과 같은 특정 포스트바이오틱스 성분은 조절 T세포([3])의 분화와 기능을 증가시킨다.

* 대식세포/수지상세포 조절: 포스트바이오틱스는 선천면역의 핵심 세포인 대식세포와 수지상세포의 성숙과 사이토카인 발현 패턴을 변경하여 면역 반응의 균형을 맞추는 데 기여한다.

* 장 점막 면역글로불린 A(IgA) 생산 지원: 장 점막을 보호하는 항체인 IgA의 분비를 촉진하여 병원체에 대한 장벽 기능을 강화한다.

이러한 조절 작용은 과민반응을 완화하고 면역 체계의 항상성을 유지하는 데 기여한다. 따라서 포스트바이오틱스는 알레르기, 자가면역질환, 만성 염증성 질환 등에서 면역 균형 회복을 위한 잠재적 활용 가능성이 주목받고 있다.

포스트바이오틱스는 장내 미생물이 생성하는 다양한 대사산물을 통해 장벽 기능을 강화하고 유해균에 대한 항균 효과를 발휘한다. 이 작용은 주로 단쇄지방산과 같은 물질에 의해 매개된다. 예를 들어, 낙산은 대장 상피세포의 주요 에너지원으로 작용하여 세포의 건강과 재생을 촉진하고, 점액 분비를 증가시켜 물리적 장벽을 공고히 한다[4]. 또한, 포스트바이오틱스는 밀착연접 단백질의 발현을 조절하여 세포 간 결합을 강화함으로써 장 투과성을 낮추고, 이는 누수증후군 예방에 기여할 수 있다.

항균 효과 측면에서, 포스트바이오틱스는 박테리오신과 같은 항균 펩타이드를 포함할 수 있다. 이 물질들은 병원성 세균의 세포막을 표적하여 파괴하거나, 그들의 생장에 필요한 철 이온을 킬레이팅하는 방식으로 작용한다. 또한, 포스트바이오틱스는 유익균의 성장을 위한 산성 환경을 조성하여 유해균의 증식을 억제하는 간접적인 항균 효과도 나타낸다. 일부 포스트바이오틱 성분은 병원균이 장 상피세포에 부착하는 것을 방해하는 능력을 가지고 있다.

이러한 장벽 강화와 항균 메커니즘은 상호 연계되어 작동한다. 강화된 장벽은 병원균의 침투를 차단하고, 항균 물질은 장내 균총의 균형을 유익균 쪽으로 유지하는 데 기여한다. 결과적으로 포스트바이오틱스는 장내 환경을 안정화시키고 전신적인 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 기반을 마련한다.

포스트바이오틱스는 소화기 건강 개선에 있어 여러 경로로 작용한다. 주요 기전은 장내 유익균의 성장을 촉진하고 유해균의 증식을 억제하여 장내 미생물 균형을 개선하는 것이다. 예를 들어, 단쇄지방산과 같은 특정 포스트바이오틱스 성분은 대장 상피세포의 주요 에너지원으로 작용하여 장세포의 건강과 재생을 돕는다. 또한, 포스트바이오틱스는 장 운동성을 조절하여 변비나 설사와 같은 기능성 소화 장애 증상을 완화하는 데 기여한다.

구체적인 건강 효능으로는 과민성 대장 증후군과 염증성 장 질환 증상 관리에 대한 연구 결과가 주목받고 있다. 일부 임상 연구에 따르면, 특정 포스트바이오틱스 제제를 복용한 과민성 대장 증후군 환자에서 복통, 팽만감, 배변 습관의 개선이 관찰되었다[6]. 이는 포스트바이오틱스가 장내 가스 생성을 줄이고 장벽 기능을 강화하며, 장-뇌 축을 통해 통증 신호를 조절하기 때문으로 해석된다.

이러한 다각적인 작용을 통해 포스트바이오틱스는 프로바이오틱스 생균제가 도달하기 어려운 소장 상부에서도 효과를 발휘할 수 있으며, 위산이나 항생제에 영향을 받지 않는 안정적인 장점을 가진다. 따라서 소화기 건강 유지 및 개선을 위한 기능성 소재로서의 활용 가능성이 지속적으로 탐구되고 있다.

포스트바이오틱스는 장내 유익균이 생성한 대사산물로, 숙주의 면역 체계를 조절하고 강화하는 데 중요한 역할을 한다. 이들의 면역 증진 효과는 주로 장 점막에 집중된 면역 세포와 조직에 영향을 미쳐 발휘된다. 장은 인체에서 가장 큰 면역 기관 중 하나로, 전체 면역 세포의 약 70%가 장관에 위치한다[7]. 포스트바이오틱스는 이러한 장관 면역 체계와 직접 상호작용한다.

구체적인 작용 기전은 다음과 같다. 포스트바이오틱스의 구성 성분인 단사슬 지방산(SCFA), 세포 외 다당류, 펩타이드 등은 장 상피 세포나 장내 면역 세포(예: 대식세포, 수지상 세포, T세포) 표면의 특정 수용체에 결합한다. 이 결합은 신호 전달 경로를 활성화시켜 항염증성 사이토카인(예: IL-10)의 분비를 촉진하고, 과도한 염증 반응을 유도하는 사이토카인(예: TNF-α, IL-6)의 생성을 억제한다. 결과적으로 면역 반응의 균형(면역 항상성)을 유지하는 데 기여한다.

또한, 포스트바이오틱스는 병원체에 대한 방어 기전을 강화한다. 예를 들어, 일부 포스트바이오틱스는 장 상피 세포의 점액 분비를 증가시켜 물리적 장벽을 강화하거나, 항균 펩타이드의 생성을 유도하여 유해균의 침입과 증식을 직접 억제한다. 이는 감염에 대한 선천적 면역 반응을 강화하는 효과로 이어진다.

연구에 따르면, 포스트바이오틱스 섭취는 호흡기 감염 발생률과 지속 기간을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다[8]. 이는 장-폐 축(gut-lung axis)을 통해 장내 면역 조절 효과가 전신적으로, 특히 호흡기 면역에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 그러나 이러한 면역 증진 효과는 포스트바이오틱스의 종류, 농도, 그리고 개인의 건강 상태에 따라 다를 수 있다.

포스트바이오틱스는 알레르기 반응과 만성 염증을 완화하는 데 유망한 효과를 보인다. 이는 주로 장내 미생물 균형을 조절하고, 면역 체계의 과도한 반응을 억제하는 기전을 통해 이루어진다. 장-면역 축을 조절함으로써, 포스트바이오틱스는 알레르기성 비염, 아토피 피부염, 식품 알레르기 등의 증상을 개선하는 데 기여한다.

포스트바이오틱스의 대표적인 항염증 작용은 단사슬 지방산과 같은 대사산물을 통해 나타난다. 특히 뷰티르산은 대식세포와 T세포의 활성을 조절하여 염증성 사이토카인(예: TNF-α, IL-6)의 생성을 감소시킨다. 또한, 포스트바이오틱스는 조절 T세포의 분화를 촉진하여 면역 관용을 유도하고, 과잉 면역 반응을 예방한다.

여러 임상 연구에서 포스트바이오틱스의 효능이 보고되었다. 예를 들어, 특정 락토바실러스 균주의 사균체나 배양 여과물이 소아의 아토피 피부염 증상(가려움증, 발적)을 유의하게 완화시켰다[9]. 또한, 항원 제시 세포의 성숙을 억제하여 알레르겐에 대한 과민 반응을 줄이는 효과도 확인되었다.

이러한 항알레르기 및 항염증 효과는 포스트바이오틱스가 생균인 프로바이오틱스에 비해 안정성이 높고, 저장 및 제조가 용이하다는 점에서 주목받고 있다. 그러나 최적의 균주, 용량, 그리고 장기적인 효과를 규명하기 위한 추가 연구가 필요하다.

포스트바이오틱스의 생산은 주로 유산균이나 효모와 같은 유익한 미생물을 이용한 발효 과정을 통해 이루어진다. 이 공정의 핵심은 선별된 프로바이오틱스 균주를 적절한 배지에서 대량 배양하여, 균이 생장하며 생성하는 다양한 대사산물을 축적하는 것이다. 발효 조건은 균주의 종류와 목표하는 포스트바이오틱스 성분의 프로필에 따라 세밀하게 조절된다.

발효 공정의 주요 변수는 다음과 같다.

발효가 완료되면, 발효액은 균체와 배지를 포함한 상태이다. 이후 공정은 목적에 따라 두 가지 경로로 나뉜다. 하나는 발효액 전체를 세포외소포체 등을 포함한 형태로 그대로 건조하여 사용하는 '전체 발효물' 방식이다. 다른 하나는 원심분리, 여과, 증류, 크로마토그래피 등의 기술을 통해 특정 활성 성분(예: 락토바실러스가 생산하는 락토코신 같은 항균 펩타이드)만을 분리하고 정제하는 방식이다. 최종적으로는 액체, 분말, 캡슐 등 다양한 제형으로 표준화되어 제품에 활용된다.

포스트바이오틱스의 정제 및 표준화 기술은 발효 공정을 통해 생성된 원료로부터 목표 성분을 농축하고, 제품의 품질을 일정하게 유지하기 위한 핵심 공정이다. 발효액에는 포스트바이오틱스 성분 외에도 미활용 배지 성분, 균체, 대사 부산물 등이 포함되어 있기 때문에, 이를 분리하고 정제하는 과정이 필수적이다. 일반적인 정제 공정은 여과, 원심분리, 막분리 등의 물리적 방법을 통해 고형분(균체)을 제거하는 것으로 시작한다. 이후 크로마토그래피, 결정화, 증발 농축 등의 기술을 사용하여 단쇄지방산, 박테리오신, 펩타이드, 비타민 등의 특정 생리활성 물질을 선택적으로 분리 및 농축한다.

표준화 기술은 제품마다 동일한 효능과 안전성을 보장하기 위해 정량화와 품질 관리 프로세스를 수립하는 것을 의미한다. 이는 활성 성분의 함량을 정확히 분석하고 일정 수준으로 조절하는 작업을 포함한다. 주요 표준화 지표는 다음과 같다.

최근에는 보다 효율적인 정제를 위해 친환경 공정과 고효율 분리 기술이 개발되고 있다. 예를 들어, 나노필터레이션 막을 이용한 분자량별 정밀 분리나, 초임계 추출 기술을 적용한 방법 등이 연구된다. 이러한 정제 및 표준화 기술의 발전은 포스트바이오틱스 제품의 임상적 효능을 입증하고, 의약품 또는 고기능성 식품 소재로서의 신뢰성을 높이는 데 기여한다.

발효 식품은 포스트바이오틱스 성분을 자연적으로 함유하거나, 발효 과정 자체를 통해 생성하는 식품을 의미한다. 이러한 식품은 오랜 세월 동안 전통적인 식문화의 일부로 소비되어 왔으며, 최근에는 그 건강 기능성에 대한 과학적 이해가 깊어지면서 다시 주목받고 있다. 발효 과정에서 유산균이나 효모 등의 미생물이 원재료의 성분을 분해하고 변형시키며, 다양한 대사산물을 생성하는데, 이들 중 상당수가 포스트바이오틱스 성분으로 작용한다.

대표적인 포스트바이오틱스 함유 발효 식품으로는 다음과 같은 것들이 있다.

이들 식품은 살아있는 프로바이오틱스 균주를 함께 제공할 수도 있지만, 가열이나 숙성, 위산을 통과하는 과정에서 균이 사멸하더라도 그 대사산물인 포스트바이오틱스는 안정적으로 남아 건강 기능을 발휘할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 가열 처리된 요구르트나 숙성된 치즈는 살아있는 균 수는 적을 수 있지만, 여전히 유익한 포스트바이오틱스 성분을 풍부하게 함유하고 있다.

발효 식품을 통한 포스트바이오틱스 섭취는 식단에 쉽게 통합될 수 있는 장점이 있다. 또한, 단일 성분이 아닌 다양한 영양소와 생리활성 물질의 복합체를 공급한다는 점에서 시너지 효과를 기대할 수 있다. 그러나 상업적으로 생산되는 발효 식품의 경우, 정확한 포스트바이오틱스 함량과 구성은 제조 방법과 조건에 따라 크게 달라질 수 있다는 점에 유의해야 한다.

포스트바이오틱스는 건강기능식품 분야에서 활발히 연구되고 활용되는 성분이다. 프로바이오틱스 생균제와 달리 살아있는 균체가 아니므로 저장 안정성이 높고, 위산이나 담즙에 의해 활성이 저하되지 않는다는 장점이 있다. 이로 인해 다양한 제형의 건강기능식품에 적용이 가능하다. 주로 분말, 정제, 캡슐 형태로 제조되며, 때로는 음료나 유제품 등 일반 식품에 첨가되어 기능성을 부여하기도 한다.

의약품으로서의 잠재력도 주목받고 있다. 특정 포스트바이오틱스 성분은 만성 염증성 장질환, 과민성 대장 증후군과 같은 소화기 질환의 증상 완화에 도움을 줄 수 있는 것으로 연구되고 있다[10]. 또한, 항균 펩타이드나 유기산과 같은 성분은 병원성 세균 감염에 대한 보조 치료제로서의 가능성을 탐구하는 단계에 있다.

포스트바이오틱스를 함유한 제품의 규제 상태는 국가별로 상이하다. 많은 국가에서 건강기능식품 또는 의약외품 범주로 관리되며, 제품에 주장하는 건강 기능에 대한 과학적 근거를 바탕으로 허가를 받아야 한다. 의약품으로 개발되기 위해서는 임상 시험을 통한 효능과 안전성 입증이 필수적이다.