GOS 관련 최근 연구동향
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갈락토올리고당 GOS가 프락토올리고당 FOS, 이눌린, 말토덱스트린 등 보다 유산균 생육 효과가 뛰어나다.
GOS를 분유 100ml 당 0.24 g만 넣어도 비피도박테리아와 락토바실러스 유산균의 수가 크게 증가하여 3개월 정도 먹이면 모유와 거의 차이가 없는 것으로 밝혀졌다. GOS의 유산균 증식 효과를 FOS와 이눌린과 비교한 연구로 프리바이오틱스를 포함한 10종의 탄수화물들을 유일한 탄소원과 에너지원으로 사용하여 29종의 사람 유래 락토바실러스와 39종의 사람과 동물 유래 비피도박테리아의 생육과 pH, 성장속도, 대사산물 등을 비교한 실험결과가 있다 (1). 그 결과 GOS와 락툴로스(lactulose)가 가장 생육 특성이 좋았다. 결론적으로 GOS와 락툴로스 prebiotics가 락토바실러스와 비피도박테리아 probiotics와 함께 신바이오틱스(synbiotics)를 구성할 수 있는 좋은 프리바이오틱스로 밝혀졌다.
GOS가 칼슘의 체내 흡수율을 높인다.
청소년기는 노년기의 골다공증을 예방하기 위해 뼈의 양을 최대화 해야 하는 중요한 시기이다. 이 시기에는 하루 1,300mg의 칼슘을 섭취할 것을 추천하고 있다 (2). 또한 노년기의 골다공증의 치료와 예방을 위해서는 칼슘의 적절한 섭취가 권장되지만 낮은 장내 흡수 속도 때문에 칼슘의 장내 이용률을 높이는 것도 중요한 과제이다. 특히 소장에서 칼슘이 장점막을 투과하여 흡수되기 위해서는 칼슘이 소장의 장액에 녹아 있어야 하고 이온 형태의 단일 분자로 존재하여야 하나 십이지장 아래의 pH는 7.0~7.2인 관계로 무기염 형태의 칼슘은 용해도가 떨어질 수 밖에 없다. 그러나 여러 연구에서 유산균이 대사하여 만들어 내는 짧은 사슬 지방산(SCFAs)이 대장 내 칼슘을 포함한 미네랄 이용성과 흡수를 촉진하는 것으로 보고하고 있다. 즉, 짧은 사슬 지방산이 장내 pH를 낮추어 미네랄의 용해도를 높여 이온화된 칼슘이온이 증가하여 칼슘 흡수가 촉진된다는 원리이다 (3). 짧은 사슬 지방산은 유산균이 많이 생성하기 때문에 쥐에서 칼슘제 복용 효율과 유산균 섭취와의 관계를 실험한 바 있다. 그 결과 칼슘제 혹은 유산균제를 단일 투여한 것보다 칼슘제와 유산균을 함께 투여한 쥐에서 더 높은 뼈 밀도 증가를 가져와 유산균에 의해 장내 칼슘이용성과 흡수율이 높아지는 것으로 나타났다 (4).
GOS는 모유 올리고당과 유사하여 선택적으로 장내 유산균의 생육을 촉진하는데, 성인을 대상으로 하루 10그람을 21일간 섭취하게 한 결과 분변의 비피도박테리아 양이 크게 증가하였고, 이로 인해 짧은 사슬 지방산 생성도 증가됨이 관찰된 바 있다 (5). 쥐를 사용한 여러 실험에서 GOS가 칼슘 흡수를 촉진하여 골밀도를 높이는 결과가 발표됐고, 인간을 대상으로 한 실험에서도 같은 결과가 나오고 있다. 10~13세 소녀들을 대상으로 GOS 복용과 칼슘 흡수율을 조사한 결과 하루 5~10 그람 GOS 복용으로 칼슘 흡수가 증가한 것으로 나타났다 (2).
GOS가 불안, 우울증 증상, 스트레스 등을 완화시키는데 도움을 준다.
‘장-뇌 축 (gut-brain axis)’. 장과 뇌가 미주신경을 이용해 상호 신경전달물질을 주고 받으며, 장내 미생물이 우리 몸의 항상성을 유지하는 중요한 역할을 하면서 대사, 신경, 정신, 심리와 깊게 관련되어 있다. 또한 뇌 신호전달 물질인 세로토닌 95%가 장에서 생산되어 흡수된 것이다. 따라서 장내 미생물 균총의 이상이 오면 자폐증, 주의력결핍장애, 정신분열, 불안장애, 강박장애, 망상 등의 신경정신질환이 오게 된다 (6, 7). 이미 많은 연구에서 프로바이오틱스 유산균이 신경 및 내분비 시스템에 영향을 주는 것으로 밝혀지고 있다. 이와 함께 락토바실러스나 비피도박테리아의 생육을 촉진하는 프리바이오틱스 의 영향도 연구되고 있다. 건강한 사람을 대상으로 한 최근 연구에 의하면 GOS가 코티졸 각성 반응을 크게 감소시키고, 특히 부정적인 정보에 대한 주의경계가 감소한다는 결과가 나타난 바 있다. 이는 건강한 참가자에게 항우울제나 항불안제를 투여했을 때와 비슷한 결과였다. 그러나 FOS는 이러한 효과가 나타나지 않았다. 내분비적 스트레스 반응이 억제되고 부정적인 것보다 긍정적인 반응이 증가한 이 결과는 이전 연구의 GOS에 의한 유익 유산균 증식에 의한 불안 완화 효과와 일치하는 결과다. 이러한 결과는 GOS를 긴장완화나 불안감이나 우울증 치료에 사용할 수 있는 가능성을 시사한다고 볼 수 있다 (8).
GOS는 식욕을 억제하고 체내 염증을 완화시켜 비만 측정지표를 개선한다.
18~60세 과체중인 성인(BMI 25~28) 88명을 대상으로 하루 6~18 그람 GOS가 들어있는 차를 14일간 마시게 하고 식욕, 음식 섭취량, 리포다당체(LPS) 염증 마커를 측정한 결과, GOS 복용 그룹에서 식욕저하로 인한 음식 섭취량 감소, 분변내 비피도박테리아 증가, 체내 LPS 유입 감소에 의한 염증 완화 등이 관찰되었고 비만 측정 지표가 개선되고 대사 질환이 완화되었다. 즉, 하루 12그람 정도 GOS를 섭취할 경우 식욕이 감소하고 식품 섭취가 줄어들 수 있다고 보고하고 있다. 특히 염증 지표가 감소하여 대사 증후군 예방과 치료에 도움을 주는 새로운 방안으로 제안되고 있다 (9).
GOS가 당뇨 동물모델에서 항산화 효소량을 증가시키고 공복 혈당과 대사질환 지표 수준을 개선하였다.
당뇨는 장내 균총 이상과 관련이 있고, 제2형 당뇨 환자의 경우 장내 짧은 사슬 지방산인 브티릭산 생성 미생물이 감소하고 감염성 병원균의 수가 증가하는 것으로 보고 된 바 있다 (10). 또한 제2형 당뇨 환자는 장내 미생물이 체내로 전이되면 시작되는 것으로 보고된 바 있다 (11). 결국 2형 당뇨는 장내 미생물 균총 이상에 의한 유산균 등의 유익균 감소로 인한 장 누수, 이에 따른 전신 염증에 기인한다고 볼 수 있다. 이를 개선하기 위해 유산균을 투입한 실험들이 진행되었는데, 스트렙토조토신(streptozotocin, STZ)으로 유도된 당뇨 쥐에 28일간 락토바실러스 애시도필러스와 락토바실러스 카제이를 투여한 실험에서 당뇨성 이상지질혈증(dyslipidemia), 지방의 과산화, 아질산염 형성뿐만 아니라 인슐린 고갈을 저해하여 당뇨 발생을 억제하는 결과가 보고된 바 있다 (12). 또한 비피도박테리움 락티스 유산균을 6주간 마우스에 투여한 결과 미생물 전이에 의한 염증 상태와 대사기능이 향상된 바 있다 (11). 그 외에 프로바이오틱스 유산균은 당뇨에 의해 손상된 장내 시냅스 활성(synaptic activity)과 인지기능의 회복을 도와주는 것으로 나타났다 (13). 이러한 결과를 바탕으로 프리바이오틱스중 장내 락토바실러스와 비피도박테리아 생육촉진 효과가 뛰어난 GOS 만을 당뇨 쥐에 투여한 결과 공복혈당, 중성지방, 콜레스테롤, LDL 등의 수치가 개선되었고 특히 간과 혈액에서 SOD, 카탈라제, 글루타티온 페록시다제 등 항산화 효소 수치가 개선되었다 (14). 이러한 결과는 GOS로 당뇨 및 이와 연관된 대사 지표 개선할 수 있는 가능성을 제공한다고 볼 수 있다.
마우스 모델에서 GOS 투여로 자연 살해 세포(NK cell) 수가 늘어났으며 장 염증 개선에 도움을 주었다.
장내 미생물 균총은 장 면역에 필수적인 역할을 한다. GOS가 장내 비피도박테리아 수를 크게 늘리는데 이 비피도박테리아는 장내 염증 감소, 장 벽 기능 개선, 병원균 제어, 항균물질 생성 등으로 우리 몸에 이로운 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 GOS가 대장내 발효됨으로써 짧은 사슬 지방산인, 아세테이트, 프로피오네이트, 브티릭산 등의 농도가 증가하여 장내 생리적 기능 및 면역 조절 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 5g/kg의 GOS를 헬리코박터로 감염된 마우스에게 2주간 먹인 결과 자연 살해 세포 (NK cell)의 기능을 조절하여 장의 염증을 개선하는 것으로 나타났다 (15).
참고문헌
1. D. Watson et al., Selective carbohydrate utilization by lactobacilli and bifidobacteria. Journal of applied microbiology 114, 1132-1146 (2013).
2. C. M. Whisner et al., Galacto-oligosaccharides increase calcium absorption and gut bifidobacteria in young girls: a double-blind cross-over trial. The British journal of nutrition 110, 1292-1303 (2013).
3. C. Smejkal, S. Kolida, M. Bingham, G. Gibson, A. McCartney, Probiotics and prebiotics in female health. The journal of the British Menopause Society 9, 69-74 (2003).
4. H. G. Lee et al., The effects of a mineral supplement (Aquamin F®) and its combination with multi-species lactic acid bacteria (LAB) on bone accretion in an ovariectomized rat model. J. Exp. Biomed. Sci. 16, 213-220 (2010).
5. Y. Bouhnik et al., Administration of transgalacto-oligosaccharides increases fecal bifidobacteria and modifies colonic fermentation metabolism in healthy humans. The Journal of nutrition 127, 444-448 (1997).
6. T. C. Theoharides, On the Gut Microbiome-Brain Axis and Altruism. Clin Ther 37, 937-940 (2015).
7 A. I. Petra et al., Gut-Microbiota-Brain Axis and Its Effect on Neuropsychiatric Disorders With Suspected Immune Dysregulation. Clin Ther 37, 984-995 (2015).
8. K. Schmidt et al., Prebiotic intake reduces the waking cortisol response and alters emotional bias in healthy volunteers. Psychopharmacology (Berl) 232, 1793-1801 (2015).
9. F. B. Morel et al., alpha-Galacto-oligosaccharides Dose-Dependently Reduce Appetite and Decrease Inflammation in Overweight Adults. The Journal of nutrition, (2015).
10. J. Qin et al., A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature 490, 55-60 (2012).
11. J. Amar et al., Intestinal mucosal adherence and translocation of commensal bacteria at the early onset of type 2 diabetes: molecular mechanisms and probiotic treatment. EMBO molecular medicine 3, 559-572 (2011).
12. H. Yadav, S. Jain, P. R. Sinha, Oral administration of dahi containing probiotic Lactobacillus acidophilus and Lactobacillus casei delayed the progression of streptozotocin-induced diabetes in rats. The Journal of dairy research 75, 189-195 (2008).
13. S. Davari, S. A. Talaei, H. Alaei, M. Salami, Probiotics treatment improves diabetes-induced impairment of synaptic activity and cognitive function: behavioral and electrophysiological proofs for microbiome-gut-brain axis. Neuroscience 240, 287-296 (2013).
14. V. Sangwan, S. K. Tomar, B. Ali, R. R. Singh, A. K. Singh, Hypoglycaemic effect of galactooligosaccharides in alloxan-induced diabetic rats. The Journal of dairy research 82, 70-77 (2015).
15. A. Gopalakrishnan et al., Supplementation with galacto-oligosaccharides increases the percentage of NK cells and reduces colitis severity in Smad3-deficient mice. The Journal of nutrition 142, 1336-1342 (2012).