KR20190004586A - 장내미생물이식(fmt)을 위한 기증자 및 기증자 분변 선별방법 - Google Patents

장내미생물이식(fmt)을 위한 기증자 및 기증자 분변 선별방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 장내미생물을 이식받을 환자와 분변 기증자의 장내미생물군집의 알파 다양성을 NGS을 통해 분석한 뒤, 분변 이식후 장내미생물의 미생물군집(microbiota)과 알파 다양성을 예측하여 건강한 장내미생물군집을 갖게 하는 기증자 또는 기증자의 분변을 찾기 위한 방법에 대한 것이다.

Description

장내미생물이식(FMT)을 위한 기증자 및 기증자 분변 선별방법{The method of stool suggestion for FMT}
본 발명은 환자치료를 위한 분변 기증자 또는 장내미생물이식용 분변을 선별하는 방법 및 이를 위한 시스템에 대한 것이다.
FMT(Fecal Microbiota Transplantation)는 ‘장내미생물 이식'을 의미하는 것으로, 건강한 기증자의 분변을 환자의 장관에 투여하는‘Stool transplantation’ 즉, 분변 이식을 일컫는 용어이다.
미생물총(microbiota)은 주어진 거주지에 존재하는 세균(bacteria), 고세균(archaea), 진핵생물(eukarya), 바이러스를 포함한 미생물 군집(microbial community)을 말한다. 장내미생물군집은 병원균 침입을 방어하고 면역체계를 성숙시키고 비타민과 단쇄지방산을 생산하여 영양분을 공급하여 인체 대사 조절에 관여한다. 또한 인체와 상호작용을 통해 인간의 건강과 질병에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
이러한 장내미생물의 균형이 무너지면, 특정 질환, 예를 들면, 기막성대장염, 클로스트리듐 디피실 대장염, 항생제-관련 설사(AAD), 궤양성 대장염(UC), 낭염, 과민성 대장증후군(IBS), 비만등 여러가지 질환을 유발할 수 있다.
FMT는 재발성 또는 항생제 치료에 반응하지 않는 CDI 환자를 대상으로 감염 치료에 안전한 新의료기술로 인정받았으며(보건복지부 고시 제2016-87호), 재발성 CDI 환자에 대한 최후의 치료방법으로 시술되어왔다. 항균제로 치료한 후에, FMT는 환자의 장내미생물환경을 건강한 미생물환경으로 재확립시키기 위해 시행되었고, 유의미한 부작용이 없이 90% 이상의 성공치료율을 보이고 있다.
그러나 이러한 치료법은 제공되는 분변선택에 대한 기준이 없다는 문제가 있었다. 기증자의 분변은 공여시 건강한 것으로 고려된 공여자의 것이 선택되지만, 이식될 분변의 유효한 성능을 보장할 수 없다.
이에, 본 발명자들은 기증자의 여러 분변중 환자에게 가장 적합한 분변을 연구하였고, 그 결과 장내미생물을 이식받을 환자 및 분변 기증자의 장내미생물군집의 구조를 NGS를 통해 분석한 뒤, 환자와 기증자의 장내미생물군집 데이터를 매칭하고, 시술후 환자의 미생물군집구조를 포함한 장내미생물 다양성을 예측하여 최종적으로 건강한 장내미생물군집을 갖게 하는 기증자 또는 기증자의 분변을 선별하는 방법을 고안하였다.
본 발명의 목적은 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서, 환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계; 환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변이 환자에게 이식된 후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및 예측되는 환자의 장내미생물 다양성과 정상인의 장내미생물 다양성의 유사성를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 환자의 장내미생물 다양성 정보가 입력되는 입력부; 기증자의 장내미생물 다양성 정보가 저장된 저장부; 입력된 환자의 장내미생물 다양성 정보와 저장된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 매칭하여 기증자의 분변 이식후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 처리부; 및 처리부에서 예측된 환자의 장내미생물 다양성 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서,장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서, 환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계; 환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변이 환자에게 이식된 후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및 예측되는 환자의 장내미생물 다양성과 정상인의 장내미생물 다양성의 유사성을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법을 제공한다.
상기 장내미생물 다양성은 환자 또는 기증자의 분변의 미생물 다양성을 포함할 수 있다.
상기 분변의 미생물 다양성은 차세대 염기서열 분석(NGS, Next-Generation DNA Sequencing)을 통해 얻어질 수 있다.
상기 미생물 다양성은 장내미생물타입(Enterotype) 분석, 알파 다양성(Alpha Diversity) 분석 또는 장내군집구성(community) 분석을 통해 얻어질 수 있다.
상기 장내미생물타입 분석은 Bacteroides , Prevotella 및 Ruminoccocus속에 대한 분석정보를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해,환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계; 환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변을 이식한 후 변화된 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및 예측되는 환자의 장내미생물 다양성를 상호비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법을 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해,환자의 장내미생물 다양성 정보가 입력되는 입력부; 기증자의 장내미생물 다양성 정보가 저장된 저장부; 입력된 환자의 장내미생물 다양성 정보와 저장된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 매칭하여 기증자의 분변 이식후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 처리부; 및 처리부에서 예측된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템을 제공한다.
상기 다양성 정보는 장내에 존재하는 미생물의 과(family), 속(genus) 또는 종(species)에 대한 다양성 정보를 포함할 수 있다.
상기 표시부는 예측된 장내미생물 다양성의 정도를 순차적으로 표시할 수 있다.
본 발명은 장내미생물을 이식받을 환자 및 분변 기증자의 장내미생물군집의 구조를 NGS를 통해 분석한 뒤, 환자와 기증자의 장내미생물군집 데이터를 매칭하고, 시술후 환자의 미생물군집구조를 포함한 미생물 다양성을 예측하여 최종적으로 건강한 장내미생물군집을 갖게 하는 기증자 또는 기증자의 분변을 선별하는 용도로 사용될 수 있다.
도1은 기증자와 환자의 장내 세균 데이타를 이용하여 기증자 또는 기증자의 분변을 선별하는 과정을 나타낸 그림이다.
도2는 기증자와 환자의 장내 세균 데이타 매칭을 통해 환자의 장내미생물 군집 구조를 시뮬레이션하는 과정을 나타낸 그림이다.
본 발명은 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서, 환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계; 환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변이 환자에게 이식된 후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및 예측되는 환자의 장내미생물 다양성과 정상인의 장내미생물 다양성의 유사성을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법을 제공한다.
장내에 존재하는 미생물의 다양성을 분석하기 위해 통상적으로 환자 및 기증자의 분변샘플에 존재하는 미생물군집을 분석하는 방법이 사용된다.
장내미생물 다양성은 장내미생물타입(Enterotype) 분석, 알파 다양성(Alpha Diversity) 분석 또는 장내미생물군집(community) 분석을 통해 얻어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 분석은 개별적으로 사용될 있으나, 보다 바람직하게 분석을 위해서 동시에 사용될 수 있다. 동시에 사용될 경우, 보다 바람직하게는 순차적으로 사용될 수 있으며, 장내미생물타입(Enterotype)분석, 장내미생물군집(community) 분석,알파 다양성(Alpha Diversity) 분석순으로 실시될 수 있다.
장내미생물타입(Enterotype)은 Bacteroides(B)형, Prevotella(P)형, Ruminococcus(R)형등 세가지 유형으로 구분될 수 있다. 각자의 유형은 해당 미생물이 우점종임을 의미한다. 일반 성인을 대상으로 계통적, 기능적 메타게놈 분석을 수행하면, Bacteroides , Prevotella , 그리고 Ruminococcus속에 해당하는 세 가지 뚜렷한 클러스터의 형태로 개인의 장내미생물타입을 분류할 수 있다. 상기 세 가지의 유형은 오랜 식습관과 장유형이 상당한 관련이 있으며, 음식섭취, 생활방식, 위상생태, 항생제 사용여부등의 환경에 따라 역동적으로 변화가능하다. 상기 유형중 Bacteroides 유형은 단백질과 포화지방의 섭취, Prevotella 유형은 탄수화물 및 당류의 섭취 증가와 관련이 있을 수 있다.
이러한 장내미생물 타입은 장내미생물의 복잡한 기능과 밀접한 관련성이 있는 것으로 이해되므로, 환자의 장내미생물타입이 기증자의 장내미생물타입과 동일한 경우, 기증자의 해당 분변은 분변이식에 보다 적합할 수 있다.
알파다양성은 단일 군집 내의 종수를 의미한다. 알파 다양성은 종 풍부도라는 개념에 가장 가까운 측정방법이며 각기 다른 생태계에 서식하는 군집 간 종수를 비교할 때 흔히 사용된다. 보다 구체적으로는 종이 얼마나 다양한가(richness), 종이 얼마나 고루 분포하는가(Evenness)를 포함할 수 있다. 건강한 사람일수록 다양성이 높다고 보고되고 있으며. Simpson index (evenness보다 richness에 더 비중을 둔 index)와 Shannon index(evenness에 더 비중을 둔 index)를 고려하여 각 값이 높은 기증자의 분변이 분변이식에 보다 적합할 수 있다.
장내미생물 군집(Community)을 분석하여 분변이식에 적합한 분변을 선별할 수 있다. 분변에서의 우점종(Bacteroides(B)형, Prevotella(P)형, Ruminococcus(R)형)을 제외한 나머지 미생물에서 유익균으로서 Bifidobacterium , Lactobacillus 또는 Faecalibacterium 속 미생물이 많은 기증자의 분변이 분변이식에 보다 적합할 수 있으며, 유해균으로서 Echerichia - Shigella , Helicobacter , Enterococcus 또는 Klebsiella 속 미생물이 많은 기증자의 분변은 분변이식에 보다 적합하지 않을 수 있다.
장내미생물의 다양성을 분석하기 위해, 상기 장내미생물 군집의 구조에 대한 분석은 다양한 기술이 도입될 수 있으나, 보다 바람직하게는 16S ribosomal RNA gene(rRNA)분석을 통해 실시될 수 있다. 16S rRNA에는 모든 종(species)에 공통적인 보존영역(conserved region)과 특정 종을 분류할 수 있는 초가변영역(hypervariable region)이 존재해서 염기서열분석을 통해 미생물의 종을 알아낼 수 있다. 계통형(phylotype)에 따라서 종은 16S rRNA의 97% 이상이 일치하고, 속(genus)은 94% 이상, 과(family)는 90% 이상, 목(order)은 85% 이상, 강(class)은 80% 이상, 문(phylum)은 75% 이상이 일치한다.
이러한 16S rRNA 유전자 분석을 위해 다양한 방법이 도입될 수 있으나, 보다 바람직하게는 차세대 염기서열분석 (NGS, next generation sequencing)을 통해서 수행될 수 있다.
보다 구체적으로는 454 FLX(Roche,USA), HiSeq(Illumina, USA), SOLiD(Life technologies, USA)방법등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이러한 방법들은 분석하고자 하는 염기서열의 길이, 처리량등에 따라 유효적절하게 적용될 수 있다.
NGS기술 중에서도 pyrosequencing(파이로시퀀싱)기술은 한 번의 분석으로 엄청나게 많은 염기서열을 분석할 수 있는 장점으로 인하여 특정시료 중에 포함되어 있는 다양한 종류의 미생물균총(microbiome)을 분석하는데 유용할 수 있다. 파이로시퀀싱은 PCR 프라이머에 독특한 염기서열(바코드)을 삽입함으로써, 시퀀싱 반응을 할 때, 동시에 많은 종류의 시료를 혼합하여 분석할 수 있으며, 본 발명에서 PCR 프라이머는 검출하고자 하는 미생물에 따라 유효적절하게 선택될 수 있다.
미생물 다양성 분석에 사용되는 유전자는 세균과 고세균에서 리보솜 RNA(rRNA)의 소 단위체(16S rRNA) 영역의 염기서열이 이용될 수 있으며. 16S rRNA 유전자는 다른 유전자에 비해 변이가 적은 영역은 PCR 프라이머 디자인에 사용될 수 있다. 16S rRNA 유전자중 변이가 많은 영역은 군집 구성원의 정확한 분류학적, 계통학적 동정을 위해 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 진균의 경우는 18S rRNA 유전자나 ITS 영역(InternalTranscribed Spacer region)이 이용될 수 있다.
환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성의 매칭은 장내미생물군집의 구조를 상호 비교하는 과정을 포함할 수 있다. 장내미생물군집은 환경에 따라 역동적으로 변화하므로, 환자의 장내미생물군집의 구조는 분변 기증자의 분변이식을 통해 인위적으로 변경가능하다. 환자의 장내미생물군집은 환자의 미생물군집 정보와 기증자의 미생물군집의 정보를 통해 시뮬레이션이 가능하며, 분변시술후의 환자의 장내미생물군집의 구조 및 미생물 다양성을 예상할 수 있다. 이렇게 예상된 환자의 장내미생물군집은 건강한 기증자의 장내미생물군집과 유사성을 분석하는 단계가 포함될 수 있다. 상기 유사성은 미생물군집구조 및 미생물의 다양성에 대한 유사성을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서,
환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 분석하는 단계; 환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변을 이식한 후 변화된 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및 예측되는 환자의 장내미생물 다양성을 상호비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법을 제공한다.
환자의 장내미생물군집은 환자의 미생물군집 정보와 기증자의 미생물군집의 정보를 통해 시뮬레이션이 가능하며, 분변이식후 환자의 장내미생물군집을 예상할 수 있다. 상기 시뮬레이션은 다양한 기증자 및 다양한 기증자의 분변에 대해 실시될 수 있다. 복수의 시뮬레이션을 통해 얻어진 상기 환자의 장내미생물군집 예상값은 예상값간의 상호비교가 가능하다. 상기 예상값은 미생물군집구조 또는 미생물 다양성에 대한 것일 수 있다. 일반적으로 환자군들은 장내미생물의 다양성이 매우 낮은 것으로 보고되고 있으므로, 환자의 장내미생물의 다양성을 높여 주는 것이 중요하며, 분변 이식 후 높은 미생물의 다양성을 나타낼 수 있는 기증자 또는 기증자의 분변을 선택 또는 제안하는 것이 바람직하다..
본 발명은 환자의 장내미생물 다양성 정보가 입력되는 입력부; 기증자의 장내미생물 다양성 정보가 저장된 저장부; 입력된 환자의 장내미생물 다양성 정보와 저장된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 매칭하여 기증자의 분변 이식후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 처리부; 및 처리부에서 예측된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템을 제공한다.

Claims (9)

  1. 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서,
    환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계;
    환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변이 환자에게 이식된 후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및
    예측되는 환자의 장내미생물 다양성과 정상인의 장내미생물 다양성의 유사성를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장내미생물 다양성은 환자 또는 기증자의 분변의 미생물 다양성을 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분변의 미생물 다양성은 NGS(next generation sequencing)분석을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미생물 다양성은 장내미생물타입(Enterotype) 분석, 알파 다양성(Alpha Diversity) 분석 또는 장내미생물군집(community)분석을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장내미생물타입 분석은 Bacteroides , Prevotella 및 Ruminoccocus속에 대한 분석정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다양성 정보는 장내에 존재하는 미생물의 과(family), 속(genus) 또는 종(species)에 대한 다양성 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템.
  7. 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법에 있어서,
    환자 및 기증자의 장내미생물 다양성을 평가하는 단계;
    환자의 장내미생물 다양성과 복수의 기증자의 장내미생물 다양성을 매칭하여 기증자의 분변을 이식한 후 변화된 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 단계; 및
    예측되는 환자의 장내미생물 다양성을 상호비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별방법.
  8. 환자의 장내미생물 다양성 정보가 입력되는 입력부;
    기증자의 장내미생물 다양성 정보가 저장된 저장부;
    입력된 환자의 장내미생물 다양성 정보와 저장된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 매칭하여 기증자의 분변 이식후 환자의 장내미생물 다양성을 예측하는 처리부; 및
    처리부에서 예측된 기증자의 장내미생물 다양성 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 표시부는 예측된 장내미생물 다양성의 정도를 순차적으로 표시하는 것을 특징으로 하는 장내미생물 이식(FMT)을 위한 분변 선별시스템.
KR1020170085017A 2017-07-04 2017-07-04 장내미생물이식(fmt)을 위한 기증자 및 기증자 분변 선별방법 KR20190004586A (ko)

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