항생제 사용이 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향 연구

초록

연구목표 ○ CP-CRE 환자의 항생제 투여 전·후 장내 마이크로바이옴 변화를 분석하여 질환 연관 미생물 변화를 규명하고, culturomics를 활용한 치료제 후보 균주 발굴 연구내용 및 결과 ○ CP-CRE 확진 환자를 대상으로 항생제 사용 중·중단·전환 등 치료 경과에 따른 종단(longitudinal) 분변 검체와 임상정보를 수집하고, 16S full-length 및 샷건 메타게놈(whole metagenome shotgun) 시퀀싱 기반 장내 마이크로바이옴 분석을 수행하였음. 총 46명 환자(’24.2.~’25.4.)를 포함하였고, 건강인 분변검체 40건을 대조군으로 활용하였음 ○ 건강인 대비 CRE 환자군에서 장내 미생물 다양성 감소 및 군집 구조 변화가 확인되었으며, 항생제 사용군(AU)에서 alpha-diversity 저하가 두드러지고, beta-diversity 분석에서 AU/항생제 중단군(AD)/건강인군 간 군집 차이가 구분됨을 확인하였음. 건강인군은 Faecalibacterium, Roseburia, Blautia 등 공생균 관련 군집이 우세한 반면, CRE 환자군은 Enterococcus, Klebsiella 등 기회감염균 증가 경향이 확인되었음 ○ 일부 환자 종단 검체에서 항생제 중단 후 Klebsiella spp. 상대풍부도 감소 및 다양성 회복 경향이 관찰되었고, 항생제 종류 전환(예: ceftazidime/ avibactam 시작) 시 군집 재편 방향이 상이하여 환자별 회복력(resilience) 차이가 존재함을 확인하였음. 기능 분석에서 항생제 사용 중 핵산합성·에너지대사·세포벽합성 관련 경로의 기능 저하가 관찰되었고, 항생제 중단 후 다수 경로의 광범위 회복이 확인되었음 ○ 항생제 내성(AMR) 기능 분석에서 항생제 사용 중 항생제 불활성화 및 표적 변형 기전의 상대적 기여도 증가가 관찰되었고, 항생제 중단 이후 내성 기전 비중 감소 경향이 확인되었음. 또한 SCFA 분석에서 건강인 대비 항생제 투여 CRE 환자군에서 총 SCFA 농도 차이가 유의하였고, 특히 acetate·propionate 감소가 확인되어 항생제 노출에 따른 장내 대사 기능 저하가 시사되었음 ○ Culturomics 기반 균주 분리·배양 체계를 확립하고 건강인 분변에서 다양한 균주를 분리·동정하였으며, CRE 억제 효능 스크리닝을 통해 Lactiplantibacillus plantarum 후보군을 도출하였음. 후보 균주에 대해 인공위장관 환경 생존성, 용혈·젤라틴나제 음성 등 안전성, 항균, 항바이오필름 및 항부착 효과를 평가하여 치료 후보 균주를 선정하였음. 후보 균주 5종에 대한 전장유전체 분석을 수행하고, LP1을 대표 균주로 박테리오신(plantaricin) 생성·수송 및 조절 관련 유전자군을 확인하였으며, 독성인자·항생제 내성 유전자·플라스미드 관련 요소 미검출을 통해 안전성 근거를 확보하였음 기대효과 및 활용방안 ○ 선정된 치료제 후보물질 분석자료는 향후 항생제에 대한 부작용 예방 및 치료제 실용화 연구에 활용 ○ 향후 마이크로바이옴 중장기 연구기획에 필요한 과학적 근거자료 제공

○ This study investigated the impact of antibiotic use on the gut microbiome of patients with carbapenem-resistant Enterobacterales (CP-CRE) using longitudinal fecal samples collected along the treatment course. Gut microbiome profiling was performed using full-length 16S rRNA sequencing and whole-metagenome shotgun sequencing in 46 CP-CRE patients, with 40 healthy individuals included as controls. ○ Compared with healthy controls, CP-CRE patients exhibited reduced microbial diversity and distinct community structures, particularly during antibiotic treatment. Antibiotic use was associated with an increased relative abundance of opportunistic pathogens such as Enterococcus and Klebsiella, whereas commensal taxa including Faecalibacterium and Blautia were depleted. Partial recovery of microbial diversity and community structure was observed after antibiotic discontinuation, while antibiotic switching resulted in alternative restructuring patterns, indicating inter-individual variability in microbiome resilience. ○ Functional profiling revealed that antibiotic exposure broadly suppressed core microbial pathways related to nucleotide biosynthesis, energy metabolism, and cell-wall synthesis, with recovery following antibiotic discontinuation. Antimicrobial resistance (AMR) analysis showed higher contributions of resistance mechanisms during antibiotic use, which decreased after discontinuation. Short-chain fatty acid analysis further demonstrated significantly reduced acetate and propionate levels in antibiotic-exposed CP-CRE patients compared with healthy controls. ○ To translate microbiome findings into therapeutic resources, a culturomics-based workflow was established to isolate and screen candidate strains. Lactiplantibacillus plantarum strains exhibited strong anti-CRE activity, including antibacterial, anti-biofilm, and anti-adhesion effects. Whole-genome sequencing of selected candidates identified bacteriocin-related gene clusters without detectable virulence or antibiotic resistance genes, supporting their potential as safe live biotherapeutic candidates.