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바이오/의료 뉴노멀 시대 미병(未病) 관리의 최종병기! 마이크로바이옴 100조 개의 장내 세균이 사람의 면역 및 대사, 뇌까지 영향을 미친다

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-02-16 18:39:00
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출처 : https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000144.000007141.html

 

1. 세계의 특허 정보 분석

 

▣ 세계의 바이크로바이옴 관련 특허 국가별 출원 추이

 

<그림1> 세계의 바이크로바이옴 관련 특허 국가별 출원 추이

 

<그림2> 세계의 바이크로바이옴 관련 특허 국가별 출원 추이 (중국 제외)

 

이번에 분석한 중국의 마이크로바이옴 관련 출원 건수는 눈에 띄게 증가했으며, 2009년 이후 출원된 세계의 특허 약 27,000건 중에서 약 19,000건은 중국에서 출원하였다. 중국에서는 2006년에 국무원이 과학기술ㆍ이노베이션 정책의 장기적인 기본 방침인 ‘국가 중장기 과학기술 발전 계획 강요(2006-2020년)’를 발표, 혁신형 국가를 목표로 내걸었다. 아스타뮤제가 실시한 분석을 통해, 2009년 이후 AI나 게놈 의료 등 첨단과학 분야를 포함한 광범위한 기술 영역에서 중국의 특허 출원 수가 급격하게 증가하였음을 알 수 있다(참고 문헌 B).

중국 다음으로 미국, 한국, 일본이 뒤를 잇고 있지만, 중국과의 격차가 매우 크다. 미국, 한국의 출원 수는 서서히 증가하고 있지만, 일본은 큰 차이가 없다.

 

다음으로 특허의 내용을 검토하기 위해, 2009년 이후 일본ㆍ미국ㆍ유럽의 특허청 및 세계특허기관(WIPO)에 출원된 영문으로 표기된 바이크로바이옴 관련 특허(이하, 4극 특허) 3672건으로 추려보면, 가장 많은 출원을 한 곳은 스위스의 식품회사 네슬레(균총 분석 및 보조식품 등)이며, 다음으로 덴마크의 식품회사 크리스찬한센(미생물 농축법 및 발효식품 등), 그 다음으로는 메이지유업(발효유 관련), 미국의 통합화학 주식회사 듀폰(미생물 게놈 및 발효식품 등), CNRS 프랑스 국립 과학 연구센터(세균 세포 분석), 덴마크의 바이오기업 노보자임(탈취 및 발효 과정)이 이어진다. 상위 100위 안에 모리나가유업, 캐논, 야쿠르트 본사, 우베흥산, 미츠비시화학, NARO 농연기구, 올림푸스 등 16개의 일본 기업ㆍ대학ㆍ연구기관이 속해 있다. 캐논은 미생물 검출 및 유전자 분석, 올림푸스는 캡슐형 장 내 센서 등에 관한 출원을 하였다.

 

▣ 4극 특허(미국, 유럽, 일본, 국제 공개 특허) 3,672건의 출원인 랭킹

 

<표1> 4극 특허(미국, 유럽, 일본, 국제 공개 특허) 3,672건의 출원인 랭킹

 

▣ 분야별 특허 출원 건수 연도별 추이

 

4극 특허 3,672건을 분야별로 분류하고, 출원 건수의 연도별 추이를 조사해보았다.

2009년 이후, ‘비만ㆍ대사증후군ㆍ지질이상’ 관련 특허가 가장 많았으며, 전체의 45%에 달하는 1,653건이 이에 해당하였다. 다음으로 ‘프로/프리/신바이오틱스’, ‘우울증ㆍ자폐증ㆍ정신건강’, ‘메타게놈ㆍ균총다양성ㆍ정밀의료’, ‘암’이 이어진다. 이들 대부분은 출원 건수가 급격하게 증가하는 한편, ‘프로/프리/신바이오틱스’는 2013년에 정점을 찍고 감소 경향을 보이고 있다. 차세대 시퀀서가 보급됨에 따라 정밀한 균총 분석 및 메타볼롬 분석과 연계한 제약 및 정밀의료를 목표로 하는 기술개발로 전개될 가능성이 있다.

 

<그림3> 4극 특허 건수 분야별 연도별 추이

 

▣ 최근의 흥미로운 특허 사례

 

① 뇌장상관(수면ㆍ생체 리듬)과 빅데이터 분석 사례

공보번호 : US10395777B2

제목 : 미생물에 관한 수면 관련 상태를 특징 짓기 위한 방법 및 시스템

출원인ㆍ양수인 : Psomagen Inc(미국)

출원일 : 2018-06-04

개요 : 수면 상태와 관련된 미생물의 배열 데이터베이스를 보유하고, 사용자의 미생물 데이터세트에 근거하여 수면 모델을 형성, 수면 관련 기능을 평가한다. 각 사용자에게 적합한 수면 개선 치료법을 제공한다.

 

② 종양성대장염(디스바이오시스)와 빅데이터 분석 사례

공보번호 : JP6603136B2

제목 : 종양성대장염의 진단 및 예후를 예측하기 위한 맵핑 방법

출원인ㆍ양수인 : 주식회사 오츠카제약공장(일본)

출원일 : 2016-01-15

개요 : 변 속의 장내 세균총을 자기 조직화 맵(Self Organizing Map : SOM) 분석을 통한 종양성대장염 진단 및 예후를 예측하기 위한 맵핑 방법 및 SOM 맵에 의한 진단 및 예후 예측 방법을 제공한다.

 

③ 구강 내 세균총과 고혈압증 사례

공보번호 : JP2019041754A

제목 : 예측 장치 및 예측 방법

출원인ㆍ양수인 : 주식회사 NTT 도코모, 도호쿠대학(일본)

출원일 : 2018-03-23

개요 : 구강 내 세균총으로부터 임신 고혈압 증후군(HDP)의 발증을 예측하기 위해, 세균총 데이터에 근거하여 HDP 예측 모델을 생성, 예측하고, 알리는 예측 장치 및 예측 방법을 제공한다.

 

④ 발효식품ㆍ기능성 식품 사례

공보번호 : WO2019189389A1

제목 : 에콜 제조 방법

출원인ㆍ양수인 : 주식회사 야쿠르트 본사(일본)

출원일 : 2019-03-27

개요 : 에콜 생산균 및 락토바실러스 카제이균의 작용에 의해 대두 이소플라본 중 하나인 다이제인을 통해 생산되어, 높은 항산화작용을 가지는 에콜을 효율적으로 생산할 수 있는 제조 방법을 제공한다.

 

⑤ 제약(미생물 약물 대사)과 빅데이터 분석 사례

공보번호 : WO2020009916A1

제목 : 마이크로바이옴을 사용하여 의약품 개발의 위험성을 줄이는 시스템 및 방법

출원인ㆍ양수인 : Yale University(미국)

출원일 : 2019-06-28

개요 : 약물 대사에 대한 숙주와 미생물총의 기여를 정량적으로 해명하고, 미생물총이 약물 후보를 대사하는 방법을 예측하여, 대사가 약물 후보와 대사 산물에 어떻게 영향을 미치는지, 약물 후보가 미생물총에 의해 대사되는지를 예측한다.

 

2. 세계의 그랜트(공적 연구자금) 정보 분석

 

일본 Astamuse(株)가 보유한 그랜트 정보를 통해 2009년 이후 연구가 시작된 세계의 연구 주제 22,960건에 대해 국가별 채택 수 및 총 배분 금액을 집계하였다.

 

<표2>

 

<그림4> 각국의 그랜트 건수 추이

 

<그림5> 각국의 그랜트 총 배분 금액 연도별 추이

 

<그림6> 각국의 그랜트 총 배분 금액 연도별 추이(미국 제외)

 

그랜트 총 배분 금액에서는 워싱턴대학, 메릴랜드대학, 노스캐롤라이나대학, 스탠포드대학, 시카고대학, 매사추세츠대 공과대학 등 미국의 대학이 상위를 차지하였다. 일본은 국립 유전학 연구소가 19위, 도쿄대학, 도호쿠대학, 교토대학이 100위 이내에 들었다.

 

<표3>

 

 

▣ 분야별 그랜트 건수 연도별 추이

 

2009-2020년에 연구가 시작된 그랜트 22,960건을 분야별로 분류하고, 분야별 건수의 연도별 추이를 조사해 보니, ‘우울증ㆍ자폐증ㆍ정신건강’이 가장 많았으며, 전체의 11%에 상응하는 2529건이 이에 해당하였다. 다음으로 ‘메타게놈ㆍ균총다양성ㆍ정밀의료’, ‘암’, ‘종양성대장염ㆍ염증성장질환ㆍ과민성대장증후군’, ‘비만ㆍ대사증후군ㆍ지질이상’이 이어졌다. 많은 분야에서 건수가 증가하였지만, 그중에서도 ‘디스바이오시스’는 2012년 이후 급속도로 건수가 증가하였다. 한편, 스트레스 응답에 관한 ‘HPA축’은 2011년 이후 감소 경향을 보인다. 스트레스 연구가 감소했다기보다는 미생물의 관여가 확실해지면서 스트레스도 또한 디스바이오시스(균총의 불균형)로 인해 일어나는 만성염증이라는 이해를 얻었기 때문이라 할 수 있다.

 

<그림7> 그랜트 건수 분야별 연도별 추이

 

 

▣ 최근의 흥미로운 그랜트 사례

 

①뇌장상관ㆍ신경변성질환 사례

채택 주제 : 알츠하이머에서의 장내 세균총 및 바이러스총의 망라적 메타게놈 분석

연구기관 : 도쿄대학 의과학 연구소(일본)

배분 기간 : 2019-04-01~2022-03-31

총 배분 금액 : 4,160,000엔

개요 : 알츠하이머와 파킨슨 환자의 장내 세균총의 모든 게놈의 기능을 분석하여, 신경변성질환에서 축적되는 이상 단백의 수식 및 대사 조절에 관한 가능성이 있는 분자를 찾고, 장내 환경 조정을 통해 치료 방법을 찾는다.

 

② 장뇌상관과 기능성 식품 사례

채택 주제 : 장내 세균총의 활성으로 조절되는 식물에서 유래한 개일리듬 진동 화합물의 동정 및 사람에 대한 응용

연구기관 : 국립 감염증 연구소(일본)

배분 기간 : 2018-10-09~2022-03-31

총 배분 금액 : 17,940,000엔

개요 : 식물에서 유래한 개일리듬 진동 화합물을 탐색함으로써 신규 화합물 후보를 얻는다. 동물 모델을 사용하여 개일리듬을 조절하거나 리듬 관련 질환을 예방하고 개선하는 효과를 평가함과 동시에 표적 조직 및 장내 미생물 세균총과의 관련성을 검토한다.

 

③ 장관 면역ㆍ면역 제어 사례

채택 주제 : 독감 백신의 효과를 높이는 장내 세균의 동정

연구기관 : 도쿄대학(일본)

배분 기간 : 2016-04-01~2019-03-31

총 배분 금액 : 17,810,000엔

개요 : 장내 세균이 독감 바이러스의 특이적인 면역 유도에 도움이 되는 메커니즘을 해명한다. 백신의 효과를 식품 성분 등에 의해 높이는 아쥬반트를 개발하는 데 도움이 될 가능성도 있다.

 

④ 뇌장상관ㆍ가령성질환 사례

채택 주제 : 단구(單球)ㆍ마이크로글리아를 통한 장-뇌-근육의 연관을 통한 치매ㆍ사르코페니아 발전 기서의 해명

연구기관 : 국립 병원기구 교토 의료센터(일본)

배분 기간 : 2018-06-29~2021-03-31

총 배분 금액 : 6,370,000엔

개요 : 가령 및 생활습관병으로 인한 장내 환경의 악화가 장을 기점으로 한 뇌 및 근육과의 병적 연관을 초래하여, 치매나 사르코페니아가 발증하거나 발전하게 될 가능성을 검토하고, 가령ㆍ생활습관병에 의한 다장기장애의 발증ㆍ발전의 분자 메커니즘을 해명한다.

 

⑤ 기능성 식품과 면역제어 사례

채택 주제 : 숙주의 미생물과 대사물의 상호작용을 3D로 맵핑하고, 식사를 통해 얻어지는 면역 증강 물질을 찾는다.

연구기관 : UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO(미국)

배분 기간 : 2019-09-30~2024-07-31

총 배분 금액 : 1,102,500 USD

개요 : 식사에서 유래한 분자가 마이크로바이옴에 의해 어떻게 처리되고, 숙주의 유전자 발현과 면역 시스템이 어떻게 연계하여 감염증에 대항하는지 이해하기 위해 마우스 모델의 3D 맵을 구축한다.

 

⑥ 재생의료의 제약 응용 사례

채택 주제 : 미생물총의 오가노이드를 사용한 항감염성 물질 마이닝

연구기관 : Uppsala University(스웨덴)

배분 기간 : 2020-04-01~2025-03-31

총 배분 금액 : 1,268,984 USD

개요 : 항생물질 내성균의 만연으로 새로운 의료위기에 직면하여, 세균 감염이 다시금 비용 증가, 치료 기간 연장, 발병률과 사망률의 상승을 초래하고 있다. 장내 미생물총에서 유래한 항감염성 분자를 소장 오가노이드로 스크리닝한다.

 

⑦ 제약과 빅데이터 분석 사례

채택 주제 : 장내 미생물의 상위 100개 분자의 완전한 맵

연구기관 : UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN FRANCISCO(미국)

배분 기간 : 2016-09-08~2021-07-31

총 배분 금액 : 1,109,500 USD

개요 : 장내 세균총이 생성하는 상위 100개의 분자에 대해, 생성하는 세균종 및 유전자를 특정하고, 사람의 미생물총과 질병의 관계를 이해하며, 장내 세균총에 의해 생성된 분자를 제어하고, 질환의 치료와 예방을 위해 세균총을 최적화한다.

 

⑧ 제약(수명 연장, 알츠하이머 예방) 사례

채택 주제 : 장의 대사 산물인 우로리틴A가 어떻게 수명을 연장하고, AD를 막는지에 대한 새로운 메커니즘

연구기관 : BUCK INSTITUTE FOR RESEARCH ON AGING(미국)

배분 기간 : 2018-09-30~2023-06-60

총 배분 금액 : 3,414,407 USD

개요 : 선충의 수명을 연장하고, 알츠하이머에 대한 신경 보호 작용을 하는 우로리틴A(UA)로인해 유발되는 신경 보호 메커니즘을 특정하고, 젊은 개체의 미생물총 도입이 고령 동물의 신경 보호를 증가시키는지 검증한다.

 

3. 세계의 벤처기업ㆍ스타트업 기업의 자금 조달 정보

 

마이크로바이옴과 관련된 2001년 이후에 설립된 벤처기업 248개사에 대해, 연도별 설립 수와 연도별 자금 조달 금액의 합계를 그래프로 나타내었다.

 

<그림8> 벤처기업의 연도별 설립ㆍ자금 조달 추이

 

설립 건수는 크게 상승하였고, 특히 2011년 이후의 성장이 눈에 띈다. 식품뿐만 아니라 최근에는 바이오 의약, 뇌장상관에 기초한 신경질환 치료약 등을 개발하는 기업도 증가하였다. 주요 벤처기업은 다음과 같다.

 

<표4>

 

▣ 최근의 흥미로운 벤처ㆍ스타트업 사례

 

① Finch Therapeutics(미국)

총 조달 금액 : 188.8M USD

설립 연도 : 2004

개요 : 재발성 C.diff, 만성 B형 간염, 염증성대장질환 및 자폐증과 중대한 GI 증상이 있는 아이를 위한 경구 마이크로바이옴 약을 개발. 인간 개입 연구와 기계학습 기반의 플랫폼을 사용하여 긍정적인 임상 전환을 촉진하는 미생물 군집을 해명한다.

 

② DayTwo(이스라엘)

총 조달 금액 : 53M USD

설립 연도 : 2015

개요 : 독자적인 장내 마이크로바이옴의 데이터베이스와 기계학습을 사용하여, 2형 당뇨병을 비롯하여 각종 질환의 개별화 정밀의료, 진단, 케어 솔루션을 제공한다. 피험자의 임상적 및 개인적 특성에 맞춰 개별화된 식품으로서의 접근방식을 사용한다.

 

③ Axial Biotherapeutics(미국)

총 조달 금액 : 59.5M USD

설립 연도 : 2016

개요 : 캘리포니아 공과대학에서의 뇌장상관을 통한 자폐증 스펙트럼 장애(ASD)와 파킨슨병(PD)의 생물학적 관련성을 실증한 연구에 근거하여, 중추신경 변성 질환의 치료약을 개발하는 바이오 의약품 기업.

 

④ 카무이 파마 주식회사(일본)

총 조달 금액 : 225M JPY

설립 연도 : 2018

개요 : 아사히카와 의과대학발 제약 벤처기업. 해당 대학과 삿포로 홀딩스로부터 ‘프로바이오틱스에서 유래한 장쇄 폴리인산을 사용하는 신규 염증성대장질환 치료약 개발’의 연구 성과를 계승한다. 프로바이오틱스를 활용한, 소화기 및 항암제 영역의 치료약 후보 물질을 연구개발한다.

 

⑤ Thryve(미국)

총 조달 금액 : 1.4M USD

설립 연도 : 2016

개요 : 독자적인 장내 세균총 테스트키트를 사용하여 사용자의 건강 상태 및 질병 리스크를 분석함과 동시에 만성질환을 예방하기 위해 개별화된 맞춤 프로바이오틱스를 구독형 모델을 통해 제공한다.

 

4. 정리 및 전망

 

그랜트에서 다양한 기능성 분자 및 제약 후보 분자를 연구하는 데 더하여, 특허나 벤처기업의 동향을 통해서도, 빅데이터와 다변량 분석 및 기계학습을 사용하는 균총과 질병 리스크의 상관관계를 해명하려는 움직임이 이루어지고 있다. 더욱이 면역 제어 및 감염증 대책의 연구가 진행되고 있으며, 뇌장상관이 이미 사업화를 위해 움직이고 있다는 것도 이번 조사를 통해 알 수 있었다.

 

이탈리아의 볼로냐대학 Patrizia Brigidi 교수는 100세가 넘는 사람의 장내 세균총의 특징을 발표하였다(참고문헌 C).

 

장수화 및 기후변동, 새로운 감염증 등을 고려해야 하는 NewNormal 시대, 마이크로바이옴ㆍ장내 세균총은 예방 의료ㆍ미병 관리의 중요한 지표가 될 것으로 기대된다.

 

 

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