케피어는 유산균, 효모, 초산균이 포함되어 항균, 항당뇨, 항비만 및 항염증 효과와 같은 건강상 이점을 제공하는 프로바이오틱 발효유이다. 한국산 케피어에서 확인된 효모 중에서 Kluyveromyces marxianus는 효모 집단의 98% 이상을 차지하며, 잠재적 프로바이오틱스로서 활발히 연구되고 있다. 본 연구는 케피어에서 분리한 K. marxianus를 효모 프로바이오틱스로서 특성을 규명하는 것을 목표로 하였다.
첫 번째 연구에서는, 한국산 케피어에서 5개의 K. marxianus 효모주(Km A1-A5)가 분리되었고 인공 위장관 환경에서 유일한 효모 프로바이오틱스인 Saccharomyces boulardii ATCC MYA-796(Sb MYA-796)와 비교하여 생존성을 평가하였다. 효모주의 성장 잠재력을 더 잘 이해하기 위해 생화학적 활성, 소수성, 바이오 필름 형성, 자가 응집 및 페놀 내성을 평가하였다. Sb MYA-796와 비교하였을 때, 케피어 효모주 중 Km A4가 pH 2.0에서 7.5 범위의 인공 위장관 환경에서 가장 우수한 생존성을 보였다(p = 0.014). 또한, Km A1-A5와 Sb MYA-796은 lactose, xylitol, D-sorbitol, DL-lactate assimilation에 차이가 있었으며, Km A1-A5는 Sb MYA-796보다 더 많은 기질을 활용할 수 있어 숙주의 위장관 환경에서 생존하기에 더 적합할 수 있음을 나타냈다. 특히, Km A4와 A5는 Sb MYA-796보다 세포 표면의 소수성, 바이오 필름 형성, 자가 응집 및 페놀 내성이 더 뛰어난 것으로 평가되었다. 생존성과 생존성에 영향을 미치는 인자들로 인해 케피어 효모주 A4와 A5가 숙주의 위장환경에서 생존하기에 더 큰 잠재력이 있다는 것이 확인되었다.
두 번째 연구에서는, Km A4와 A5의 안전성을 평가하기 위해 Sb MYA-796과 비교하여 in vitro 젤라틴 가수 분해능, 가성균사 형성능, 및 용혈능의 독성인자를 사전 평가하였다. 이후, 건강한 Balb/c mice 모델에서 in vivo 안전성 평가를 진행하였다. 동물실험 시, mice에 0.9% 멸균 식염수(NC_Saline), 1 x 108 CFU/mL 또는 1 x 106 CFU/mL로 조정된 Km A4(고농도, Km A4_H; 저농도, Km A4_L), Km A5(고농도, Km A5_H; 저농도, Km A5_L), Sb MYA-796(고농도, Sb MYA-796_H; 저농도, Sb MYA-796_L)을 2주간 경구투여하였다. 가성균사를 형성하는 Km A4와 A5는 젤라틴 가수 분해능 및 용혈능을 나타내지 않았다. 전반적으로, 모든 그룹에서 혈액 및 혈장 생화학적 지표와 사이토카인 수치는 유사하게 나타났다. In vitro, in vivo 안전성 평가 시 독성을 나타낼 만한 특성이 확인되지 않아 Km A4와 A5가 건강한 mice 모델에서 단기 투여 시 안전하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
세 번째 연구에서는, Sb MYA-796와 비교하여 Km A4와 A5의 colorectal adenocarcinoma(Caco-2) 세포에 대한 부착능과 건강한 Balb/c mice 모델에서 장내 미생물총 변화능을 평가하였다. 장내 미생물총 변화를 평가하기 위해, 두 번째 연구에서 수행한 동물실험에서 얻은 후 냉동 보관한 분변을 사용하였다. Caco-2 세포에 대해서 Km A4와 A5는 Sb MYA-796보다 유의적으로 높은 세포 부착능이 확인되었다(p < 0.05). 장내 미생물총 변화능 평가 시, NC_Saline 그룹과 비교했을 때 Km A4_H 그룹에서는 Bacteroidetes, Bacteroidales, Bacteroides가 유의적으로 풍부함이 확인되었다(p < 0.05). 또한, Km A5_H 그룹에서는 Km A4_H 그룹보다 Corynebacteriales, Corynebacterium이 유의적으로 풍부함이 확인되었다(p < 0.01). 이러한 결과를 통해 투여된 Km A4가 숙주의 장내에서 안전하게 생존하고 군집화되어 장내 미생물총에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
네 번째 연구에서는, 잠재적인 프로바이오틱 효모주인 Km A4와 설파살라진의 상승적 항염증 효과를 dextran sulfate sodium(DSS)으로 대장염을 유발한 Balb/c mice 모델에서 평가하였다. Mice는 무작위로 다음의 7개 그룹으로 나누어졌다: 생리식염수 투여 정상군(CON) 및 생리식염수(DSS), 설파살라진(S), Km A4(A4), Km A4+설파살라진(A4+S), Sb MYA-796(Sb), Sb MYA-796+S(Sb+S) 투여 대장염 유발군. Km A4에 의한 항염증 효과의 잠재적인 기전을 확인하기 위해 베타글루칸 함량, 혈액학적 및 조직학적 지표, 사이토카인, 염증 매개체 및 접합 단백질의 유전자 발현, 장내 미생물총 변화능을 평가하고 Sb MYA-796과 비교하였다. Km A4의 베타글루칸 함량(16.61%)은 Sb MYA-796(12.17%)보다 유의적으로 높았다(p < 0.01). Body weight gain은 mice 대장 길이, Cyclooxygenase-2(Cox-2), Bacteroides와 유의적인 상관관계를 보였다(p < 0.05). 대장염 유발 mice 모델에서 A4+S 그룹은 DSS 그룹(12.6점)에 비해 가장 낮은 조직학적 평가 점수(6.0점)가 확인되었다. A4+S 그룹은 DSS 그룹보다 Il-6, Tumor necrosis factor-α 및 Cox-2 유전자의 발현이 유의적으로 감소하였으며, Il-10과 Occludin 유전자의 발현은 유의적으로 증가하였다(p < 0.05). A4+S 그룹의 장내 미생물총은 DSS 및 S 그룹과 비교하여 Bacteroides가 유의적으로 풍부함이 확인되었다(p < 0.05).
결론적으로, 인공 위장관 환경에서 높은 생존성을 보인 Km A4는 부작용 없이 염증 인자 및 장내 미생물총을 조절하여 대장 염증을 효과적으로 완화할 수 있는 잠재적인 효모 프로바이오틱스로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.