위장관을 포함한 인체 내에는 400종 이상의 박테리아가 존재한다. 위에는 박테리아가 거의 없는 반면(위액 1mL 당 10³ CFU) 하부장관으로 내려갈수록 그 수가 증가하여 결장에는 약 10¹² CFU/g 의 박테리아가 존재한다. 모체 내의 태아는 무균상태를 유지하다가 출생 이후의 신생아에서 박테리아의 군락화가 시작된다. 이후 연령대별로 특이적 변화를 거치게 되면서 인체 내 미생물무리의 구성은 끊임없이 변화된다. 인체의 소화관, 특히 장내에 형성된 미생물무리를 장내세균총이라 한다. 정상 장내세균총을 이루는 박테리아는 일반적으로 급성 이상반응을 일으키지 않으며 일부 종류의 박테리아는 숙주의 건강을 유지하는 데 반드시 필요하다. 그러나 스트레스, 특정 질환이나 건강상태의 변화, 노화 등에 의하여 장내세균총의 균형이 깨지게 되면 또 다른 질환이 유발되기도 한다.

20세기 초, Elie Metchnikoff가 인체에 유익한 균의 존재에 관한 연구를 발표함에 따라 프로바이오틱스의 개념이 처음 도입되었다. 프로바이오틱스, 즉 “probiotics”는 “~을 위한”이라는 뜻을 가진 “pro”와 “생명”을 의미하는 “biotic”라는 그리스어에서 유래된 단어로서 1965년에 Lilly와 Stillwell에 의해 처음 사용되었다. 이들은 프로바이오틱스를 “다른 생명체의 성장을 촉진하는 미생물에 의해 분비되는 물질”이라고 정의하였다.
FAO/WHO (Food and Agriculture Organization of the United Nations/World Health Organization)의 정의에 따르면 프로바이오틱스란 “적정량을 섭취하였을 때 숙주에 유익한 영향을 미치는 살아있는 미생물”을 의미한다(Guarner and Schaafsma, 1998). 1999년 Salminen 등은 프로바이오틱스를 “숙주에 유익한 작용을 갖는 미생물 제제 또는 미생물의 성분”으로 정의하여 생균 뿐 아니라 사균까지 그 범위를 확대시켰다.
대부분의 프로바이오틱스는 인체의 장내에서 발견되는 유익균과 같거나 유사하다. 프로바이오틱스에 해당하는 균주에는 대표적으로 유산을 생성하는 간균(유산균)이 있으며 Lactobacillus, Bifidobacterium 등이 이에 속한다. 그 외에도 Escherichia coli Nissle 1917 (비병원성 E. coli), Clostridium butyricum, Streptococcus salivarius, Saccharomyces boulardii (비병원성 효모균) 등이 있다.
이 밖에도 프로바이오틱스의 종류가 새롭게 발견되거나 개발되고 있다. 최근, 면역체계에 긍정적인 영향을 미치는 면역조절물질을 분비하도록 유전자를 조작한 박테리아 균주를 개발 중이며 크론씨병과 같은 특정 질환에서 감소되는 장내 박테리아를 회복시키는 개념의 프로바이오틱스 개발 또한 진행 중이다.

프로바이오틱스는 식이보충제, 유제품, 의약품 등 다양한 형태의 상품으로 만들어져 이용되고 있다. 미국 시장에서 흔하게 사용되는 프로바이오틱스 제품과 포함 균주는 아래와 같다.

		병인성 박테리아의 장내상피 부착/침투 또는 성장을 억제
		대부분의 프로바이오틱스는 유해균이 장내상피에 부착되는 것을 경쟁적으로 억제한다. 또한 다른 박테리아의 성장을 억제하는 물질이나 산을 분비하여 부분적으로 장내 환경의 pH를 낮춤으로써 항박테리아 작용을 나타낸다.
		장관의 장벽으로서의 기능을 개선
		프로바이오틱스는 장의 뮤신 발현을 증가시키고 장 투과성을 안정화시키는 등의 작용을 통해 장벽으로서의 장관 기능을 개선시킨다.
		면역체계 조절
		일부 프로바이오틱스 균주 또는 이를 이용한 제품은 장질환 환자의 점막에서 IL-10 (interleukin-10)과 TGF-β (transforming growth factor-β)와 같은 보호성 사이토카인을 유도하는 반면 TNF (tumor necrosis factor)와 같은 염증성 사이토카인을 억제한다.
		통증자각 조절
		Lactobacillus 속의 일부 균주는 장의 상피세포에서 μ-오피오이드 수용체와 카나비노이드 수용체의 발현을 유도하여 모르핀과 유사한 방식으로 장 내에서 진통작용을 나타내는 것으로 보인다.

프로바이오틱스를 사균으로 제제화할 때에는 활성대사산물을 최대화하기 위해 주로 일정기간 균주를 배양한 물질이 원료로 사용된다. 유산, 항생물질, 비타민 등의 활성대사산물이 증가된 상태의 배양물질은 틴달화공정을 통하여 멸균된 후 보관성을 높이기 위한 동결건조공정을 거치게 된다. 사균으로 제제화되는 균주에는 Lactobacillus acidophilus, L. casei, L. plantarum, S. salivarius 등이 있다.

살아있는 프로바이오틱스는 장 내 도달하기 전에 위산이나 담즙에 의해 파괴될 수 있다. 그러므로 생균으로 제제화할 때에는 균주를 단백질, 펩타이드, 다당류 등으로 코팅하는 과정을 거치게 된다. 제제의 보관성을 높이기 위한 동결건조과정 또한 이용된다.

√	틴달화공정(간헐멸균법, tyndallization)
	틴달화공정이란 식품 등을 멸균하는 방법 중 하나로서 3일 연속으로 약 15분간 열을 가하는 공정(일반적으로 100℃ 이하의 온도, 멸균대상에 따라 온도가 달라짐)을 말하며 압력과 열에 약한 물질을 멸균할 때 사용된다. 첫째 날의 공정으로 박테리아세포는 사멸되나 세포 내의 포자는 생존할 수 있다. 둘째 날의 공정으로 생존해 있던 포자로부터 생성된 세포가 사멸되며 셋째 날의 공정으로 나머지 포자로부터 생성된 박테리아가 사멸된다
√	동결건조(lyophilization, freeze drying)
	열에 약한 물질을 건조할 때 사용되는 방법으로서 시료를 동결한 후 그 온도의 수증기압 이하로 가압하여 수분을 승화시킨 후 냉각기로 내보내 기준 이하의 수분을 함유하도록 만드는 과정이다. 세균이나 바이러스 등은 -10~ -30℃의 온도에서 동결건조공정이 이루어지며 생성된 분말은 장기간 보관이 용이하다.

2012년에 발표된 대규모의 체계적 고찰연구에서 항생제-유발 설사의 예방에 프로바이오틱스를 투여한 82건의 무작위 연구를 분석한 결과, 프로바이오틱스 투여군의 설사발생 위험률이 대조군에 비해 42% 낮게 나타났다. Lactobacillus 투여군에서 설사발생 위험률이 36% 낮았던 반면 Saccharomyces 투여군에서는 52% 낮게 나타났다. 이러한 위험률의 감소는 소아, 성인, 고령자에서 유사하게 나타났다.

304명의 소아를 대상으로 한 무작위 연구에서 프로바이오틱스는 항생제-유발 설사의 위험을 감소시켰으며, 이미 설사가 시작된 환자에서도 설사가 지속된 기간을 단축시키는 것으로 나타났다.

항생제-유발 설사에 프로바이오틱스의 유효성이 어느 정도 입증되어 있으므로 항생제요법을 실시할 때 프로바이오틱스의 병용을 고려할 수 있으며, 유효성이 입증된 연구를 참고하여 균주와 용량을 선택하도록 한다.

Clostridium difficile은 항생제 투여로 인해 장내세균총이 변화됨에 따라 장관에 집락화되는 혐기성, 그람양성의 포자생성간균이다. 이 균주는 경미한 설사를 일으키기도 하지만 때로는 위막성 대장염을 유발하거나 사망에 이르게 할 수도 있다.
항생제-유발 설사 중 하나인 CDAD의 예방과 치료(중증이 아닌 경우)에 있어 프로바이오틱스의 투여가 권장된다. 단, CDAD에 프로바이오틱스를 사용할 때에는 유효성이 입증된 균주를 선택하여야 한다. 현재까지의 자료를 통해 CDAD의 예방에 가장 유용한 처방은 L. acidophilus와 L. casei의 병용, S. boulardii, L. rhamnosus이다. 또한 하루에 10¹⁰ CFU 이상의 용량을 투여하였을 때 저용량보다 더 효과적임이 밝혀져 있다.
그러나, CDAD 이외의 항생제-유발 설사 예방에 프로바이오틱스를 통상적으로 권고하기 위해서는 대규모의 연구가 더 필요하다

63개의 무작위 대조연구를 포함한 2010년의 메타분석 결과, 성인 및 소아에서 프로바이오틱스가 4일 이상 지속되는 설사 위험률을 59% 감소시켰으며 설사지속기간을 25시간 단축시켰다. 가장 많이 이용된 균주는 Lactobacillus GG와 S. boulardii였다.

급성 감염성 설사 질환이 있는 소아에서 Lactobacilli 균주의 유효성을 평가한 임상 연구를 대상으로 한 2002년의 메타분석에서, 프로바이오틱스는 설사지속기간을 0.7일 단축시켰다. 반일 이상의 설사지속기간 단축을 위해서는 처음 48시간 동안 최소 10¹⁰ CFU의 용량의 투여가 필요하였다.

로타바이러스에 의해 급성 설사 증상을 보이는 230명의 소아를 대상으로 한 이중맹검 위약대조군 연구에서 VSL#3는 배변 횟수를 유의하게 감소시켰으며 또 다른 무작위 연구에서 Lactobacillus GG 는 용량의존적으로 로타바이러스에 의한 설사를 감소시켰다.

Bifidobacterium lactis DN-173 010, Bifidobacterium lactis BB12, Lactobacillus casei Shirota, E. coli Nissle 1917가 과민성대장증후군이 없는 만성 변비환자에서 배변 주기와 변의 굳기를 개선시켰다는 소규모 무작위 대조군 연구가 있다.

IBS 환자 362명을 대상으로 한 대조군 연구에서 Bifidobacterium infantis는 투여 4주 시점에 위약에 비해 유효하다는 것이 입증되었다. 그러나 균주를 투여할 때의 세 가지 용량 중 한 가지에만 유효함이 나타나 용량과 유효성에 관한 관계가 명확하지 않았다.

균주가 포함되지 않은 맥아유, Lactobacillus salivarius UCC4331 또는 Bifidobacterium infantis 35624가 포함된 맥아유를 IBS 환자에게 투여하였을 때 B. infantis 투여군에서 유의하게 증상이 개선되었다. 또한 혈중 IL-10/IL-12 비율의 정상화가 관찰되어 프로바이오틱스가 IBS와 관련된 염증상태 개선에 도움이 될 수 있음을 시사하였다.

IBS 환자 122명에게 Bifidobacterium bifidum MIMBb75 및 위약을 투여하였을 때 치료반응률은 대조군에서 21%이었던 반면 B. bifidum MIMBb75 투여군에서 52%로 나타났다.

설사증상이 우세한 IBS 환자 25명에게 VSL#3 또는 위약을 무작위로 투여하였을 때, VSL#3 투여군에서 위약군에 비해 복부팽만이 유의하게 감소되었다. 그러나 가스, 통증, 긴급한 변의 등의 복부증상 개선은 관찰되지 않았다.

IBS 환자 100명에게 프로바이오틱스 균주 4종을 복합투여한 무작위 위약-대조 연구에서 증상 개선은 관찰되지 않았다.

총 1,307명을 대상으로 한 5개 무작위 대조군 연구가 포함된 메타분석 결과에서 S. boulardii는 H. pylori 박멸요법(3제요법)과 병용투여 하였을 때 H. pylori 박멸률을 증가시키고 치료법과 관련된 이상반응을 감소시켰다.