A. 생물막은 무엇인가? 그리고 어떻게 형성 되었는가?
생물막은 표면에 붙어있는 박테리아들의 군집이고 다당류 중합체인 Extracellular polymeric Substances (EPS)로 둘러 쌓여있다.
EPS는 slimy하고 film-like 같은 물질로써 생물막에있는 박테리아에 의해서 만들어지고, polysaccharides, proteins, 그리고 nucleic acid로 이루어져 있다. 생물막은 주로 하나의 bacterial종으로 이루여져 있다. 그러나, 100가 넘는 종들이 서로 모여서 같이 살아가는 생물막도 존재한다.
생물막은 생성은 세포들 간에 화학적 신호체계가 (Coordinated Chemical Signaling; quorum sensing이라고 불름) 있을때와 군집을 이룸으로써 얻는 이익이 손해보다 클때 일어난다. Quorum sensing은 auotininducer이라는 신호전달 분자를 사용함으로써 만들어진다. 박테리아 또한 이러한 신호전달 분자 (signaling molecules)에 대한 receptor을 가지고 있다. 높은 숫자의 박테리아가 서로 민접해 있을때, autoinducer의 양이 증가한다. Threshold양의 autoinducer분자들이 receptor에 붙어있을때, gene expression을 조절하는 신호가 생성되기 시작하고, 이것이 군집을 형성할수 있도록 박테리아의 피지올로지를 변형시킨다.
생물막 형성:
1) 박테리아가 표면에 붙는다.
2) EPS가 생성된고 표면에 강하게 붙게된다.
3) Early Development of Biofilm Architecture
4) Late Development of Biofilm Architecture
5) 세포막에서 single 세포들의 분산
Planktonic는 액체배양에서 자라거나 생물막 위를 자유자재로 헤엄쳐 다니는 single 박테리아들을 뜻한다. Planktonic 박테리아는 세포막으로 모여들거나 기존에 있던 세포막에서 떨어져 나간 것들이다. 세포막의 박테리아들은 그룹으로 행동한다.이것들은 공동으로 자극을 느끼고 반응을 한다. 또한 어떤 생물막구조는 조그만한 구멍들이 있어서 원초적인 circulatory system을 가지고 있기도 한다. 생물막 깊은곳에 위치하고 있는 박테리아들은 표면에 근접해있는 박테리와들과는 다른 physiology를 가지고 있다. 그 이유는 존재하고 있는 산소의양과 영양분의 양이 다르기 때문이다. 또한, EPS가 박테리아들을 서로 묶어준다.
B. 생물막의 확산과 세균성 감염
1. 양성 환경성 생물 (Benign Envirnmental Biofilm)
예를들면 시냇가 근처 바위위에 생긴 미끄러운 코팅들, 배 선채의 코팅 등등. 이런 타입의 Biofilm들은 인간 질병을 유발하지 않지만, 부식을 일으키기때문에 산업에 문제를 일으킨다.
2. 의료 기구의 발병성 생물막(Pathogenic Biofilms on implanted medical devices)
Gram negative and Gram positive 박테리아를 포함한 다양한 종류의 박테리아가 사람 몸속에 이식된 의료 장비에 biofilm을 형성시킨다. 이런 박테리아는 인간성 감염과 질병을 유발시킨다. 이러한 의료 기구들은
a) urinary catheters (카테터)
b) heart valve implants
c) 혈액 투석 장비 (hemodialysis equipment)
d) 인공 치아 (dental implants)
3. 몸 표면위 발병성 생물막 (Pathogenic Biofilms on human body surface)
사람의 표면는 많은 다양한 종류의 biofilm이 형성되기에 적합한 환경을 가지고 있다.
많은 감염이 opportunistic pathogen에 의해서 일어난다. 주로 이러한 감염은 항생제로 치료하기 힘들정도의 만성 질병을 일으킨다.
a) cystic fibrosis; 낭포성 섬유 (CF) infection in the lung, caused by Pseudomonas aeruginosa
b) Tuberculosis (TB; 결핵) infection cause by Mycobacterium tuberculosis
c) Urinary tract infection caused by Escherichia coli
d) Ear infection (variety of bacteria)
e) Tonsillitis (variety of bacteria)
f) Oral biofilm;구강내 생물막. 이런 생물막은 지아우식증과 치우염을 일으키는 가장 주된 박테리아이고, 사람내 질병을 일으키는 생물막중 가장 많이 알려진 생물막이다. 구강내에는 수백가지 종의 박테리아가 집단을 이루고 있고 매우 복잡하게 되어있다. 예를들면 streptococcus 같은 종의 초기 colonizer 이후에 fusobacterium spp같은 박테리아가 그뒤를 따른다.
4. 인간의 건강을 해치는 환경성 biofilm (Evironmental biofilms that impact human health)
a)병원내에서 나오는 뜨거운 물이 Mycobacterium avium에 의해서 오염
b) Salmonella typhimurium으로 오염된 물
c) 양성의 biofilm은 스스로는 biofilm을 형성 시키지 못하는 발병성 박테리아를 attract, recruit and concentrate를 한다. 이것은 바이오테러리즘에 사용될수도 있다.예를 들면,cooper tubing에있는 biofilm은 탄저병을 유발시키는 Bacillus anthracis를 attract한다.
D. Biofilm의 항균성 저항과 지속
Biofilm의 제네럴한 특징은 항생제와 항균성 스트레서에 대해 planktonic 박테리아보다 10,000배 더 저항적이라는 것이다. 이러한 항생제 저항을 높여주는 요인들은:
1. The EPS: 복잡한 EPS layer로 둘려 쌓여있는 biofilm은 항생제가 biofilm안쪽에 있는 박테리아를 관통하는것을 지연 시킨다.
2. Nutrient and Oxygen availability: Biofilm안에 있는 박테리아들은 영양소와 산소에 영향을 받고, 표면 근처에 있는 박테리아들이 안쪽에 있는 박테리아보다 영양소와 산소를 쉽게 얻을수 있다. 그 결과, biofilm안쪽에 있는 박테리아들은 살아있지만, 신진대사는 활동적이지 않는다. 항생제는 metabolically 활동적인 박테리아한테만 effective하기 때문에 안쪽에 위치한 박테리아는 이러한 공격에도 살수있다.
3. 대사가 정지된 균 (persister cell): 때론, biofilm에 있는균들은 항균치료로 죽일수있다. 그러나 지속적인 항균작용과더 높은양의 투여에도 불구하고 biofilm에 있는 극소수의 균들은 살아 남는다. 이러한 균들은 주로 항균작용이 없을시 저항에 관련된 유전정보를 자손들에게 물려주지 않지만 이러한 특징은 생물막 안에의 셀들이 오랜기간동안 살수있게 해준다.
E. anti-biofilm 치료법에 관한 제약회사들의 새로운도안:
1) EPS합성 방해 (Interfering with EPS synthesis):예를들면, matrix가 생성되는걸 막는 화학약품을 의료장비에 코팅:
2) 표면에 biofilm이 붙는걸을 방지 (Inhibiting adherence of biofilms to their surface substrate):박테리아 세포의표면에 붙는 화학류를 찾고, biofilm이 형송되는걸 막는다.
3) autoinducer를 타켓: signal을 만드는걸 막는다.
IV. 숙주의 방어 체제
A. 감염에 대한 물리적, 화학적 방어
1. 피부:
피부는 keratin으로 이루어진 견고한 표피 (epidermis)로 이루어져 있다. 감염은 이런한 표피가 뚫렸을때 일어나는데 그예로써는, 찰과상, 상처 또는 벌레에게 물렸을때가 있다. 피부는 습기가 없고 주로 높은 salt농도를 가지고 있다. 피지선 (Sebaceous gland)는 fatty acid와 lactic acid를 분비함으로써 피부의 pH를 낮추고 microorganism이 자라는것을 막는다. 또한, 땀생에서 Dermcidin과 같은 antimicrobial 펩티드를 코딩하는 유전자가 있기 때문에, 땀으로 antimicrobial peptides가 분비되고 표피 표면으로 옮겨진다.
2. 상위 호흡기관 (Upper Respiratory Tract- URT):
코, 목구멍 그리고 귀를 포함한 상위 호흡기관은 하루에 10^4 또는 1분에 7마리 이상의 박테리아에게 노출이 된다.
URT에서 미생물에 의한 감염을 막는 가장 주된 방어막은 mucous-screting cell과 ciliated cell를 포함하고 있는 점막 (mucous membrane)이다=mucociliary system. 점액은 박테리아를 잡고 cilia를 통해서 URT밖으로 내보낸다.
또한, URT는 Neisseria meningitidis와 같은 opportunistic pathogen을 포함한 Normal Flora들이 많이 모여있는 곳이다. 혀와 목같은 이러한 곳은 몸에서 분비되는 antimicrobial peptide에 의해 부분적으로 보호 된다.
3.하위 호흡기관 (LRT)
LRT는 trachea, bronchial tubes 그리고 폐 안의 alveoli를 포함한다. 몸안의 이러한 부분은 주로 미생물이 존재하지 않다-normal flora가 없다. (sterile). 이곳에서의 host defence mechanism은 매우 뛰어나고 이런것들은:
a) Mucocilliary sytem은 삼켜지거나 기침으로 통해서 밖으로 내보낼수 있도록 목위로 올려보낸다. 담배, 술, 그리고 고령은 ciliated 표피의 기능에 영향을 미치고, 질병에 쉽게 걸리수 있도록 한다.
b) 폐는 ciliated membrane이 없기때문에 alveolar macrophage나 antibodies에 의해 보호 된다.
c) Lactoferrin, lysozyme과 같은 antimicrobial protein과 defensin, LL-37과같은 peptide들이 많이 있다.
4. 위장부위 Gastro-intestinal Tract
이러한 부위는 많은수의 normal flora들을 가지고 있다. 그럼에도 불구해도, GI tract의 물리적, 화학적 방어막은 감염성 생물들을 방해한다. 이러한 것들은 위장 산농도, 장운동 (박테리아가 자리를 잡기전에 밖으로 내보낸다), 그리고 normal flora의 microbial antagnism들이 있다.
B. Host Immune Defences:
1.Host의 면역 Defence는 이런것들을 포함한다:
a) Specific Adaptive Immune response
b) non-specific innate immune dence mechanisms
몇몇의 specific한 mechanisms은 이런 두가지 종류의 immune system에 공통적이다.
2. Non-specific immunce defence는 물리적, 화학적 방어막과 같이 호스트의 가장 첫번째 방어막이다. 가장 중요한 것들은:
a) Peptidoglycan과 같이 모든 박테리아가 공통적으로 가지고 있는 제네럴한 특징을 알아봄으로써 효과적으로 대응한다.
b) 선천적- 박테리아에 노출된적이 없어도 되고, pathogen에 노출된후 up-regulated될수있다.
c) 즉각적으로 효과적이고 빠르다.
3. 체액의 Antimicrobial component는 미생물에의한 감염에 즉각적이다.
i) 눈물, 침, 점액, 피, 그리고 림프액은 antimicrobial 물질을 가지고 있다. 주로:
a) lysozyme
b) Lactoferrin과 같은 철-결합 단백질(iron-binding protein)
c) Lactoperoxidase와 같이 singlet oxygen을 만듬으로써 박테리아를 죽이는 엔자임.
d) beta-defensin, LL-37과 같은 antimicrobial peptide.ii) 피 와 림프액은 생물 조직을 옮겨 다닐수있는 phagocytic cell (neutrophil, monocytes)들 가지고 있다. 많은 장기들 또한 resident phagocytes들을 가지고 있다. 예를 들어, alveolar macrophages.
iii) 체액의 가장 주된 antimicrobial 부분은 complement이다. complement protein은 serum에 들어있는 프로틴의 10퍼센트이며 활성화 될때:
a) 감염부위로 phagocytic cell을 모여들게한다.
b) 염증이 있는동안 histamine을 분비되게 한다.
c) opsonisation을 통해서 박테리아가 식균되게 한다.
d) 박테리아의 용해를 일으킨다.
C. 염증
염증은 상처나 부상에 대한 몸의 innate 면역체계들이 합쳐진것이다. 염증은 4가지 클래식한 증상으로 알수있는데:
a) Redness
b)Swelling
c)Heat
d)Pain
박테리아성 감염이 일어났을때 염증의 역활은:
a) 박테리아가 spread하는것을 막는다.
b) phagocytes를 모은다.
c) Phagocytic effectiveness를 높여준다.
d)데미지를 입은 조직을 repair한다.
1. Acute Inflammation (급성 염증)
a) 박테리아가 침입뒤 세포에 데미지를 입힌다. 그결과 complement가 활성화 되고 조직의 macrophages들이 모이게 된다.
b) complement pathway의 component들은 anaphylatoxin로써 혈액에 있는 basophil과 조직에있는 mast cell에 붙음으로써 histamine을 내보낸다.
c) histamine의 분비는 혈관이 확장되게 한다. 이것은 vasodilation이라고 부른다.
d) 넓혀진 혈관은 더 많은 양의 피가 상처가 난 조직로 흐르게 해주고, 더 많은 액체, phagocytes 그리고 안티바디와같은 proteins들이 가게해준다. 부어오른곳에 나오는 액체를 딱지(pus)라고 부른다.
e) 상처난 조직으로 가는 단백질중에 하나는 fibrinogen이다. complement pathway와 비슷한 경로를 따라가는데, 이것의 결과물은 섬유소 응고 (fibrin clot)이다. 이 섬유소 응고는 데미지를 입은 호스트세포의 주위에 벽을 침으로써 감염이 퍼지는것을 막는다.
2. 만성 염증은 감염과 그에따른 염증반응이 사라지지 않았을따 일어난다.
a)Lymphocyte에 의해 만들어지는 화학주성 물질 (chemotaxins)은 Monocyte이 감염된 조직으로 옮겨지고 그곳에서 macrophage가 될수있게 해준다.
b) 만성염증의 심각한 케이스는, 대식세포 (macrophage)가 사이토카인에 의해서 활성화 되는것이다. 활성화된 대식세포는 유독한 산소분자와 조직을에 데미지를 가하는 엔자임등을 만들어냄으로써 조직에 데미지를 준다.
d)만성 염증에서 만들어지는 cytokine은 열을 일으키게한다.
e) 장기화되는 만성 염증은 조직에 더큰 데미지를 입힌다.
몇몇의 박테리아는 만성염증을 일으키는 만성감염을 초래한다.
예를 들어, Helicobacter pylori균은 지구에서 가장 흔한 감염성 질병을 일으키는데, 이것은
위염 (gastritis), 위궤양 gastric ulcer그리고 십이지장 궤양 그리고 위암을 일으킨다. 또한 이것의 염증성 질병은 위벽을 손상시킨다.
V. 박테리아성 질병의 치료와 예방:
A. 살균제 (Chemotherapeutic Agent) 와 저항성 (Resistance)
- 소독제 (antiseptics)은 화학약으로써 무생물의 증식을 막고 죽이기 위해서 살아있는 조직에 뿌려진다. 이러한 약품은 손을 씻거나 표면에난 상처를 소독하는데 쓰인다.
- 살균제 (Disinfectants)는 화학약품으로써 살아있지않는 물건에 있는 미생물을 죽이는데 쓰인다. 대부분의 이러한 약품은 독하기 때문에 신체 안에는 쓰이지 않는다.
감염성 질병을 제어하기 위해서는 Chemotherapeutic agent라는 화학약품을 쓴다. 이러한 약품은 내상에 쓰인다. Chemotherapeutic agent의 가장 중요한 성질은 slective toxicity이다. 이말은 즉슨 신체에 큰 데미지를 입히지않고 미생물을 막거나 죽여야 된다. Chemotherapeutic agent중 박테리아를 죽이는것들은 항생제 즉 antibiotics이라고 부른다.
항생제는 작은화학 약품으로써 박테리아를 죽이거나 (bactericidal) or 직접적으로 죽이지는 않고 증식을 (bateriostatic) 막는다. Bacteriostatic 항생제의 농도가 낮아졌을때는 (Minimal Inhibitory concentration or MIC), 박테리아가 다시 증식하기 시작한다. 그방면에, bactericidal항생제 같은 경우에는 MIC밑으로 내려가도 박테리아가 다시 자라지 않는다. 항생제는 자연적세균의 활도에 의해 만들어지기 때문에 다른 제조된 약품 (sulfa 같은)것들과는 다르다. 많은 항생제들은 실험소에서 화학적으로 변경되고 semi-synthetic 항생제로 분리된다.
20세기에, 과학자들은 항생제를 만들거나 변형시키는 방법을 찾았다. 그결과, 현재 항생제는 natural, semi-synthetic 그리고 synthetic 항생제로 분류되어 있다.
병원에서 가장 흔하게 사용되는 항생제는 베타 렉탐들이다 (beta-lactams). 이것들 자연적으로 만들어지는 penicillin-like and cephalosporin antibiotics과 이것들의 많은 semi-synthetic derivatives 이루어져 있다. 이것들은 베타렉탐 링이라고 불리는 4개의 분자로 이루저진 링을 공통적으로 이루어져 있다.
박테리아 종류에따라 항생제와 다른 살균제에 반등하는 정도가 다른다. Gram Positive박테리아는 주로 Gram Negative박테리아보다 반응이 쎄다. Broad Spectrum한 항생제는 gram positive와 gram negative박테리아 둘다에 효과적이고, narrow spectrum한 항생제는 이중 한가지 그룹에만 효과적이다 (이것은 broad spectrum항생제가 실패했을때 쓰이거나 아니면 특별한 mycobacterium tuberculosis와같은 특별한 무생물에 쓰인다.)
효과적인 항생제 효과를 얻기위해서는 :
a) 감염도니 부위에 잘 갈수있는 체액에서 농도- solubility in body fluids with good penetration to the infection site
b) MIC에서의 효과= effectiveness agains bacteria at a low concentration
c) a broad spectrum of activity
d) 박테리아의 내성을 최소화- low frequency of resistance developement
e)신체 안에서 breakdown잘 안됨- low rate of breakdown or excretion in the body
f) 낮은 독- low toxicity
g) 몸에서 well-tolerated- in the body
h)알러지를 일으키지 않음- non-allergenic
모든 항생제가 이러한 최적의 속성을 가지고 있는게 아니지만, 안전하고 효과적이게 쓰일수있는 약들이다.
의학에서 쓰이기 위해서는 환자의 세포에 영향을 미치지 않고 박테리아를 막아야된다. 예를들어, 항생제는 일반적인 세포에서는 쓰이지 않는 박테리아의 metabolic process를 타겟하거나 박테리아 고유의 단백질을 타겟한다.
화학요법으로 박테리아를 죽이거나 증가하는 것을 막는 메케니즘은 많은 다양한 종류가 있다. 예를들어,
a) Peptidoglycan이 만들어질 때 transpeptidation rxn을 막음으로써 박테리아의 세포벽이 만만들 지는 것을 막는다. 예를들어: beta-lactam antibiotics
b) 세포막을 무너트린다 예를들어, polymyxins
c) 리보솜에 달라 붙음으로써 프로틴이 생성되는 것을 방해하고 기능을 방해한다.
예를들어, erythromycin, tetracyclines and the new oxazolidinones. 이러한 약들은 리보솜에 달라붙고 제 기능을 못하게 한다. Gentamicin같은 aminoglycosides는 프로틴이 만들어지는것을 방해하지만 이것의 메케니즘은 더 복잡하다.
d) 자이레이스 (gyrase-DNA의 이중나선을 다시 꼬이게 하는 것)의 기능을 방해 예를들어 nalidixic acid와 ciprofloxacin
e) Transcription을 막음으로써 DNA-directed RNA Polymerase의 활동을 방해한다 예를들어 rifamin
f) Folic acid의 매케니즘을 막는다 예를들어 sulfonamides and trimethoprim
진핵생물의 마이토콘드리아와 같이 박테리아와 비슷한 종류의 리보솜을 가지고 있는 organelle 들이 있다. 하지만, 그럼에도 불과하고 안티바이오틱을 쓰는 이유는 이 약에 들어있는 성분이 이러한 organelle 의 기능을 막을만큼 많지 않기때문이다.
B. 항생제의 성공
항생제는 현대 의학에 가장 중요한 성공적인 사례이다. 콜레라, 결핵,폐렴, 그리고 성홍열과 같이 인류에 큰 재앙을 가져다 주었던 질병들이 항생제를 사용함에따라 치료하기 쉬워졌다.
C. 내성
내성이란 (antibiotic resistance), 원래 항생제에 면역이 없었던 박테리아가 면역을 얻게되는 것을 말한다. 박테리아성 질병의 내성은 1940년대에 처음 항생제를 쓰고나서 얼마 안가서 보여졌다.
모든 항생제가 모든 미생물을 죽이는것은 아니다. 어떤 박테리아는 항생제가 타켓으로 하는 구조가 없어서 자연적으로 내성이 생기던가 아니면 타켓이 약을 받지 않던가 너무 빨리밷어내서 내성이 생긴다. 예를 들어서, 폐렴을 일으키는 mycoplasmas는 펩티도글라이칸이 없기때문에 페니실린에 내성이 있다. 또한, oxazolidinone같이 소수성 (hydrophobic)한 약들은 너무 빠른 유출량 때문에 gram-negative 박테리아를 죽일순 없다.
대부분의 항생제를 만들어내는 미생물들은 자기들이 만드는 항생제에 내성을 담고있는 유전자 정보를 가지고 있다. 이것은 항생제의 구조나 타켓을 변경하거나 박테리아 자신들의 cytoplasm에서 없애는 방법을 가지고있다. 이런 박테리아들이 자기 종족외의 다른 박테리아와 Horizontal gene transfer (conjugation, transduction, transformation and transposition)을 한다면 이러한 박테리아는 항생제에 내성이 생기게 된다.
변성이나 selection을 통해서 항생제에 대한 내성이 생길수 있다. 예를들어, 만약 변성이 박테리아의 구조나, 신진대사 또는 외막의 투수성을 변형시킨다면 박테리아는 내성을 가질수가 있다. 이러한 내성은 Vertical gene transfer을 통해서 자손들에게 전해질수 있고 이것은 박테리아 종족 전체가 항생제에 내성이 생기게 한다.
많은 박테리아가 항생제가 작용을 하기전에 세포 밖으로 내보낼게하는 non-specific efflux 펌프를 가지고 있다. 또한 미생물들은 항생제가 타켓에 도달하기전에 무력화 시키는 엔자임을 가지고 있다. 몇몇의 그램 네게티브 박테리아는 내막의 투수성이 적고, 항생제를 무력화시키는 엔자임을 가지고 있고 efflux모두를 가지고 있다.
항생제에 노출시키는것이 내성을 키우는것은 아니다. 항생제에 내성이 생길수있게하는 변화는 자연적으로 변성이나 genetic recombination을 통해서 얻을수 있다. 자연적인 프로세스를 통해서 항생제에 더 내성이 있는 생물을 찾아내는것이다.
내성은 자연적으로 일어날수도 있지만 항생제의 납용은 항생제에 내성이 있는 박테리아가 빨리 나타나게 한다. 한 설문조사에서는 병원에서 쓰이는 항생제는 필요양보다 더 많이 쓰인다고 나왔다. 예를 들어 환자들이 항생제가 필요로 하지도 않는 질병에대해서 의사한테 항생제를 처방해달라고 한다. 의사들은 때때로 환자들에게 불복해서 환자의 요구를 들어주고 환자의 질병을 테스트하는 검사를 무시하고 처방전을 써준다. 한 정보에 따른 항생제가 효과를 본것은 20퍼센트 뿐이지만 80퍼센트가 항생제를 처방 받는다. 또한, 50퍼센트가 항생제의 투사적량과 기간을 잘못되게 전달해준다.
문제를 더 더해서, 많은 사람들이 그들의 처방전을 맞게 따르지 않는다. 많은 환자들이 자신들이 조금 낫다고 생각하자마자 양을 복용하는것을 막는다. 그결과, 악성 박테리아들은 치사량보다 적은 항생제에 노출되고 살아 있게 됨으로써 항생제에 대한 내성이 생기게된다. 다음번에 항생제를 사용할시, 몸안에 있는 내성이 있는 박테리아를 제외한 나머지가 죽게 되기 때문에 이 내성이 있는 박테리아는 더 번성하게 된다. . 다음번에 한생제를 쓸때에는 약이 듣지 않게 된다. 예를 들어 isoniazid-resistant M.Tuberculosis는 환자들이 일년동안 약을 복용하지 않았기때문에 생기게 된다.
병원 또한내성이 생기는데 큰 영향을 미친다. 많은 케이스에서, 수술중에 감염을 막기위해 과량의 항생제를 쓴다. 또한, 개발도상국에서는 항생제가 처방전 없이 구할수있다. 이러한 내성이 있는 박테리아가 지난 20년동안 급속도록 증가했다. 이러한것의 결과로 하나는 의사들이 환자들을 제때 제대로 치료할수 없다는 것이다.
항생제를 가장 잘못쓰고 있는 것은농업니다. 대략 50퍼센트의 항생제가 농업에 쓰이고 대략 90퍼센트의 항생제가 가축을 크게 자라기 하게 하기위해서 쓰인다. 이것은 음식이나 동물을 통해서 사람에게 전달될수있는 박테리아의 내성을 키우게 된다.
D. 항상제를 사용후의 결과.
몇몇의 사람들은 항생제를 사용후 부작용(side effect)를 겪는다. 항생제마다 부작용을 다르다. 항생제의 부작용을 약하거(졸림, 어지럼증, 복통) 이나 심각할수도 있다 (장기손상또는 장기복용으로 인한 청각 손실). 흔하지는 않지만 죽음을 초래할수도 있다. (페니실린에 대한 알러지) 항생제를 이용한 박테리아성 감염을 치료할때 악성 박테리아뿐만 아니라 normal flora또한 죽인다. 예를들어, 입을 통해서 항생제를 복용시, 소화기관에 있는 normal flora들에게 영향이 미치게되고, opportunistc pathogen들이 증식을하게 된다. 이것은 소화기능에 영향을 미치고 설사를 일이킨다. 항생제 복용이 중지 될때 소화기관의 normal flora 들이다시 증식하게 된다.
E. 글로벌 위기.
모든 타입의 항생제에도 말을 듣지 않는 슈퍼버그가 나타났다. (MRSA-methicillin-resistant Staphylococcus aureus, VRE: vancomycin-resistant Enterococcus; imipenem resistant Pseudomonas aeruginosa, penicillin resistant Streptococcus pneumoniae). 이러한 슈퍼버그는 많은 항생제에 내성을 갖게 된다.
Methicillin은 합성 페니실린 (semi-synthetic penicillin)이다. 초기에는, 메티실린은 박테리아성 감염에 효과적으로 보였지만 1970 중반부터 이약에 내성을 가지고 있는 박테리아들이 출연하기 시작했다. MRSA는 이제 병원에서 가장흔한, 여러 항생제에 내성을 가지고 있는 병원균이다. 그리고 많은 MRSA케이스는 현재 가지고있는 항생제로는 치료가 불가능한 상태이다.
벤코마이신 (vancomycin)은 glycopeptide로써, 박테리아의 세포벽이 만들어지는것을 방해한다. 이것은 매우 중요한 항생제이다. 멘코마이신은 주로 항생제의 마지막 보루이다. 이것은 박테리아가 많은 종류의 항생제에 면역성을 보일때 쓰이는 마지막 항생제이다. 1996년대부터 벤코마이신에 내성을 보이는 staphylococcus와 streptococci infection이 보고 되기 시작했다.
항생제에 대한 내성은 비용이 많이 든다. 예를들어서, 일반적인 tuberculosis를 치료하는데 1200불이 들지만 내성이 있는 tuberculosis를 치료하는데는 환자당 400,000불의 돈이든다. 그리고 치사량도 높다.
최근 미국의 연구에 따르면 200만명이 넘는 환자들이 병원에서 항생제에 내성이 있는 박테리아에 감염이 되고 구만명의 환자들이 항생제로 치료가 될수없어 죽을것이다.
지는5년간 두종류의 새로운 항생제가 병원에 도입된다. Linezolid (단백질 생성을 막는 oxazolidinone종류중 하나)는 1999년도에 처음 도입 됬지만 bacteriostatic이고 값비싸고 limited spectrum이고 이미 이약에 내성이 있는 박테리아들이 생겨났다. 이것은 혈액, 폐 그리고 피부에 있는 감염을 치료하는데 쓰인다. Daptomycin (a cyclic lipopeptide which is causes the deplorization of the cell membrane potential)은 작년에 처음 도입됬다. 이것은 복잡한 피부성 감염을 치료하는데 쓰이고 정맥을 통해서 투입된다. 이것은 MRSA감염을 치료하는데 쓰인다.
F. 백신.
백신은 면역학에서 중요한 어플리케이션이다. 면역은 미생물의 부유물이나 아니면 미생물의 일부분은 투여하거나 노출시킴으로서 면역체계를 높여준다. 백신은 질병을 막아주지만 감염은 막지못한다. 백신은 첫번째 면역반응을 일으킴으로써, 병원균에 노출될때마다 더 강하고 빠른 면역체계를 이루게 하고 병원균이 자라지 못하게 한다. 백신은 병원균에게 노출되기 전이나 노출된후에 투여되는데 질병이 생기기 전이다. 공중위생이 개선됨에 따라, 백신은 감염에 인한 질병의 치사량 (infectious disease-induced mortality)을 매우 낮추었다.
백신은 다음과 같은것으로 이루어져 있다.
a) 죽은 유독한 박테리아,
b) 무독한 mutants of 악성 박테리아
c) 미생물의 겉 부분 (capsule, outer membrane proteins )
d) 변성 독소 (toxoids=detoxified toxins)
병원균에 대한 면역은 아마도 다음과같은 이유 때문이다:
a) active immunization: 특정한 면역반응을 일으키기 위해서 사람에게 백신을 투여한다. 예를들어 antibody나 세포의 면역 방응. active immunization은 주로 사회또는 인구 전체의 레벨에서 이루어 진다.
2) passive immunzation: 감염된 사람에게 특정한 박테리아나 박테리아 부분은 타켓으로 하는 이미 만들어지 안티바디를 투여한다. hyperimmune gamma globulin이 몇몇의 질병에 쓰이지만 현재 사람에게는 쓰이지 않는다. (보툴리누스 독소에 노출 됬을때 응급처치 용으로 쓰이기도 한다.)
Case Study:
Mycobacterium tuberculosis-항생제가 쓰이고,항생제에 대한 면역성이 발달 되는것과 백신에 대한 예이다.
1. 감염: M. Tuberculosis는 주로 폐를 감염시키는 결핵을 일이킨다.이 생물은 사람과 사람간에 직접적으로 퍼진다. M. tuberculosis는 폐에서 inflammatory reaction을 일으키고 phagocytic cell이 박테리아를 식균하게된다. 박테리아는 macrophage세포에 들어가서 살아남고증식 함으로써 폐에더 퍼지게 한다. cell-mediated immunity가 유발되지만 박테리아를 없애는데 완벽하지 않다. 박테리아는 수면상태로 폐에 남아있으려고 한다. 결행의 재발은 빠르고 치명적인 감염이 일어나게 한다.
2. 유행: 현재 미국에는 3만명이 넘는사람이 감염되 있다. 이 질병은 특히 미국의 큰도시에서 사는 가난한 사람들과 에이즈 환자에게 흔한다. 예를들어 뉴욕. M. tuberculosis로 죽는사람들은는 어림잡아 개발도상국 나라에서 사망하는 사람들의 5퍼센트이다. 이숫자는 병원체 하나로 인해 죽게되는 사람들중 제일 크다.
3. 치료: M. tuberculosis를 치료하기위해서는 9-12개월의 장기간 치료가 필요하고 여러 종류의 항생제가 필요하다. 하지만 박테리아는 이미 가장많이 쓰이는 항생제인 isonizid에 대한 내성을 가지고 있고 몇몇환자들은 현재 가장 많이 쓰이는 항생제들에게 내성을 가지고있는 박테리아에 감염되 있다. 이것은 질병으로 인한 치사량을 높였다.
4. 백신: tuberculosis에 쓰이는 백신은 Mycobacterium Bovis (BCG)병원체이며 m.tuberculosis와 흡사한 antigen을 가지고 있다. 백신은 M.tuberculosis에 대한 중재된 면역 반응을 초래한다. 백신의 실용성은 논점이다.
VI. 박테리아성 병원체의 분리와 확인
의학에서 클리니컬 세균학자들의 역활은 환자로부터 축출된 감염을 일으키는 원인체를 48시간 안에 찾는것이다. 감염체를 초기 identification하는것이 중요한 이유는:
i) 바로 올바른 치료가 이루어진다면 질병의 severity와 지속시간을 최소화 시킨다.
ii) 감염 치료에 맞는 가장 적당한 항생제를 알아낼수있다.
iii)병원에서 일어나는 전염병의 언인을 찾을수 잇다.(오염된 도구, 병원직원의 옳지않은 살균)
환자 진료후 의사는 환자의 감염된 곳으로 부터 샘플을 받아낸다. (피, 소변, 뇌척수액, 고름).이 specimen이 올바른 감염된곳에서 받아져지고 충분한접종원 (inoculum)을 얻기위해 조심히 받아져야된다. 또한, 또한 병원체가 랩으로 옮겨지는동안살아 있어야되기때문에 박테리아의 신진대사에 맞는 필요한것들이 있어야되고,마지막으로 specimen을 최대한 빨리 분석해야된다.
1. 현미경
몇몇 박테리아의 기초적인 진단은 특정한 staining 기술과현미경을 통해서 알아낼수 있다. 가끔 이런한 테크닉은 호스트 밖에서 박테리아를 키울수 없기때문에 매우 중요한 진단 도구 잇다. 하지만, 환자로 부터 얻는 샘플에는 다른 미생물들도 있기 때문에 질병을 일이키는 병원체를 찾을수 없을수도 있다. 이럴때에는 growth media를 이용해서 더 많은 테스트를 한다.
2. Growth-dependent Indentification Methods
만약 microbiological 방법을 이용해서 진찰하기 위해서는, 무균의 swab을 이용해서 셈플을 얻고 그 swab은 곧바로 agar 접시나 liquid culture medium에 바로올려진다. primary isolation media는 주로 blood agar같은 general purpose media이다. Blood agar은 거의 모든 호기성 박테리아나 facultative 무산소 박테리아가 자랄수 있게 한다. Enriched media는 까다로운 물질대사를 가지고 있는 박테리아를 배양할때 필요할수 있다. Enriched media는 특정한 병원균이 자라는데 필요한 특정한 성분을 가지고 있다.
하루나 몇일의 인큐베이션후, 분리된 colonies들이 agar plate 표면위에 나타난다. 분리된 colony는 각각 백만개의 박테리아 세포로 이루어져 있다. 이러한 colonies들의 크기, 모양, 색깔 그리고 용혈성 작용 (if grown on blood agar) 을 확인하는것은 박테리아를 구분하는 가장 중요한 첫번째 단계이다. 박테리아가 성장하는데 산소가 필요한지 안한지를 구분하는것도 또다른 중요한 구분 방법이다.
clinical isolate의 구분방법은 흔히 다양한 growth-dependent assay를 이용해서 행해진다. 이러한 방법들은 박테리아의 형태나, 신진대사의 특징을 이용해서 안다.
다양한 종류의 specialized media는 의심되는 병원체를 따로 키우는데 쓰인다. 주로, 시중에는 동시에 다양한 media에서 키울수 있는 kit이 따로 있다. 의심되는 병원체의 성장에 의한 carbon source를 이용한 신진대사 활동은 pH를 바꾸거나 안할수 있고, indicating dye의 색깔을 바꾼다. 이러한 개개인의 시험은 catabolism에 필요한 어떠한 enzyme이 있는지 없는지 확인하는데 쓰인다. 많은 병원체의 특정한 반응은 이미 실험되어지고 데이타 베이스에 입력되어 있다. 임상실험의 결과가 알려지고 그정보는 데이타베이스에 입력됨에 따라 거기에 맞는 pathogen을 알려준다.
selective media는 특정한 박테리아의 성장을 막는 compound로 이루어져 있다.
Differential media는growth media에서의 병원체의 외관을indicator dye를 사용해서 알려준다. 어떤 growth media는 selctive하고 differential하다.
