제1장 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 사슬알균 (Streptococci)은 증식 중의 특징적으로 쌍 또는 사슬모양의 그람양성 알균 으로 catalase 음성, 통성혐기성균이며, 보통 한천배지에서는 발육이 어렵고 혈액이나 혈청 등을 첨가한 배지에서 잘 발육한다. 포도당이나 다른 탄수화물을 분해하나 포도당 을 분해하여 가스를 생성하지 않는다. 이들은 최소 25종 이상의 세포외 물질 및 효소를 생산하며, 또한 여러가지 형태로 적혈구를 용혈하는데 이 용혈능력은 사슬알균을 분류 하는데 중요한 기초가 되고 있다. 이 균은 우유, 유제품, 야채, 물, 먼지등 자연계에 널리 분포되어 있으며, 일부는 사람의 정상세균 총이며, 나머지는 사슬알균 감염이나 감작으 로 중요한 사람의 질환과 관련되어 있다. 분류는 만족할 만한 단일 분류방법이 없으며, 혈액한천 배지에서의 집락형태와 용혈 성, 세포벽 군 특이물질 (groupspecific substance)의 혈청학적인 특이성, 생리 생화 학적 검사 및 물리 화학적 인자에 대한 저항성 등의 특성을 근거로 사슬알균 종을 분류 한다 [1]. 혈액한천 배지에서 베타 용혈성을 보이는 사슬알균은 평판 배양시 집락을 쉽게 인지 할 수 있는 가용성 용혈소를 생성하며 군 특이 탄수화물을 만든다. 이때 생성된 탄수화 물인 C다당체 (Cpolysaccharide)를 함유한 산 추출물은 군 특이 항혈청과 침강반응 을 일으키기 때문에, 이에 의해 A~H 군 그리고 K~V 군으로 분류할 수 있다 (Lancefild 의 분류). 그러나 혈액 평판배지 상에서 작은 집락 (0.5 mm 미만)을 형성하는 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 221
Anginosus group은 A, C, F, 및 G군에 대한 Lancefild 항원을 갖고 있으나 각각의 단일 군 항혈청에 대하여 특이성을 가지고 있지 않으므로 이러한 균주들은 생화학적 검사로 감별 된다 (표 1). 또한, 혈액한천 배지에서 흔히 α 용혈이나 용혈을 나타내지 않는 사슬알균은 혈청학적으로 분류할 수 없는 균종으로서 생리 화학적 검사로 감별 된다 [4] (표 2). 표 1. β 용혈성 사슬알균의 감별 a Lancefield group Colony size Species PYR VP CAMP BGUR A Large b S. pyogenes + NA A Small Anginosus group + NA B S. agalactiae + NA C Large S. dysgalactiae subsp. equisimilis + C Small Anginosus group + F Small Anginosus group + NA G Large S. dysgalactiae subsp. equisimilis + G Small Anginosus group + Nongroupable Small Anginosus group + NA a:symbol and abbrevation:+, positive,, negative, NA, data not available b:large colony:직경 0.5 mm 이상 Small colony:직경 0.5 mm 미만 자료원:Manual of clinical microbiology, Streptococcus, 2003. 표 2. β 용혈성을 보이지 않는 사슬알균의 감별 Species Optochin susceptibility Bile solubility Bile esculin S. pnuemoniae + + S. bovis + Other viridans group streptococci 자료원:Manual of clinical microbiology, Streptococcus, 2003. 사슬알균 균속에는 S. pyogenes 외 30여종이 알려져 있으며, 임상적으로 중요한 균 종은 β 용혈을 일으키는 S. pyogenes 와 α 용혈성 사슬알균인 S. pneumoniae 이며, 각 group의 대표적인 감염증은 표 3과 같다. 222 감염병실험실진단 제1부 세균질환
표 3. 사람에게 질병을 일으키는 주요 사슬알균 감염증 균종 군 특이물질 용혈성 서식처 주요질환 S. pyogenes A 베타 인후, 피부 S. agalactiae B 베타 Female genital tract S. dysgalactiae subsp. equisimillis C, G 베타(사람감염), 알파, none 인후 인후염, 농가진, 류마티스열, 사구체신염 신생아패혈증, 수막염 인후염 S. pneumoniae None 알파 인후 폐렴, 수막염, 심내막염 자료원:Manual of clinical microbiology, Streptococcus, 2003. Streptococcus pyogenes 병원체 1. 일반적인 특성 그람 양성으로 구형 또는 난형이며 직경 0.6~1.0 μm 크기로 연쇄를 이루고 있으며 고형배지보다 액체배지에서 전형적인 연쇄상을 볼 수 있다. Catalase, oxidase 음성으로 통성혐기성이며, 포도당을 이용하여 발효하며 가스는 생 성하지 않는다. 주요 대사 최종산물로서 유산를 생성하고, leucine aminopeptidase인 pyrrolidonyl arylamidase (PYR)을 생성한다. 주요 독소형은 Pyrogenic 외독소 A, B, C 가 있고 가용성이며 1 시간동안 끓이면 파괴된다. 이 독소는 성홍열 발진의 원인물질 이며, 독소를 생산하는 균주만이 성홍열을 일으킨다. 2. 면역학적 특성 면역성은 감염 된 균의 M 단백형과 관계가 있으며, 다른 M 단백형에 의해 감염될 수 있다. M 단백형은 백혈구의 식균작용을 방해하며, M 단백형 특이 항체가 존재하면 S. pyogenes는 백혈구에 의해 쉽게 탐식된다. Pyrogenic 외독소에 의한 면역은 혈중 의 항독소로 나타난다. 이 항독소의 면역성은 성홍열의 발진에 대해 방어하나 S. pyogenes 감염에는 효과가 없다. Streptolysin O에 대한 항체 Antistreptolysin O (ASO)는 S. pyogenes 감염에 의해 생성된다. ASO가 높을 때 (250 unit 이상) 최근 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 223
감염, 또는 재감염을 나타낸다. 3. S. pyogenes 의 주요항원 물질 1) 군 특이 세포벽 항원 (groupspecific cell wall antigen ; C다당체):이 물질은 많은 S. pyogenes의 세포벽에 함유되어 있으며 혈청군 (Lancefild group A~V) 분류의 기초를 이룬다. 2) M 단백질:이 물질은 S. pyogenes의 독력 (virulence)과 밀접한 관계가 있으며 주로 무광택 또는 mucoid 집락을 만드는 균에 존재하며, 인공배지에서 오래 계대 하면 소실되기 쉽다. M 단백질은 S. pyogenes 의 형 특이성을 결정하며 형 특이 흡수혈청과 침강반응 또는 응집반응으로써 증명된다. A군에는 100종 이상의 형이 있으며 아라비아 숫자로 표시한다. 사람에서 M 단백 에 대한 항체는 특이형의 S. pyogenes 의한 감염에 대하여 방어효과가 있다. 3) T 단백질:이 항원은 S. pyogenes 의 독력과는 관계가 없다. T 단백질은 S. pyogenes 을 단백질 분해효소로 소화함으로써 얻어지며 S. pyogenes 의 표현형 분류에 이용 된다. 4. S. pyogenes의 주요 독소 1) Streptolysin O:단백질 (분자량 60,000)이며 환원상태 (SH 화합물을 사용)에서 는 용혈 활성을 발휘하지만, 산화되면 신속하게 불활화한다. Antistreptolysin O 는 streptolysin O를 생산하는 S. pyogenes에 감염된 사람에게서 출현하는 항체로 서 streptolysin O에 의한 용혈을 저지하며 이러한 현상을 이용하여 항체정량에 사 용하고 있다. Streptolysin O는 antistreptolysin O와 정량적으로 결합한다. 혈청 중에 antistreptolysin 값이 200 단위 이상일때 비정상으로 간주되며, 최근에 사슬 알균에 감염되었거나 혹은 이전에 감염되었을 경우 200단위 이상의 높은 항체값이 지속된다. 2) Pyrogenic exotoxins AC (erythrogenic toxin:발적독) 이 독소는 가용성이며 1시간 이상 물에 끓일 경우 파괴된다. 발적독은 성홍열 발진 의 원인 물질이며, 이 독소를 생산하는 균주만이 성홍열을 일으킨다. Temperate phage의 genome을 가지고 있지 않는 균주는 독소를 생산하지 않는다. 독소 생산 능력이 없는 S. pyogenes 이라도 용원화 변환을 하면 발적독을 생산하게 된다. 224 감염병실험실진단 제1부 세균질환
임상증상 S. pyogenes 에 의한 감염증은 주로 사람에게 인두염과 표피의 국소감염 (농피증)뿐 만아니라 적절한 치료를 하지 않을 경우 류마치스열 및 급성사구체 신염등의 비화농성 합병증을 일으키며, 또한 산욕열, 패혈성 성홍열, 균혈증, 단독등의 다양한 침습성 감염 을 일으킨다 (표 4). 본 장에서는 S. pyogenes에 의한 감염증중 전염성이 강하여 우리나라 법정 제 3군 전염병으로 등록되어 있는 성홍열에 대한 임상증상과 역학적 특징을 소개하고자 한 다 [3]. 표 4. S. pyogenes 와 연관된 질병 가장보펀적인 질환 (Most common) 인두염/편도선염 성홍열 농가진/농피증 봉와직염 보편적인 질환 (Less common) 독성쇼크 증후군 편도주위의 농양 유양돌기염 부비동염 중이염 단독 폐렴/축농증 산욕 패혈증 수막염 심내막염 직장염 외음질염 비화농성 합병증 (Nonsuppurative sequelae) 급성 류마치스열 급성 사구체신염 자료원:Bacterial infection of Humans:Epidemiology and control, 1999. 성홍열은 (Scarlet fever) 갑자기 시작되는 발열 (39 이상), 인두나 편도의 삼출성 염증, 경부림프절염, 연구개의 발적종창, 점상출혈, 인두나 편두통이 있으며, 발진은 주 증상이 있은 후 12~48 시간 뒤에 선홍색의 작은 구진이 목, 겨드랑이, 사타구니에 생겨 몸통이나 사지로 퍼져 나간다. 특징적인 것은 발진이 얼굴에는 돋지않고 뺨에 홍조가 있으면서 입술주위가 창백해지며, 피부 소양감을 동반한다. 발진의 지속은 2~4일에 최 고에 달하고 체온의 하강과 함께 없어지기 시작한다. 본 질환의 합병증으로는 중이염, 유양돌기염, 림프절염 등의 화농성 합병증과, 류마티스열, 류마티스성 심장병, 급성사구 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 225
체신염등의 비화농성 합병증 (2차증)이 있다. 역 학 온대지역에서는 보편적이나 아열대 지역에는 많으며, 열대지역에는 비교적 적게 발 생한다. 일반적으로 한냉지역에 많고 겨울에 다발한다. 우리나라에서는 전국적으로 발 생하고 있다. 질병관리본부 통계에 의하면 2001년 49명, 2002년 54명, 2003년 104명으 로 꾸준하게 환자발생이 계속되고 있으며, 보고 되지 않는 증례 까지 합하면 이보다 훨 씬 많을 것으로 생각된다. 감염원은 급성기 또는 회복기 환자의 코, 인두 및 화농성 질환부의 분비물이며, 병원 소는 사람이다. 전파양식은 주로 호흡기 분비물에 의한 직접 전파에 의한다. 환자의 기 도로부터 비말에 의해 콧물, 재채기, 기침을 할 때에 소수적 (droplet)의 형태로 다른 사람에게 전파된다. 잠복기는 1~3일이고, 호발연령은 학령기 (5~15세)에 가장 많으며, 3세 이하와 성인 에서는 적다. 불현성 감염의 빈도는 확실하지 않으며, 건강한 학생에서의 보균율은 시 기와 장소에 따라 다르지만 우리나라의 경우 8.5~18.5%로 흔한 편이다. 예방 및 관리 1) 특이적인 유효한 예방법이 현재로는 없다. 성홍열 자체는 항균제에 비교적 잘 듣는 편으로 환자를 조기에 발견하여 치료하는 것이 중요하며, 특히 비 화농성의 합병증 을 예방하는 것이 중요하다. 따라서 S. pyogenes의 신속한 진단법을 표준화하여 전 국 보건 환경연구원 및 보건소등 공공 일선 보건 의료기관에 보급함과 동시에 미생 물학적 검사를 위한 체계를 정비하여 관리한다. 2) 치료는 페니실린을 적절한 농도로 조직내에 10일간 유지할 필요가 있으며 benzathine penicillin G 240만 단위를 근육내 투여한다. 페니실린에 알레르기가 있는 환자의 경우에는 에리스로마이신이나 클린다마이신등의 macrolide계 항균제가 권 장되고 있으나 현재 세계적으로 에리스로마이신에 대한 내성균이 증가하는 추세이 므로 주의를 요한다. 3) 류마티스열에 걸렸던 사람의 예방적 화학요법으로 benzathine penicillin G를 3~4주 226 감염병실험실진단 제1부 세균질환
마다 근육주사를 하거나 또는 경구 페니실린이나 sulfonamide를 매일 투여한다. 첫 번째 류마티스열은 드믈게 심장에 큰 손상을 주지만, 이러한 사람들은 류마티스 활 성을 촉진하고 심장 손상을 일으키는 사슬알균 재감염이 잘되므로 이러한 경우에는 예방적 화학요법을 수년 동안 지속하여야 한다. 실험실 진단 S. pyogenes 를 분리동정하기 위한 검체는 감염증의 성질에 따라 다르며, 주로 인후 도찰물, 비강도말, 농분비액, 혈액 등이 될 수 있으며, 각 검체별 채취방법은 감염병 실 험실 진단 일반시험법 (검체채취 및 보존)을 참조한다. 1. 검사방법 1) 증균배양 S. pyogenes의 증균은 선택적이다. 인후 상재균 때문에 증균배양은 잘 시행하지 않 으며 분리배지 및 선택배지에 직접 접종하는 것이 보다 효과적이다. 증균이 필요할 경 우 Todd Hewitt broth 및 Tryptic soy broth (TSB) 등을 사용하여 35~37 에서 18~24시간 배양한다. 2) 분리배양 분리배양은 5% 혈액이 함유된 혈액한천 배지에 접종하여 35~37, 18~24시간 배 양한다. 혈액한천 평판배지에서 배양한 후의 집락은 약 0.5 mm 직경의 투명 또는 반투명 및 반구형이며 매끈하다. 또한 용혈을 보이는 집락은 일반적으로 균체 집락의 직경을 중심 으로 주위에 2~4배 정도의 완전용혈 (β)이 나타난다. 3) 선택배양 보통의 혈액한천배지에 항균제 (colistin, nalidixic acid)를 첨가한 Columbia 혈액한 천배지를 사용한다. 선택배지의 조성은 검체 종류에 따라 선택물질 (selective agent)의 사용을 달리 할 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 227
수도 있다. 1 비 인후 검체:혈액한천배지에 Crystal violet (1 μg/ml)을 첨가하면 포도알균의 성 장이 억제된다. 또한 Tryptic soy agar (TSA)에 sulfamethoxazole (23.75 μg/ml) 과 trimethoprim (1.25 μg/ml)을 첨가하면 포도알균, viridans 사슬알균 및 그람음 성 간균을 억제하고 베타 용혈성인 S. pyogenes 균을 용이하게 검출할 수 있다. 2 창상 및 화농 검체:혈액한천 배지에 네오마이신 (30 μg/ml) 혹은 nalidixic acid (15μg/ ml)와 폴리믹신 (10 μg/ml) 을 첨가하여 사용하면 그람음성 간균의 성장을 억제하 여 S. pyogenes 의 집락을 용이하게 검출할 수 있다. 4) S. pyogenes균의 보관 혈액한천 사면배지에 계대하여 마개를 꼭 막은 후 4 에 보관하면 3~4개월간 생존 한다. 균을 장기간 보관 시에는 BAP에서 18~24시간 순수배양된 집락을 20% glycerol 이 함유된 TSB에 현탁시켜 70 에 보관한다. 2. 분리동정 S. pyogenes 의 동정은 일반적으로 그람염색성, catalase 생성, 혈액 한천배지상에 서의 용혈반응, 바시트라신 감수성, 그리고 pyrrolidonyl arylamidase (PYR) 활성등에 의한 시험으로 추정 동정한다 (표 1 참조). 1) 예비동정 시험 그람염색, catalase 생성시험 및 혈액한천 배지상에서의 용혈반응 등으로 예비 동정 하며, S. pyogenes 는 그람양성 알균으로 catalase 음성이며, 혈액한천 배지에서 β 용 혈을 나타낸다. 2) 확인동정시험 1 바시트라신 감수성 시험 순수배양된 시험균주를 혈액한천 평판배지에 멸균된 면봉이나 백금이를 사용하여 고르게 펴서 접종한 후 바시트라신 디스크 (0.04 unit) 를 올려놓고 35~37 에서 18~24시간 배양한다. 배양된 평판을 관찰하여 디스크 주위에 14 mm 이상의 억제 대가 있으면 S. pyogenes로 추정할 수 있다. 228 감염병실험실진단 제1부 세균질환
2 PYR 시험 이 실험은 세균의 pyrrolidonyl arylamidase의 활성여부를 검출하는 시험으로 베타 용혈성 사슬알균중 S. pyogenes가 이 효소를 생산하여 다른 사슬알균과 감별된다. 이 실험은 바시트라신 감수성 시험보다 감별력이 더 우수한 것으로 알려져 있다. 실험에 사용되는 기질은 pyrrolidonylβnaphtylamide (PYR)로 pyrrolidonyl peptidase activity를 검출하기 위한 PYR 키트 (BBL, dryslide PYR) 가 상품화되어 있다. 원리 로서 만약 시험균주가 pyrrolidonyl peptidase를 보유하고 있다면 기질인 PYR를 가수분해시켜 Lpyrrolidone carboxylic acid와 βnaphthylamine으로 유리된다. βnaphthylamine은 pdimethylaminocinnamaldehyde (color developer)와 반응하 여 붉은색의 fuchsia precipitate를 형성한다. 3 혈청학적 실험 a) C다당 군 분류시험 사람으로부터 분리된 베타 용혈성 사슬알균은 거의 모두 세포벽에 함유되어 있는 C다당 (carbohydrate antigens:streptococcal group antigens) 을 포함하고 있 어 특이 항혈청에 의해 군 감별에 이용되고 있으며, S. pyogenes 항원을 추출하여 항체와 반응 시킨다. 시험 방법은 침강반응과 응집반응 그리고 특이 형광항체로 염 색하는 방법 (FITC conjugated reagent)등이 있으나 통상적으로 신속하고 간편한 응집반응법이 널리 사용되고 있다. 응집반응 시험은 Coagglutination 및 라텍스 응집반응 시험방법이 있으며, 베타 용혈성 사슬알균을 검출하기 위한 진단 키트와 A군 사슬알균만을 검출하기 위 한 진단 키트 A Strep AD (일제:생연), Slidex Strepto (BioMerieux), Strep grouping kit (Difco) 등이 상품화되어 있으며, 사용법은 각 키트에 첨가된 메뉴얼 에 따른다. b) T단백 혈청형 분류 S. pyogenes 균의 주요 표현형으로는 M 및 T단백 혈청형이 있다. M단백은 S. pyogenes균의 주된 병원성 인자로 현재 100여종 이상의 혈청형이 확인되고 있 으나 항혈청이 상품화되어 있지 않아 형 분류 분석에 유용하지만 실제로 널리 사용 되지 못하고 있다. T단백은 병원성과는 무관하나 배양된 균주의 약 90%에 대한 혈청학적 분류가 가능하며, 현재 20종의 항혈청이 시판되고 있어서 비교적 간편하 게 시험할 수 있다. M단백 혈청형에 비해 변별력이 낮은 점은 있으나 역학적인 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 229
분석에 널리 사용되고 있으며 WHO에서 권장하는 방법은 다음과 같다. (a) 실험균주의 digestion 순수 분리된 실험균주의 집락을 5 ml의 ToddHewitt broth (THB)에 접종하 여 30 에서 하룻밤 배양한 후 1000 rpm에서 15분간 원심한다. a 상청액을 버리고 약 0.5 ml 남긴 후 두방울의 0.05% phenol Red 용액을 첨 가하고 여기에 0.2 N NaOH를 사용하여 ph를 8.0으로 조정한다 (이때 배양 액이 빨간 자색으로 변함). b 2방울의 5% 트립신 용액을 첨가하고 37 수조에서 1시간동안 배양하며 가 끔씩 흔들어 주고, 배양중 배지가 노란색으로 바뀌면 0.2 N NaOH를 첨가하 여 준다. c digestion이 끝난 후 5000rpm에서 5분간 원심 하여 상층액을 버린 후 침전 물을 0.5 ml PBS (ph 7.2)에 부유시킨다. (b) 응집반응시험 a S. pyogenes 균의 T 단백 항혈청 구성은 표 5와 같다. b 슬라이드 글라스위에 초자연필로 줄을 그어 칸을 만들고 먼저 혼합혈청 (pooled sera)인 T,U,W,X,Y 각각의 항혈청을 한 칸에 한 방울씩 떨어뜨린 다음 여기에 digestion시킨 균 액을 한 방울씩 첨가하여 잘 혼합한 후 1분내 응집 괴를 관찰 한다. c 만약 어느 하나의 혼합혈청에 응집을 보였다면, 혼합혈청에 포함되는 각각의 단일혈청을 동일한 방법으로 수행하여 T단백 혈청형을 결정한다. (만약에 혼합혈청에 1곳 이상에서 응집이 일어났다면 트립신을 한 두 방울 더 첨가하 거나, digestion 온도를 50 로 높이거나 하는 방법으로 재 실험을 수행한다) 표 5. S. pyogenes의 T단백 항혈청 구성 T 혼합 항혈청 (pooled) T U W X Y T 단일 항혈청 (monovalent) 1, 3, 13, B3264 2, 4, 6, 28 5, 11, 12, 27, 44 8, 14, 25, Imp19 9, 22, 23 230 감염병실험실진단 제1부 세균질환
4) 환자 혈청에 대한 혈청학적 진단법 성홍열 감염 후 3~6주 이내에 환자의 80%가 ASO치의 상승을 나타낸다. ASO 측 정법에는 정성법, 반정량법 (RantzRandall) 및 정량법 (Nephleometry)이 있으며, 현 재 정량법으로 신속하고 정확하게 검출할 수 있다. 진단기준은 단일 혈청에서 250 IU 이상의 항체가를 나타내거나 급성기와 회복기 혈청에서 2배 이상의 항체가 상승을 보 여야 한다. 이때 급성기 혈청은 7일 이내, 회복기 혈청은 1차 혈청이후 3~6주 이내 채 혈한다. 참고문헌 1) Brooks GF, Butel JS, Morse SA. Jawetz, Melnick, & Adelberg s Medical Microbiology. pp 231240. 3rd ed. 2004. 2) Cunningham MW. Phathogenesis of group A Streptococcal infection. Clin Micorobiol Rev 2000, 13:470511. 3) Cray BM. Bacterial infections of Humans epidemiology and control, Streptococcal infection. pp 673711. Plenum medical book Co. New York and London. 1999. 4) Ruoff KL, Whiley RA, Beighton D. Manual of clinical microbiology. Streptococcus pp 405421. 8th ed. American Society for Microbiology Washington DC. 2003. 제17장 성홍열 및 사슬알균 감염증 231