그람양성균 그람음성균 을지대학교의과대학 미생물학및면역학교실
그람양성균그람음성균 학습성과 그람염색결과의생물학적의의를설명할수있다. 주요그람양성인체감염균의종류를나열할수있다. 그람양성균항생제내성출현의역사를설명할수있다. 주요그람음성인체감염균의종류를나열할수있다. 그람음성균지질다당체 (LPS) 의생물학적활성을설명할수있다.*
[ 질문 1] 페니실린에감수성이더큰세균은? 황색포도알균 (Staphylococcus aureus) 대장균 (Escherichia coli)
[ 질문 2] 다음중이질균이가지고있는내독소는? 1. 포린 (Porin) 2. 펩티도글리칸 (Peptidoglycan) 3. 지질다당체 (Lipopolysaccharide) 4. 리포테이코산 (Lipoteichoic acid)
그람염색 (Gram Stain) 5
Hans Christian Gram (1853-1938) 그람음성균 그람양성균
그람염색법 (Gram staining)
크리스탈바이올렛 (Crystal violet) 일차염색 요오드용액 (Gram s iodine) 매염 알코올 (Alcohol) 탈색 사프라닌 (Safranin) 대조염색
그람염색성에따른분류 그람양성균 ( 포도알균 ) 그람음성균 ( 대장균 )
[ 사례 ] 세균성질염임상검체 (vaginal swab) 의그람염색소견 Normal vaginal flora (1000X, Gram Stain, Nikon) 상피세포와함께그람양성막대균 (Lactobacillus) 이관찰됨 Gram stain of bacterial vaginosis (1000X, Gram Stain, Nikon) 상피세포주위로다양한정도의그람양성염색성을보이는막대균 (Gardnerella vaginalis) 과그람음성균 (Mobiluncus sp.) 들이관찰됨
그람양성균과그람음성균의차이 고초균 (Bacillus subtilis) 대장균 (Escherichia coli)
그람양성균과그람음성균의차이 그람양성균 Arthrobacter crystallopoietes Peptidoglycan Cytoplasmic Membrane Outer Membrane Cytoplasmic Membrane Peptidoglycan 그람음성균 Leucothrix mucor
그람양성균과그람음성균의세포벽 그람양성균특이구조 지질테이코산 (Lipoteichoic acid) 공통적구조 편모 (Flagellum) 선모 (Pilus) 협막 (Capsule) 그람음성균특이구조 포린 (Porin) 세포벽 Cell wall 내독소 (Endotoxin/LPS) 외막 (outer membrane) 그람양성균 펩티도글리칸 세포질막 Cytoplasmic membrane 그람음성균 세포주위공간 (Periplasmic space) β-lactamase 가위치함
그람양성균과그람음성균의특성차이 병원성의차이 항생제감수성의차이
펩티도글리칸의구조 이당 (disaccharide) 의중합체 N-acetylglucosamine (NAG) N-acetylmuramic acid (NAM)
그람양성균의펩티도글리칸
펩티도글리칸의합성 8 단계의펩디도글리칸합성과정 1. NAM과 NAG 유도체가세포질에서합성된다. 2. 아미노산이순차적으로 UDP-NAM에첨가되어사슬을형성한다. 3. NAM-5 펩티드가 UDP로부터 bactoprenol phosphate로이동한다. 4. UDP-NAG가 NAG를 NAM-5 펩티드에더하여 펩티도글리칸반복단위가형성된다. 5. 완성된 NAM-NAG 반복단위가막통과외부표면으로전달된다. 6. 신장하는펩티도글리칸사슬에단위가더해져사슬이신장된다. 7. Bactoprenol 전달체는다시막내부로돌아간다. 8. 펩티도글리칸사슬사이의연결이펩티드전이 (transpeptidation) 에 의해이루어진다.
펩티도글리칸합성과정
펩티도글리칸의합성 L-Alanine D-Glutamate mes-diaminopimelic acid D-Alanine Cross-linking Penicillin binding Protein, PBP 페니실린결합단백 (Penicillin binding protein, PBP) 이 펩티드전이 (transpeptidation) 를통해새로운세포벽을합성한다.
대장균과포도알균의펩티도글리칸합성
페니실린의작용기전 베타락탐계항생제와 D-ananyl-D-alanine 구조의유사성
베타락탐계항생제에대한내성 페니실린 세팔로스포린
리소자임 (Lysozyme)
미생물검체별분리빈도 2014 년한충청지역대학병원의자료를기반으로
검체 충청지역한대학병원의진단검사의학과미생물검사실에서 2014년 1월부터 12월까지검출된미생물을대상으로함. 12개월동안배양의뢰된 50,505명의환자중 8,321(16.26%) 개의균분리
미생물분리비율 그람양성알균 41.39% 그람양성막대균 0.66% 곰팡이 7.43% 그람음성막대균 50.52%
그람양성균분리빈도
그람음성균분리빈도
분리빈도 Escherichia coli 21% 균명 분리비율 (%) Escherichia coli 20.77 Others 33% Staphylococcus aureus 11.70 Enterococcus faecium 8.11 Klebsiella pneumoniae 7.38 Acinetobacter baumannii 6.60 Staphylococcus aureus 12% Enterococcus faecalis 6.43 Pseudomonas aeruginosa 5.71 Pseudomonas aeruginosa 6% Enterococcus faecalis 6% Acinetobacter baumannii 7% Klebsiella pneumoniae 7% Enterococcus faecium 8%
항생제내성균 유럽에서매년 25,000명이다음 5 종의항생제내성균에의해병원감염으로사망하는것으로추정되고있음 Escherichia coli Klebsiella pneumoniae Enterococcus faecium Pseudomonas aeruginosa Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) 때문에추가적으로매년 1400조원 ( 1 billion) 의치료비및사회적비용소요
항생제의개발과내성출현의역사 31
항생제개발이전의시대 황색포도알균균혈증 사망률 81.97% 32
항생제개발의역사 항생제발견의황금기 의용화학의황금기 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 퀴놀론 (quinolons), 스트렙토그라민글리코펩티드 (glycopeptides) 마크로라이드 (macrolids) 아미노글리코사이드 (aminoglycosides) 클로람페니콜 (chloramphenicol), 테트라사이클린베타락탐계 (β-lactams) 디아릴퀴놀론 (diarylquinolones)) 피닥소미신 (fidaxomicin) 머틸린 (mutilins) 리포펩티드 (lipopeptides) 옥사졸리디논 (oxazolidinones) 설폰아마이드 (sulfonamides)
항생제개발의역사 년도 명칭 비고 1911년 Arsphenamine Salvarsan으로알려짐 1935년 Prontosil Sulfanilimide의경구전구체, 최초의 sulfonamide 1942년 Benzylpenicillin 최초의 penicillin 1942년 Gramicidin S 최초의 peptide antibiotic 1944년 Streptomycin 최초의 aminoglycoside 1948년 Chlortetracycline 최초의 tetracycline 1949년 Chloramphenicol 최초의 amphenicol 1952년 Erythromycin 최초의 macrolide 1955년 Vancomycin 최초의 glycopeptide 1958년 Volistin 최초의 polymyxin 1960년 Metronidazole 최초의 nitroimidazole 1961년 Trimethoprim 최초의 dihydrofolate reductase inhibitor 1964년 Cefalotin 최초의 cephalosporin 1967년 Nalidixic acid 최초의 quinolone 1968년 Clindamycin 두번째 lincosamide 1985년 Imipenem/cilastatin 최초의 carbapenem 1987년 Cprofloxacin 최초의 2세대 fluoroquinolone 1987년 Rifaximin 최초의 ansamycin
OECD 국가인체항생제사용량비교 (2014) ( 출처 : OECD Health Statistics 2016) 국가스웨덴노르웨이체코프랑스한국터키 12 개국평균 사용량 14.1 19.2 21.0 29.0 31.7 41.1 23.7 산출기준유사한 12 개국 : 병의원 ( 입원, 외래 ) 급여및비급여 + 일반의약품 단위 : DDD (Defined Daily Dose, 의약품규정 1 일사용량 )/1000 명 / 일 ( 예 ) 31.7 (DDD/1000 명 / 일 ) : 하루동안 1000 명중 31.7 명이항생제를처방받고있음
국가별항생제사용량추이 인체항생제사용량 (DDD/1000 명 / 일 )
항생제의발견과내성의출현 내성이인지된시기 항생제가발견된시기 30 년전마지막으로새로운종류의항생제가발견됨
주요항생제내성의역사 Penicillin Vancomycin Methicillin, oxacillin Cephalosporin 1942 58 60 1970 1980 1945 61 67 1986 1996 2002 2016 MRSA 페니실린내성포도알균 페니실린내성폐렴알균 VRE VISA VRSA
항생제에대한내성 1 항생제표적의변형 : 항생제의작용을방해하기위해리보솜을메틸화 (methylation) 시키거나작용기 (functional group) 를추가. 예 ) ribosomes와 transpeptidase의변형 2 항생제분해효소생산 : β-lactams ring 파괴 3 항생제변형효소생산 : 작용기 (functional groups) 추가를통한변형 4 항생제내성유전자도입 : 내성유전자를가진병원성유전자섬 (pathogenicity Island). 예 ) Efflux pump 항생제를외부로유출시킴
항생제압력과내성균주의출현
주요항생제내성세균 항생제내성이문제가되는주요세균 : ESKAPE Enterococcus faecium Staphylococcus aureus Klebsiella pneumoniae Acinetobacter baumannii Pseudomonas aeruginosa Enterobacter spp.
항생제내성그람양성균
항생제내성그람양성균 포도알균 (Staphylococcus aureus) Methicillin 내성 : MRSA Vancomycin 내성 : VRSA 장알균 (Enterococcus faecium) Vancomycin 내성 : VRE 폐렴알균 (Streptococcus pneumoniae) Macrolide 및다제내성
포도알균의내성 1940 년페니실린첫임상도입 1941년페니실린내성출현후급속확산 1950년대 60% 이상페니실린내성보유 1960 년메티실린 (methicillin) 도입 1961 년메티실린내성포도알균 (MRSA) 출현 Penicillin Methicilin 1970~1980년대범세계적으로 MRSA에의한병원감염확산 Vancomycin 임상에서광범위하게사용하게됨 1990년대지역사회에서 MRSA 분리보고됨 2000년대세계각지에서지역사회 MRSA(community-associated MRSA) 확산
포도알균의내성 1996 년일본에서 Vancomycin 중등도내성포도알균 (VISA) 처 음발견 2002 년미국 vancomycin 고도내성포도알균 (VRSA) 최초로보고 Vancomycin
페니실린에대한내성기전 (a) (b) Induction of staphylococcal β-lactamase synthesis in the presence of the β-lactam antibiotic penicillin. I. The DNA-binding protein BlaI binds to the operator region, thus repressing RNA transcription from both blaz and blar1-blai. In the absence of penicillin, β-lactamase is expressed at low levels. II. Binding of penicillin to the transmembrane sensor-transducer BlaR1 stimulates BlaR1 autocatalytic activation. III IV. Active BlaR1 either directly or indirectly (via a second protein, BlaR2) cleaves BlaI into inactive fragments, allowing transcription of both blaz and blar1-blai to commence. V VII. β-lactamase, the extracellular enzyme encoded by blaz (V), hydrolyzes the β-lactam ring of penicillin (VI), thereby rendering it inactive (VII). Mechanism of S. aureus resistance to methicillin. Synthesis of PBP2a proceeds in a fashion similar to that described for β-lactamase. Exposure of MecR1 to a β-lactam antibiotic induces MecR1 synthesis. MecR1 inactivates MecI, allowing synthesis of PBP2a. MecI and BlaI have coregulatory effects on the expression of PBP2a and β-lactamase.
메티실린내성포도알균 (MRSA) 병원성 MRSA 한국, 일본, 대만, 홍콩, 싱가포르, 스리랑카및일부미국병원분리포도알균의 50% 이상 한국, 일본 : New York/Japan clone (ST5, CC5) 기타아시아국가 : Brazilian/Hungarian clone (ST239, CC8) 국내병원 MRSA 발생률 : 1996 년국내 15 개병원연구결과 83.7%, 1997~2006 년다기관연구에서 64~72% 국내에서가장흔한병원감염의원인균 지역사회 MRSA (CA-MRSA) 병원성 MRSA 감염의위험인자인침습적기구시술, MRSA 감염이나균집락의과거력, 수술, 입원, 혈액투석, 장기요양시설입원등이없이 MRSA 감염이발생하는경우 로정의 1990 년대초미국일부지역에서보고, 2004 년미국지역사회피부연조직감염의 59% 가 CS- MRSA 에의함.
메티실린내성포도알균 (MRSA) 지역사회 MRSA (CA-MRSA) 계속 2000년대에미국외의다른나라에서도발생빈도증가 대만, 스리랑카, 필리핀, 베트남의경우 30% 이상의지역사회감염이 MRSA에의함 우리나라 1998년지역사회성인의전비공에서전체조사인원의 0.7%, S. aureus 대비 2.2 빈도로지역사회 MRSA 확인. 2005년역학조사에서 S. aureus 대비 3.4%, %, MRSA 대비 5.9% 의빈도로보고.
Vancomycin 내성포도알균 Vancomycin 중등도내성포도알균 (VISA) 1996 년일본 순천당대학케이치히라마츄박사가심장수술한소아환자의창상감염을일으킨 MRSA 균주가 vancomycin에중등도내성 (MIC 8 mg/l) 을가지는균주 (Mu50) 임을처음보고. 우리나라 2001~2006년질병관리본부전국적역학조사결과수집된 MRSA 37,856 균주중 33 균주 (0.09%) 가 VISA 세계적으로 프랑스 0.07%, 미국 0.3~2.3%, 태국 0.8%, 일본 0.24% 수준으로보고
반코마이신에대한중등도내성기전 반코마이신에대한황색포도알균의내성기전 : VISA 균주는반코마이신이결합하여작용하는 D-Ala-D-Ala이증가된펩티도글리칸을추가적으로합성함으로써약제의작용을방해함.
Criteria for Glycopeptides Resistance in S. aureus Broth microdilution (mg/l) CLSI (before 2006) CLSI (after 2006) EUCAST Susceptible (VSSA) 4 2 2 Intermediate (VISA) 8 ~ 16 4 ~ 8 - Resistant (VRSA) 32 16 4 CLSI, Clinical Laboratory and Standards Institute; EUCAST, European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing; VSSA, Vancomycin susceptible S. aureus; VISA, Vancomycin-intermediate S. aureus; VRSA, Vancomycin resistant S. aureus
반코마이신고도내성포도알균 (VRSA) Vancomycin-resistant S. aureus, VRSA 2002년미국미시건의 40세당뇨병및만성신부전환자의중심정맥관삽입부위에서 vancomycin MIC > 128 mg/l인 VRSA 분리 이후 2007년까지미국에서총 9례의 VRSA 감염증보고, 모든균주에서 vana 유전자확인. 2006년인도의한지역에서 2002~2005년사이에수집된 MRSA 균주의조사에서 VRSA 두균주발견. 반코마이신내성의유래 반코마이신내성장알균 (VRE) 의 vana 유전자를포도알균이받아서발생 앞으로 VRSA 증가가능성이높다.
반코마이신에대한내성기전 반코마이신에대한황색포도알균의내성기전 : VRSA 균주는장알균으로부터 vana 오페론을획득하여 D-Ala-D-Ala이아닌 D-Ala-D-Lac를생산함으로써반코마이신의결합을극단적으로억제
폐렴알균 (Streptococcus pneumoniae) 의내성 내성의역사 1967년페니실린중등도내성이처음보고 1978년남아프리카공화국에서다제내성폐렴알균보고 1991년대륙간내성균전파보고후범세계적문제로발전 1990년대아시아국가들중심으로폐렴알균항생제내성이현저히증가 한국, 홍콩, 베트남, 일본, 중국등지에서 penicillin, macrolide 내성및다제내성빈도급속증가 2000년 7가폐렴알균단백결합백신 (7-valent pneumococcal conjugate vaccine, PCV-7) 도입이후폐렴알균감염증빈도 90% 이상감소 내성균의빈도역시감소 PCV-7에포함되지않은혈청형 ( 특히혈청형 19A) 의증가로인하여다시내성균의빈도증가.
장알균 (Enterococcus) 의반코마이신내성 내성의역사 장알균은고전적으로는심내막염의주요감염균 1970년대중반부터 3세대세팔로스포린계항생제사용증가후병원내감염의중요원인균으로인식되기시작 대부분의항생제에고유내성을보유하고있으며 plasmid와 transposon의전달에의해쉽게항생제내성을획득할수있음. 1988년영국과프랑스에서반코마이신내성장알균 (VRE) 이처음보고됨. 이후미국에서급속히증가 Transposon에의한 vana 유전자의전달이주요기전 현재전세계적으로병원내감염의중요한원인을차지
장알균의반코마이신내성 내성의역학 북미지역장알균감염의 30% 가 VRE 91% Enterococcus faecium 8% Enterococcus faecalis 내성 VRE의유전자형 : 76% vana 국내 1992 년처음으로 VRE 감염보고됨 병원감염유발 VRE 중 E. faecium 비율이 38.9% (2010) 10개대학병원중환자실내직장감시배양결과직장내보균율은 29.4%, vana형 VRE 보균율은 17.3%
항생제내성그람음성균
항균제의사용과그람음성균 그람음성균에대한항생제 1935년 sulfonamide 개발 : 그람음성막대균에항균력 1940년대폐렴, 수막염, 매독치료에 penicillin G 투여로극적완치 1944~1950: streptomycin, chloramphenicol, tetracycline 도입 곧이어내성균출현
그람음성균항생제내성의역사 Streptomycin Chloramphenicol Tetracyclines Cefotaxime Imipenem Tigecycline 1944 49 50 1977 1980 2005 1947 53 68 1983 1988 2006 Streptomycin 내성출현 MBL 출현 ESBL 출현 Tetracycline 내성출현 Chloramphenicol 내성출현 ABA 출현
항생제내성그람음성균 폐렴막대균 (Klebsiella penumoniae) 아시네토박터 (Acinetobacter baumannii) 녹농균 (Pseudomonas aeruginosa) 엔테로박터 (Enterobacter spp.) New Delhi metalo-β-lactamase 1 (NDM-1) 생성균 대장균 (Escherichia coli) 폐렴막대균 (Klebsiella pneumoniae)
항생제내성그람음성균 ESBL 생성 E. coli와 K. pneumoniae AmpC β-lactamase 생성그람음성막대균 Carbapenem 내성그람음성막대균 Aminoglycoside 내성 Fluoroquinolone 내성
다제내성그람음성균감염 Extended-spectrum β-lactamase (ESBL) 장내세균 ESBL 생성폐렴막대균, 대장균 슈퍼박테리아 ' NMD-1 생성하여 carbapenem 계항생제에내성을나타내는균 Imipenem, meropeenem, ertapenem 등 폐렴막대균, 대장균 Carbapenem 내성녹농균및 Acinetobacter baumannii
그람음성균의지질다당체와병태생리 63
지질다당체 (Lipopolysaccharide, LPS) 지질다당체의구성 지질 A(Lipid A) 중심다당체 (Core polysaccharide) O 항원 (O antigen) LPS 의기능 세균표면의음전하에기여 외막구조를안정화시키는데도움을줌 세균이표면에부착하고생물막을형성하는데도움을줌 투과장벽형성을도움 숙주의방어로부터보호해주는역할 (O 항원 ) 내독소 (endotoxin) 로작용 ( 지질 A)
외독소 (exotoxin) 와내독소 (endotoxin)
LPS 의수용체 CD14/TLR4/MD2 CD14/TLR4/MD2 수용체발현 단핵구 (monocyte) 수지세포 (dentritic cell) 대식세포 (macrophage) B 세포 (B lymphocyte) Pro-inflammatory cytokines Nitric oxide Eicosanoids
내독소와발열작용
패혈증 (sepsis)
그람양성균과그람음성균감염의의학적차이