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제목 동물용 항균제 내성확산과 대책을 둘러싼 최신 동향 (2015년 3월호 vol.118)
작성자 올인한국 (ip:)
  • 작성일 2015-07-08 17:51:34
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동물용 항균제 내성확산과 대책을 둘러싼 최신 동향 <PART 8>

 

이인호 / 전 식약처 국가항생제내성 안전관리사업 전문위원

 

들어가며

 

<관련자료 1>에서 보는 바와 같이 노벨상을 19명이나 배출한 일본에서는 바이오필름과 관련된 내용이 미생물 임상분야는 물론이고, 수의임상분야에서도 특별증간호나 월간지를 통해서 수의사와 일반 양축농가들에게까지 기술보급되고 있는 것을 확인할 수 있다. 이미 사람의료분야에서는 기존의 항생물질 중에서 특히 마크로라이드계 항생물질이나 신퀴놀론계 항균제 중 특정 항균성물질들은 기존에 정설로 인정되고 있는 고전의 작용기전 외에도 최근 들어서 바이오필름억제를 비롯한 새로운 작용기전이 시험을 통해서 확인됨에 따라 추가로 학술논문지나 전문정보지를 통해 소개되고 있는 것을 볼 수 있다.

이에 비해서, 국내에서 발간되는 서적이나 정보지에서는 아직도 시대에 뒤떨어진 고전적인 내용만을 소개하거나, 이미 결론이 뻔하거나,선진국가에서 확인된 사실을 다시 한 번 추가 확인하는 진부한 상태에 머무르는 경우가 많아, 아직도 후진성을 면치 못하고 있는 안타까운 실정이다.

동물용 항균성물질에 대한 내성률이 아직도 낮고, 유효성이 높은 상태를 유지하고 있는 일본을 비롯한 선진국가에서는 지금도 기존의 항균성물질 유효성을 연장시키기 위해 박테리오파지와 약용식물 및 생균제를 비롯한 비항균성물질과 기존의 항생물질을 동시 내지는 순차적으로 사용하는 병용요법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 일부는 이미 실전에서 응용되어 동물용 항균성물질의 효과상승에 기여하고 있다는 것이 학술논문지를 통해 입증되고 있다.

현재까지도 바이오필름 관련분야의 연구와 실전 적용에 있어서 후진성을 면치 못하고 있는 우리나라 축산수의분야 관련 종사자들은 자신들의 연구능력이 떨어지는 것이 아니고 주장논리가 옳다는 것이 입증된다면, 酪農學院大學(낙농학원대학) 수의학부 스즈끼 교수와 가토 원장을 비롯한 일본 수의전문가들은 정신이 나간 집단의 소속자들이라 臨床獸醫誌(임상수의지)에 매달 마크로라이드와 쿼럼센싱이라는 연재를 통해서 기초부터 임상에서의 실전적용까지 상세하게 소개하는지를 반문해보면서 대오각성을 하는 것이 요망되고 있다.

일본의 수의전문가들이 소개하고 있는 내용들은 국내 수의전문가들도 통섭과 융합에 대한 열린 시각을 작동해 Current opinion in Microbiology Trends in Microbiology를 비롯한 수준급 총설논문을 꾸준히 구독해서 소개하는 노력을 한다면 얼마든지 가능한 일임에도 불구하고 이를 하지 않고 있는 것은 직무유기 여부를 따져보아야 한다.

따라서 본고에서는 계속해서 본 주제와 관련된 최신의 내용을 국내 최초로 축산수의분야 관련종사자들에게 제공함으로써 이해를 돕고자 한다.

이인호1좌,상.png 이인호1우,상.png

이인호1좌,하.png 이인호1우,하.png

<관련자료 1> 綠書房(녹서방) 발간 臨床獸醫誌(임상수의지) 近代出版(근대출판) 발간 臨床(임상) 微生物(미생물) 특별 증간호. 일본은 수의전문지와 서적출판사에서 일본을 대표하는 전문가들과 함께 바이오필름과 약리작용과 관련된 최신 내용을 월간지 또는 특별 증간호 형태로 계속해서 소개하고 발행함으로써, 국내에서도 얼마든지 이러한 최신 내용이 들어있는 증간호(增刊號)를 구매해서 교재로 사용하거나 지식을 전달하는 것이 가능한 시대에 살고 있다는 사실을 자각할 필요가 있다.  

 

1. 바이오필름 저해 항생물질의 신작용 활용

 

지난 수십 년 동안 세균집단을 바라보는 고전적 시각에 커다란 변화가 일어났다. 세균이란 완전히 고립되어 단독으로 존재하는 생물체가 아니라 여러 종이 서로 모여 고도로 복잡한 집단을 형성한다는 것이다.

더욱이 그들은 비밀언어(작은 분자)를 사용하여 서로 대화를 하는데, 이를 정족수인식(Quorum Sensing, QS)이라 한다. 그람음성 세균의 경우 이 작은 분자란 흔히 AHLs(N-acylated homoserine lactones)를 말한다. 많은 과학자들은 AHL 유사체를 설계하고 합성하여 왔으나, 구조-활성관계(structure-activity relationships)나 종선택성(species selectivity) 등에 대한 명확한 결론을 도출하기에는 역부족이었다.

이와 관련하여 Blackwell 등은 3가지의 세균종에 걸쳐 100여개에 달하는 AHL 유사체의 활성을 체계적으로 비교분석한 논문을 발표하였다. 이는 AHL 수용체 포켓의 구조적 유사성 및 상이성에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 정족수인식을 조절하는 강력한 합성물질을 제시하였다는 점에서 큰 의의를 갖는다.

더욱이 이들의 연구에 의하면, 어떤 유사체는 광범위한 활성을 갖는 데 반하여 어떤 유사체들은 현저한 종선택성을 나타낸다고 한다. 이는 정족수인식을 응용하여 항균제를 개발하는 데 있어서 많은 시사점을 제공하는 것이다. 
AHL 분자는 많은 동물성/식물성 병원체의 정족수인식 수단으로 사용된다. 이들 병원체에는 Pseudomonas sp. Agrobacterium tumefaciens, 그리고 비병원성 해양박테리아인 Vibrio fischeri가 포함된다.

정족수인식의 중요성이 인식된 것은 최근의 일이지만, 사실 정족수인식은 30년 전에 V. fischeri로부터 처음 발견되었다. V. fischeri는 특정 해양어류 및 오징어의 발광기관에 서식하는 공생세균이다. 숙주는 V. fischeri에게 영양분을 공급하여 1010/mL의 밀도에 이를 때까지 창궐하게 도와준다. 이 임계치를 초과하면 발광기구를 코딩하는 유전자집단(luxCDABEG 오페론)의 전사가 활성화된다.

정족수인식이라는 용어는 이러한 행태를 기술하기 위하여 만들어졌다. 왜냐하면, 빛이 생성되려면 세균집단의 밀도가 정족수에 이르러야 하기 때문이다.

AHL합성단백질(AHL synthase)에 의해 합성된 신호물질은 세균의 성장 중에 세포막을 통한 자유로운 확산에 의해 세포 밖의 환경에 축적되게 된다. 세균의 밀도가 높아져 세포외부의 축적된 신호물질이 일정농도에 도달하게 되면 세포 내로 들어와 조직단백질(Transcriptional regulator)과 결합하여 특정 유전자의 발현을 촉진 혹은 억제한다. 세균들은 이러한 QS를 통하여 발병력(Virulence)뿐만 아니라 생체발광(Bioluminescence), 생물막 형성, DNA수송능(Competence), 항생제 생산 및 잡합에 의한 Ti 플라스미드의 전달들과 같은 다양한 생리현상을 조절한다.

V. fischeri OHHL[N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone]이라는 작은 분자를 사용하여 집단의 밀도를 측정한다. 집단 내의 개별 세포(세균) LuxI이라는 효소를 사용하여 저농도의 OHHL을 지속적으로 생성한다.

OHHL은 자유로이 확산될 수 있다. 개별세포들이 생성하는 OHHL의 양은 적지만, 전체 집단의 수준에서 축적된 OHHL은 막대한 양이 될 수 있다. OHHL의 농도가 충분히 높아지면, 그것은 LuxR이라는 세포질 내 수용체(전사조절자)에 결합한다.

LuxR은 활성화 형태인 이량체(dimer)로 되어 luxCDABEG 클러스터의 전사를 촉진한다. LuxR-OHHL 복합체는 luxI의 발현을 더욱 촉진하여 양성되먹이기전(Positive feedback loop)을 가동시킨다. 이를 자가유도(Autoinduction)이라고 하는데, 이러한 의미에서 AHL 유사체를 종종 자가유도인자(Autoinducer)라고도 한다.

정족수 감지(Quorum Sensing, QS),  QS는 세균 밀도를 유지하기 위해 세균 사이에 일어나는 신호전달을 묘사하는 데 이용되어 온 기술적이 용어이다. QS는 유전자 발현을 조절하며, 운동성과 바이오필름 형성 같은 공동체 행동방식과 병원성에 관련된 수많은 과정의 제어에 이용된다.

P.aeruginosa 30가지 이상의 QS-조절병원성 인자를 생산한다. QS 억제는 바이오필름 세균에 대한 숙주방어와 항균제 감수성을 증가시킬 수 있다. P.aeruginosa 감염 환자의 초기 예방처치로써 QS 표적겨냥이 효과적일 수 있음이 제시되었다.

신호전달시스템인 Two-component response systems(TCRSs)는 세균과 곰팡이가 환경에 대하여 반응하는데 이용되는 가장 유력한 신호전달 기전으로써, 숙주 환경 내에서 세포의 신호에 의해 활성화되는 histidine kinase, 그리고 신호를 세포 내 표적에 전달하여 병원성 인자의 유전자 발현을 조절하는 반응조절자, 이 두 가지로 이루어져 있다.

TCRS는 숙주 침습, 약물내성, 운동성, 인 섭취, 삼투압 조절, 질소 고정 및 기타 기능의 조절에 관여하며, 4,000가지 이상의 TCRSs 400종 세균에서 확인되었다. 그람양성균에서 TCRS는 세균 밀도에 반응하는 QS 시스템 전체를 구성하며, 보조유전자 조절자(accessory gene regulator)를 나타내는 agr로 명명되었다.

agr staphylococci에서 대부분의 병원성 유전자 발현을 조절하며, thiolactones라는 분비성 autoinducing peptides(AIPs)에 의해 활성화된다. S.aureus 치료제의 개발에서 AIP thiolactones는 선도물질로서 제시되었다. agr 시스템은 바이오필름 형성에서 중요한 인자들을 하향조절하는 기능도 하며, agr 기능장애는 바이오필름 생산 증가와 연관이 있다.

 

1) 항균제 내성에 대한 대안으로써 항병원성 요법

 

오늘날 통용되고 있는 모든 항생물질들은 본질적으로는 세균 박멸이라는 단일 주제의 변형일 뿐이다. 또한, 새로운 항생물질 개발 전략들도 미생물 생존에 결정적인 세포과정을 표적으로 한다. 그렇지만 세균의 진화와 선택이라는 난제는 표적을 바꾸는 새로운 전술을 요구하고 있다.

새로운 항균제 개발을 위한 대안 접근법으로써 세균병원성을 표적으로 하는 방법이 있다. 미생물의 존재에는 위협을 주지 않으면서 병원성만 제거하는 약물은 기존 항생물질보다 약물내성 돌연변이를 일으키는 선택압력을 줄일 수 있다. 또한, 현재의 항생물질이 지니는 문제인 숙주 미생물무리의 극단적인 변화도 피할 수 있다.

항병원성 약물 개발을 위한 적절한 표적에는 세균의 초기 부착과 침습, 세균독소의 생산, 조립, 운송 및 분비과정, 세균독소의 생산, QS 기전, 세균 세포 내 신호전달 등이 포함된다. 세균 간 의사소통(쿼럼 센싱, QS)을 제어해도 균의 증식에 영향을 주지 않기 때문에 내성화가 일어나는 일은 적은 것으로 고려되고 있다. 따라서 만성화된 호흡기감염증 치료에 있어서도 종래의 항균성물질 치료법에 QS를 제어하는 치료법을 병용함으로써 큰 치료효과가 기대되고 있다.

QS 제어에 있어서 크게 효과를 발휘하는 항생제가 마크로라이드계 항생물질이다. 마크로라이드계 항생물질은 종래의 작용뿐 아니라, QS의 사령탑인 자가유도체(AI)의 합성을 저해하는 효과를 지닌 것이 알려지고 있다.

마크로라이드계 항생물질이 병원체 증식억제 효과가 우수하다고 말하기는 어렵지만, AHL 등의 AI 합성을 자해함으로써 QS를 제어하고,그 효과로써 바이오필름형성에 필요한 세포 외 다당(EPS)의 생산을 제어함으로써, 항균효과를 발휘하는 것이 밝혀지고 있다(관련자료 2).이와 같이 마크로라이드계 항생물질은 정균제로서 활성 이외에  소화관 기능운동 항진작용  면역이나 염증세포를 통한 만성 호흡기질환의 개선작용이나 새로운 약리활성으로써 인지되고 있다.

그림1.png

<관련자료 2> 바이오필름과 감염증의 난치화(難治化). 수의분야에서도 바이오필름형성은 동물용 항균성물질 치료를 어렵게 만들고 있다는 것이 과학적으로도 증명되고 있으나, 국내에서는 아직도 이 부분에 대해서 후진성을 면치 못하고 있어 각성이 요망되고 있다.

 

2) 항바이오필름 작용과 마크로라이드계 항생물질의 신작용

 

의료분야에 있어서 바이오필름은 항균성물질의 투과성을 감소시켜, 용균효소에 저항성을 감소시킬 뿐 아니라, 호중구 등의 생체방어기구를 약화시켜 난치화(難治化)의 원인이 된다. 세균, 특히 녹농균은 저영양 등 자기의 생존에 불리한 환경 하에서 주위에 다당체를 생산하고,이것을 통해서 인접한 세균이 서로 응집해서 공공치를 만들고 막층(膜層)을 형성한다.

이것이 바이오필름(Biofilm)이다. 바이오필름의 주성분은 다당체 알기네이트(Alginate)이고, 이 알기네이트에 의해 세균공동체의 외측을 피복한다.

바이오필름은 약제를 용이하게 통과시키지 않는다. 따라서 바이오필름으로 피복된 세균은 항생물질에 의해서 살균되지 않는 현상이 종종 일어난다. 충분한 양의 바이오필름으로 피복된 세균에서는 1,000배만큼 약제에 대한 저항성이 상승한다는 보고도 있다.

이와 같이 바이오필름은 세균에서는 중요한 방어기구로 생존, 증식을 위해 필요한 수단이나, 사람과 동물에 있어서는 위협이다. 따라서 바이오필름형성을 제어, 저해 또는 생성된 바이오필름을 소실시키는 것이 가능한 약제의 개발은 의학적, 약학적으로 대단히 중요하다. 이를 위해 근년, 바이오필름형성을 저해하는 약제의 개발, 탐색이 널리 행해지고 있고 지금까지 많은 후보화합물이 창출되고 있다.

 

. 항바이오필름 작용에 대한 기전

마크로라이드 항생물질 투여에 의해 기도 내의 세균이 소실(消失)되지 않아도, 임상증상이 완화되어 치유(治癒)되기 때문에, 마크로라이드 항생물질의 만성호흡기질환(특히 만성범세기관지염)에 대한 작용으로써 항균작용 이외의 작용기전이 조사되고 있다. 마크로라이드 항생물질의 효과에 대해서, 항균작용 이외의 마크로라이드 항생물질 신작용으로써 거론되고 있는 것은 다음과 같다(관련자료 3).

 항염증 작용

 기도점막수송에 대한 작용

 항녹농균 작용

 항바이오필름작용

특히 아급성 및 만성호흡기질환에 대해서 마크로라이드 항생물질은 기도점막의 과잉분비를 억제하고, 호중구(好中球)에 유래하는 염증(유주능, IL-8생산, 활성산소 방출 등의 억제) 및 림프구에서의 작용(폐포세정액 중의 활성화, CD8림프구수의 감소)이 밝혀지고 있다. 이러한 작용에 의해 기도의 염증병태를 제어(制御)하기 때문에 부비강염, 인후두염, 기도염, 기관지염에 종래의 정균작용 이상의 효과를 나타내고 있다.

이인호3.png 

<관련자료 3> 마크로라이드 항생물질의 신작용 도해. J infect chemother(2007) 13:357-367에 녹농균에 대해 마크로라이드 항생물질은 기존의 작용기전 외에 신작용이 있음을 분명히 입증해주고 있고, 다른 학술논문들도 이를 뒷받침해 주고 있어 수의분야에서 실제 적용해도 크게 무리가 되지 않는 단계에까지 이르고 있다.

 

. 세균 간 의사소통(Quorum Sensing, QS)에 대한 기전

에리스로마이신의 세균측에서의 작용으로써, 본래 항균활성을 나타내지 않는 녹농균에 대해서 저농도의 마크로라이드 항생물질의 접촉에 의해  균체독소생산 억제  에라스타제 등의 프로테아제생산억제  바이오필름생산 억제와 파괴  균의 세포부착 억제 등이 알려지고 있다. 특히 중요한 것은 마크로라이드 항생물질이 녹농균에 대해서 살균활성을 나타내지 않고, 바이오필름형성을 억제하는 것이고, 이것이QS의 저해에 의한 것이 알려지고 있다(관련자료 4).

녹농균에 대해서 항균작용을 지니지 않은 저농도의 마크로라이드계 항생물질이 QS기구나 c-di-GMP신호전달기구를 통해서 병원성억제효과를 지닌다. 예를 들면, 저농도 아지스로마이신(Agithromycin)의 녹농균에서의 작용을 DNA마이크로어레이를 사용해서 검토한 보고에 의하면, 자가유도체(AI)합성효소 유전자인 LasI  rhlI의 상류에 존재하는 일련의 유전자군의 발현이 아지스로마이신에 의해서 제어된다.

그 결과, QS제어 하에 있는 병원인자를 저하시킨다. 또한, 저농도의 아지스로마이신은 c-di-GMP의 분해나 합성에 관여하는 효소유전자의 발현에도 작용하고 있다. 이와 같이, 마크로라이드 항생물질 본래의 표적분자인 50S리보좀뿐만 아니라, QS기구나 c-di-GMP신호전달기구와 같은 병원성인지제어기구에도 관련되고 있다.

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<관련자료 4> 마크로라이드 항생물질에 의한 QS억제효과와 마크로라이드 항생물질의 신작용. 사람의료분야에서는 물론이고 수의임상부문에 있어서도 일본 임상수의지에 현재 매달 연재되고 있는 내용을 국내 임상수의사들은 물론이고, 축산수의관련업계 종사자들은 이러한 내용을 접해 본 적이 없거나, 사대주의에 빠져 외국사람이 알려주지 않으면 마치 국내에서는 몰라도 되는 것처럼 착각하는 한심한 행위는 이제는 종지부를 찍어야 마땅하다.

 

맺으며

 

현대는 기존에 고정관념 식으로 알고 있는 전통적인 지식만 가지고는 축산수의현장에서 실제로 발생되고 있는 현상들에 대해 양축농가들에게 과학적으로 정확하게 설명하는 것이 어려워지는 시대에 접어들고 있다. 이제는 바이오필름과 세균 간 의사전달현상인 쿼럼센싱(QS)에 대해 축산수의관련업계 종사자들이 양축농가들에게 지금보다도 더 업그레이드된 지식과 정보를 제공할 수 있도록 생존을 위한 공부에 더 박차를 가해야 한다.

소경이 소경을 인도하면 다 망하는 지름길로 달려가기 때문에 누군가는 깨어서 원하는 목표지점을 향해서 정확하게 달려갈 수 있도록 선구적으로 구원투수의 역할을 담당해야 한다는 것을 강조하면서 본고를 마친다.

               
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