제 3장. 항생물질의 활성

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제 3장. 항생물질의 활성

미생물의 증식이란 ?

시간에 따른 미생물의 수의 증가, 즉 밀도의 증가 (population growth)

세포 내의 생합성에 의한 세포 크기의 성장 (single cell growth)

항생물질의 활성(Activity)이란?

집단이 커지는 것을 막는 것 (ability to inhibit growth of microbial population)을 말함

항생물질의 선택성 - 일반적으로 세균, 곰팡이, 원충류 등 여러 종류의 미생물에 대해 동시에 활성을 갖는 항생물질은 독성이 강해 임상적으로 사용될 수 없다. 오히려 특수한 부 류의 미생물에 대해서만 활성을 갖는 항생물질만이 선택성 이 있어서 의약품으로 이용될 수 있다.

항세균성 항생물질 (Antibacterial Drugs)

그람 양성 세균에만 주로 유효한 항생물질 그람 음성 세균에만 주로 유효한 항생물질

그람 양성 세균 및 그람 음성 세균에 유효한 항생물질

그람 양성 세균과 그람 음성 세균의 대부분 특히 rickettsia, chlamydia에도 유효한 항생물질 (광범위 항생물질, broad spectrum antibiotics).

그람양성 세균과 그람 음성 세균의 일부분에 유효한 항생물질 (중범위 항생물질, medium spectrum antibiotics)

항생물질의 활성의 평가

강도 (强度) (potency) - 최소성장 억제 농도 (Minimal Inhibitory Concentration, MIC)

폭 (幅) (spectrum) - 항균 스펙트럼 (antibacterial spectrum)

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MIC의 정의

MIC는 항생물질의 2배 희석계열을 사용한 측정계에서 대 상 미생물의 증식을 억제하는 가장 낮은 농도로 정의한다.

MIC는 사용한 미생물의 종은 물론 균주에 따라서, 측정조 건에 따라서 상당히 달라질 수 있으므로 반드시 미생물의 종과 균주명, 측정 조건을 표시하여야 한다.

MIC의 측정법 (제 4장에서)

고체배지(한천 평판) 희석법 – Agar dilution method 액체배지 희석법 – Broth (Liquid) dilution method

Micro-broth dilution Macro-broth dilution

임상분리균주에 대한 항균력 실험에서는 동일한 종 균주의 다수에 대해 MIC를 측정한다.

이때 대상 균주에 대해 얻은 MIC 값을 작은 것부터 큰 순서로 배열했을 때, 가장 큰 수치를 MIC₁₀₀, 90%에 해당하는 수치를 MIC₉₀, 50%에 해당하는 수치를 MIC₅₀이라 한다.

Cumulative Inhibition Curve

by Teicoplanin

MIC ₅₀ , MIC ₉₀

Strain Ciprofloxacin Gemifloxacin

S. Pneumoniae 102182 32 0.25

S. Pneumoniae 102234 64 0.5

S. Pneumoniae 102239 32 0.5

S. Pneumoniae 102575 16 0.125

S. Pneumoniae 102752 64 1

S. Pneumoniae 102830 16 0.25

S. Pneumoniae 102924 32 0.5

S. Pneumoniae 103672 64 2

S. Pneumoniae 103709 64 1

S. Pneumoniae 103845 16 0.125

S. Pneumoniae 104340 4 0.06

S. Pneumoniae 104376 4 0.125

S. Pneumoniae 104710 32 0.5

S. Pneumoniae 104876 16 1

S. Pneumoniae 107282 32 0.25

S. Pneumoniae 112519 4 0.06

S. Pneumoniae 113165 32 0.25

S. Pneumoniae 114794 16 0.25

S. Pneumoniae 120963 64 1

S. Pneumoniae 503167 16 0.06

S. Pneumoniae 622286 8 0.125

S. Pneumoniae 14 32 0.25

S. Pneumoniae 17 32 0.25

S. Pneumoniae Y-1 8 0.125

S. Pneumoniae 6305 0.5 0.015

Ciprofloxacin Gemifloxacin

4 0.06

4 0.06

4 0.06

8 0.06

8 0.125

8 0.125

16 0.125

16 0.125

16 0.125

16 0.25

16 0.25

16 0.25

32 0.25

32 0.25

32 0.25

32 0.25

32 0.5

32 0.5

32 0.5

32 0.5

64 1

64 1

64 1

64 1

MIC₅₀

MIC₉₀

Compounds Range MIC90

Ciprofloxacin 4~64 64 Gemifloxacin 0.06~2 1

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살균 작용을 나타내는 최소 농도를 최소살균농도 (Minimal

Bactericidal Concentration, MBC)라 하는데, MBC가 MIC와 같거나 한 두 단계 정도 높은 경우, 이 항생물질을 살균 작용을 갖는 다고 판정한다.

항생물질의 살균작용과 정균 작용

병원의 임상 검사실에서는 환자의 감염 부 위에서 분리한 균주를 대상으로 여러 가지 항생물질에 대한 감수성·내성 검사를 실시 한다.

고체배지 표면에 균체를 도말한 후, 일정 량의 항생물질이 함유된 디스크를 놓고 배 양하면, 표면에 균이 성장하고 디스크 주 위는 항생물질이 확산되어 나가므로, 대상 균이 항생물질에 감수성이면 균이 성장하 지 못해 저지원(clear zone)이 생긴다.

저지원이 크기에 따라 감수성·내성을 판정 한다.

이때 여러 가지 항생물질 디스크를 동시에 놓고 시행하므로 여러 항생물질에 대한 감 수성·내성 정보를 동시에 얻을 수 있다.

이런 결과표를 Antibiogram 이라 하며, 감염증 치료에 사용할 항생물질의 선택에 기초가 된다.

Antibiogram

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감수성·내성 검사를 할 때 보통 MIC를 측정하거나 Antibiogram 을 이용한다.

그러나 MIC 측정법은 복잡하다는 단점이 있고,

Antibiogram 은 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.

그래서 양쪽의 단점을 보완한 Breakpoint법 을 사용한다.

Breakpoint법에서는 미리 여러 조건을 고려하여 감수성과 내성을 대표할 수 있는 두 단계의 농도를 결정한다.

두 단계 농도의 항생물질을 함유한 배지에서 배양을 실시한 후, 검사 균주가 높은 농도에서도 성장하면 내성으로, 낮은 농도에서는 성장하고 높은 농도에서만 성장하지 못하면 중 간으로, 낮은 농도에서도 성장하지 못하면 감수성으로 판정 한다.

Gentamicin의 경우, 두 단계의 농도는 4.0㎍/㎖와 8.0㎍/

㎖이다.

Breakpoint

제 4장. 항생물질의 감수성 시험

항균제 감수성 시험의 목적은 감염증 치료에 사용할 항균 제의 효과를 예측하는 것

그러나 항균제 치료의 임상 효과는 세균의 감수성뿐 아니 라 항균제의 약동학적 특성, 환자의 면역력, 감염 부위 등 다양한 인자에 의해서 결정.

감수성 시험에서 감염의 원인균이 특정 항균제에 감수성 이라고 해서 그 항균제 투여로 감염증이 100% 치료되는 것은 아니며, 감수성 시험에서 내성인 항균제 치료가 100% 실패하는 것도 아니다.

그러나 감수성 시험은 항균제의 임상효과를 예측할 수 있

는 매우 중요한 단서이며, 대부분의 경우 감수성 시험 결

과가 임상효과와 일치.

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(National Committee for Clinical Laboratory Standards: Methods for antimicrobial susceptibility tests for bacteria that grow aerobically, 4th edition; Approved standard. NCCLS publication no. M7-A4.

National Committee for Clinical Laboratory Standards, Wayne, Pa.

1998). (à CLSI, Clinical and Laboratory Standards Institute) Dilution method: 최소억제농도(MIC)를 측정한다

Agar dilution Broth dilution

MIC: minimal inhibitory concentration à bacteriostatic MBC: minimal bactericidal concentration à bactericidal

Diffusion method: clinically used, antibiotics disk

세균의 항균제에 대한 감수성 양상 (감수성, 중간내성 및 내성)만을 알 수 있다

확산법의 원리로 MIC를 측정하는 Epsilomer test (Etest, AB Biodisk, Sweden)

Disinfectants (소독제) and antiseptics (방부제) Little selective toxicity

Toxic for microbial pathogens as well as for host cells

항균제 감수성 시험 방법

항균제 감수성 시험 방법

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Evaluation of Laboratory Tests

MIC test on plates is the best

Time consuming and costly Most detailed

Disc test/Etest is easiest

Requires more skill to interpret

Breakpoint

Least skill required

Technique must be exact Can be read by computer Large amounts of data

시험 항균제를 기초배지에 2배수 단계 희석한 후, 일정량의 균 주를 접종한다. 일정 온도에서 일정 시간 배양한 후, 균주의 증 식이 관찰되지 않는 항균제의 최소농도를 MIC로 판정한다.

한천희석법 (Agar dilution method)

기초배지로 Muller-Hinton (MH) Agar가 흔히 사용된다.

균주는 Steers replicator로 접종한다.

한꺼번에 균주 30주 이상에 대해 감수성을 시험할 수 있다.

Colony (집락)의 증식 상태를 눈으로 확인할 수 있기 때문에, 다른 세균에 의한 오염을 배제할 수 있는 장점이 있다.

그러나 이 방법은 통상적인 감수성 시험에 사용하기에는 너무 번거롭고, 비용이 많이 드는 단점이 있으며, 흔히 연구용으로 사 용된다.

Inoculum size : 10⁴ ~ 10⁵ cfu/spot

희석법

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액체배지 (Muller-Hinton broth, MHB)를 기초배지로 사용한다.

항균제 농도마다 1 mL 이상의 액체배지를 사용하면 macrobroth 희석법, 0.05 ~ 0.1 mL를 사용하면 microbroth 희석법이라 부른 다.

MIC 뿐 만 아 니 라 최 소 살 균 농 도 (minimal bactericidal concentration, MBC)도 측정할 수 있는 장점이 있다.

그러나 집락의 증식 상태를 눈으로 확인할 수 없기 때문에, 다른 세 균에 의한 오염을 배제할 수 없는 단점이 있다.

Microscan, Vitek 등 자동화된 장비는 microbroth 희석법으로 균 주의 MIC를 측정하며, 많은 미생물 검사실에서 이들 자동화 장비를 이용해서 편리하게 항균제 감수성 시험을 하고 있다.

액체배지희석법 (Broth dilution method)

Minimum Bactericidal Concentration

MIC

64 32 16 8 4 2 1 mg/ml

Subculture onto drug-free agar

4 8 16 32 mg/ml

MBC

MBC is defined as the lowest concentration which induced more than 99.9 % reduction in CFU Inoculum size : 10⁴ ~ 10⁵ cfu/tube

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살균제와 정균제

일반적으로

살균항생제는 MBC가 MIC보다 2-4배정도 크다.

정균항생제는 MBC가 MIC보다 32배 이상 크다.

모든 항생제는 살균제나 정균제로 분류될 수 있다.

한가지 항생제가 어떤 미생물에 대해서는 살균제로 또 다른 미생물에 대해서는 정균제로 작용할 수도 있 다.

분리된 특정균에 대해 감수성이 있는 항생제의 종류를 결정하는 검사

세균증식이 억제된 지름의 크기에 따라 항생물 질의 세균에 대한 감수성을 판단한다.

기초배지로 Muller-Hinton Agar가 흔히 사용 한천의 표면에 면봉으로 시험균주의 균액을 고 르게 접종하고, 그 위에 항균제 디스크를 놓는다.

배양시간 동안 디스크의 항균제는 주위의 한천 으로 확산하므로, 디스크 바로 주변의 한천에는 항균제가 고농도로 분포하지만, 디스크에서 먼 곳의 한천에는 항균제가 낮은 농도로 분포한다.

즉, 디스크와 일정 거리에 있는 한천의 항균제 농도는 시험균주에 대한 MIC가 되며, 이 point 보다 안쪽의 한천에서는 균주가 증식을 못 하지 만, 이 point 밖에서는 균주가 증식한다.

디스크 확산법에서는 이 억제대 (Clear Zone) 의 지름 을 측정해서 균주의 시험항균제에 대한 감수성 양상을 결정한다.

디스크 확산법 (Kirby Bauer Method)

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확산법을 이용한 항균제 감수성 시험 방법

그러나 일반적인 디스크 확산법과는 달리 MIC를 측정할 수 있다.

쉽고 간편하기 때문에 통상적인 감수성 시험에 사용할 수도 있다.

그러나 Etest strip의 가격이 상당히 비싸며, 항균제당 넓은 면적의 평 판배지가 필요한 단점이 있다.

E test

항균제 감수성 시험 의 목적은 시험균주 의 특정 항균제에 대 한 내성 획득 여부를 알아내는 것이다.

따라서, 자연내성인 항균제에 대한 감수 성 시험은 불필요하 다.

시험 항균제의 선택

균 종 자연내성 항균제

Citrobacter freundii Cephalothin Enterobacter spp. Cephalothin Klebsiella pneumoniae Ampicillin, carbenicillin

Morganella morganii Ampicillin, cephalothin, polymyxin

Proteus vulgaris Ampicillin, cephalothin, polymyxin

Providencia spp. Polymyxin

Serratia marcescens Ampicillin, cephalothin, polymyxin

Haemophilus influenzae Penicillin Pseudomonas

aeruginosa

Ampicillin, 제 1, 2 세대 cephalosporin, kanamycin Enterococcus spp. Aminoglycoside,

cephalosporin, clindamycin Staphylococcus aureus Streptomycin

Streptococcus

pneumoniae Aminoglycoside

Bacteroides spp. Aminoglycoside

주요 균종의 항균제 자연 내성

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Effects of antibiotics combination therapy

Addition Synergism

If two antibiotics used in combination have an

antibacterial effect much greater than either drug alone Two drugs may sequentially block a microbial metabolic pathway

A drug may enhance the entry of another drug into bacteria (e.g.) b-lactam drug + aminoglycosides or amphotericinB + flucytosine

One drug may prevent the inactivation of a second drug by microbial enzymes (e.g.) Inhibitors of b-lactamase (clavulanic acid, sulbactam) + amoxicillin

Antagonism

When two drugs in combination have activity less than the sum of the two

Bacteriostatic drugs (chloramphenicol, tetracyclins) + bactericidal drug (penicillins or aminoglycosides)

Antimicrobial drugs used in combination

Indications

To give prompt treatment for serious infections (e.g.) menigitis in children

To delay the emergence of drug-resistant mutant in chronic infection by the use of another non-cross-reacting drug (e.g.) active TB

To treat mixed infections following massive trauma or involving vascular structures

To achieve bactericidal synergism or to provide bactericidal action (e.g.) enterococcal sepsis

Disadvantages

Unnecessarily high cost Indifference or antagonism Normal flora

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제 5장. 항생물질의 작용 기전

항생물질이 미생물세포에 영향을 미치기 위해서는

미생물 세포 내로 침투

미생물의 증식과 생명유지에 필수적인 세포 내 구조 (작용점, target site)와 결합

그 세포 내 구조가 담당하는 대사 과정을 완전히 억제

세포 차원에서 항생물질의 영향

정균 효과 (bacteriostatic effect)

항생물질과 미생물 세포 내 구조와의 결합이 약하면 (또는 가역적), 항생물질의 효과는 세포의 증식을 억제하는 정도에 머물고 죽이지는 못한다.

정균효과를 나타내는 항생물질의 경우에는, 미생물 세포에서 그 항 생물질을 제거하면 미생물세포가 다시 증식할 수 있다.

살균 효과 (bactericidal effect)

항생물질이 세포 내 구조나 효소와 불가역적으로 결합하여, 그들이 갖는 기능을 완전히 억제한다면 항생물질은 세포의 증식을 억제하는 단계를 넘어 죽게 만든다.

항생물질의 작용기전과 선택 독성의 관계

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미생물의 증식 단계

배지 중의 탄소원과 질소원을 세포 내로 끌어 들여 물질대사와 에 너지 대사에서의 주요 대사중간체 (key product)로 전환함.

Monomer (amino acid, nucleotide, glucosamine, triglyceride등)와 보조인자 cofactor를 생성함.

Monomer를 거대분자(protein, nucleic acid, peptidoglyean) 로 중합함.

거대분자를 초거대분자(ribosome, 세포벽, 세포막 등)로 조립함.

항생물질은 위의 단계 중 특정한 한 단계 또는 두 단계 이 상을 방해하여 세포 증식을 억제.

항생물질의 작용기전과 선택 독성의 관계

이 세포 증식 억제 기전을 항생물질의 작용기전 (Mode of Action, MOA)이라 한다.

항생물질은 사람이나 동물체에는 독성을 나타내지 않고, 감염된 미생물의 증식만 선택적으로 억제할 수 있어야 함.

항생물질 작용의 선택성 (selectivity) 은 환경의 적응 과 정 중에서 세포의 필수적인 기능을 그대로 유지하면서 생 긴, 세포 간의 구조적 및 생화학적 차이점에 근거를 두고 있다.

동물조직을 구성하는 세포인 진핵세포와 세균을 구성하는 원핵세포 사이에는 미묘한 구조적, 생화학적 차이점이 있 다.

항생물질의 작용기전과 선택 독성의 관계

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두 종류 세포 안으로 항생물질이 투과하는 정도의 차이 세포 내 항생물질의 농도는 투과력 (penetration) 에 의해 결정

어떤 항생물질의 투과력은 원핵세포와 진핵세포에서 서로 다름.

Tetracycline - 이 항생물질은 세균 유래의 무세포계 (cell free system)와 동물세포 유래의 무세포계에서 거의 같은 정 도로 단백질 생합성을 억제한다. 그러나 살아있는 세포계에서 는 세균 세포의 증식만을 억제한다. 이것은 세균은

tetracycline을 끌어들여 억제 농도에 도달할 수 있으나, 동물 세포에서는 tetracycline이

들어갈 수 있어 억제 농도에 도달할 수 없기 때문이다.

항생물질 작용의 선택성에 대한 세포 및 분자 수준에서 설명

동물세포에는 없고, 미생물 (특히 세균) 세포에만 존재하 는 필수 조직에 대한 작용.

Peptidoglycan 으로 구성된 세균 세포벽은 세균에 만 존재하고, 동물 세포에는 존재하지 않는 구조 à 작 용기전상 다른 항생물질에 비해 선택성이 높다.

세포막은 모든 종류의 세포에 존재하며 구조나 기능면 에서 큰 차이가 없다.

그러나 세포의 종류에 따라 세포막에는 작은 차이점이 존재 - 곰팡이의 세포막, 동물세포의 세포막

항생물질 작용의 선택성에 대한 세포 및 분자 수준에서 설명

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두 종류의 세포 안에서 같은 역할을 하는 분자에 대한 항 생물질의 친화력 차이.

세균에 존재하는 주요 대사과정이나 구조는 곰팡이나 동물세포 에도 존재한다.

그러나 이 대사과정에 관여하는 효소의 구조 사이에는 작은 차 이점이 있음 - 이들 효소에 대한 어떤 특정 항생물질의 친화력 (affinity)에 차이.

세균 세포 효소에 대한 친화력이 강하고, 동물세포 효소에 대 한 친화력이 약한 항생물질은 작용 선택성을 갖게 된다.

단백질 생합성 효소, RNA polymerase, dihydrofolate

reductase의 작용을 억제하는 항생물질은 이 원리에 의해 선 택성을 나타낸다.

항생물질 작용의 선택성에 대한 세포 및 분자 수준에서 설명

항세균성 항생물질은 그람양성, 그람음성 세균에 대해 서로 다른 항균력을 나타낸다. 이와 같은 항균력의 차이 점은 투과력의 차이점, 불활성화 효소의 존재여부, 작용 부위의 존재 여부에 기인한다.

대부분의 항생물질은 단순확산(simple diffusion)에 의 해 세균 세포 안으로 들어간다. 따라서 세포 안으로 들 어가는 항생물질의 양은 세포벽과 세포막의 물리화학적 성질에 의해 결정된다.

세포막의 구조나 성질은 그람 양성 세균과 그람 음성 세 균 사이에 차이가 없으나, 세포벽의 경우는 그렇지 않다.

그람 음성 세균의 세포벽에는 그람 양성 세균의 세포벽 에는 없는 외막 (outer membrane) 이 존재한다.

항생물질 작용의 선택성에 대한 세포 및 분자 수준에서 설명

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그람 음성 세균에서는 일반적으로 이 외막의 존재로 인해 항생물질이 쉽게 세균 세포 안으로 투과할 수 없다 à 그람 음성 세균은 그람 양성 세균에 비해 항생물질에 덜 감수성

어떤 세균이 항생물질이 작용하는 부위를 갖고 있지 않다 면, 이 항생물질은 이 세균에 대해서는 활성을 갖지 못함

Mycoplasma 세균은 세포벽을 갖고 있지 않으며, 따라서 세포벽 생합성을 억제하는 penicillin등의 항생물질은 이 세균에 작용하지 않는다.

항생물질 작용의 선택성에 대한 세포 및 분자 수준에서 설명

세포벽 생합성을 억제하는 항생물질은

Peptidoglycan 생합성을 억제하는 것 (대부분)과 그 밖의 세포벽 구조의 생합성을 억제하는 것으로 구 분.

세포벽 생합성을 억제하는 항생물질의 공통점 살균적 으로 작용.

성장이 중지된 상태의 세포에는 작용을 나타내지 못함.

이들 항생물질은 세포벽이 없는 세균에는 활성을 나타 내지 못함.

세포벽 생합성을 억제하는 항생물질

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Features of the bacterial cell-wall:

Peptidoglycan ß polysaccharides + a highly cross-linked polypeptide

Polysaccharides ß N-acetylglucosamine + N- acetylmuramic acid

Inhibition of Bacterial Cell Wall Synthesis

G M G M

N-acetylglucosamine-UDP, N-acetylmuramic -UDP(aa)

의 두 기본 단위 형성을 억제하는 것

D-cycloserine

The terminal two amino acid residues of the murein precursor lipid II consist of D-alanine, which is

produced by the enzyme alanine racemase; the two residues are joined by D-alanine ligase.

Both enzymes are competitively inhibited by cycloserine)

Fosfomycin

Inactivating the enzyme UDP-N-acetylglucosamine-3- enolpyruvyltransferase, also known as MurA.

Peptidoglycan 생합성을 억제하는 항생물질

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두 기본 단위로 이루어지는 이중체(dimmer) 형성단계 나, 형성된 이중체가 성장 중인 peptidoglycan 쇄에 전 달되는 과정을 억제하는 것

Bacitracin, flavomycin.

쇄(chain)와 쇄을 연결하는 단계인 cross-linking을 억제하는 것

b-lactam계 항생제 (Penicillin, cephalosporin, cephamycin, carbapenem, monobactam)

Peptidoglycan 생합성을 억제하는 항생물질

Peptidoglycan synthetic pathway in E. coli with known inhibitors indicated.

‘At least 15-20 unique essential targets’

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단백질 생합성을 억제하는 여러 가지 항생물질의 작용기전은 구체적 인 면에서는 서로 다르며 그 억제 정도도 다름.

대부분은 정균적으로 작용.

그러나 단백질 생합성에 필수적인 구조와 불가역적 결합을 하는 항생물 질은 살균적으로 작용.

이들 항생물질에 의해 단백질 생합성이 억제되면, DNA, RNA, 세포벽 등 거대분자의 생합성에 2차적 영향을 미치게 되며, 그 결과로 세균의 성장은 억제된다.

단백질 생합성을 억제하는 항생물질은 매우 다양한데, 이들 항생물 질은 작용 부위에 따라 다음의 4가지로 분류

아미노산 활성화와 전달 반응을 억제하는 것 : mupirocin, borrelidin.

30S ribosomal subunit의 기능을 억제하는 것 : tetracyclin, 아미노 배당체 계 항생제 (streptomycin, gentamicin).

50S ribosomal subunit의 기능을 억제하는 것 : MLS계 항생제

(erythromycin, leucomycin, lincomycin, clindamycin, synercid), chloramphenicol, puromycin.

Ribosome 이외의 단백질 합성 관여 인자의 기능을 억제하는 것 : fusidic acid, kirromycin.

단백질 생합성을 억제하는 항생물질

30S Tetracycline antibiotics (tRNA binding)

Tetracyclines

• Doxycycline • Chlotetracyclne • Clomocucline

• Demeclocycline • Lymecycline • Meclocycline

• Metacycline • Minocycline • Oxytetracycline

• Penemepicycline • Rolitetracycline • Tetracycline Glycylcyclines Tigecycline

50S

Ampenicols (translocation) Chloramphenicol • Azidamfenicol • Thiamphenicol • Florfenicol

MLS (transpeptidation)

Macrolides

• Erythromycin • Azithromycin • Spiramycin

• Midecamycin • Oleandomycin • Roxithromycin

• Josamycin • Troleandomycin • Clarithromycin

• Miocamycin • Rokitamycin • Dirithromycin

• Flurithromycin • Telithromycin • Cethromycin

Lincosamides Clindamycin • Lincomycin

Streptogramins Pristinamycin • Quinupristin/dalfopristin Oxazolidinone (initiation

inhibitors) ^Linezolid

30S and

50S Aminoglycosides

-mycin (Streptomyces)

Streptomycin

Neomycin (Framycetin, Paromomycin, Ribostamycin)

Kanamycin (Amikacin, Arbekacin, Bekanamycin, Dibekacin, Tobramycin)

Spectinomycin • Hygromycin B Paromomycin

-micin (Micromonospora)

Gentamicin# (Netilmicin, Sisomicin, Isepamicin) Verdamicin

Astromicin

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핵산의 합성을 억제하는 항생물질류

DNA 또는 RNA 전구체의 생합성을 억제하는 것

전구체의 중합, 즉 DNA 또는 RNA 생합성 단계를 억제하는 것 DNA 주형의 기능을

억제하거나, 중합에 관여하는

억제

(1) DNA template 기능을 억제하는 항생물질

DNA와 복합체를 형성하여 DNA의 주형 기능을 직접 막거나, 또 는 DNA에 절단과 같은 구조 변화를 일으켜 주형으로 작용하지 못하게 함.

이 계열 항생물질들은 세균 DNA는 물론 곰팡이 DNA, 동물 DNA 등 여러 DNA와 결합하므로 선택성이 약하고, 따라서 독성이 매 우 강함. 주로 항종양제로 사용.

Mitomycin류, bleomycin류, actinomycin D, daunorubicin (daunomycin), doxorubicin (adriamycin), distamycin, netropsin 등

핵산의 생합성 억제하는 항생물질

(2) RNA polymerase 기능을 억제하는 항생물질

세균의 RNA polymerase는 동물 세포 RNA polymerase와 상당히 차이점이 있기 때문에 이 계열 항생물질은 보통 선택성이 강하다.

이 계열 항생물질은 증식중인 세균의 RNA 생합성을 선택적으로 억제하 며, DNA 생합성에는 영향을 미치지 않는다.

RNA 생합성의 일시적 중지는 세포에 치명적인 것이 아니며, 따라서 RNA polymerase 기능을 억제하는 항생물질은 주로 정균적으로 작용.

대표적인 항생물질은 ansamycin류 (rifamycin류, streptovaricin류 등)이다.

이중 rifamycin류가 가장 잘 알려졌으며, 특히 반합성 유도체인

rifampicin (rifampin)은 항 결핵제등으로 중요하게 사용되고 있다.

Rifamycin류은 세균 RNA polymerase와 불가역적 복합체를 형성하여 작용한다.

핵산의 생합성 억제하는 항생물질

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(3) 복제 효소 기능을 억제하는 항생물질

세균의 DNA polymerase 기능을 선택적으로 억제하는 항생 물질은 아직 보고된 바 없다.

세균 DNA gyrase 기능을 선택적으로 억제하는 항생물질로 novobiocin, coumermycin류과 quinolone 항균제류가 있다.

Novobiocin과 coumermycin류는 세균 DNA gyrase의 B subunit와 결합하여 효소 반응을 중단시킨다.

Nalidixic acid, oxolinic acid, pipemidic acid 등 초기

quinolone 항균제와 norfloxacin, ciprofloxacin, ofloxacin 등 다양한 fluoroquinolone 항균제는 모두 DNA gyrase의 A subunit와 결합하여 작용한다.

핵산의 생합성 억제하는 항생물질

세포막의 구조와 기능은 원핵세포나 진핵세포 간에 근본 적으로 거의 차이가 없다

원핵세포와 진핵세포의 세포막 사이에 존재하는 중요한 차이점은 sterol의 존재 여부와 그 종류이다.

세균의 세포막에는 sterol이 없으며, 곰팡이와 동물세포 에 존재하는 sterol은 그 종류가 다르다.

따라서 항곰팡이성 항생물질은 주로 sterol 생합성 억제 나 기능 장애를 작용기전으로 하고 있다.

세포막 기능을 억제하는 항생물질은 선택성이 매우 약하 며, 따라서 독성이 매우 강한 것이 많다. 이런 것들은 주로 외용제로 사용한다.

세포막 기능을 억제하는 항생물질

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이 부류에 속하는 항생물질은

세포막 구조를 파괴하여 세포 내용물을 유출되게 하는 것 :

polymyxin, colistin, circulin, amphotericinB와 nystatin 등 polyene계 항생물질

특정한 이온을 세포 안 또는 세포 밖으로 이동시켜 비정상 농도로 되게 하는 것 : gramicidin류, alamethacin, cyclodepsipeptide 류 (valinomycin, enniantin류), macrotetrolide류,

sideromycin류

세포막 기능을 억제하는 항생물질

세포 내에서 일어나는 정상적인 대사를 방해함으로써 작용을 나타내는 항생물질

천연 대사체와 구조적으로 비슷한 것 (대사유도체)

정상적으로 천연 대사체를 인식하는 효소와 반응하여, 이 효소가 천연 대사체에 이용되지 못하게 한다.

억제 정도는 천연 대사체에 대한 대사유도체의 농도 비율에 의해 결정된다. 즉 상경적 (competitive)이다.

대사 길항성 항생물질

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이 계열에 속하는 항생물질에는 정보관련 중합체 (DNA, RNA, 단백질)에 천연 monomer 대신 들어가서 정보 내용 을 변화시켜 항균 활성을 나타내는 것과 필수 대사중간체의 형성을 억제하여 활성을 나타내는 것이 있다.

천연 monomer 대신 들어가 활성을 나타내는 것 :

fluorophenylalanine, selenomethionine, 5-bromouracil.

대사 중간체 또는 필수 조요소 (cofactor)의 합성을 억제하는 것 :

Purine, pyrimidine nucleotide 합성 억제제: hadacidin, alanosine, azaserine, DON, showdomycin

Peptidoglycan 합성 억제제: D-cycloserine Folic acid 합성 억제제: sulfonamide

Dihydrofolic reductase 억제제: trimethoprim

대사 길항성 항생물질

제 6장. 항생물질에 대한 세균의 내성기전

§ “Antibiotic resistance continues to plague

antimicrobial chemotherapy of infectious diseases”

Keith. Poole. J Antimicrob Chemother 2005; 56: 20-51

§“Antibiotic resistance has resulted in a continuous need for new therapeutic alternatives”

Carl Erik Nord. Clin Microbiol Infect 2004;10 (Supp 4)

§ “There is a need to re-invigorate antimicrobial development, which has been downgraded by major pharmaceutical houses”

David Livermore. Lancet Infect Dis 2005; 5:450-59

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Resistance

By the end of the 1950’s, 50% or more of all Staphylococcus aureus strains were resistant to PCN.

In 1975, MRSA (methicillin resistant Staphylococcus aureus).

In 1988, VRE (Vancomycin resistant enterococci) .

In 2002, VRSA (Vancomycin resistant Staphylococcus aureus).

Today, 70% of all nosocomial infections are resistant to one or more antibiotics.

Resistance

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Drugs developed to counteract resistance mechanisms

Year Relevant resistance at

appearance time Antimicrobials developed

1940

Penicillinase-(+) S. aureus Stable penicillins: methicillin, oxacillin, cloxacillin, … 1^stgen. cephalosporins: cephalotin, cephalexin, …

Tetracycline resistance Doxycycline, minocycline,… tigecycline Gentamicin resistance Tobramycin, amikacin, isepamicin

1960 Nalidixic acid Norfloxacin, ciprofloxacin, levofloxacin, moxifloxacin Methicillin resistant S. aureus Synercid, linezolid, daptomycin, tigecycline

TEM-1 ß-lactamase producing E. coli ß-lactamase inhibitors: clavulanic, sulbactam, tazobactam 2^nd/ 3^rdgen. cephalosporins: cefotaxime, ceftazidime, … 1980

AmpC hiperproducing gram-(-) rods

4^thgen. cephalosporins: cefepime

Carbapenems: imipenem, meropenem, ertapenem, doripenem, panipenem, ...

ESBL producing Enterobacteriaceae Carbapenems: imipenem, meropenem, ertapenem doripenem, panipenem, ...

1990 Penicillin/Macrolide R S. pneumoniae Telithromycin

Vancomycin resistant enterococci Synercid, linezolid, daptomycin, oritavancin, telavancin

Resistance to Antibiotics

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내성의 정의

어떤 항생물질에 감수성인 세균에서 유래한 균주가 항생물질 의 최소 억제 농도에서 증식이 억제되지 않고 증식하였을 때 내성화 (resistant) 되었다고 하며, 그 상태를 내성

(resistance)이라 한다.

물론 이 내성균주도 보다 높은 농도의 항생물질에 의해서는 증 식이 억제될 수 있다.

따라서 내성의 개념에는

① 특정한 세균 균주

② 특정한 항생 물질

③ 특정한 농도가 적용되어야 한다.

임상적으로는 혈장 또는 조직 중에 도달할 수 있는 항생물질 농도 이상에서 세균이 증식할 수 있을 때 내성이라 한다.

항생물질에 대한 세균의 내성기전

약물 내성 DNA의 전이 방법

Plasmid transfer

세균접합(bacterial conjugation)에 의한다.

가장 중요함.

Transduction

Phage에 의한 형질 도입.

Transformation

Free DNA에 의한 형질 전환.

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Limitation of Drug Resistance

How to limit emergence of drug resistance by maintaining sufficiently high levels of the drug in the tissues to inhibit both the original population and first-step mutants

by simultaneously administering two drugs that do not give cross-resistance, each of which delays the emergence of mutants resistant to the other drug

by avoiding exposure of microorganisms to a particularly valuable drug by limiting its use, especially in the hospitals

Multi-drug resistance (다제약제내성)

어떤 세균이 화학 구조가 서로 다르며 작용 기전이 서로 다른 두 종류 이상의 항생물질에 대해 동시에 내성을 가지는 것

Cross resistance (교차내성)

화학구조가 같은 계열에 속하며, 따라서 작용기전이 거의 같은 항생물질이 임상적으로 다수 이용되고 있음

어떤 세균이 이중 한가지 항생물질에 대해 내성화되면, 이 세균은 같은 계열의 다른 항생물질에 대해서도 내성을 갖게 되는 경우가 있는데, 이 현상을 교차내성이라고 함

교차 내성을 나타내는 세균에 의한 감염증을 치료하기 위해, 제 2 의 항생물질을 선택할 때에는 작용기전이 다른 항생물질 중에서 선택해야 한다.

Selection Pressure of Antibiotic Use

내성 관련 용어 정의

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One-step resistance

MIC보다 몇 배 높은 농도의 항생물질을 함유한 고체 배지 위에 세균을 10⁹cfu 이상의 많은 수를 도말한 뒤 배양하면 내성균주를 분리할 수 있다.

이때 분리된 내성균주는 분리에 사용한 항생물질 농도뿐만 아니라, 그 보 다 훨씬 높은 농도에서도 성장할 수 있다.

이런 경우를 일단계 내성이라 한다.

Multi-step resistance

그러나 penicillin과 같은 항생물질에 대한 내성균주는 이런 방법으로 분 리할 수 없다.

Penicillin 내성 균주를 분리하기 위해서는 훈련법(training)을 쓴다.

즉 MIC보다 조금 낮은 농도(½X MIC)의 penicillin을 함유한 액체 배지에 서 세균을 배양한 후, 그것을 MIC보다 2배 높은 농도의 고체 배지에 도말 한 후, 배양하여 살아나온 집락을 취한다.

이 균주를 다음에는 MIC 농도에서 액내 배양하고, 이어 MIC의 4배 농도 고체배지에 도말, 배양하여 살아나온 집락을 취한다.

이와 같은 조작을 여러 번 반복하면 내성도가 상당히 높은 균주를 선발할 수 있다. 이와 같은 점진적 내성을 다단계 내성이라 한다.

내성 관련 용어 정의

항생물질이 세균의 증식을 억제하기 위해서는,

항생물질이 세균 세포 내로 투과되어, 생명에 필수적인 세포구조와 반응하여, 그 구조가 갖는 기능을 억제하여야 한다.

세균은 위의 단계 중 어떤 단계를 차단한다면, 세균세포는 그 항생물질에 대해 내성을 갖게 된다.

세균이 항생물질에 대해 내성을 갖게 되는 주요 생화학적 기전은 다음과 같다.

항생물질의 불활성화

세포 내 항생물질 표적구조의 변화 항생물질에 대한 미생물 투과력의 변화 세포 외로의 항생제 유출

항생물질에 의해 억제되는 효소의 생산 증가

세균은 이들 중 한가지 또는 여러 가지 기전의 복합에 의 하여 항생제에 내성이 된다

내성의 생화학적 기전

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이 기전에 의해 내성을 갖는 균주는 해당 항생물질을 불활성화 시키는 효소를 생산한다.

β-lactam계 항생제를 불활성화 하는 효소

β-lactamase는 β-lactam 환을 가수분해함으로써, 이 구조에 의하여 항균력을 발휘하는 약제를 불활성화한다.

그러나 세균이 β- lactamase를 생성한다 해서 모든 β-lactam 항생제에 내성이 되는 것은 아니다.

그 예로, β-lactamase를 생성하는 Staphylococcus

piperacillin 등에는 내성이지만, 이 효소에 안정한 methicillin, oxacillin, nafcillin 등에는 감수성이다.

이는 β-lactamase에 따라서 가수분해할 수 있는 기질 (항생제) 의 범위가 다르기 때문이다.

내성의 생화학적 기전

[1] 효소에 의한 항생물질의 불활성화

[1] 효소에 의한 항생물질의 불활성화

b-lactamase는 b-lactam ring을 가수분해해서 항균제를 불활성화한다.

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“ It is frightening to realize that one single base change in a gene encoding a bacterial b-

lactamase may render useless $ 100 million (now more than $ 600 million) worth of

pharmaceutical research effort”

(Science 264: 376, 1994)

[1] 효소에 의한 항생물질의 불활성화

Aminoglycoside를 불활성화하는 효소

Enterococcus는 저농도의 aminoglycoside에 자연내성인데, 이는 세포막의 특성 때문에 이 항생제가 세포 내로 투과되는 양이 적기 때 문이다.

그러나 aminoglycoside를 penicillin, vancomycin 등과 병합해서 사 용 하 면 이 세 균 의 치 료 에 좋 은 효 과 를 볼 수 있 는 데 , 이 는 penicillin이나 vancomycin이 aminoglycoside의 세포 내로의 침투 를 도와주기 때문이다. 이 병합요법은 Enterococcus에 의한 패혈증 등 중증 감염증의 치료에 널리 사용되어 왔다

그러나 최근 분리되는 Enterococcus 중에는 이 병합요법에 내성인 세균이 많은데, 이는 이들 내성세균이 aminoglycoside 변형효소 (aminoglycoside modifying enzyme)를 생성함으로써, 고농도의 aminoglycoside에 내성이 되었기 때문이다.

Chloramphenicol acetyltransferase (CAT)는

chloramphenicol을 불활성화하며, Enterobacteriaceae와 Haemophilus influenzae는 흔히 이 효소의 생성에 의하여 chloramphenicol에 내성이 된다.

[1] 효소에 의한 항생물질의 불활성화

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Aminoglycoside를 불활성화하는 효소

[1] 효소에 의한 항생물질의 불활성화

Peptidase : peptide결합을 가수 분해하는 것으로 β-lactamase가 대표할 수 있다.

여러 내성 균주가 기질 특이성, 구조 등이 서로 다른 β-lactamase를 생산 하고 있다.

Acetyltransferase : 활성 기능에 관여하는 -NH₂ 기나 –OH 기에 acetyl 을 전달 결합시켜 항생물질의 입체 구조를 변화시킴으로 해서 항생물질을 불 활성화 시킨다. Chloramphenicol의 –OH 기나 aminoglycoside계 항생물질 에 있는 -NH₂ 기를 acetyl화하여 불활성화시킴으로써 내성화되는 것

Phosphoryltransferase : 활성 기능에 관여하는 –OH 기에 인산기를 결합시켜, 항생물질의 입체 구조를 변화시킴으로 해서 항생물질을 불활성화시 킨다. Aminoglycoside계 항생물질에 대한 내성 균주에서 예를 볼 수 있다.

Adenyltransferase : 활성기능에 관여하는 –OH 기에 adenyl기를 결합 시켜, 항생물질의 입체구조를 변화시킴으로 해서 항생물질을 불활성 시킨다.

Aminoglycoside계 항생물질에 대한 내성 균주에서 예를 볼 수 있다.

내성 균주가 생산하는 효소들

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β-lactam 항생제의 표적은 penicillin-binding protein (PBP)

S. aureus는 β-lactam 항생제와의 친화도가 낮은 새로운 PBP (PBP 2‘ or PBP2a, mecA gene)를 생성해서 methicillin에 내성이 된다.

S. pneumoniae는 기존의 PBP 변성에 의해서 β- lactam 항생제에 대한 내성을 획득한다.

Pseudomonas aeruginosa, Enterobacteriaceae 등 그람음성 세균 중에도 이러한 기전에 의하여 β- lactam 항생제에 대한 내성을 획득한 세균이 있다.

[2] 항생물질 표적 구조의 변화

“A particular nightmare is that methicillin- resistant Staphylococcus aureus (MRSA),

a common cause of hospital infections, will acquire resistance to vancomycin. If the vancomycin resistance gene got into MRSA,

that could be potentially disastrous.”

(Science 264: 365 (1994)

[2] 항생물질 표적 구조의 변화

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Vancomycin-resistant Enterococcus (VRE) 또한 표적 물질의 변성에 의하여 vancomycin에 대한 내성을 획득한 한 예이다.

Vancomycin은 peptidoglycan 전구체의 N-terminal D-Ala- D-Ala와 결합하여서 PBP가 이 부위에 결합하지 못하게 하며, 그 결과로 세균은 peptidoglycan 중합에 의한 세포벽 합성을 못하게 된다.

그러나 VRE의 N-terminal은 D-Ala-D-Lac 등으로 변화되어서 vancomycin과의 친화도가 1/1,000 이하로 감소되며, 이로 인하 여 vancomycin에 대한 내성을 획득하는 것으로 알려졌다.

[2] 항생물질 표적 구조의 변화

Transference of vanA gene from

E. faecalis to S. aureus

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항생물질은 다른 화합물과 마찬가지로 수동확산(simple diffusion)이나 특수한 능동수송(active transport)에 의해 세포 내로 들어간다.

항생물질이 수동 확산에 의해 세포 내로 들어가는 경우에는, 영 양소로 작용하는 화합물질은 정상적으로 세포 내로 들어가고 항 생물질은 못 들어가게 하는 돌연변이가 일어나기 매우 어렵다.

그러나 특수한 능동 수송에 의해 세포 내로 들어가는 경우에는 특수 능동 수송에 관여하는 특수 운반단백질 specific carrier protein (permease)의 변화에 의해 내성을 얻을 수 있다.

그 예를 fosfomycin, D-cycloserine에 대한 내성에서 볼 수 있다.

또한 그람음성 세균에서는 세포 외막에 있는 porin 단백질이 많은 화합물의 투과에 관여하고 있으며, 이 특수 단백질의 발현 과 구조 변화에 의해 투과력이 감소되어 내성을 얻을 수 있다.

[3] 항생물질 투과력의 변화

Porin은 세포 외막의 단백이며, 그람음성세균에만 존재한다.

Porin은 영양물질을 받아들이고, 대사 산물을 내 보내는 통로 로 생각되는데, 항생제 대부분은 이 구조를 통해서 세포 내로 들어간다.

E. coli의 외막에는 여러 종류의 porin이 있지만, 항생제는 주 로

OmpF

OmpC를 투과한다.

항생제의 porin 투과도는 항생제 분자의 전하 (charge), 소수성 (hydrophobicity) 및 분자량에 따라 결정된다.

음 성 (陰 性) 전 하 의 분 자는 양 성 (陽 性 ) 혹 은 양 성(兩 性,

zwitterion)

[3] 항생물질 투과력의 변화

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또한 소수성 분자 는 친수성(hydrophilic) 분자에 비해서, 분자량이 큰 항생제는 분자량이 작은 항생제에 비해서 porin을 잘 투과하지 못한다.

Methicillin은 소수성 이기 때문에 porin을 잘 투과하지 못하며, 따라서 그람음성 세균에 대한 항균력이 없다.

큰 측쇄 (side chain)를 갖고 있는 mezlocillin,

cefoperazone 등은 분자량이 커서 porin을 잘 투과하 지 못한다.

Imipenem은 양성 (兩性) 전하를 갖고 있고, 친수성이 며, 분자량이 299로 비교적 작기 때문에, β-lactam 항 생제 중 porin 구조를 가장 잘 투과한다

[3] 항생물질 투과력의 변화

박테리아의 세포막 구조. 세포 외막의 porin 단백은 항균제가 세포 내로 들어가는 통로이다. 항균제는 porin 단백을 소실한 세균의 세포 내로 침 투할 수 없으므로, porin 소실 변이주는 항균제에 내성이 된다.

Gram (+) Gram (-) Mycobacterium

[3] 항생물질 투과력의 변화

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다른 그람음성세균도 E. coli와 유사한 porin을 갖고 있다. 그러나 Pseudomonas aeruginosa의 porin은 다르다.

Imipenem에 감수성인 P. aeruginosa의 외막에는 D2 단백이 있지만, 이 항생제에 내성인 세균에는 D2 단백이 없으며, 그 외 의 단백은 차이가 없다.

따라서 P. aeruginosa에서는 D2 단백이 imipenem을 특이적 으로 통과시키는 것으로 생각된다.

그러나 porin이 완전히 없는 세균은 영양물질을 받아들일 수 없 기 때문에 존재할 수 없으며, 소량의 porin만 있어도 항생제는 이를 투과하므로, porin의 소실만으로 항생제에 고도내성이 되 기는 어렵다. 다만 다른 내성기전과 상승적으로 작용하여서 내 성 정도를 높일 수는 있다.

Aminoglycoside, quinolone 등에 대한 내성도 porin 구조의 소실 에 의해서 획득하는 것으로 알려졌다.

[3] 항생물질 투과력의 변화

세포 내로 유입된 항생제를 능동적으로 세포 외로 유출시킴 이러한 내성 기전은 ribosome의 단백 생성을 저해하는

tetracycline 이나, macrolide에 내성인 세균과 DNA gyrase의 활성을 억제하는 quinolone에 내성인 세균에서 볼 수 있다.

Pseudomonas aeruginosa 세포 외막의 OprK 단백은 세포 내의 독성 성분을 세포 외로 유출하는 기능이 있는데, 이 단백을 다량 발 현하는 변이주는 능동적 유출에 의해서 ciprofloxacin, nalidixic acid, tetracycline, chloramphenicol 등의 여러 항생제에 내성이 된다.

이와 같이 능동적인 유출에 의해서 여러가지 항생제에 대한 내성을 획득하는 기전에는 다제내성 펌프 (multi-drug resistance pump, MDR pump)가 관련되어 있다.

[4] 세포 밖으로의 항생제 유출

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MDR 펌프는 Staphylococcus aureus 등의 그람양성 세균, E. coli,

Pseudomonas aeruginosa 등의 그람음성 세균 뿐 아니라, 진균인 Candida albicans, 원충인 Plasmodium falciparum 등도 갖고 있 다.

S. aureus의 MDR 펌프로는 NorA, QacA, QacB 등이 알려졌다.

QacA 단백을 다량 발현하는 균주는 chlorhexidine에, NorA를 다량 발현하는 균주는 quinolone에 내성이다.

E. coli의 MDR 펌프로는 EmrAB 등이 알려졌는데, 이 단백을 다량 발현하는 균주는 nalidixic acid와 thiolactomycin에 내성이다.

[4] 세포 밖으로의 항생제 유출

[4] 세포 밖으로의 항생제 유출

일부 세균은 세포 내로 유입된 항균제를 능동적으로 유출한다.

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5-methyltryptophan이나 trimethoprim과 같은 대사 길항제에 대해 내성인 세균에서 흔히 나타남.

이 경우 내성균주에서는 tryptophan이나 folic acid reductase가 다량 생산된다.

한편 D-cycloserine에 내성인 균주에서는 D-alanyl-D-alanine synthetase의 생산이 증가된다.

[5] 항생물질에 의해 저해되는 효소의 생산 증가

어떤 특정 항생물질에 대해 내성을 갖는 미생물 균주는 서로 다른 2- 3 가지의 내성기전에 의해 내성을 획득하는 경우도 있다. 예로 streptomycin에 대해 내성인 균주 중에는 불활성화 효소의 생산함 과 동시에 작용 표적 부위의 변화를 일으키거나, 투과력의 변화에 의 해 고도의 내성을 얻은 것도 있다. 한편 두 항생물질이 같은 표적 부 위에 작용한다면 교차내성이 자주 일어난다.

Antibiotic Resistance:

Action and Reaction Response

Anti-infective agent

Discovery (introduction)

Resistance 1^streported

Mechanisms of

resistance Organisms

Penicillin G 1940 (1943) 1940 Penicillinase S. aureus

Streptomycin 1944 (1947) 1947 S12 ribosomal mutations M. tuberculosis

Tetracycline 1948 (1952) 1952 Eflfux Shigella dysenterie

Erythromycin 1952 (1955) 1956 23S rRNA methylation S. aureus

Vancomycin 1956 (1972) 1988, 2004 D-Ala-D-Ala replacement E. faecalis, S. aureus

Methicillin 1959( 1961) 1961 MecA (PPP2a) S. aureus

Gentamicin 1963 (1967) 1969 Modifying enzymes S. aureus

Nalidixic ac. 1962 (1964) 1966 Topoisomerase mutations E. coli

Cefotaxime 1975 (1981) 1981, 1983 AmpC ß-lactamases, ESBL Enterobacteriaceae

Imipenem 1976 (1987) 1986 Adquired carbapenemases P. aeruginosa, S.

marcescens Linezolid 1979 (2000) 1999 23S RNA mutations S. aureus, E. faecalis

Daptomycin 1980 (2004) 2005 ? S. aureus, E. faecalis

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항생물질에 대한 내성과 관련된 유전 정보 (작용 표적 부위

(target site), 또는 투과에 관련된 유전자)가 자연돌연변이에 의해 변화할 수 있는 확률은 다른 유전정보가 변할 수 있는 확률과 같다 고 볼 수 있다.

10^-7 ~ 10^-10의 낮은 빈도로 항생물질 내성 관련 유전 정보가 변화 하여 결과적으로 감수성 균주가 내성 균주로 바뀐다.

감수성 균주에 비해 내성 균주의 수는 매우 적지만, 만약 해당 항생 물질이 주위에 있다면 감수성 균주는 전부 사멸되거나 증식이 억제 되고, 오직 내성균주만이 살아 남아 증식하여 전체를 차지한다.

이런 항생물질의 작용을 내성균주의 선택 (selection of

resistant mutants)이라 하고, 이 전체현상을 돌연변이-선택 (mutation and selection)이라 한다.

항생물질이 내성을 야기시키는 돌연변이원(mutagen)으로 작용하 지 않고 오직 선택 물질 (selection agent)로 작용한다는 것은 실 험적으로 증명할 수 있다.

내성의 유전적 측면

[1] 돌연변이에 의한 내성균주화와 항생물질에 의한 선택

내성 균주에 존재하는 내성 관련 유전 정보가 감수성 균주에 전달 되어 내성 균주를 만들 수 있다.

임상적으로 중요한 균주 사이에서 내성의 확산은 주로 내성 관련 유전정보의 세포 간 전달에 의해 이루어진다.

세균의 항생제에 대한 내성은 크게 자연내성 (intrinsic resistance) 과 획득내성 (acquired resistance)으로 구분된다.

자연내성은 균속 (genus) 혹은 균종 (species)에 따라 특이하며, 항생 제의 항균 범위는 자연내성에 의해서 결정된다.

Vancomycin은 그람양성세균에 대해서는 항균력이 강하지만, 그람음성세 균에 대한 항균력은 없는데, 이는 vancomycin의 분자가 크고, 소수성 (hydrophobic)이어서 그람음성세균의 외막을 투과할 수 없기 때문이다.

획득내성은 세균의 염색체 유전자 변이 (mutation)나, plasmid 혹은 transposon에 매개되는 내성 유전자의 획득에 의해서 생기며, 일부 균주만이 갖는다.

Enterococcus faecalis 대부분은 vancomycin에 감수성이지만, 일부 균 주는 vanA 혹은 vanB 유전자의 획득에 의하여 이 항생제에 내성이다.

[2] 내성의 세포 간 전달

내성의 유전적 측면

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내성 유전자는 염색체 혹은 plasmid에 존재한다. 염색체 DNA는 안정적인데 반하여, plasmid DNA는 균종 내, 균종 간, 심지어는 균속 간을 손쉽게 이동한다.

또한 plasmid는 여러 가지 내성 유전자를 동시에 지닐 수 있기 때문에 (R-factor), 여러 가지 항생제에 대한 내성을 한꺼번에 전달할 수 있다.

내성 유전자의 전달방법은 접합(conjugation), 형질도입 (transduction, bacteriophage에 의한 내성 유전자 전달), 형질전환 (transformation, 균종 간 DNA의 직접 전달) 등 다양하다.

이 중 conjugation 은 가장 흔한 내성전달 기전이며, 그 매개체 는 plasmid 혹은 transposon이다.

Transposon은 내성 유전자를 지니고 세균 사이를 자유롭게 이동 하기 때문에, conjugative transposon 혹은 'jumping gene'이 라고도 불린다.

내성의 유전적 측면

[2] 내성의 세포 간 전달

일부 세균은 항생제에 노출되면 항생제에 대한 내성 정도가 강해지 는데, 이를 유도내성 (induction)이라 한다.

세균의 내성은 유도성에 따라서 구성형 (constitutive)과 유도성 (inducible)으로 나눌 수 있다.

E. coli의 염색체성 AmpC형 β-lactamase는 효소 생성량이 작고, 항생제 자극 에 의해서 유도되지 않으므로 (constitutive), 이 세균은 새로운 내성 유전자 를 획득하지 않는 한 ampicillin과 협범위 cephalosporin에 감수성이다

Enterobacter는 E. coli와 유사한 염색체성 AmpC형 β-lactamase를 생성한다.

Enterobacter는 ampicillin이나 협범위 cephalosporin에 노출되면 유도에 의해서 β-lactamase를 다량 생성하므로 (inducible), 이들 항생제에 내 성이다.

그러나 이들 항생제에 노출된 Enterobacter 중 일부 균주는 염색체 유전자 의 변이에 의해서 탈억제 (derepressed) 균주가 된다.

탈억제 균주는 항생제 자극과는 상관없이 β-lactamase를 계속 다량 생성하 므로, 역시 이들 항생제에 내성이다.

내성의 유전적 측면

[2] 내성의 세포 간 전달

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내성의 유전적 측면

(Science 264, 375-381

(1994))

항생제 내성균 발생에 대한 대책

항균제의 올바른 사용으로 현존하는 항균제 수명의 연장

각 항생제의 약동학적, 약력학적 특성을 잘 숙지하여 올바 른 처방을 해야 한다.

바이러스성 질환에는 항생제를 투여하지 않는다.

정확한 원인균의 진단을 통해 항생제를 처방한다.

새로운 항균제의 개발 예방접종

질병을 제어하는 다른 방법의 사용

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Antimicrobial consumption and impact on resistance

§ The use of antimicrobial agents fuels antimicrobial resistance

§ A higher antimicrobial resistance is expected to occur in those scenarios with higher selection density (hospitals)

§ The increment of antimicrobial consumption leads to the increase of antimicrobial resistance

§ Conversely, the decrease of antimicrobial use leads to the decrease of antimicrobial resistance

§ Unexpected results might be observed when

correlates antimicrobial consumption and

antimicrobial resistance