Vol. 56, No. 5, May, 1999
책임저자：윤성수, 대구광역시 남구 대명동 317-1번지, 705-717, 영남의료원 일반외과학교실 Tel: 053-620-3590, 3580, Fax: 053-624-1213
접수일： 1998년 2월 9일, 게재승인일： 1998년 10월 15일
Granulocyte Colony Stimulating Factor, Glutamine 및 항생제가 장내세균 전위에 미치는 영향
영남대학교 의과대학 외과학교실 및 1병리학교실
윤 성 수 ・김 동 식 ・김 상 운 ・김 홍 진 허 영 수 ・서 보 양 ・권 굉 보 ・최 준 혁1
= Abstract =
The Effect of Granulocyte Colony Stimulating Factor, Glutamine and Antibiotic on the Bacterial Translocation in the Endotoxemic Rats
Sung Su Yun, M.D., Dong Sik Kim, M.D., Sang Woon Kim, M.D., Hong Jin Kim, M.D.
Young Soo Huh, M.D., Bo Yang Suh, M.D., Koing Bo Kwun, M.D. and Joon Hyuk Choi, M.D.1 Departments of Surgery and 1Pathology, College of Medicine, Yeungnam University
Background : Now, there is good evidence suggesting that the gastrointestinal tract is not simply a bystander organ in critically ill patients but also may serve as an initiator and stimulator of a generalized systemic inflammatory response, and may function as the motor of sepsis and the MOFS (multiple organ failure syndrom). The aim of this study was to investigate the pattern of bacterial translocation and the effects of the granulocyte colony stimulating factor, enteral glutamine and prophylactic antibiotic on the bacterial translocation in endotoxemic rats.
Methods: Thiry-Vella loops were made in 80 male Sprague-Dawley rats weighing between 250 and 300 g. After 7 days, they were arbitrarily divided into 4 groups (control, G-CSF, glutamine and antibiotic groups). After inducing endotoxemia, the same amount of radiolabelled E. coli (500,000 CPU/ml) was insufflated through the Thiry-Vella loop. Then, after 4 hours, radioactivities of the lung, the liver, the spleen, the kidney, and serum (CPM gm wet wt.) were measured with a Wallac 14 10. To investigate the pattern of bacterial translocation, we divided the control group into 2 subgroups and harvested each organ at 1 hour and 4 hours after inducing endotoxemia.
Results: The organ distribution of radiolabelled E. coli differed with the lapse of time. Bacterial translocation was observed as early as 1 hour, and significantly higher levels of radioactivity were observed in the lung at 1 hour, and in the liver at 4 hours after endotoxemia than were observed in the other organs (P＜0.0 1). G-CSF, glutamine and a prophylactic antibiotic could prevent the bacterial translocation in endotoxemic rats. Also, bacterial translocation was significantly reduced in the glutamine group compared with the G-CSF and the prophylactic antibiotic group (P＜0.05). However, there was no difference in mucosa atrophy (villous height/mucosa thickness) among the group.
Conclusions: The results suggested that bacterial translocation could be prevented with G-CSF, glutamine, and prophylactic antibiotics and it might be hopeful in treating the patients suffering from shock, sepsis, trauma, and surgical stress.
Key Words: Bacterial translocation, G-CSF, Glutamine, Antibiotic
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서 론
장내세균이 신체 내로 전위된다는 것을 1950년대 에 Schweinburg1)와 Fine등2 )이 비가역성 숔의 병리기 전을 설명하면서 처음으로 소개하였지만 주목받지 못하고 1980년대 초반까지도 위장관계는 단순히 영 양을 섭취하고 소화효소를 분비하는 장소로만 여겨 져 왔다.
80년대 후반 숔이나 외상과 같은 스트레스 상황 하에서 다발성 장기부전으로 진행된 환자중 약 30%
에서 뚜렷한 패혈병소 없이 패혈증과 유사한 병리 과정이 진행됨이 알려지고,3 ) 폐쇄성 황달,4 ) 화상,5 ) 내독소 혈증,6 ,7 ) 출혈성 숔,8) 면역억제 및 영양 투여 방법의 변화 등9 , 10 )의 다양한 병리 상황이 유도된 동 물실험에서 장내세균의 전위가 일어난다는 것이 확 인됨에 따라 위장관으로부터의 세균 및 내독소의 전위가 다시 주목받게 되었고, 현재는 다발성 장기 부전의 병태생리에 위장관의 장내세균 및 내독소의 전위억제 효과의 소실이 주된 원인("motor" of mul- tiple organ dysfunction)으로 작용한다고 알려져 있 다.1 1) 즉, 패혈증이나 숔과 같은 스트레스가 신체의 면역기능을 감소시킴과 동시에 소화관내의 점막손 상을 유도하게 되고, 이로 인해 장내세균 및 내독소 가 신체 다른 부위로 전위(translocation)하게 되고, 이러한 과정에서 생기는 새로운 염증 반응이 기존 의 숔상태나 패혈증을 더욱 빠른 속도로 악화시켜 다발성 장기 부전이라는 치명적인 상태로 진행하게 된다는 것이다.12 ～ 14 )
현재까지 개발된 항생제나 그 외 숔에 대한 보존 적 요법이 진보적인 것임에도 불구하고 이러한 현 상을 방지할 수 없어 최근에는 장점막의 형태학적 보전 및 허혈성 변화의 방지, 장내세균 균주의 변화 와 수적인 조절, 특이 영양소의 투여 및 투여방법의 개선, 호르몬의 투여와 면역학적 치료에 초점을 두 고 동물실험 및 임상연구가 진행되고 있지만 장내 세균 및 내독소의 전위를 방지하는 뚜렷한 해결책 은 아직 제시되지 못하고 있다.
최근, 주목받는 영양소중 glutamine은 위장관의 재 생에 필수 영양소로 특히 소장에서 glucose에 우선 하여 직접 소모되며 에너지를 제공하여 점막의 위 축을 방지하는 작용을 가질 뿐만 아니라 임파구 및
대식세포의 대사와 기능유지에도 중요한 역할을 담 당하여 장내세균의 전위를 억제하리라 기대되고 있 으나 이와 상반된 보고가 있고,15 ～ 19 ) 일차 면역기능 을 담당하는 면역세포의 수적증가와 기능의 개선을 가져와 다양한 종류의 패혈증이 유도된 동물에서 생존율의 개선이 있다고 보고된 granulocyte colony stimulating factor (G-CSF)와 실재 임상에서 사용하고 있는 예방적 목적의 항생제의 사용(prophylactic anti- biotics)과 장내세균의 전위와의 관계에 대해서는 정 확히 규명되어 있지 않다.2 1～ 2 5 )
이에 저자들은 granulocyte colony stimulating fac- tor (G-CSF)와 glutamine 및 예방적 목적으로 사용하 는 항생제가 장내세균의 전위방지에 어떠한 효과가 있는지 확인하기 위해 본 연구를 실시하였다.
재 료 및 방 법
실험동물은 체중 250～300 g의 Sprague Dawley종 흰쥐 수컷을 사용하였다.
흰쥐에 Thiry Vella loop을 만든 후 대조군, G-CSF 투여군, glutamine 투여군 및 항생제 투여군으로 각 각 20마리씩 4군으로 분류하였으며, 대조군은 다시 대조 1시간군과 대조 4시간군으로 세분화한 후 동 위원소 표지자가 부착된 E. coli를 Thiry Vella loop 에 투여하고 내독소 혈증을 유도한 후 1시간(대조 1 시간군) 또는 4시간(대조 4시간 및 타 실험군)에 각 장기의 방사능을 측정함으로서 장내세균의 전위양 상을 관찰하였으며, 내독소 혈증 유도 4시간 후의 관찰을 통하여 각 약제의 전위억제 효과를 관찰하 였다.
Thiry Vella loop은 흰쥐를 하루간 물만 먹을 수
Fig. 1. Schematic diagram of ileal Thiry Vella loop (TVL).
있는 상태에서 금식시킨 후 ether로 전신 마취하고 복부를 정중 절개한 후, 회맹판(ileocecal valve) 10 cm 상방에서 근위부 말단회장 약 10 cm를 혈류를 유지한 채로 근위부 및 원위부 인공 누공을 형성하 고 남은 소장은 복강 내에서 백색 실크봉합사 1번 을 사용하여 단단 문합하여 만들었다(Fig. 1).
Thiry Vella loop을 만들고 7일간의 성숙과정을 거 친 후, 제 8일째부터 7일간 대조군과 G-CSF투여군 및 항생제 투여군은 saline으로, glutamine투여군은 15% glutamine용액(Sigma , U.S.A.)으로 각각 1일 3 회 Thiry-Vella loop을 세척하였다. 모든 실험군에서 제 15일째 E. coli Lipopolysaccharide(E. coli serotype 0 127 : BS, Sigma , U.S.A.) 1.5 μg/Kg를 복강 내에 투여함으로서 내독소 혈증을 유도하였으며, G-CSF 투여군은 G-CSF (Chugai pharmaceutical Co, LTD, Japan) 500 ng을 8시간 간격으로 내독소 혈증 유도 전 3일간 복강 내에 주사하였으며 대조군과 gluta- mine 투여군은 같은 간격으로 3일간 saline을 복강 내 투여하였고, 항생제 투여군은 fosfomycine을 100 mg/Kg를 내독소 혈증 유도 30분전 복강 내 투여하 였다.
장내세균의 전위양상을 관찰하기 위해서 동위원 소표지 E. coli 1 ml (500,000 CPM/ml)를 Thiry Vella loop에 투여한 후 개구부를 폐쇄하였다.
1) 동위 원소 표지 E. coli의 제작2 6 ,2 7 )
사용된 E. coli는 K 12 C600 균주로, 배양된 agar plate로 부터 일정량을 채취 5 ml의 LB 배지 5군데 에서 18시간 정도 배양 후 이를 각각 약 50 ml의 LB 배지에 옮겨 24시간 배양하여 균의 숫자를 증폭시 켜 균의 수가 2 3 1010/ml(optical density 1.0 at 550 nm: 3 109) 되는 배양액 50 ml를 얻었다. 이를 0.05 M triethanolamine으로 pH 7.9로 맞춘 300 ml의 M-9 배지(이하 triethanolamine 배지)에 넣고 4시간 배양 후, 6 ml의 15% BSA (bovine serum albumin)과 40 μCi의 14C-oleic acid(New England Nuclear, Boston, MA)를 첨가하고 3시간 배양하고 원심 분리하여 상 층 액은 버리고 다시 신선한 triethanolamine 배지 100 ml와 6 ml BSA(bovine serum albumin)를 첨가하 고 90분 더 배양함으로서 가능한 많은 14C-oleic acid 가 E. coli에 결합하도록 하였다. 최종배지를 원심분 리하고 상층 액을 버림으로서 E. coli와 결합하지 않
고 배지에 남아 있는 14C-oleic acid 제거하였으며, 원심분리 후 남아 있는 E. coli 표면에 묻어 있는 free 14C-oleic acid를 제거하기 위해 30 ml의 생리식 염수로 혼합하고 원심분리하는 과정을 3차례 반복 하여 free 14C-oleic acid를 씻어내고 동위원소표지 E.
coli의 농도가 500,000 CPM/ml가 되게 생리식염수로 희석하였다.
동위원소표지 E. coli의 전위 양상을 관찰하기 위 해서 각 장기의 방사능(radioactivity)을 측정하였다.
2) 방 사 능 (radioactivity)의 측 정
액체섬광계수기(Wallac 14 10, Phamacia, Sweden)를 사용했으며 조직용해제로는 Solvable (New England Nuclear, Boston, MA)을 사용했고 scintillation cocktail 로는 Hisafe II (Pharmacia, Sweden)를 사용하였다.
3) 조 직 및 혈 액 채 취 와 관 찰
내독소 혈증 유도 4시간 후 ether로 전신 마취한 상태에서 복부대동맥을 통해서 혈액을 채취하고 복 부대동맥을 절단하여 실혈 치사케 한 후 간, 폐, 비 장 및 신장조직 100～ 150 mg을 조직용해제로 24시 간 이상 녹인 다음 침전물이 없음을 확인한 상태에 서 scintillation cocktail을 혼합한 후 액체 섬광계수기 로 방사능을 측정하여 gm당의 방사능으로 환산하여 대조군과 각 약제 투여군의 장내세균의 전위억제 효과를 관찰하였다. 장내세균의 시간별 전위양상을 관찰하기 위해서 대조 1시간군과 대조 4시간군의 각 장기의 방사능을 측정하여 시간에 따른 차이점 을 관찰하였다.
G-CSF 투여후의 혈액학적 변화를 관찰하기 위해 서 내독소 혈증 유도 전 꼬리 정맥을 이용해서 혈 액을 채취 혈액내의 백혈구를 측정하고 대조군 및 타군과 비교하였다.
조직소견의 관찰을 관찰하기 위해서 Thiry-Vella loop중 원위부 1 cm가량을 채취 10% 중성 포르말린 에 고정 광학현미경상으로 각 군의 점막의 미세구 조의 변화와 점막위축소견을 관찰하였다. 점막위축 정도는 villous height/ mucosa thickness의 비율과 mucosa surface length/lamina propria의 면적 비율로 측정하였으며2 8 ,2 9 ) 측정은 computer image analyser program인 optimas version 6.0 program을 사용하였다.
통계처리는 One-way ANOVA test와 Mann-Whitney
test를 사용하였으며 측정치의 표시는 평균 표준오 차 혹은 표준편차(mean SE. or SD.)로 하였다.
결 과
1) 시 간 경 과 에 따 른 장 내 세 균 의 전 위 양 상
내독소 혈증 유도 1시간 후와 4시간후의 장내세 균의 장기별 분포를 관찰한 결과 내독소 혈증 유도 1시간 후에 폐, 간, 비장, 신장 및 혈청 내에서 각각 483 63.7, 287 48.2, 147 20.7, 224 30.7 CPM/gm wet wt. (mean SE: 이하 단위생략) 및 687 60.5 CPM/ml (mean SE: 이하 단위생략)으로 측정되었으 며 4시간 후에는 993 82.4, 1472 102.4, 1006 98.7, 973 90.7 및 836 82.8로 장내세균의 전위는 내독
소 혈증 유도 1시간후보다 4시간 후에서 폐, 간, 비 장 및 신장에서 유의하게 증가(P＜0.0 1)하였다. 대조 1시간군에서는 복강 내 장기중 상대적으로 폐에서 가장 많은 장내세균의 전위가 관찰된 반면 대조 4 시간군에서는 간에서 가장 많은 장내세균의 전위가 확인되었다(Fig. 2).
2) G-CSF, glutamine 및 항 생 제 투 여 군 의 장 내 세 균 전위 에 대한 효과
대조 4시간군의 폐, 간, 비장, 신장 및 혈청의 방 사능은 각각 483 63.7, 287 48.2, 147 20.7, 224 30.7 및 687 60.5로 측정되었으며 G-CSF 투여군에 서는 각각 787 62.7, 1032 104.4, 667 30.8, 857 78.4 및 978 140.8로 측정되어 대조군에 비해 G- CSF 투여군에서 간, 비장, 신장에서의 장내세균의 전위가 유의하게 감소하였다(P＜0.05).
Glutamine 투여군인 경우는 장기별로 각각 626 50.4, 684 90.2, 666 48.7, 590 60.7 및 717 45.7로 측정되어 대조 4시간군에 비해 glutamine 투여군에 서 혈청을 제외한 관찰 전 장기에서 장내세균의 전 위가 의미있게 감소됨이 관찰되었으며(P＜0.0 1) 항생 제 투여군인 경우는 각각 1088 140.5, 987 106.8, 706 49.7, 787 48.9 및 1004 65.7로 측정되어 대조 군에 비해 내독소 혈증 유도 전에 항생제를 투여한 경우(예방적 목적으로 항생제를 투여한 경우: pro- phylactic antibiotics)가 간, 비장, 신장에서 의미 있게 (P＜0.05) 장내세균의 전위가 감소함을 관찰할 수 있 었으나 폐에서는 통계학적으로 의미는 없으나 항생 제를 투여한 경우에 더 많은 장내세균의 전위가 확 인되었다.
대조군을 제외하고 각 약제 투여군 간의 장내세
Table 1. The effects of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF), glutamine and antibiotic on the radioactivities of translocated E. coli in the various organ after 4 hours insufflation of E. coli to the Thiry Vella loop in
endotoxemic rats CPM/gm wet wt. or ml
Group N Lung Liver Spleen Kidney Serum
Control 4h 10 993 82.4 1472 102.4 1006 98.7 973 90.7 836 82.8 G-CSF 20 787 62.7* 1032 104.4* 667 30.8@ 857 78.4 978 140.8 Glutamine 20 626 50.4@# 684 90.2@# 683 48.7@ 590 60.7@# 7 17 45.7# Antibiotic 20 1088 140.5 987 106.8* 706 49.7* 787 48.9* 1004 65.7
Values are mean SE. *P＜0.05 vs control 4h, @P＜0.0 1 vs control 4h, #P＜0.05 vs G-CSF and Antibiotic.
Fig. 2. Comparison of the values of the translocation of E. coli from Thiry Vella loop to the various organs with the lapse of time in endotoxemic rats.
Values are mean SE. control 1h or 4h: 1 hour or 4 hours after inducing endotoxemia *P＜0.0 1 vs control 1h
균의 전위를 비교한 결과, glutamine 투여군에서 G- CSF 투여군과 항생제 투여군에 비해 폐와 간 및 혈 청내의 방사능이 유의하게(P＜0.05) 감소됨이 확인되 어 glutamine을 투여한 경우 장내세균의 전위억제 효 과가 가장 우수함을 알 수 있었다(Table 1, Fig. 3).
3) 내 독 소 혈 증 유 도 전 혈 액 내 백 혈 구 의 변 화
G-CSF 투여군에서 혈액내의 WBC 숫자는 15,726 1,252/μl(mean SD: 이하 단위생략)로 대조군, gluta- mine 투여군 및 항생제 투여군의 5,933 1,053, 6,105 987 및 6,272 1,120에 비해 유의한 상승이 있었
다(P＜0.01, Fig. 4).
4) Thiry Vella loop의 광 학 현 미 경 적 관 찰
점막위축소견을 관찰하기 위해 측정한 villous height/
mucosa thickness의 비율과 mucosa surface length/
lamina propria의 면적 비율은 대조군 및 약제 투여 군 간에 의미있는 차이는 발견할 수 없었으나(Table 2) glutamine 투여군에서 미세융모(microvilli)의 길 이의 변화, 융모(villi) 끝 부위의 변화 및 융모 사 이의 주름(crypt crease)의 변화가 타군에 비해 감소 하고 장점액을 분비하는 goblet cell이 더 잘 보존 되는 경향이 관찰되었으며 G-CSF 투여군의 경우 에는 타군에 비해 많은 염증세포의 침윤을 관찰할 수 있었다(Fig. 5, 6).
고 찰
1970년대 중반, 숔이나 외상 후에 많은 환자에서 신체내의 각 장기가 점진적으로 기능부전을 일으키 고 사망하는 것을 관찰하고 Eiseman등3 0 )과 Fry등3 1) 이 이를 숔 혹은 외상 후에 발생한 다발성 장기부 전 증후군(multiple organ failure syndrome) 이라 명명 한 이래 20년이 지나는 동안 외과학 분야의 진단 및 치료 기술의 많은 발전이 있었음에도 불구하고 외과 중환자실에서 사망하는 환자의 50～80%가 다 발성 장기부전으로 사망하고 있다.3 2 ) 이는 20년 전 Fig. 3. Effects of granulocyte colony stimulating factor
(G-CSF), glutamine and antibiotic on the translo- cation of E. coli in endotoxemic rats. Values are mean SE. *P＜0.05 vs control 4h, @P＜0.0 1 vs control 4h, #P＜0.05 vs G-CSF
Fig. 4. The effect of granulocyte colony stimulation fac- tor (G-CSF), glutamnine and antibiotic on the total white blood cell counts. Values are mean SD. *P
＜0.0 1 vs control, glutamine, antibiotic group.
Table 2. Difference of lleal Mucosal Morphology between control and glutamine group by image analyser program-optimas version 6.0
Parameter Glutamine
Control군 Significance
(μm) 투여군
VH 109 26 115 28 NS
M Th 178 48 185 33 NS
CD 53 7 65 18 NS
MSL/LPA 3.59 0.64 3.47 0.63 NS ( 100)
VH/MTh 0.62 0.11 0.64 0.34 NS
Values are mean SD.
VH: villous height, MTh: mucosal thickness, CD: crypt depth, MSL: mucosal surface length, LPA: lamina propria area.
과 크게 차이가 없으며, 원인으로는 지난 20년간 다 발성 장기부전의 병태생리를 완전히 밝히지 못하는 상태에서 대증적 요법으로 치료해 왔기 때문이라고 지적되고 있다.3 3 )
그러나 최근, 분자미생물학의 발전으로 외상과 염 증반응의 basic biology중 많은 부분이 밝혀짐에 힘
입어 다발성 장기부전의 임상적 진행양상을 설명하 려는 많은 이론들이 제안되었는데 이중 주목 할 만 한 것들 중의 하나가 gut hypothesis 로 장내에서 존 재하는 세균과 내독소가 숔이나 외상시 위장관의 방어기능의 소실로 인해 전신으로 전이되어 원인질 환을 더욱 나쁘게 하고 다발성 장기부전으로 진행 Fig. 5. Light microscopic finding of control group shows that normal villous height/mucosa thickness,
but blunting of micovilli is seen in some field ( 40).
Fig. 6. Light microscopic finding of glutamine group shows that normal villous height/mucosa thickness, but many goblet cells are noted ( 40).
된다는 것이다.12 ～ 14 )
80년대 중반부터 다발성 장기부전으로 사망한 환 자의 약 30%에서 원인이 될만한 패혈병소(septic foci)가 발견되지 않음에도 불구하고 패혈증과 유사 한 병리과정이 진행됨이 확인되고 이의 원인으로 장내세균 및 내독소의 전위가 다시 주목받기 시작 하여 여러 연구자에 의해 숔,8 ) 장기간의 항생제투
여,3 4 ) 장폐쇄,3 5 ) 화상,5 ) 면역억제제와 세포독성 약제
의 투여 및 장기간 금식하는 경우 등9 ,10 )에서 장내세 균의 전위가 확인되어 위장관은 영양흡수의 장소로 서 뿐만 아니라 체내의 대사조절 및 면역체계의 유지 에도 중요한 역할을 하는 장기임이 밝혀졌다.
그러나, 장내세균의 전위를 증명하는 지금까지의 대부분의 실험방법들은 장내세균의 전위를 정량화 하고 전위억제효과를 관찰하는 데에 어려움이 있다.
약간의 차이는 있지만, 대부분의 실험에서 임파절이 나 각 조직의 배양을 통하여 배양된 세균을 증명함 을 주된 방법으로 하고 있어 신체내 각 장기에 분 포된 대식세포에 의해 탐식 되거나 활동성을 잃어 버린 세균 및 내독소와 같은 세균의 부산물의 전위 를 정량적으로 측정하거나 전위억제 효과를 측정, 비교하는데는 문제가 있고3 6 ) 장내에 존재하거나 투 여된 장내세균에 위산이나 담즙 등의 영향을 제외 시킬 수는 없다고 생각된다. 이에 저자는 위산이나 담즙 및 장내의 호르몬이 장내세균에 미치는 영향 을 완전히 제거하기 위해서 Thiry Vella loop을 만들 고, 동위원소표지자 E. coli를 Thiry Vella loop으로 투여한 후 내독소 혈증을 유도하고 각 장기의 방사 능을 측정하여 장내세균의 전위를 정량화하고 각 장기로의 전위양상 및 투여 약제의 전위억제 효과 와 금식 상태에서의 소장의 형태학적 변화도 관찰 할 수 있었다.
지난 수년간, 장내세균과 내독소가 신체 내로 전 위되는 원인에 대한 연구를 요약하면 크게 세 가지 로 대별할 수 있는데 첫째는 면역기능 저하가 원인 이 된다는 보고들로 중환자에서 나타날 수 있는 여 러 가지 스트레스 상태 즉, 패혈증, 호흡부전 및 숔 등에서 발생하는 면역기능의 저하가 장내세균과 내 독소의 신체 내 전위의 원인이 된다는 것이고 둘째 는 금식환자에서 투여되는 영양의 불균형이나 영양 투여 방법의 차이가 장내점막의 위축과 투과성의 변화를 초래하고 이로 인해 장내세균 및 내독소의
전위가 가속화된다는 것이고 셋째는 금식에 의한 장내세균의 과성장에 의해 장내세균 및 내독소의 전위가 촉진된다는 것이다.
신체 면역기능의 저하가 장내세균 및 내독소의 전위를 증가시킨다는 대표적인 보고들로, Moore등3 7 ) 과 Kudsk등3 8 ,3 9 )은 외상환자와 외과 중환자 실에 입 원한 실제의 임상환자를 대상으로 한 관찰에서 경 구영양 공급을 빨리 시작한 경우가 감염에 의한 합 병증의 발생이 적다는 것을 관찰하였으며 이의 원인 으로 Hennessy등4 0 )과 Black등4 1)은 비경구 영양투여에 의한 일시적인 고혈당과 지방제재의 투여가 환자의 세포면역 기능을 감소시키기 때문이라고 보고하였 으며 Helton등4 2 )은 비경구 영양투여에 따른 장점막 의 위축성 변화보다는 비경구 영양투여에 의한 교 감신경의 항진이 신체의 면역기능을 감소시키기 때 문으로 보고하였다. 또, Arden등4 3 )은 동물실험을 통 하여 정상적인 상태에서도 장내세균의 전위가 일어 나는 것을 증명하였으며 Jacob등4 4 )과 Nolan등4 5 )도 간 문맥의 낮은 농도의 내독소 혈증은 정상적인 생리 적 반응이며 정상상태에서는 신체내의 면역기능이 이를 제거한다고 보고하였다. 그래서 현재 많은 연 구자들은 장내세균 전위의 근본적인 원인은 신체 면역기능의 저하이며, 장벽에 존재하는 임파구와 대 식세포, 점액과 담즙에 존재하는 Ig A 등과 장간막 에 존재하는 임파절, 신체 내에 간, 폐, 비장 등에 존재하는 망상내피조직과 혈액내의 lipopolysaccharide binding protein, bactericidal/permeability increasing pro- tein과 high density lipoprotein 등이 장내세균 및 내 독소의 전신전위를 억제하는데 중요한 역할을 하는 것으로 생각하고 있다.4 6 ～ 4 8)
저자들이 장내세균의 전위를 억제할 목적으로 사 용한 granulocyte colony stimulating factor (G-CSF)는 1980년대에 발견된 specific glycoprotein의 일종으로 granulocyte line의 생산, 분화, 기능조절에 관여하는 것으로 알려지고 있는데 특히 중성구에 대한 direct chemotaxis와 phagocytic cell surface의 immunoglobulin receptor를 증강시킴으로서 antibody dependent cellular cytotoxicity (ADCC)에 의한 phagocytic function을 증 강시키는 작용을 가져 1차 면역세포의 기능을 증강 시키는 작용을 한다. 동물실험에서지만, 복강 내 농 양 및 E. coli에 의해 복막염 및 내독소 혈증 등이 유도된 다양한 종류의 실험모델에서 G-CSF의 투여
가 생존율과 숙주의 면역기능을 향상시킴이 이미 확인된 바 있어2 1～ 2 6 ) 장내세균의 전위를 억제하리라 기대되었는데 저자의 실험결과에서도 대조군에 비 해 폐, 간 및 비장에서 유의하게 장내세균의 전위가 감소함이 확인되었다.
투여영양소가 장내세균 및 내독소의 전위에 미치 는 영향에 대해 많은 연구가 되고 있는데 glutamine, ornithine alpha ketoglutarate (OKGA), omega 3 poly- unsaturated fatty acids, short and medium chain fatty acid, nucleotide와 dietary fiber 등이 주목받는 영양소 로15 ) 이중 glutamine은 위장관 점막의 재생에 필수영 양소로 특히 소장에서는 glucose에 우선하여 직접 소모되며 에너지를 제공하여 점막의 위축을 방지하 는 작용을 가질 뿐만 아니라 임파구 및 대식세포 등의 대사 및 기능유지에도 중요한 역할을 하는 것 으로 알려져 있어16 ) glutamine의 투여로 장내세균의 전위를 억제할 수 있으리라 기대되어 왔으나 근년 에는 관찰자에 따라 다소 상반된 견해가 보고되고 있다. Bruke등16 )은 정맥영양에 glutamine을 보충함으 로서 장내세균의 전위를 억제할 수 있음을 보고하 고 있고 Souba등17 )은 방사선 손상을 받은 경우에, Sonia등18 )은 장관의 대량 절제술 후에, Zhang등19 )은 소장이식술 후에 glutamine의 투여로 장내세균의 전 위를 억제할 수 있음을 보고하고 있다. 그러나, Deitch등15 )은 장점막의 위축정도와 장내세균의 전위 정도와는 직접적인 상관관계가 없고 glutamine보다 dietary fiber가 장내세균의 전위억제에 효과적으로 작 용함을 보고하였으며 Barber등2 0 )도 glutamine의 투여 로 장점막의 위축을 방지할 수는 있으나 장내세균의 전위억제 효과는 기대할 수 없다고 보고하여 본 실험 에서의 연구들의 관찰과 상반되고 있다.
장내세균의 과 성장이 장내세균의 전위를 촉진한다 는 보고중 대표적인 것은 Steffen등4 9 )과 Waaij등5 0 ,5 1)의 보고로 장내에 존재하는 혐기성 균은 신체 내로의 전위가 잘 일어나지 않는 반면 Gram( )균이 신체 내로의 전위가 많으며 장내에 존재하는 협기성균이 장내 Gram( )균의 성장을 억제하고 있기 때문에 무 분별한 항생제의 투여로 장내의 혐기성균주의 감소 를 초래하는 경우 Gram( )균의 과 성장이 와서 장 내세균의 전위가 증가한다고 하였으며, Kerver등5 2 )과 Marshall등5 3 )은 실재 임상에서 중환자를 대상으로 경 구 항생제의 투여 혹은 항생제를 입안이나 후두에
도포 함으로서 전신전이의 원인이 될 수 있는 Gram ( ) 균주를 억제하려는 시도를 하고 폐렴 등의 합 병증이 적게 발생함을 보고하고 있다.
장내세균의 전위는 두 가지 경로를 통하여 전위 됨을 예측 할 수 있는데 한가지는 혈행성으로 portal vein을 통하여 체내의 장기로 전위되는 경로이고 또 한가지는 임파관을 통하여 thoracic duct를 통해 우심 방으로 전위되는 경로이다.2 6 ) 저자들의 관찰결과 내 독소 혈증유도 후 1시간 후에(대조 1시간군) 상대적 으로 폐에서 간이나 타 장기에 비해 방사능이 높은 것을 관찰한 반면 내독소 혈증 유도 후 4시간 후에 는(대조 4시간군) 폐보다 타 장기의 상대적 방사능 이 높음을 관찰하였는데 이는 내독소 혈증 초기에 는 임파관을 통한 장내세균의 전위가 많음을 나타 내는 소견이라 생각할 수 있겠으나 본 실험만으로 는 장내세균의 주된 전이 경로가 임파관을 통해서 인 지 혈액을 통해서 인지 정확히 단정할 수는 없겠다.
G-CSF 투여군에서 실험 전 기대했던 대로 장내세 균의 전위를 확인할 수 있었으나 항생제 투여군에 서는 대조군에 비해 폐에서 장내세균의 전이가 높 이 관찰되어 항생제 투여의 장내세균의 전위억제 효과에 대한 새로운 의문점이 제시되며 실험결과만 으로 해석하자면 항생제를 투여하여도 임파관을 통 한 장내세균의 전위는 방지할 수 없다는 결론을 내 릴 수도 있겠다.
또 저자들은 Thiry-Vella loop으로 glutamine을 투여 한 군에서 대조군과 비교해서 뿐만 아니라 G-CSF 투여군 및 항생제 투여군과 비교하여 더 나은 장내 세균의 전위억제 효과를 관찰하였다. 이의 결과로, 장기간의 금식이 패혈증 환자뿐만 아니라 일반 환 자들의 morbidity를 증가시킬 것으로 예견할 수가 있 어 술 후 조기에 glutamine이 포함된 경구 영양의 시작이 환자의 회복에 도움이 될 수 있을 것이라고 예측할 수 있었다. 그러나 장점막의 위축소견을 관 찰하기 위해 광학현미경소견으로 측정한 villous hei- ght/mucosa thickness의 비율이나 mucosa surface len- gth/lamina propria의 면적 비율은 glutamine 투여군이 대조군에 비해서 차이가 없으며 다만, 상대적으로 glutamine 투여군에서 잘 보존된 villi와 goblet cell을 더 많이 관찰할 수 있었다. 본 실험만으로는 glu- tamine의 투여가 어떠한 경로로 장내세균의 전위를 억제하는지는 정확히 언급할 수 없겠으나 장점막의
형태학적 보존, 세균 및 내독소에 대한 투과성의 변 화, 면역세포에 미치는 영향을 별개의 문제로 생각 할 때, 장점막의 형태학적 보존보다는 면역체계 및 투과성의 변화로 glutamine의 효과가 나타나지 않았 나 하고 유추는 할 수 있지만 결론적으로 이야기 할 수는 없겠다.
여러가지 스트레스 상황하에서 장관점막의 방어 기능을 유지시켜 줄 수 있는 방법의 개발은 중환자 의 치료 및 예후 향상과 사망률감소에 중요할 뿐만 아니라, 현재의 치료수준으로는 다발성 장기부전으 로 진행할 수밖에 없는 상당수의 환자들을 미연에 방지할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구를 통해서 저자들은 glutamine의 장내투여 와 G-CSF의 투여로 장내세균 전위억제 효과를 관찰 할 수 있었으며 항생제의 투여로는 폐를 제외한 타 장기의 장내세균의 전위억제효과를 관찰할 수 있어 서 실험군에서 사용한 약제들의 적절한 병합사용은 다발성 장기부전증의 예방 혹은 감소를 가져오리라 기대된다.
결 론
패혈증이나 숔과 같은 스트레스 상황하에서 장내 세균 및 내독소의 전위가 일어나며 이로 인해 다발 성 장기부전이 진행된다는 보고들이 많이 있어 저 자들은 E. coli 내독소 혈증이 유도된 흰쥐에서 장내 세균의 시간별 전위양상과 각 장기별 전위정도를 정량적으로 관찰하고 glutamine, granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) 및 항생제의 장내세균 전 위억제 효과를 알기 위해 실험을 실시하고 다음과 같은 결과를 얻었다.
대조 1시간군은 대조 4시간군에 비해 상대적으로 폐에 장내세균의 전위가 많음을 관찰하였으며 대조 군에 비해 G-CSF 투여군에서 폐, 간 및 비장으로의 장내세균의 전위가 의미 있게 낮았으며, glutamine 투여군은 대조군에 비해 측정 장기 모두에서 장내 세균의 전위가 낮았으며, 항생제 투여군의 경우는 간, 비장, 신장의 장내세균의 전위가 대조군에 비해 낮았고 glutamine 투여군의 경우 G-CSF와 항생제 투 여군에 비해 폐, 간, 신장 및 혈청 내로의 장내세균 의 전위가 낮아 약제 투여군 간에 가장 효과가 우 수하였다. 그러나 광학현미경 관찰 상으로, 대조군
및 약제 투여군 사이에서 유의한 점막의 위축 내지 과 증식의 소견을 발견할 수 없었고, 다만 gluta- mine 투여군에서 비교적 microvilli의 구조가 잘 보전 되어 있고 goblet 세포도 더 많이 관찰되는 경향이 있었다. 이상의 결과로 granulocyte colony stimulating factor와 glutamine 및 예방적 목적으로 투여한 항생 제가 패혈증 환자에서 병발될 수 있는 장내세균의 전위를 억제함을 밝혀 내었으며 이들 약제를 적절 히 활용한다면, 현재의 치료 수준으로는 다발성 장 기부전으로 진행할 수밖에 없는 많은 환자들의 치 료에 도움을 줄 수 있으리라 사료된다.
REFERENCES
1) Schweinberg FR, Seligman AM, Fine J: Transmural migration of intestinal bacteria. N Eng J Med 242:
747, 1950
2) Fine J, Frank ED, Rutenberg SH: The bacterial factor in traumatic shock. N Engl J Med 260: 2 14, 1959 3) Goris RJ, Beokhorst PA, Nuytinck KS: Multiple organ
failure: generalized autodestructive inflammation.
Arch Surg 120: 1109, 1985
4) Deitch EA, Sittig K, Li M: Obstructive jaundice promotes bacterial translocation from the gut. Am J Surg 159: 79, 1990
5) Jones WG II, Minei JP, Barber AE: Splanchnic vasoconstriction and bacterial translocation after ther- mal injury. Am J Physio 261: H 1190, 199 1 6) Deith EA, Berg RD, Specian RD: Endotoxin promotes
the translocation of bacteria from the gut. Arch Surg 122: 185, 1987
7) Deitch EA, Specian RD, Berg RD: Endotoxin-induced bacterial translocation and mucosa permeability: Role of xanthine oxidase, complement activation, and mac- rophage products. Crit Care Med 19: 785, 199 1 8) Deitch EA, Bridges AW, Baker J: Hemorrhagic shock-
induced bacterial translocation is reduced by xanthine oxidase inhibition or inactivation. Surgery 104: 19 1, 1988
9) Alverdy J: The effect of glucocorticoid administration on bacterial translocation: Evidence for and acquired mucosa immunodeficient state. Ann Surg 2 14: 7 19,
199 1
10) Spaeth G, Berg RD, Specian RD: Food without fiber promotes bacterial translocation from the gut. Surgery
108: 240, 1990
11) Carrico CJ, Meakins JL, Marshall JC: Multiple-organ-
failure syndrome. Arch Surg 121: 196, 1985 12) Border JR, Hasset JM, LaDuca J: Gut origin septic
states in blunt multiple trauma (ISS = 40) in the ICU.
Ann Surg 206: 427, 1987
13) Deitch EA: The role of intestinal barrier failure and bacterial translocation in the development of systemic infection and multiple organ failure. Arch Surg 125:
403, 1990
14) Meakins JL, Marshal JC: The gastrointestinal tract: the motor of MOF. Arch Surg 121: 197, 1986 15) Deitch EA: Bacterial translocation: the influence of
dietary variables. Gut 1: S23, 1994
16) Burke D, Alverdy JC, Aoys E, Moss GS: Glutamine supplemented total parenteral nutrition improves gut immune function. Arch Surg 124: 1300, 1989 17) Souba WW, Klimberg VS, Hautamaki RD: Oral glu-
tamine reduces bacterial translocation following abdominal radiation. J Surg Res 48: 1, 1990 18) Sonia Michail, Hamid Mohammadpour, Jung HY,
Park and Jon A, Vanderhoof: Effect of glutamine- Supplemented elemental diet on mucosal adaptation following bowel resection in rats. J Pediatr Gas- troenterol Nutr 21: 394, 1995
19) Zhang W, Frankel WL, Klurfeld DM: Glutamine reduces bacterial translocation after small bowel transplantation in cyclosporine-treated rats. J Surg Res 58: 159, 1995
20) Barber AE, Jones WG, Minei JP: Glutamine or fiber supplementation of a defined formula diet: impact on bacterial translocation, tissue composition, and re- sponse to endotoxin. JPEN 48: 1, 1990
2 1) Lundblad R, Wang MY, Kvalheim G, Lingaas E, Giercksky KE: Granulocyte colony-stimulating factor improves host defense in fulminant intra-abdominal sepsis in rats. Shock 4: 68, 1995
22) James RD, Brian JD, Steve N, Jon CW: Effects of granulocyte colony stimulating factor in a nonneut- ropenic rodent model of escherichia coli peritonitis. J Surg Res 61: 348, 1996
23) Emmanuel R, Thomas JW, Philip AP, Marc R: Granu- locyte colony-stimulating factor enhances the phago- cytic and bactericidal activity of normal and defective human neutrophils. J Infect Dis 163: 579, 1991 24) Michael OR, Geoffrey MS: Treatment of intra-abdo-
minal infection with granulocyte colony-stimulating factor. J Trauma 33: 679, 1992
25) Kennith HS, Geoffrey MS, Richard LG: The effect of granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) upon burn- induced defective neutrophil chemotaxis. J
Trauma 31: 523, 1991
26) Redan JA, Rush BF, McCullough JN, Machiedo GW, Murrhy TF, Dikdan GMS, Smith S: Organ distribu- tion of radiolabelled enteric escherichia coli during and after hemorrhagic shock. Ann Surg 2 11: 663, 1990
27) Franson R, Beckerdite S, Wang P: Some properties of phospholipases of alveolar macrophages. Biochem Biophys Acta 365, 1973
28) Nasmyth DG, Godwin PGR, Dixon MF, Williams MS, Johnston D: Ileal ecology after pouch-anal anas- tomosis or ileostomy: a study of mucosal morphology, fecal bacteriology, fecal volatile fatty acids, and their interrelationship. Gastroenterology 96: 817, 1989 29) Rodning CB, Wilson ID, Erlandsen SL: Component
quantitation of rat ileum. Dig Dis Sci 31: 428, 1986 30) Eiseman B, Beart R, Norton L: Multiple organ failure.
Surg Gynecol Obstet 144: 323, 1977
31) Fry DE, Pearlstein L, Fulton RL: Multiple system organ failure: the role of uncontrolled infection. Arch Surg 115: 136, 1980
32) Deitch EA: Multiple organ failure. Davis JH, Sheldon GF: Surgery. 2nd ed, Mosby, St. Louis, 1995, p 609 33) Deitch EA: Multiple organ failure: pathophysiology and basic concepts of therapy. Theme Medical Pub- lishers, New York, 1990, p 15
34) Berg RD: Promotion of the translocation of enteric bacteria from the gastrointestinal tracts of mice by oral treatment with penicillin, clindamycine or met- ronidazole. Infect Immune 33: 854, 1981
35) Deitch EA: Simple intestinal obstruction causes bacterial translocation in man. Arch Surg 124: 699,
1989
36) Michell PF: Failure of the gastrointestinal tract barrier.
In Shoemaker, Ayres, Grenvik, Holbrook: Textbook of critical care. 3rd ed, Saunders, Philadelphia, 1995, p 978
37) Moore FA, Feliciano DV, Andrassy RJ: Early enteral feeding, compared with parenteral. reduce postop- erative septic complications. The results of a meta- analysis. Ann Surg 216: 172, 1992
38) Kudsk KA, Croce MA, Fabian TC: Enteral versus par- enteral feeding. Ann Surg 215: 503, 1992
39) Kudsk KA, Cartpenter BA, Petersen S, Sheldon GF:
Effect of enteral and parenteral feeding in malnour- ished rats with peritonitis. J Surg Res 31: 105, 1981 40) Hennessey PJ, Black CT, Andrassy RJ: Nonenzymatic
glycosylation of immunoglobulin G impairs com- plement fixation. J Parenter Enteral Nutr 15: 60, 1991
4 1) Black CT, Hennessey PJ, Andrassy RJ: Short-term hyperglycemia depress immunity through nonenzy- matic glycosylation of circulating immunoglobulin. J Trauma 30: 830, 1990
42) Helton WS, Rockwell M, Garcia RM, Maier RV, Heitkemper M: TPN-induced sympathetic activation is related to diet, bacterial translocation, and an in- travenous line. Arch Surg 130: 209, 1995
43) Arden WA, Yacko MA: Scintigraphic evaluation of bacterial translocation during hemorrhagic shock. J Surg Res 54: 102, 1993
44) Jacob AI, Goldberg PH, Bloom D, Degenshein GA, Korin PJ: Endotoxin and bacteria in portal blood.
Gastroenterology 72: 1268, 1977
45) Nolan JP: Endotoxin, RES function and liver injury.
Hepatology 1: 458, 1981
46) Dobbins WO: Gut immunophysiology: A gastroenter- ologist view with emphasis on pathophysiology. Am J Phys 242: 9 1, 1982
47) Ding AH, Nathan CF: Tracelevels of bacterial lipopo- lysaccharide prevent interferon-y or tumor necrosis factor-a from enhancing mouse peritoneal macro-
phage respiratory burst capacity. J Immunol 139:
197 1, 1987
48) Parrott DMV, Ferguson A: Selective migration of lymphocyte within the mouse small intestine. Im- munology 26: 571, 1974
49) Steffen EK, Berg RD, Deitch EA: Comparison of translocation rates of various indigenous bacteria from the gastrointestinal tract to the mesenteric lymph node. J Infect Dis 157: 1032, 1988
50) Waaij VD, Berghuis DJM, Lekkerkerk VDW: Coloni- zation resistance of the digestive tract in conventional and antibiotic treated mice. J Hygiene 69: 405, 197 1 51) Waaij VD, Berghuis DJM, Lekkerkerk VDW: Coloni- zation resistance of the digestive tract of mice during systemic antibiotic treatment. J Hygiene 70: 605, 1972 52) Kerver AJH, Rommes JH, Mevissen-Verhage EAE:
Colonization and infection in surgical intensive care patients-a prospective study. Intensive Care Med 13:
347, 1987
53) Marshall JC, Christou NV, Meakins JL: The gastroin- testinal tract. The undrained abscess of multiple organ failure. Ann Surg 2 18: 111, 1993
