세균워즈 - 내성균의 역습

[바윗돌]

세균워즈 - 내성균의 역습

일본 소아과 의사 테라사와 마사히코는 그의 저서 ‘아이들의 병이 낫지 않는다’에서 “최근 몇 년 사이 약이 듣지 않거나 같은 병을 반복해서 앓는 아이들이 급격히 늘었다”고 말했다. 그는 12년 동안의 경험을 바탕으로 “중이염 같이 예전에 쉽게 나았던 병이 점점 낫기 힘들어지고 있다”고 경고했다.

왜 잘 낫던 병이 낫기 힘들어졌을까. 가장 큰 이유는 인류의 ‘대세균무기’인 항생제의 위력이 예전만 못하기 때문이다. 항생제에 저항성을 가진 ‘항생제 내성균’은 점점 늘고 있다. 심지어 예전에 완전히 섬멸했다고 생각한 병균도 더 강력해진 모습으로 돌아오고 있다. 인류는 내성균의 역습을 이겨낼 수 있을까?

세균에게 일방적으로 패했던 인류가 ‘무기’를 갖게 된 지는 80년도 안된다. 1928년 스코틀랜드 생물학자 알렉산더 플레밍이 페니실리움(penicillium) 속의 곰팡이에서 추출한 페니실린이 최초의 항생제다. 페니실린은 2차 세계대전 후 대량생산돼 세균성 질병 치료에 혁혁한 공을 세웠다. 그 뒤로 스트렙토마이신, 테트라사이클린, 반코마이신 같은 다양한 항생제가 쏟아져 나왔다.

페니실린에 이은 항생제의 개발로 과학자들은 앞으로 수십년 내에 모든 세균성 질병을 정복하리라 낙관했다. 그러나 항생제 내성균의 등장으로 이 예측은 빗나갔다. 페니실린은 내성균이 워낙 많아져 거의 쓸 수 없는 항생제가 됐고, 다른 항생제들의 내성균 비율도 차차 높아지는 추세다.

대표적인 항생제 내성균은 ‘포도상구균’(Staphylococcus aureus)이다. 세균이 포도송이 모양으로 모여 자라기 때문에 이 같은 이름이 붙었다. 이 세균은 폐, 소화기관, 비뇨기관, 피부 등 몸의 거의 모든 곳에 살면서 질병을 일으킨다. 폐렴, 식중독, 관절염, 골수염은 물론 아토피까지 일으키는 아주 골치 아픈 세균이다.

애초 포도상구균은 페니실린으로 치료할 수 있었다. 그러나 페니실린 사용이 늘며 페니실린을 분해하는 포도상구균이 생겼다. 과학자들은 이를 대체할 새로운 항생제 메티실린을 개발했다. 그런데 얼마 전부터는 이 메티실린에 내성을 가진 ‘메티실린내성포도상구균’(MRSA)이 등장했다. MRSA를 퇴치할 유일한 수단은 반코마이신 뿐. 반코마이신은 현재까지 인류가 가진 최후의 보루라고 할 수 있는 항생제다. 세균의 진화 속도는 놀라워서 최근 반코마이신에 내성이 생긴 ‘반코마이신내성포도상구균’(VRSA)까지 등장했다.

VRSA에 감염되면 더 이상 치료방법이 없다. 두려운 사실은 이 불치의 병이 손쉽게 전염된다는 사실이다. 2005년 질병관리본부의 자료에 따르면 포도상구균에 감염된 대학병원 환자 중 MRSA의 비율이 69%나 될 정도로 우리나라는 내성균 위험 국가다. 현재 우리나라에 VRSA로 의심되는 보고는 단 한건이지만, 이런 상황이라면 VRSA가 언제 창궐할지 장담할 수 없다.

항생제 내성균은 왜 생길까? 사실 ‘항생제 내성균이 생긴다’는 말은 정확한 표현이 아니다. 항생제 내성균은 생긴 것이 아니라 애초부터 있었기 때문이다. 세균은 전체 유전자 수가 작고 워낙 자주 번식하기 때문에 다양한 돌연변이종이 존재한다. 예를 들어 페니실린을 분해하는 효소를 만들어 페니실린을 무력화하는 세균이 수백만 마리의 세균 중에 한둘 존재할 수 있다는 뜻이다.

평소 이들은 다른 세균들과 똑 같았다. 그러나 항생제가 투여되면 다른 세균들은 다 죽고 이들만 살아남는다. 우리 몸의 면역세포가 살아남은 이들을 죽이지만 끝까지 살아남는 경우가 있다. 항생제를 자주 쓰거나, 쓰다 말다를 반복하면 내성균이 살아남을 확률이 높아진다. 살아남은 이들은 조용히 때를 기다리다 번식하기 좋은 조건이 되면 자신의 자손을 만들기 시작한다. 이 내성균의 후예들은 ‘항생제 내성 유전자’를 물려받았기 때문에 항생제를 투여해도 더 이상 죽지 않는다. 즉 항생제를 많이 쓸수록 항생제 내성균이 생길 가능성도 크다. 역설적이게도 병을 치료하는 병원이 내성균이 발생하기 가장 쉬운 장소가 된다.

그럼 내성균에 대항할 방법은 없을까? 가장 쉽게 생각할 수 있는 방법은 새로운 항생제를 만드는 것이다. 세균의 세포벽을 자라지 못하게 하거나 단백질 합성을 방해하는 현재 항생제 대신 다른 방법으로 세균을 죽이는 항생제가 개발되고 있다. 메티실린이 페니실린을 대치한 것처럼 반코마이신을 대치할 차세대 항생제도 곧 나올 것이다.

하지만 새로운 항생제보다 더 중요한 것은 항생제 관리다. 우리나라는 오래 전부터 ‘항생제 남용 국가’ 1위라는 오명을 갖고 있다. 우리는 모르는 새 꽤 많은 항생제를 섭취하고 있다. 저항성을 높이기 위해 사육하는 가축을 항생제가 든 음식을 먹여 키우기 때문이다. 쇠고기, 돼지고기 등의 고기는 물론 벌꿀 같은 기호품에조차 항생제가 들어간다. 항생제 불감증이 정도를 넘어도 한참 넘어섰다.

우리 몸은 면역기능이 있어 대부분의 질병은 자연적으로 치료된다. 며칠 빨리 낫자고 무리해서 항생제를 쓸 필요가 없다는 말이다. 하루에 5번 이상 손을 씻도록 간단한 생활 습관만 바꿔도 세균성 질병에 걸릴 확률은 절반 이상 줄어든다. 항균비누 같은 항균제품도 내성균을 만들 수 있으므로 장기간 사용하는 것은 좋지 않다. 꼭 필요한 곳에만 항생제를 쓰도록 강력한 관리가 필요한 때다. (글 : 김정훈 과학칼럼니스트)

항생제 내성(抗生劑 耐性, antibiotic resistance)

항생제 내성(抗生劑 耐性, antibiotic resistance)은 미생물이 항생제에 노출되어도 생존할 수 있는 약제 내성을 말한다. 유전자는 접합, 형질 도입, 형질 전환에 의해 세균 사이에서 수평적으로 옮겨질 수 있다. 따라서, 자연 선택에 의해 진화된 항생제 저항성 유전자가 공유될 수 있다. 항생제에의 노출과 같은 점진적인 스트레스는 항생제에 내성을 갖는 형질을 선택한다. 많은 항생제 저항성 유전자는 플라스미드에 위치하여, 이들의 전달을 용이하게 한다. 세균이 다수의 저항성 유전자를 갖고 있는 경우, 다제내성이라 하며, 비공식적으로 '수퍼 박테리아'로 부른다.

항생제 내성의 주요 원인은 세균의 유전적 변이이다. 항생제 저항성 세균이 퍼지게 된 것은 의학과 수의학에서 항생물질을 사용한 결과이다. 항생제의 필요와는 상관 없이 노출되는 시간이 많을수록 내성이 발전할 위험이 커진다. 내성이 흔해지면서 대안 치료의 필요성이 커지고 있다. 어쨌거나, 새로운 항생제 치료에 대한 압박에도 새로 승인되는 약제의 수는 서서히 줄어들어왔다.^[1] 따라서, 항생제 내성은 심각한 문제로 제기된다.

의학계 안팎에서의 항생제 사용의 광범위한 사용은 저항성 세균의 출현에 중대한 역할을 하였다. 항생제는 사료로 동물들을 키울 때에 종종 사용되며, 다른 이유보다 이러한 사용이 내성을 갖는 세균을 발생하게 한다. 일부 국가에서 항생제는 처방 없이 판매되며, 내성균이 발생하는 원인이 된다. 관리가 잘 된다고 여겨지는 사람에 사용되는 약제에서 저항성 세균이 발생하는 것은 환자나 의사의 항생제의 오용 및 과용이 원인이 된다. 가축의 사료에 항생제를 첨가하는 관행은 내성의 또 다른 원인이 된다. 가정 내에서 사용하는 항균성 비누나 다른 상품은, 명확하지는 않지만 (감염 통제에 도움이 되지 않는다는 면에서) 또한 권장되지 않는다. 제약사의 부적절한 관행 또한 항생제 내성균 발생의 한 원인이 될 가능성이 있다.

특정 항생제는 다른 항생제 계열에 비해 슈퍼박테리아의 정착(colonisation)과 크게 관련되어 있다. "좋은 세균"들에 대한 광범위한 작용 외에, 슈퍼박테리아가 사용되는 항생제에 대한 감수성이 부족하거나 조직 침투가 잘 될 때에 정착의 위험성은 증가한다. MRSA(메티실린에 내성을 보이는 황색포도상구균)의 경우, MRSA의 감염 비율 증가는 당펩티드, 세팔로스포린, 특히 퀴놀론계 항균제와 함께 나타났다. 클로스트리듐 디피실(Clostridium difficile, C difficile)에 의한 정착의 경우, 세팔로스포린, 특히 퀴놀론계 항균제와 클린다마이신이 위험성이 높다.

동물들

소나 돼지, 닭, 생선 같은 식량으로 쓰이는 동물들에도 약제는 사용되며, 이들로부터 생산된 고기, 우유, 계란 등으로부터 슈퍼박테리아가 발생할 수 있다. 예를 들면, 가축, 특히 돼지는 MRSA를 사람에 감염시킬 수 있다고 여겨진다. 항생물질의 노출에 의한 동물에서의 내성균은 육류의 소비, 동물과의 근접 또는 직접 접촉, 환경 등의 경로로 사람에게 전파될 수 있다.

세계보건기구(WHO)는 가축의 성장을 촉진하기 위해 사용되는 항생물질은 금지되어야 한다고 결론지었다. 1988년, 유럽 연합의 보건부 장관은 동물의 성장을 촉진하기 위해 널리 사용되는 4가지 항생제를 금지하는 법안에 찬성하였다. 가금류용 사료로 쓰이는 2가지 항생제를 제외하고, 유럽의 사료에서의 항생제 사용 금지 규정은 2006년에 효력을 얻었다. 스칸디나비아에서는 항생제 사용의 금지로 (무해한) 동물들에서의 세균 미생물의 내성이 줄어들었다는 증거가 있다.

항생제 내성은 수평적 유전자 이동과, 병원균 유전자의 동일 연쇄군에 속하지 않은 염색체 복제에서 10⁸회 중 1번 꼴의 종점 변이의 결과이다. 병원균에 대한 항생제의 작용은 환경적인 스트레스로 볼 수 있다. 이들 생존을 위해 변이하는 세균들은 살아남아 복제된다. 그리고는 그들의 자손에 이러한 특성을 전파하며, 결과적으로 완전한 내성을 지닌 군집을 만들어낸다.

미생물들이 항생제에 내성을 보이는 4가지 기제는 다음과 같다.

1. 약제의 불활성화 또는 변경: 예를 들면, 일부 페니실린 내성 세균에서는 베타 락타마아제를 생산하여 페니실린을 효소에 의해 탈활성시킨다.
2. 목표 변경: 예를 들면, MRSA와 다른 페니실린 내성 세균에서 페니실린의 결합 목표 부위인 페니실린 결합 단백질(Penicillin binding protein, PSP)의 변경
3. 대사 경로 변경: 예를 들면, 일부 술파제 내성 세균은 술폰아미드가 억제된 세균에서 엽산과 핵산 합성의 중요한 전구체인 파라아미노벤조산(PABA)을 필요로 하지 않는다. 대신, 포유류의 세포에서처럼, 이미 형성된 엽산을 이용한다.
4. 약제의 농도 낮춤: 약제의 투과성을 줄이고/줄이거나 세포 표면의 약제의 유출을 늘린다.

플루오로퀴놀론 내성에는 세 가지 기제가 알려져 있다. 일부 형태의 유출 펌프는 세포간의 퀴놀론 농도를 낮출 수 있다. 그랑 음성균에서는 플라스미드가 중재하는 내성 유전자가 DNA자이레이즈와 결합할 수 있는 단백질을 생성하여, 퀴놀론의 작용으로부터 보호한다. 최종적으로, DNA자이레이즈의 또는 토포이소머라아제 IV의 주요 위치에서의 변이는 퀴놀론과의 친연성을 줄일 수 있으며, 약제의 효과를 감소시킬 수 있다. 연구를 통하여 박테리아의 단백질인 lexA 유전자가 세균이 퀴놀론과 리팜피신 내성으로의 변이를 갖게 하는 중요한 역할을 담당하고 있음이 밝혀졌다.

항생제 내성은 또한 계획적인 실험으로 미생물에 인위적으로 도입될 수도 있는데, 경우에 따라서는 유전자 도입의 기제를 조사하거나 내성 유전자나 특정 유전자를 흡수한 각각의 유전자를 식별하기 위한 선택표지로 쓰이기도 한다.

황색포도상구균(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA)은 주요 내성균 중 하나이다. 인구 약 1/3의 점막과 피부에서 발견되며, 항균 환경에서의 적응력이 극단적으로 강하다. 이 균은 1947년 페니실린에 대한 내성이 발견되었을 때의 세균들 중 하나였으며, 약이 널리 쓰이기 시작한 4년 후였다. 이후로는 메타실린이 선택할 수 있는 항생제였으나, 신장에 독성이 있어서 옥사실린으로 대체되었다.

MRSA(메티실린 내성 황색포도상구균)는 1961년 영국에서 처음으로 검출되었으며, 현재는 병원에서 흔한 균이다. 1999년 영국에서 MRSA는 1991년의 4%에서 시작하여 1999년에는 심각한 패혈증의 37%에 영향을 주었다. 영국에서의 모든 황색포도상구균 감염의 절반은 페니실린, 메티실린, 테트라시클린, 에리스로마이신에 내성이 있다. 따라서 반코마이신이 유일한 효과적인 약제로 남았다. 어쨌거나, 중간 수준(4~8μg/ml)의 항생제 내성을 갖는 병균(glycopeptide intermediate 'Staphylococcus aureus', GISA 또는 vancomycin intermediate 'Staphylococcus aureus', VISA)가 1990년대말에 등장하기 시작하였다. 첫 번째 확인된 것은 1996년의 일보에서였으며, 이후 영국과 프랑스, 미국에서 발견되었다. 반코마이신에 완전한(>16μg/ml) 내성이 있는 균(Vancomycin-resistant 'Staphylococcus aureus', VRSA)는 2002년에 미국에서 등장하였다.

1990년에는 '새로운' 종류의 항생제 리네졸리드가 사용할 수 있게 되었다.

화농성연쇄상구균(Streptococcus pyogenes, Group A Streptococcus, GAS)의 감염은 통상 서로 다른 여러 항생제로 치료된다. 초기의 치료는 급속히 퍼지는 화농성연쇄상구균에 의한 병의 사망 위험을 줄일 수 있었을 것이다. 어쨌거나, 최상의 건강 관리도 모든 경우의 죽음을 막지는 못했다. 이와 같이 심하게 앓는 경우, 집중 치료 병동에서의 도움이 필요할 수 있다. 뇌사성 근막염 환자의 경우, 종종 손상된 조직을 제거하기 위한 수술이 필요하다. 마크롤라이드 계열 항생제에 내성을 갖는 화농성연쇄상구균의 종류가 등장하였으나, 모든 종류들은 여전히 페니실린에 일정하게 감수성을 갖는다.

폐렴연쇄구균의 페니실린과 다른 β-락탐계 항생물질에 대한 내성은 세계적으로 증가하고 있다. 내성의 주요 기제는 페니실린 결합 단백질을 부호화하는 유전자 내의 돌연변이의 도입과 관련되어 있다. 선택압이 중요한 역할을 하고 있다고 생각되며, β-락탐계 항생물질의 사용이 감염과 군체 형성의 위험 요소로서 관련되어 있음이 시사되었다. 폐렴연쇄구균은 폐렴, 균혈증, 중이염, 뇌막염, 축농증, 복막염, 관절염의 원인이 된다.

녹농균(綠膿菌) 또는 슈도모나스에루지노사(Pseudomonas aeruginosa)는 매우 널리 퍼진 기회감염성 병원균이다. 녹농균의 두려운 특징 중 하나는 항생제에 대한 감수성이 낮다는 것이다. 이러한 낮은 감수성은 염색체에 암호화된 내성 유전자(예를 들면, 'mexAB-oprM', 'mexXY' 등)와 세균의 세포벽의 낮은 투과성과 함께 다제 배출 펌프(multidrug efflux pumps)의 공동 행동(concerted action)에 기여한다. 녹농균은 고유한 내성 외에도 염색체에 암호화된 유전자의 돌연변이나 항생제 내성 결정 요인의 수평적 유전자 이동으로 쉽게 획득 내성을 발전시킬 수 있다.

클로스트리듐 디피실리균(Clostridium difficile)은 병원에서 감염되는 병원체로, 병원에서의 설사 증상의 원인이 된다. 1989년에서 1992년 사이에 뉴욕, 아리조나, 플로리다, 메사츄세추의 병원에서의 설사 증상 발생은 클린다마이신에 내성을 갖는 클로스트리듐 디피실리균이 그 원인으로 보고되었다. 2005년 북아메리카에서는 시프로플록사신이나 레보플록사신과 같은 퀴놀론에 내성을 갖는 C. 디피실리균이 지리적으로 분산되어 발생하였음이 보고되었다.

대장균과 살모넬라는 직접적으로 오염된 음식에서 감염된다. 대장균에 오염된 고기에서 세균의 8%가 1개 이상의 약제에 내성이 있다.