[미생물학] 항생제 분류/항생제 저항성 - S. aureus와 P. aeruginosa

[1] 항생제 분류 및 원리

항생제는 크게 3가지 범주로 나눌 수 있다.

1. beta-lactam antibiotics

: 세포벽의 구성성분인 Prostaglandin 층의 합성을 억제한다. PG를 합성하는 DD-transpeptidase(=penicillin binding protein/PBP)에 붙어서 PG의 final crosslinking(=ranspeptidation)을막아 비가역적으로 cell wall의 합성을 억제한다. (PG합성을 억제한다기보다 PG층이 서로 cross link되서 여러 층이 되는걸 막음)

* Penicillin과 Cefotaxime이 이에 해당한다.

 

2. Antibacterial protein synthesis inhibitor

: 세포의 번역 과정을 억제해서 단백질의 합성을 방해한다. 주로 tRNA가 mRNA-리보솜 복합체에 결합하는 것을 방해해서 단백질 번역을 억제한다. 리보솜의 어떤 subunit에 결합하느냐에 따라서 class가 또 나뉜다. (원핵생물 리보솜 70S=30S+50S)

* Gentamicin, Tetracycline, Chloramphenicol이 이에 해당한다. Gentamycin은 다시 subclass인 aminoglycoside group에 해당해서 리보솜의 30S에 결합하는 방식으로 억제하며 Tetracycline도 마찬가지로 30S에 결합해서 억제하며 Chloramphenicol은 subclass인 peptidyl transferase에 해당해서 50S에 결합해 이를 억제한다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Aminoglycoside

 

3. Quinolone(Fluoroquinolone) antibiotics

: DNA의 복제과정을 방해해서 세포증식을 억제한다. 좀더 자세히 말하면, Quinolone group에 해당하는 약물들은 DNA gyrase/type 2, 4 topoimerase을 억제해서 DNA 사슬이 unwind되고 복제되는 것을 방해하고 이는 세포증식을 억제한다. DNA gyrase는 helicase에 의해 풀린 DNA 사슬의 압력(=strain, tension, stress)를 풀어주는 역할을 한다. 원핵생물은 single circular DNA가 gyrase에 의해 잘려서 양쪽 끝이 서로 꼬아져 supercoil을 형성하는데 중요하다. 이 과정이 억제되기 때문에 DNA fragmentation이 일어나고 복제가 제대로 안된다.

* Ciprofloxacin이 이에 해당한다

 

 

[2] 항생제 저항성 원리

모든 세균은 내재적 저항성(intrinsic resistance)을 통해 일차적으로 항생제에 저항성을 가질 수 있다. 내재적 저항성이란 1)세포벽의 투과도(permeability)가 낮거나 2) efflux pump가 흡수된 약물을 밖으로 내보내서 항생제에 영향을 받지 않게 되는 것을 뜻한다. 모든 type의 항생제가 비특이적으로 이러한 내재적 저항성에 의해 영향을 받는다. 이러한 내재적 저항성은 세균의 유전자에 의해 조절될 수 있다(intrinsic resistance gene)

그 외에도 세포막에 약물의 target(receptor)가 없거나, 세포내에서 약물이 변형되어 저항성을 지닐 수 있다.

International journal of molecular science

 

beta-lactam antibiotics에 저항성을 갖는 경우로는 MRSA(methicillin resistant staphylococcus aureus)를 예로 들 수 있다. MRSA는 pencillin등의 항생제에 의해 PBP가 억제되더라도 mecA gene이 있어서 cell wall을 합성할 수 있다. mecA gene은 PBP2a의 유전정보를 담고있는데, PBP2a는 penicillin류의 항생제에 affinity가 낮아서 항생제에 의해 억제되지 않는다. 따라서 세포벽 합성이 정상적으로 일어날 수 있다.

 

protein synthesis inhibitor의 경우 약물분해효소가 있거나 ribosomal protection에 의해 저항성을 가질 수 있다.

이 그룹에 해당하는 aminoglycoside를 예로 들면, aminoglycoside acetyltransferase(AAC) / aminoglycoside nucleotidyltransferase(ANT)/ aminoglycoside phosphotransferase(APH) 등의 효소의해 aminoglycoside가 변형되고 비활성화될 수 있다. Tetracycline의 경우에는 Tet(O), Tet(M)이라는 ribosomal protection protein(RBP)를 갖고있어 tetracycline이 ribosome에 결합하는 것을 몰아낼 수 있다.

 

이외에도 각각의 항생제에 대해 특이적인 defense mechanism이 있어 저항성을 가질 수 있다.

 

 

[3] S. aureus/P. aeruginosa의 특징

S. aureus는 그람양성균이며 조건혐기성(facultative anaerobe)이다. methicillin에 저항성을 갖는 MRSA, Vancomycin에 저항성을 갖는 VRSA, VISA 등의 계통(strain)이 있다.

P. aeruginosa는 그람음성균이며 마찬가지로 facultative anaerobe이다. beta lactamase antibiotics에 대해 저항성이 있다고 한다.

 

 

[4] 실험결과

1. S. aureus

a) penicillin

실험 결과, penicillin에 저항성이 있었다. 보통 S. aureus는 penicllin으로 치료하기 때문에 감수성이 있어야 하지만 그렇지 않았으므로 실험에서 사용한 세균은 MRSA(Methicillin resistant s. aureus)에 해당한다.

 

b) Gentamicin

실험결과, gentamicin에 저항성이 있었다. Gentamicin은 aminoglycoside 항생제에 해당한다. 일반적으로 aminoglycoside는 S. aureus로 쓰이지는 않는다. 참고문헌에 따르면 Methicillin에 감수성이 있는 s. aureus는 gentamicin에 감수성이 있지만, 그 외의 경우엔 저항성을 갖는다고 한다. 본 실험에서 사용한 s. aureus는 penicillin에 저항성이 있었기 때문에(MRSA) 실험결과 gentamicin에 저항성이 있었던 것으로 생각된다.

특히, gentamicin은 그람음성균의 lipopolysaccharide(LPS)에 전기적으로 붙어서 cell wall의 permeability를 변형시켜 세균의 성장을 억제하는데, s. aureus는 그람 양성균이여서 LPS가 없기 때문에 이런작용이 일어나지 못해 저항성이 있었던 것으로 생각된다.

 

c) Tetracycline

실험결과, tetracycline에 저항성이 있었다. tetracycline은 단백질합성을 억제하는 작용을 하는데, 참고문헌에 따르면 MRSA에서는 저항성이 있다고 한다.

 

d) Ciprofloxacin

실험 결과 ciprofloxacin에 저항성이 있었다, 참고문헌에 따르면 보통의 s. aureus는 이 약물에 감수성이 있지만 MRSA에는 작용이 덜하다고한다. Ciprofloxacin은 그람 양성균보다는 그람 음성균에 잘 작용하기 때문에 이러한 실험결과가 있지 않았나 생각된다.

 

e) Chloramphenicol

실험결과 이 약물에 감수성이 있었다. 2013년에 발표된 참고문헌에 따르면 chloramphenicol은 MRSA에 감수성이 있다고 한다. 그래서 다른 MRSA를 살균하는데 비싼 항생제를 사용하느니 이 약물을 쓰는 것을 권유하는 논문도 있었다.

 

2. P. aeruginosa(=녹농균)

a) Ciprofloxacin

실험결과 이 약물에 감수성이 있었다. 참고문헌에 따르면 ciprofloxacin은 단독으로 투여해도 p. aeruginosa에 감염된 사람에게 효과가 있다고 한다. 따라서 녹농균이 이 약물에 감수성이 있어던 것으로 생각된다.

 

b) Gentamicin

실험결과 이 약물에 감수성이 있었다. 참고문헌에 따르면 p.aeruginosa는 aminoglycoside에 저항성이 있다고 한다. 이는 이 약물이 그람음성균인 녹농균의 outer membrane을 통과하지 못하거나, aminoglycoside-modify enzyme에 의해 분해되기 때문이다.

 

c) Tetracycline

실험결과 이 약물에 저항성이 있었다. 참고문헌에 따르면 녹농균은 tetracycline을 efflux pump를 통해 밖으로 내보내기 때문에 저항성이 있다고 한다. 즉, 녹농균의 intrinsic resistance 때문에 이와같이 나타났다.

 

d) Cefotaxime

실험결과 이 약물에 저항성이 있었다. cefotaxime은 beta-lactam 항생제에 속하는데, 참고문헌에 따르면 녹농균은 beta-lactam 항생제에 저항성이 있다고 한다. 이는 beta-lactamase 효소/efflux system/outer membrane protein의 변화로 인한 permeability barrier/PBP의 변화로 인해 나타난다.

 

e) Chloramphenicol

실험결과 이 약물에 저항성이 있었다. 참고문헌에 따르면 chloramphenicol은 tetracycline의 경우와 똑같이 녹농균의 intrinsic resistance 때문에 저항성이 있다고 한다.

 

 

## 참고문헌

1) Mary B. (2005) “Manual of antimicrobial susceptibility testing”, American society for microbiology

2) Gang Zhou, et al, (2015) “The three bacterial lines of defense against antimicrobial agents”, International journal of molecular science

3) Sean R. et al, (2003) “Ribosomal protection proteins and their mechanism of tetracycline resistance”, American society for microbiology

4) (2012) “Product monograph : Gentamicine”, Baxter corporation

5) Krzysztof T. e al, (2000) “Expression of resistance to tetracyclines in strains of methicillin-resistant staphylococcus aureus”, Journal of antimicrobial chemotherapy

6) Righer J. (1987) “Ciprofloxacin treatment of Staphylococcus aureus infections”, J Antimicrob Chemother

7) Hooper D (2018) “Fluoroquinolones-UpToDate”, UpToDate

8) Joseph E, et al (2011) “Antimicrobial susceptibility of Staphylococcus aureus and Staphylococcus pseudintermedius isolated from various animals”, Can Vet J

9) Fayyaz M, et al (2013) “In vitro susceptibility of chloramphenicol against methicillin-resistant Staphylococcus aureus”, J Coli Physicians Surg Pak

10) Follath F. et al (1986) “Use of ciprofloxacin in the treatment of Pseudomonas aeruginosa infections”, Eur J Clin Microbiol

11) Xian-zhi li, et al (1994) “Role of Efflux pumps in intrinsic resistance of Pseudomonas aeruginosa: resistance to tetracycline, chloramphenicol, and norfloxacin”, Antimicrobial agents and chemotherapy

12) (2007) “Cefotaxime drug information, Archived”, WaybackMachine