국내분리 침습성 폐렴알균의 혈청형 분포 및 항생제 내성현황
Serotype distribution and antimicrobial susceptibility of
invasive Streptococcus pneumoniae clinical isolates in Korea

질병관리본부 국립보건연구원 감염병센터 결핵호흡기세균과      

Ⅰ. 들어가는 말
  폐렴알균(Streptococcus pneumoniae)은 지역사회 획득폐렴(community-acquired pneumonia ; CAP), 균혈증(bacteremia), 뇌수막염(bacterial meningitis) 등의 침습성 질환과 중이염(otitis media), 부비강염(sinusitis) 등의 비침습성 국소감염질환을 일으키는 주요 병원균이다. 특히, 면역능이 낮은 5세 이하 소아와 65세 이상의 노인 연령층에서 폐렴알균에 의한 침습성 감염질환의 발병 빈도가 높다. 2005년 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention ; CDC)는 개발도상국에서만 연간 약 210만 명의 5세 이하 소아들이 폐렴에 의해 사망하고 이 중 120만 명이 폐렴알균 감염에 의해 사망한 것으로 보고하였다. 또한 미국 내에서도 폐렴알균에 의한 뇌수막염과 패혈증이 각각 연간 3천 건과 5만 건 가량 발생하는 것으로 집계되었다[1]. 폐렴알균에 의한 침습성 감염질환과 관련된   국내 보고 자료는 미미하지만, pneumoACTION1)의 집계에 의하면 2000년 우리나라 소아에서 폐렴알균 감염질환 발생은 연간 24,047건이었으며 이 중 사망이 47건이었다[2].
  전세계적으로 침습성 감염질환을 일으키는 폐렴알균에 대한 페니실린 내성뿐 아니라 3제 이상의 약제에 내성을 보이는 다제 내성균의 증가는 폐렴알균 감염질환 치료의 어려움을 더욱 가중시키고 있다. 따라서 폐렴알균 감염질환의 고위험군에 해당하는 소아와 노인층에 대한 폐렴알균 백신 접종의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 또한, Dagan과 Klugman 등이 소아용 폐렴알균 백신인 PCV7(7-valent protein conjugate vaccine) 접종으로 항생제 내성 폐렴알균의 전파를 차단할 수 있음을 보고[3]함에 따라   폐렴알균 백신 접종은 최근 많은 국가에서 공중보건의 주요 관심이 되고 있다.
  현재 폐렴알균 예방백신은 성인용 23가 백신(23-valent polysaccharide vaccine)과 소아용 PCV7(7-valent protein conjugate vaccine)이 사용되고 있고, 향후 PHiD-CV(Haemophilus influenzae protein D conjugate vaccine) 및 PCV13(13-valent protein conjugate vaccine)이 시판될 예정이다(Table 1). 이미 다양한 연구들을 통해 PCV7 접종이 소아에서 뇌수막염 등 침습성 질환에 대해 80-90% 정도의 예방효과가 있음이 확인되었다[4]. PCV7은 2000년 2월 미국에서 시판 허가를 받은 이후 현재까지 약 90개국에서 시판이 허가되었고 35개국 이상에서 예방접종에 사용되고 있으며, 미국, 호주, 캐나다 등 17개국에서는 국가예방접종 프로그램에 포함되는 등 점차 사용이 확대되고 있다[5]. 우리나라는 2003년 11월에 도입하여 사용하고 있으며 침습성 폐렴알균 감염질환 예방을 위해 2세 이하 소아에 대한 PCV7 접종의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다.
  그러나 아직까지 우리나라의 폐렴알균 백신접종률에 대한 정확한 통계는 없는 실정이다. PCV7 접종률의 경우 지역적 차이는 있지만 2007년 기준으로 40% 정도로 추측하는 연구결과[5]도 있으나, 김 등[6]의 보고에 의하면 소아의 PCV7 접종률은 최소 1회 접종률이 13.2% 정도의 낮은 수준으로 연구결과 간에 차이를 보이고 있다. 한편, 질병관리본부에서 수행하고 있는 급성호흡기감염증 감시 사업을 통해 전국 약 40여개 소아과에 감기 등의 상기도 감염증으로 내원한 2세 이하 소아를 대상으로 실시한 2007년 조사에 의하면 PCV7 백신 접종률은 7.6%(197명/2,582명)로 매우 낮은 수준이었다.

   폐렴알균은 협막 다당(capsular polysaccharide)의 면역학적 특성에 따라 90종 이상의 혈청형으로   구분되고 있으나 폐렴알균 감염의 대부분은 6B, 9V, 14, 19F, 23F 등의 일부 혈청형에 의해 발생하는 것으로 보고되고 있다. 현재 개발된 폐렴알균 백신은 미국이나 유럽 일부 국가의 결과를 반영하여 침습성 질환을 유발하는 폐렴알균의 주요 혈청형이 포함되도록 개발되었다. 따라서 현재 사용되는 폐렴알균  백신의 방어효과를 간접적으로 확인하기 위해서는 우리나라의 침습성 감염질환을 일으키는 폐렴알균의 혈청형 분포에 대한 정확한 조사가 선행되어야 한다.
  또한, 최근 PCV7 백신의 접종이 증가함에 따라 전 세계적으로 백신 혈청형에 의한 질환이 감소하고 비백신 혈청형에 의한 질환이 증가하는 혈청형 대치현상(serotype replacement)이 확인되고 있어 지속적인 유행 혈청형 분석은 필수적이라 하겠다[5]. 우리나라는 일부 대학병원의 소아청소년과 및 감염내과 의료진들에 의한 폐렴알균 침습성 감염질환의 역학적 특성이나 폐렴알균 백신의 효능에 대한 연구가 보고된 바 있다[7,8].
  본 글은 국립보건연구원 결핵·호흡기세균과에서 2006-2008년 동안 수행한 “침습성 호흡기균주 자원화 사업”의 일환으로 2, 3차 병원으로부터 수집한 침습성 폐렴알균을 포함하여, 1996년부터 2008년까지 수집된 침습성 폐렴알균에 대한 혈청형 분석과 항생제 감수성 조사 결과를 정리하였다.

Ⅱ. 몸 말

  본 조사는 1996년부터 2008년까지 수집한 침습성 폐렴알균 386주를 대상으로 하였으며, 혈액, 뇌척수액 등 환자의 무균성 체액으로부터 분리된 균주만으로 제한하였다. 대상균은 담즙 용해 시험과 Slidex pneumo-kit(Bio-merieux, France)을 이용한 응집반응을 통해 폐렴알균을 최종 확인하였다.  폐렴알균의 혈청형 분석은 덴마크 SSI사(社)에서 제조된 omni-(1종), pool-(14종), group-(21종), type-(25종), factor-(64종) 특이 항혈청을 사용한 협막팽화시험을 통해 결정하였다. 항생제 감수성 검사는 penicillin, cefotaxime, erythromycin, clindamycin, tetracycline, levofloxacin, vancomycin 등의 7가지 항생제에 대해 수행하였고, Clinical and Laboratory Standards Institute(CLSI, 2007년)에서  권고한 액체배지 미량희석법을 이용하여 최소억제농도를 측정하고 CLSI 규정을 기준으로 감수성 여부를 결정하였다[9].
  1996-2008년 동안 수집한 침습성 폐렴알균 386주에서 총 37종의 혈청형이 확인되었고, 19F＞23F＞19A ＞6A＞3＞9V＞6B 혈청형 순으로 나타난 이들 주요 혈청형이 53.4%(206주)를 차지하였다(Table 2). 이와 같은 혈청형 분포는 미국과 유럽을 포함한 많은 국가들에서 침습성 감염질환을 유발하는 것으로 확인되고 있는 주요 혈청군과 유사하였다[2]. 침습성 폐렴알균 질환의 고위험군에 해당하는 5세 미만 소아군과 65세 이상의 노인군을 구분하여 혈청형을 분석한 결과, 5세 미만 소아(74주)에서는 23F＞14＞19A＞6A, 6B, 19F 순으로 이들 주요 혈청형이 74.3%(55주)를 차지하였고, 65세 이상 노인(116주)에서는 3＞19F＞11A＞6A＞9V, 23F ＞6B, 19A 순으로 이들이 65.5%(76주)를 차지하였다.  침습성 감염질환을 유발하는 폐렴알균의 혈청형 분포 및 우세 혈청형 빈도는 연령군에 따라 다소 차이를 보였으며, 특히, 65세 이상 노인에서는 혈청형 3과 11A가 높은 빈도로 나타났는데 이 중 혈청형 3은 일부 외국에서도 18세 이상 성인에서 침습성 폐렴알균의 우세한 혈청형으로 보고된 바 있다.

  일반적으로 폐렴알균 23가 백신은 성인에서 폐렴알균 감염질환의 80-90% 정도를 예방하는 것으로 보고된 바 있으나, 협막 다당만으로 구성되어 있어 2세 미만의 연령에서는 충분한 면역 반응을 유도하지 못한다는 제한점이 있다. 이로 인해 소아에서 침습성 질환을 유발하는 7종의 주요 혈청형에 해당하는 협막 다당을 접합 단백에 결합하여 개발한 PCV7 접합 백신이 소아용 백신으로 널리 사용되고 있다.
  본 연구에서 침습성 폐렴알균 386주의 혈청형 분포를 보면 40.9%(158주)가 PCV7 백신 혈청형에  포함되었고, 76.9%(297주)는 23가 백신 혈청형에 해당하였다. 혈청형 분포를 연령군에 따라 구분하여 비교하였을 때, 고위험군인 65세 이상 노인에서 분리된 폐렴알균의 혈청형은 PCV7에 포함되는 혈청형이 31.9%인데 비해 79.3%가 23가 백신 혈청형에 포함되어 23가 백신이 훨씬 높은 예방효과를 기대할 수 있을 것으로 생각되었다. 한편, 5세 미만 소아에서 분리된 폐렴알균의 경우에는 77.5%가 23가 백신  혈청형에 포함되었고, PCV7 혈청형에 해당하는 경우는 59.5%(44주)로 낮았다. 본 결과는 최근 Choi 등에 의해 국내 소아 분리 폐렴알균의 62.7%만이 PCV7 백신 혈청형에 해당한다고 보고한 것보다도  다소 낮게 나타났으며[7], 국내 소아에서도 비백신 혈청형(non-vaccine type)의 증가로 인해 PCV7  백신 접종에 의한 예방효과가 약 60% 수준임을 간접적으로 추측하였다.
  소아용 PCV7 백신의 도입 초기에는 유럽 및 미국에서 소아 침습성 폐렴알균 감염질환의 80% 이상을 예방한다고 알려져 왔다. 그러나 국가별 폐렴알균의 혈청형 분포 자료를 살펴보면 PCV7 백신 혈청형은 미국, 캐나다, 오스트레일리아에서는 80-90%, 서유럽과 아프리카는 65%, 아시아에서는 50% 수준으로 보고되고 있다[4]. 이와 같은 국가별 또는 지역별 폐렴알균 혈청형 분포의 차이뿐 아니라 PCV7 백신 접종 증가에 따른 비백신 혈청형에 의한 질환 발생의 증가는 점차 PCV7 백신에 의한 예방 효과를   감소시키고 있는 것으로 추정되고 있다. 한편, PCV7 백신 효과를 향상시키고자 하는 노력의 일환으로 기존 PCV7 백신에 혈청형 1, 3, 5, 6A, 7F, 19A를 추가한 PCV13 백신이 이미 개발되었고 향후 국내에 도입될 경우 본 연구 결과로 볼 때, 소아 유래 침습성 폐렴알균 혈청형의 85% 정도가 포함되어   기존 PCV7 백신에 비해 더 높은 예방 효과를 기대할 수 있을 것으로 예측된다.
  침습성 폐렴알균의 혈청형 분포의 시기적 변화를 확인하고자 1996년부터 2008년 동안을 우리나라에 PCV7 백신이 도입된 2003년 11월을 기준으로 4개(1996-1999년, 2000-2003년, 2004-2006년, 2007-2008년) 기간으로 구분하여 비교하였다(Figure 1). 단, 본 연구에서는 PCV7 백신 접종 여부에 대한 조사가 이루어지지 못하여 백신 접종군과 비접종군에 대한 비교 분석은 이루어지지 못하였다.

  전 연령군을 대상으로 하였을 때, PCV7 백신 혈청형인 4, 6B, 9V, 19F, 23F의 비율은 2004-2006년 동안 다소 감소하는 경향을 보이기는 하지만 1996-2008년 동안 큰 변화를 보이지 않았다(1996-1999년, 42.9%; 2000-2003년, 44.7%; 2004-2006년, 35.5%; 2007-2008년, 41.8%). 그러나 5세 미만 소아에서는 PCV7 백신 혈청형이 1996-1999년 69.2%에 비해 2007-2008년 50.0%로 다소 감소하는 경향을 확인하였으며, 특히 혈청형 9V, 14, 23F의 감소가 뚜렷하였다.
  한편, 최근 전 세계적으로 가장 큰 논란이 되고 있는 비백신 혈청형인 19A의 급격한 증가가 본 연구에서도 모든 연령층에서 확인되었고, 소아에서도 1996년부터 혈청형 19A가 확인되었으며 2000년 이후 지속적인 증가 추세를 보였다. 이런 혈청형 분포는 Choi 등[7]이 서울대학교병원 소아환자에서 분리한 침습성 폐렴알균의 혈청형 19A가 우리나라에 PCV7 백신이 본격적으로 도입된 시기인 2004년 이전에 이미 확인되었고 2000년 이후 지속적인 증가 추세를 보인다는 연구결과와 일치하였으며, 기존 국외   연구에서 제시한 PCV7 백신 사용 증가에 따른 비백신 혈청형으로의 혈청형 대치현상으로 인한 혈청형 19A의 급증과는 달랐다.
  65세 이상 노인에서는 혈청형 3의 발생 빈도의 변화가 뚜렷한데, 1996-1999년 동안에는 거의 확인되지 않다가 2000년 이후 그 빈도가 급격히 증가하여 최근까지 지속되고 있다. 이는 Chen 등에 의해 보고된 연구 결과 중 2002년과 2003년 대만에서 14세 이상 성인에서 분리된 침습성 폐렴알균의 혈청형 3의 매우 높은 빈도와 유사한 양상을 보이고 있다[10].
  1967년 오스트레일리아에서 penicillin 중등도 내성을 가진 폐렴알균(penicillin-intermediate S. pneumoniae; PISP)이 보고된 이후, 현재는 penicillin과 erythromycin 내성 폐렴알균의 비율이 매우 높고 3제 이상의 항생제에 동시 내성을 보이는 다제내성 폐렴알균(multidrug-resistant S. pneumoniae; MDRSP)의 확산 또한 전 세계적으로 큰 문제가 되고 있다[3]. 이런 항생제 내성균의 증가에 대한 대안으로 많은 연구자들은 백신 접종에 의한 지역사회 내 항생제 내성 폐렴알균의 감소 및 백신 접종자 이외 지역사회 내로 폐렴알균 내성균주의 전파 차단 효과 가능성에 대해 주목하고 있다. 우리나라는 아직 PCV7 백신 접종과 관련하여 백신 접종에 따른 지역사회 내 폐렴알균의 혈청형 및 내성균의 변화 등에 대한 체계적인 조사 감시가 이루어지지 못하고 있으나 이미 국내에서도 PCV7 비백신 혈청형이면서  다제내성률이 높은 혈청형 19A의 증가가 확인되고 있어 지역사회 내 폐렴알균의 항생제 내성에 대한 지속적인 감시가 필요하다[8,11].
  본 연구에서 침습성 폐렴알균의 penicillin, erythromycin, clindamycin, tetracycline에 대한 내성률은 60% 이상이었고, penicillin과 erythromycin에 동시 내성을 보이는 경우도 63.7%, penicillin, cefotaxime, erythromycin, clindamycin, tetracycline, levofloxacin 중 3가지 이상의 약제에 내성을 보이는 다제내성 균주도 60.1%로 침습성 폐렴알균에서도 항생제 내성률이 비교적 높았다(Table 3).

  PCV7 백신과 연관된 혈청형에 해당하는 폐렴알균은 penicillin, erythromycin, clindamycin, tetracycline에 대한 내성률이 약 80% 이상으로 매우 높은 반면, PCV7에 포함되지 않는 혈청형의   폐렴알균에서는 약 39-62% 정도로 다소 낮은 내성률을 보였다. 그러나, 최근 급증하고 있는 일부 PCV7 비백신 혈청형인 6A와 19A의 경우는 penicillin, erythromycin, clindamycin, tetracycline에   대한 내성률이 80% 이상이었으며, 특히, 혈청형 19A는 93.3%가 penicillin 내성일 뿐 아니라 90.0%가 다제내성균으로 확인되어 폐렴알균 침습성 질환 치료 실패로 이어질 가능성이 매우 큰 것으로 판단되었다. 전반적으로 PCV7 백신에 포함되지 않은 혈청형 균주에서는 단일 항생제 내성이나 다제내성균의 비율이 상대적으로 낮았지만, 이들 혈청형 균주의 내성 획득과 전파의 가능성 역시 간과할 수 없다. 한편, 연령군에 따른 항생제 내성률을 비교하였을 때, 5세 미만 소아와 65세 이상 노인에서 침습성 폐렴알균의  항생제 내성률을 살펴보면 penicillin, erythromycin, clindamycin, tetracycline, cefotaxime 내성률이 노인보다 소아에서 높게 나타남을 확인하였다(Figure 2).

Ⅲ. 맺는 말

  전 세계적으로 항생제 내성 혹은 다제내성 폐렴알균의 전파로 인한 폐렴알균 감염질환의 예방과 치료가 어려워지는 현 시점에서 폐렴알균 침습성 질환의 예방과 항생제 남용의 억제를 위해 백신 사용의 중요성이 커지고 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 폐렴알균 백신에 대한 효과를 알아보기 위한 간접적인 방법으로 임상 분리 침습성 폐렴알균의 혈청형 분포 변화에 대한 지속적인 조사가 필요하다. 이에 본 연구는 1996년 이후 분리된 침습성 폐렴알균 분리주를 수집하여 혈청형의 분포와 항생제 내성 양상을 조사하였다. 비록 표본 수가 적고 환자에 대한 임상적 특성이나 기저질환 등에 관한 충분한 역학적   자료가 함께 고려되지 못한 제한점을 가지고 있지만, 1996년 이후 국내 폐렴알균의 혈청형 분포 및   변화 동향과 이를 바탕으로 하여 국내에서 현재 사용 중인 백신의 예방효과를 일부 예측할 수 있었다.
  1996-2008년 동안 수집한 침습성 폐렴알균은 연령별 차이는 다소 있었지만 백신 혈청형인 4, 6B, 9V, 14, 19F, 23F에 의한 침습성 감염질환 발생이 높았으며, PCV7 혈청형이 아닌 3, 6A, 19A에 의한 침습성 감염질환이 증가하였다. 특히, 이들 침습성 질환을 유발하는 주요 혈청형들이 penicillin, erythromycin 등의 항생제에 대한 매우 높은 내성률을 보임과 동시에 다제내성 빈도도 높아 폐렴알균 백신 접종의 필요성을 뒷받침 해주는 간접적 자료가 될 수 있을 것으로 생각된다. 이미 미국 CDC에서는 Active Bacterial Core surveillance(ABCs)를 통해 침습성 폐렴알균 감염질환의 현황과 폐렴알균의 혈청형 분포 양상을 매년 발표하고 있으며, 유럽에서도 각 나라별 IPD(invasive pneumococcal disease) 감시체계를 운영하고 있다. 한편, 우리나라에서도 고위험군에 대한 폐렴알균 백신 접종을 권장하고 있어 향후 백신 접종률이 증가할 것으로 판단됨에 따라 지역사회 내 의료기관과 연계한 감시체계 운영 전략을 수립하여야 한다. 이를 통해 우리나라 침습성 폐렴알균의 유행 혈청형 및 항생제 내성   양상을 지속적으로 파악하여 폐렴알균 백신 효과에 대한 근거를 마련할 필요가 있다.

                                 
  1) pneumoACTION은 미국 Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health에서 운영하는 “International Vaccine Access
      Center(IVAC)”의 프로젝트 중 하나로 폐렴과 폐렴알균에 의한 질환에 대응하기 위한 전세계적인 활동을 위해 여러 가지 관련 정보와
      실험적 방법을 제공하고 있다.

Ⅳ. 참고문헌

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