투여 항생제군이 Clostridium Difficile Associated Diarrhea 에 미치는 영향

오경선 숙명여자대학교 임상약학대학원 2008 국내석사

Clostridium difficile(이하 C.difficile)은 항생제 사용에 의해 발생하는 원내 설사의 주요 원인균이다. 본 연구에서는 환자군에서 투여 항생제군별, 투여 기간, 노출된 항생제 종류수에 따른 Clostridium difficile associated diarrhea(이하 CDAD)의 위험성을 후향적으로 평가하고자 하였다. 또한 CDAD를 치료하기 위한 약물 치료 현황을 살펴 보고자 하였다. 본 연구에 포함된 환자는 2007년 1월 1일부터 12월 31일까지 C. difficile toxin assay 검사 처방이 의뢰된 환자 중 양성 42명, 음성 87명으로 총 129명이었다. 항생제 사용에 따른 CDAD의 발생 영향을 평가하기 위해 투여 항생제를 16개군으로 나누고 각각 항생제의 투여 유무를 살펴보았으며, 주요 위험군 항생제인 3세대 cephalosporin, aminoglycoside, fluoroquinolone은 8일 미만, 15일 미만, 15일 이상으로 투여 기간을 조사하였다. 또한 노출된 항생제의 종류수를 조사하였다. 투여된 16개 분류 항생제군 중 4세대 cephalosporin은 C.difficile의 위험성을 증가시켰고(OR 5.96, p=0.017), metronidazole은 위험성을 감소시켰다(OR 0.30, p=0.009). 투여 기간과 CDAD와의 위험성을 살펴보면 3세대 cephalosporin (OR=3.81, p=0.037)과 aminoglycoside(OR=5.50, p=0.013)는 8일 미만으로 투여한 환자군보다 15일 이상 투여한 환자군에서 CDAD의 위험성이 증가하는 것으로 나타났으며 이는 통계적으로 유의하였다. 투여 항생제 종류수는 양성인 환자에서 2가지 종류 이하의 항생제를 투여하는 환자 비율이 45.2%로 음성 환자 21.8%보다 높은 것으로 나타났다. C.difficile toxin assay 양성인 환자의 평균 치료 기간은 13.24±7.19일로 60.5% 환자가 10~14일의 치료 기간을 유지하고 있었다. 본 연구에서 CDAD와 투여 항생제 사이의 위험성은 존재하였으며, cephalosporin, aminoglycoside는 투여 기간이 길어질수록 CDAD의 위험성이 커지는 것으로 나타났다. 이 연구는 대상 환자수가 적고, 후향적 연구의 한계점을 가지므로 이를 보완할 대규모 심화 연구를 통해 CDAD의 event를 감소시키기 위한 노력이 필요할 것이다. Background : Clostridium difficile is the the primary reason of the nosocomial diarrhea. The antimicrobial therapy plays a central role in the pathogenesis of Clostridium difficile associated diarrhea(이하 CDAD). Although nearly all antimicrobial classes have been associated with CDAD, clindamycin and third-generation cephalosporins have traditionally been considered to the greatest risk factor. Recent studies have also implicated fluoroquinolons as high-risk agents, a finding that is most likely to be related in part to increasing fluoroquinolones. Purpose : The purpose of this study was to determine the risk factors of CDAD related to the administered antibiotics, including antibiotic classes and treatment duration. Method : We performed a retrospective case-control study in the patients with order of Clostridium difficile toxin assay at I Hospital (Incheon, South Korea) during the period from 1 January 2007 through 31 December 2007. Administrative, laboratory, and pharmacy data were collected from the Electronic Medical Databases. Results : The analysis included 129 reported C.difficile toxin assay results, with 42 positive cases and 87 negative cases. Significant antibiotic risk factors for CDAD included the use of fourth-generation cephalosporins(OR=5.96, 95% CI 1.37-25.98, p=0.017). Administration of metronidazole was protective against CDAD(OR=0.30, 95% CI 0.12-0.74, p=0.009). Prolonged antimicrobial therapy has been associated with an increased risk of CDAD. Third-generation cephalosporins(OR=3.81, 95% CI 1.08-13.41, p=0.037) and aminoglycoside(OR=5.50, 95% CI 1.43-21.10, p=0.013)demonstrated greater risk for CDAD over 15days than under 8days treatment duration. Conclusion : This study confirmed previous studies regarding the risk of acquiring CDAD. The fourth-generation cephalosporin was the significant risk factor compared with other antibiotics, whereas metronidazole appears to be protective agent.

새로운 세파계 항생제의 합성과 생물학적 활성에 관한 연구

박종규 仁濟大學校 大學院 2003 국내석사

세파계 항생제가 좋은 시장성, 낮은 독성, 넓은 항균범위와 강한 활성을 가진다고 보고된 이후로 세파계 항생제의 개발은 꾸준히 진행되어왔다. 세파계 항쟁제는 7-ACA (7-Aminocephalosporanic acid)를 모핵으로 가지는 β-lactam계 항생제의 한 종류이다. 7-ACA는 곰팡이인 Cephalosporium acreminium의 발효산물인 cephalosporn C로부터 얻어진다. 1964년에 cephalotin이 출시된 이후, 세파계 항생제는 가장 널리 사용되는 항생제가 되었다. 7-ACA 분자의 변형에 의해 많은 수의 유도체들이 합성되었다. β-lactam ring의 C-7 amino기의 변형은 항균능력과 β-lactamase에 대한 안정성을 제공한다. 그리고 Dihydrothiazine ring의 C-3 위치의 치환은 세파계 항생제의 대사작용과 약동력학적인 측면에 영향을 미친다. Cephalosporin은 사람과 동물에 영향을 미치는 병원성 bacteria에 대해 아주 넓은 범위에서 사용되어왔다. 최근 새로운 세파계 항생제들이 개발되었고, 시장에 출시되었다. 이들 화합물들은 C-3위치에 heterocyclic compound를, 그리고 C-7위치에는 alkoxyiminoaminothiazole 유도체들을 가지고 있으며, 그람양성균과 그람음성균에 대하여 광범위하고 강한 활성을 나타낸다. 본 실험에서는 C-3 위치를 heterocyclic substituent로 치환하고 C-7 위치를 aminothiazole 유도체로 N-acylation하여 새로운 세파계 항생제를 합성하였다. 이들 화합물들은 그람음성균인 Pseudomonas aeruginosa 대하여 강한 활성을 나타내었다. Since it was reported that the cephalosporin antibiotics had good marketability, low toxicity, a broad antibacterial spectrum and potent activity, constant efforts have been made for development of cephalosporin antibiotics Cephalosporins(cephems) are a class of β-lactam antibiotics that share the 7-ammocephalosporanic acid (7-ACA) nucleus 7-ACA is derived from cephalosporin C, a fermentation product of the fungus cephalosporium acremonium Since cephalotin was introduced in 1964, cephalosporins have become a widely used and ever more numerous class of antibiotics A large number of derivatives have been synthesized by modifying the 7-ACA molecule Modification at the C-7 amino group of the β-lactam ring has served to affect antibacterial activity and stability to β -lactamases Substitution at position C-3 of the dehydrothiazine ring has been used to affect the metabolism and pharmacokinetic properties of cephalosporins Cephalosporins have been widely used for treating diseases caused by pathogenic bacteria in humans and animals. Recently new cephalosporins have been developed and introduced into a market. These compounds have heterocyclic compounds at the C-3 position and alkoxyiminoaminothiazole derivatives at the C-7 position They exhibited a high degree of activity against a broad range of Gram-positive and Gram-negative bacteria In this experiment, new cephalosporins have been made from modification of heterocyclic substituent at the C-3 position and N-acylation of aminothiazole derivatives at the C-7 position These compounds exhibited a high degree of activity against Gram-negative bacteria Pseudomonas aeruginosa

항생제 내성에 PhoPQ 두 요소 조절체계의 영향 분석

최병준 명지대학교 대학원 2022 국내석사

그람 음성균은 외막과 주변세포질, 펩티도글라이칸, 내막 등으로 이루어진 세포벽을 가짐으로써 세포 외부에서 유입되는 여러 외부 스트레스로부터 세포를 보호한다. 외부 스트레스 요인에는 항생제를 비롯하여 온도, pH, 계면활성제, 삼투압, 활성산소, 금속킬레이터 등 다양한 요인이 있으며 이들은 세포에 손상을 입히게 된다. 세포는 손상으로부터 복구하고 항상성을 유지하기 위해 여러 가지 스트레스 인자에 대한 반응을 유발하게 된다. Two-component regulatory system (TCS)은 다양한 스트레스상황을 인식하여 여러 유전자 발현을 조절하는 주요 인자로써, 특정 신호를 인식하여 세포내부로 신호를 전달하는 sensor histidine kinase와 유전자 발현을 조절하는 response regulator로 이루어져 있다. PhoPQ는 γ-proteobacteria 종에서 잘 보존되어 있고, 여러 생리활성을 조절하는 TCS의 한 종류이다. 주로 Mg2+ 결핍상황에서 활성화되어 Mg2+ 항상성인자, 지질다당류 변형 효소, 포린과 여러 막 단백질의 발현을 조절하는 것으로 알려져 있다. 특히, 여러 병원성 균주에서 병독성 조절 및 항생제 내성 유도에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 Escherichia coli PhoPQ TCS가 어떠한 스트레스 상황 속에서 요구되는지 분석하고자 하였다. 우리는 박테리아에 스트레스반응을 유발하는 여러 스트레스 상황 속에서 phoQ 및 phoP 결손균주가 어떠한 표현형을 보이는지 분석하였다. phoQ 와 phoP 결손균주는 모두 야생형 균주에 비하여 bile salt, urea, 산성 pH, iron chelator에 민감하였고, 특히 carbapenem 내성 그람 음성균 감염 치료에 사용되는 최후의 항생제인 tetracycline계열 항생제들(minocycline, doxycycline, tigecycline)에 대하여 민감하였다. phoQ와 phoP 결손균주의 minocycline, doxycycline, tigecycline에 대한 민감성은 현재까지 보고된 바가 없었다. phoQ 및 phoP 결손균주는 minocycline, doxycycline에서 4배의 minimum inhibitory concentration (MIC)값 감소를 보였으며 minocycline의 유도체인 tigecycline에서 2배정도의 MIC값 감소를 보였다. 반면, tetracycline에서는 MIC변화를 거의 보이지 않았다. 우리는 PhoPQ TCS의 주요 regulone인 Mg2+ 수송단백질 MgtA와 여러 포린단백질을 여러 표현형의 원인일 것으로 예상하고 각 phoP 결손균주에서의 발현 조절을 통해 확인해 보았지만, 이들은 원인이 아닌 것으로 확인되었다. 관련인자를 찾기 위하여 transposon을 이용한 random mutagenesis를 통하여 phoP 결손균주의 doxycycline 표현형 억제 돌연변이를 찾아내었고, transposon이 eptB 유전자에 삽입되었음을 확인하였다. EptB는 lipopolysaccharide(LPS)의 inner core 에 해당하는3-deoxy-d-manno-oct-2-ulosonate에 phosphoethanolamine을 전달하는 효소이며, 그 발현이 small RNA mgrR에 의해 직접적으로 억제되는 것이 잘 알려져 있다. 또한 mgrR은 PhoP에 의해 직접 상향조절 받는 것으로 알려져 있다. 실제로 우리는 phoP 결손균주에서 eptB의 RNA전사가 증가됨을 확인할 수 있었다. phoP 결손균주의 doxycycline 표현형이 eptB 결손에 의해 부분적으로 회복이 되었고, EptB 과발현 균주가 phoP 결손균주와 부분적으로 유사한 표현형을 보인다는 사실을 통해, 우리는 EptB 의 과발현이 phoP 결손균주의 doxycycline 표현형과 부분적으로 관련되어 있음을 알 수 있었다. 또한 eptB 결손은 phoP 결손균주의 또 다른 표현형인 bile salt 민감성도 일부 회복시켜 주었다. 놀랍게도 phoP의 결손은 doxycycline의 세포 내 유입량이 상당히 증가하였고, 이런 증가가 eptB 결손에 의해 사라진다는 사실을 알 수 있었다. 이러한 결과들을 통해 우리는 PhoPQ TCS을 통한 LPS modification이 의학적으로 중요한 몇몇 tetracycline계열 항생제 내성에 영향을 미친다는 사실을 밝혀내었고, 그 이유가 항생제 수송과 연관되어 있음을 알아내었다. Gram-negative bacteria have a cell wall composed of outer membrane, periplasm, peptidoglycan, and inner membrane to protect cells from various external stresses outside the cell. External stressors include antibiotics, temperature, pH, surfactants, osmotic pressure, free radicals, metal chelators, and a variety of other factors that damage cells. Cells trigger responses to various stressors to recover from damage and maintain homeostasis. Two-component regulatory system (TCS) is a major factor that regulates the expression of various genes by recognizing various stressful situations. It is composed of a sensor histidine kinase that recognizes a specific signal and transmits a signal into the cell, and a response regulator that regulates gene expression. PhoPQ is a type of TCS that is well conserved in γ-proteobacteria species and regulates various physiological activities. It is mainly activated in Mg2+ starvation and is known to regulate the expressions of Mg2+ homeostasis factors, lipopolysaccharide modifying enzymes, porins, and several membrane proteins. In particular, it is also known to affect virulence control and antibiotic resistance induction in several pathogenic strains. In this study, we tried to analyze stress conditions under which Escherichia coli PhoPQ TCS is required for the bacterial growth. We analyzed the phenotypes of phoQ or phoP deletion strains under various stress conditions that induce stress responses in bacteria. Both of the phoP and phoQ deletion strains showedwas increased sensitivity than the wild-type strain to bile salt, urea, acidic pH, iron chelator, and particularly, several tetracycline-related antibiotics (minocycline, tigecycline, and doxycycline) that are often considered as the last resort for the treatment of infections by carbapenem-resistant Gram-negative pathogens. The sensitivity of the PhoP or PhoQ-deficient strain to minocycline, tigecycline, and doxycycline has not been reported so far. The phoQ or phoP deletion strain showed a 4-fold decrease in the minimum inhibitory concentration (MIC) value of minocycline and doxycycline, and a 2-fold decrease in the MIC value of tigecycline, a derivative of minocycline. On the other hand, there was no MIC change in tetracycline. We predicted that Mg2+ transport protein MgtA and several porin proteins, which are major regulones of PhoPQ TCS, were the cause of various phenotypes and checked their expressions in each phoP-deletion strain, but they were not associated with the sensitivity to tetracycline-related antibiotics. To find the related factors, a doxycycline phenotype suppression mutant of a phoP-deletion strain was screened through random mutagenesis using a transposon, and a transposon was inserted within the eptB gene in one suppressor mutant strain. EptB is an enzyme that delivers phosphoethanolamine to 3-deoxy-d-manno-oct-2-ulosonate, which is the inner core of lipopolysaccharide (LPS), and is directly inhibited by small RNA mgrR. It is also known that mgrR is directly up-regulated by PhoP. Expectedly, the RNA transcription amount of eptB was increased in the phoP-deletion strain. Doxycycline-sensitive phenotype of the phoP mutant were partially suppressed by the deletion of the eptB gene, and the EptB-overexpressing strain partially phenocopied the phoP mutant, indicating that EptB overexpression is partly associated with the doxycycline sensitivity of the phoP mutant. The deletion of the eptB gene also partially suppressed the bile salt sensitivity of the phoP mutant. Notably, the deletion of phoP significantly increased the influx of doxycycline into the cell and the additional deletion of eptB suppressed the increased influx of doxycycline. Through these results, we could conclude that LPS modification by the PhoPQ TCS affects the resistance to several clinically important tetracycline-related antibiotics, which is associated with the intracellular influx of antibiotics.

축산폐수 내 중금속, 항생제 실태조사 및 생물학적 처리

김진필 강원대학교 대학원 2021 국내박사

국내에서 발생하는 축산폐수는 전체 하․폐수 용량 대비 0.6%에 불과하지만 고농도의 질소 및 인 성분에 의해 하천의 전체 오염부하량의 25.8%를 차지한다. 이에 환경부는 가축분뇨의 관리를 위해 처리 방류수의 총질소(T-N), 총인(T-P), 생물학적산소요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 부유물질(SS), 대장균에 대한 규제를 하고 있으나 중금속 및 항생제에 대한 관리는 이루어지지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 축산폐수 내 중금속 및 항생제 실태를 조사하고, 처리 방법을 비교․검토하여 현황과 관리 방안을 제시하고자 한다. 축산폐수 공공처리시설의 중금속 및 항생제 실태 파악을 위해 유입수와 방류수의 잉여 슬러지를 원심분리하여 고형물과 수질 시료로 나누어 농도와 거동을 평가하였다. 중금속의 경우 고형물에서 Cd은 검출한계 미만, Pb은 9.16∼30.42 mg/kg, Cr은 N.D∼22.65 mg/kg, Cu는 364.26∼1,678.81 mg/kg, Ni는 N.D∼32.37 mg/kg, Zn은 N.D∼2,303.86 mg/kg의 범위로 나타났다. 축산폐수의 고형물이 농가에서 퇴비로 사용되는 비율이 높으므로 농림축산식품부의 비료관리법에서 제시된 퇴비 원료에 대한 유해 금속류의 기준(2015, 개정) 값과 비교한 결과 Cu와 Zn에서 기준값(Cu: 300 mg/kg, Zn: 900 mg/kg) 보다 높게 나타나 관리의 필요성을 보였다. 수질 시료의 경우 방류수에서 Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na 및 Zn이 검출되었으나, 수질오염물질 규제항목인 Cu 및 Zn은 배출허용기준 이하의 값을 보였다. 항생제(Sulfamethazine, Sulfathiazole, Chlortetracycline, Oxytetracycline) 4종의 실태 및 공법별 제거 효율 비교를 위해 처리 방법이 다른 5개 축산폐수 공공처리시설(BCS, 액상부식, MBR, BIOSUF, B3 공법)의 유입수와 방류수를 조사하였다. 분석 결과 5개 축산폐수 공공처리시설 유입수의 평균 농도는 Chlortetracycline (483.7 ㎍/L) > Sulfamethazine (251.2 ㎍/L) > Sulfathiazole (230.8 ㎍/L) > Oxytetracycline (25.7 ㎍/L) 순으로, 방류수의 평균 농도는 Sulfathiazole (28.2 ㎍/L) > Sulfamethazine (20.8 ㎍/L) > Chlortetracycline (11.5 ㎍/L) 순으로 높았으며, Oxytetracycline은 검출되지 않았다. 조사대상 5개 처리시설에서 항생제 처리는 대부분 80%가 넘는 높은 효율을 보였으나 일시적으로 BIOSUF공법 처리시설에서 Sulfamethazine의 처리효율이 60.2%, B3공법 처리 시설에서 Sulfamethazine 및 Sulfathiazole의 처리효율이 50% 이하로 나타나 처리시설의 운전 및 관리가 미흡할 경우 효율이 낮아질 가능성이 있음을 확인하였다. 국내 축산폐수 관리방안을 제시하기 위하여 A2O 공법을 이용한 실험을 진행하였다. A2O 공법은 국내하수처리시설에서 가장 대중적으로 사용하고 있는 방법으로 축산폐수 처리를 위한 운전 조건을 확립할 경우 실제 현장 적용 가능한 공법이다. 축산폐수 연계처리방안을 평가하기 위해 Sulfamethazine, Chlortetracycline, Oxytetracycline의 항생제 3종을 대상으로 3가지 조건의 수리학적 체류시간(HRT, (14h, 18h, 27h))에서 lab-scale 실험을 수행하였다. 분석 결과 항생제 중 Oxytetracycline과 Chlortetracycline의 제거효율은 각각 86.5∼88.8%와 87.9∼90.8%로 HRT에 따라 큰 차이를 보이지 않았으나 Sulfamethazine은 HRT를 14h에서 27h로 증가시켰을 경우 제거효율이 20% 이상 높아져 99% 이상의 제거 효율을 보여 27h이 전반적으로 효율이 높은 운전조건임을 확인하였다. This study was intended to analyze metal elements from public livestock wastewater treatment plants by centrifuging surplus sludge in the influent and effluent of the plants, separating the sludge into solids and water samples, and assessing the concentrations and fate of veterinary antibiotics and heavy metals. The ranges of Cd, Pb, Cr, Cu, Ni and Zn concentrations were <DL, 9.16-30.42 mg/kg, N.D-22.65 mg/kg, 364.26-1,678.81 mg/kg, N.D-32.37 mg/kg and N.D-2,303.86 mg/kg, respectively. When compared with the criteria on hazardous metals of compost materials specified in the Fertilizer Control Act of the Korean Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (revised in 2015), the levels of Cu and Zn were higher than the limits (Cu: 300 mg/kg, Zn: 900 mg/kg), whereas the levels of the other metals were below the limits. In finished effluent, Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na and Zn were detected. Among them, Cu and Zn, regulated water pollutants, showed concentrations lower than effluent limits. Four types of veterinary antibiotics (sulfamethazine, sulfathiazole, chlortetracycline and oxytetracycline) were also analyzed in the influent and effluent of several public livestock wastewater treatment plants. The efficiencies of different treatment techniques to remove these antibiotics were compared as well. In influent samples from five selected public livestock wastewater treatment plants, chlortetracycline showed the highest mean concentration (483.7 ㎍/L), followed by sulfamethazine (251.2 ㎍/L), sulfathiazole (230.8 ㎍/L) and oxytetracycline (25.7 ㎍/L). In effluent samples, sulfathiazole turned out to have the highest mean concentration (28.2 ㎍/L), followed by sulfamethazine (20.8 ㎍/L) and chlortetracycline (11.5 ㎍/L). Oxytetracycline was not detected. The five public treatment plants were using BCS, liquid erosion, MBR, BIOSUF and B3 techniques, respectively. All of these techniques showed more than 90% removal efficiencies of veterinary antibiotics. To assess measures of treating livestock wastewater in association with local sewage treatment plants, which mainly use the A2O technique, a laboratory-scale test was conducted to determine the efficiency of the A2O technique to remove veterinary antibiotics as well as the existing pollutants such as organic matters, nitrogen and phosphorus under three hydraulic retention time (HRT) conditions (14h, 18h and 27h). The removal efficiencies of oxytetracycline and chlrotetracycline among the veterinary antibiotics were 86.5-88.8% and 87.9-90.8%, respectively, which indicates that these two antibiotics do not significantly vary with HRT. The removal efficiencies of sulfamethazine, on the other hand, rose by more than 20% when HRT was increased from 14h to 27h.

1,8-Naphthyridine Cephalosporin 유도체의 합성 및 생물학적 활성에 관한 연구

임순권 仁濟大學校 大學院 2003 국내석사

Cephalosporin계 항생제는 7-ACA(7-Aminocephalosporanic acid)를 모핵으로 가지는 β-lactam계 항생제의 한 종류이다. 7-ACA는 곰팡이인 Cephlosporium acre-monium의 발효산물인 Cephalosporin C로부터 얻어진다. 1961년 Newton과 Abraham에 의해 그 구조가 규명됨에 따라 발전의 토대가 마련되었으며 1964년 Cephalotin이 출시된 이후, Cephalosporin계 항생제는 가장 널리 사용되는 항생제가 되었다. Cephalosporin계 항생제는 페니실린 등 다른 항생제에 비하여 항균스펙트럼이 넓고 항균력이 우수할 뿐만 아니라 독성이 적다 현재의 Cephalosporin계 항생제 연구는 주로 세펨 모핵의 C-3 위치와 C-7 위치의 변형에 관심을 갖고 있다. β-Lactam ring의 C-7 위치 amino기의 변형은 항균능력과 β- lactamase에 대한 안정성을 제공한다. 그리고 Dihydrothiazine ring의 C-3 위치의 치환은 Cephalosporin계 항생제의 대사작용과 약동력학적인 측면에 영향을 미친다. 제 4세대 항생제의 하나인 Cefpirome과 Ceftazidime 같은 4급 암모늄염 Cephalosporin항생제는 C-7 위치에 Alkoxyiminoaminothiazole 유도체를, C-3 위치에 헤테로 고리화합물을 가지고 있다. 이들은 그람양성균과 Pseudomonas를 포함한 그람음성균에 대해 폭넓은 범위의 강한 활성을 나타낸다. 본 실험에서는 Cefotaxime의 C-3 위치를 헤테로 고리화합물로 치환하여 새로운 Cephalosporin계 항생제를 합성하였다. 이들은 그람음성균인 Pseudomonas aeruginosa에 대해 강한 활성을 나타냈으며 기타 균주에 대해 Cefotaxime과 유사한 활성을 보였다. Cephalosporins are a class of β-lactam antibiotics that share the 7-aminocephalosporanic acid(7-ACA) nucleus. 7-ACA is derived from cephalosporin C, a fermentation product of the fungus cephalosporium acremonium. In 1961, its structure was identified by Newton and Abraham. Since cephalotin was introduced in 1964, cephalosporins have become one of the most widely used antibiotics. Cephalosporins have broader antibacterial spectrum, stronger antibacterial effects and lower toxicity than any other antibiotics like penicillins. In recent years, considerable interest has been found in the modification of C-3 position and C-7 position of cephem nucleus. Modification at the C-7 amino group of the β-lactam ring has served to affect antibacterial activity and stability to β-lactamases. Substitution at position C-3 of the dehydrothiazine ring has been used to affect the metabolism and pharmacokinetic properties of cephalosporins. At present, 3-quarternary ammonium cephalosporins such as cefpirome and ceftazidime have alkoxyiminoaminothiazole derivatives at the C-7 position and heterocyclic compounds at the C-3 position. They are extensively studied for their enhanced antibacterial activity against a broad range of Gram-positive bacteria and Gram-negative bacteria including Pseudomonas. In this experiment, new cephalosporins were made from substitutions of 1,8-naphthyridine heterocyclic compounds at the C-3 position of cefotaxime. These compounds exhibited a high degree of activity against Gram-negative bacteria Pseudomonas aeruginosa.

항생제 내성균 감소를 위한 One Health 도입 방안에 대한 연구

최은채 청주대학교 2018 국내석사

감염병은 사람 간 접촉이나 공기 전파 또는 음식 섭취 등 다양한 경로로 발생하는 질환이다. 14세기 페스트균에 의해 유럽의 1/4 인구가 사망하여 이후 수많은 과학자들에 노력 끝에 항생제를 발견하여 감염병은 역사에 있어서 종지부를 찍는 듯 했다. 하지만 항생제의 빈번한 사용과 오남용, 부적절한 처방 등으로 인해 항생제에 내성을 가지는 세균이 출현하게 되고 이들이 전파, 확산되어 항생제 내성균에 감염된 환자들을 점점 치료하기 어려워지게 되었다. 또한 다양한 항생제에 대한 다제 내성 및 고도 내성률이 높아져 항생제 내성으로 인해 치료가 어려워져 전 세계적으로 많은 사망자가 나타나게 되었다. 이에 WHO에서는 항생제 내성에 대응하기 위해 글로벌 행동 계획을 수립하여 각 회원국에도 그 나라의 실정에 맞는 국가 행동 계획을 수립하고 이행할 것을 권고하였다. 그에 따라 우리나라는 2016년에 “국가 항생제 내성 관리대책 협의체”를 출범시켰고 이후“국가 항생제 내성 관리대책(2016-2020)”을 수립, 발표하였다. “국가 항생제 내성 관리대책(2016-2020)”은 범부처적 정부주도의 대책안으로 항생제내성에 적극적으로 대응하기 위해 보건복지부 등 6개 관련 부처가 정책적, 사회적, 보건학적으로 수행해야 할 과제를 담고 있다. 이 중 연구개발 관련 내용의 일부를 2017년부터 One Health라는 개념으로 사람, 동물, 환경을 아우르는 전분야에서 항생제 내성과 관련된 연계 연구를 시범적으로 수행하고 있다. One Health란, 2000년대 초에 고안된 용어로서 사람-동물-환경 모두에게 최적의 건강을 달성하기 위한 다양한 학문 분야의 통합적인 노력을 의미한다. 결국 사람과 동물, 환경은 동일한 생태계에 존재하기 때문에 동일한 생태계에서 형성된 건강 문제를 함께 해결하는 것이라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 One Health 개념을 도입하여 항생제 내성균 연구를 수행하고 있는 주요 국제기구와 선진국의 현황을 비교조사하고, 국내의 실태와 문제점을 조사하여 해결방안을 모색하여 의료계를 포함한 다양한 분야 및 학계에서 항생제 내성균의 감소를 위한 새로운 접근 방식의 연구 도입을 제언하고자 함을 목적으로 하고 있다. 이를 위한 연구방법으로 항생제 내성균과 관련한 연구를 하고 있는 주요 기관들의 웹사이트에서 ‘One Health’, ‘Antimicrobial Resistance’, ‘Drug Resistance’등의 주요 키워드를 이용하여 관련 정책 보고서, Fact sheet, 논문 등을 찾아서 문헌적 고찰을 위한 기초 자료로 이용하였으며, 국내 항생제 내성률 국외 자료와 비교하기 위해 2014년 WHO에서 보고한 항생제 내성률 데이터를 사용하였다. 현재까지 사람, 동물, 식품, 환경 분야를 관리하는 각6 부처의 고유한 영역에서 한정적이고 편재적인 연구를 하고 있었지만 모든 분야에서 항생제 내성 문제는 지속적으로 존재하여 왔고, 항생제 내성균이 전(全)분야적으로 전파 및 확산이 이루어져 그 문제가 점점 더 심각해지고 있는 실정이기 때문에 공통적인 문제를 해결하기 위해서는 각 부처가 각자의 분야에 대해서만 관심을 두고 산발적으로 연구하는 것이 아닌 부처 간 협업을 통해 통합적인 연구가 필요할 것으로 보여진다. One Health 개념의 연구가 지속적으로 진행케 하기 위해서는 관계부처가 상호 간 긴밀한 협업을 위해 부처 통합적인 전담기구의 설치와 인프라 구축이 필요하고, 체계적이고 꾸준한 연구를 위한 연구비 투자 및 확충, 그리고 관련 제도와 법의 개선 방안 등을 마련한다면 항생제 내성균이 지속적으로 감소될 것이고 그에 대한 관리 측면에서도 효과적일 것으로 예상한다. Antimicrobial resistant bacteria appeared due to overuse and misuse of antibiotics. It has become increasingly difficulty to treat patients who are infected with antibiotic resistant bacteria because of spreading of them. In addition, the emergence of multi-drug resistant organisms resistant to more than one antibiotic has further aggravated the situation and has become a global public health threat. In response, WHO established a Global action plan to address antibiotic resistance, and recommended Member States establish and implement a National action plan. Accordingly, Korea has established and announced the “National Antimicrobial Resistance Management Policy (2016-2020)”, which requires the related ministries to carry out their policies, social and health plans. In this study, the concept of One Health was introduced to compare and investigate the status of major international organizations and advanced countries that are carrying out antibiotic resistant bacteria research, to investigate the actual situation and problems in Korea and to find solutions, And to suggest the introduction of a new approach for the reduction of Antimicrobial resistance bacteria. As a research method for this purpose, used keywords, such as 'One Health', 'Antimicrobial Resistance', and 'Drug Resistance', on the website of major research institutes related to antibiotic resistant bacteria, And used as basic data for literature review. and also used data reported by the WHO in 2014 to compare the resistance rates of domestic antibiotics with those of other countries. While Antimicrobial resistance issues remained present in all areas of human beings, animals, food and the environment, their management department was conducting limited studies in its own areas. Each ministry needs to address a common problem in areas where antibiotic resistance is spreading and diffused throughout, and that is not necessarily what appears to be more serious. In order to research based on ‘One Health’, related ministries need to establish integrated administrative organization and infrastructure for collaboration, and investing and expanding research funds for research, and improving measures and laws, will reduce the resistant bacteria. Therefore, it is expected to be effective for tolerance management.

Rapid antibiotic susceptibility test system based on single cell analysis of bacteria

김은근 서울대학교 대학원 2014 국내박사

항생제 감수성 검사는 현재 국내에서 한해 약 300만 건 이상이 처리되고 있으며 임상 검체에서 세균 동정이 이루어지는 경우 대부분 시행된다. 특히 패혈증을 비롯한 대부분의 감염 병증에서는 반드시 항생제 감수성 검사를 시행해서 치료 효과를 높이고 항생제 내성율의 증가를 예방할 수 있는 적절한 항균 요법을 유도할 수 있도록 해야 한다. 임상적으로 감염증이 의심되는 경우 임상 검체의 추출에서부터 항생제 감수성 검사의 결과가 나오기까지 최소 3~4일이 소요되므로 경험적 광범위 항균제 요법을 시행하고 있으나 이는 부적절한 항생제 사용으로 이어지고 결국 항생제 내성을 증가시키게 되므로 다제 내성균의 발생을 초래할 가능성이 높다. 그러므로 항생제 감수성 검사 결과를 보다 신속하게 얻는다면 경험적 항생제 처방의 횟수를 줄일 수 있어 항생제 내성을 줄이는 효과를 가져 올 수 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 신속한 항생제 감수성 검사를 수행할 수 있는 이미지 기반의 단일 세균 분석 기술을 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 기존의 항생제 감수성 검사 방법은 배양된 균을 흡광도를 이용하여 108/ml 개로 정량한 후에 다른 종류 및 농도의 항생제가 들어있는 각각의 웰에 접종함으로써 시작된다. 샘플이 접종된 웰 플레이트를 약 18시간 정도 배양한 후에 흡광도를 측정하게 되는데 균이 자라는 웰은 뿌옇게 변하게 되고 항생제에 의해 균이 자라지 않는 웰은 투명하기 때문에 이를 보고 감수성 결과를 판단한다. 실제 임상 검체를 처리하는 병원에서는 이러한 방법이 자동화된 장비를 사용하고 있으며 현재 가장 많이 쓰이고 있는 장비에서는 흡광도를 시간별로 측정하여 흡광도의 변화율을 계산하는 방법으로 항생제 감수성 검사 결과를 좀 더 빠르게 제시하고 있지만 10시간 이상이 소요되며 좀 더 신속한 결과가 요구되는 실정이다. 본 연구에서는 신속한 항생제 감수성 검사 시스템을 구현하였으며 이를 구현하기 위한 다음 기술들이 개발되었다. 미세 유체관의 좁은 영역을 통과하는 단일 세균에 의해 변하는 전기 저항을 이용하여 균을 계수함으로써 작은 농도의 균의 수도 정확히 측정할 수 있는 기술과 항생제에 대한 균의 반응을 관찰하기에 용이한 미세유체 기반의 바이오칩 개발 기술, 그리고 1um 정도의 크기의 세균을 정밀하게 측정 및 분석 할 수 있는 자동화된 광학 현미경 및 소프트웨어 개발 기술에 대해 소개한다. 또한 개발된 시스템을 이용하여 Clinical Laboratory Standard Institute에서 제시하는 표준 균주 및 항생제에 대한 검증을 하였고 실제 임상 검체로부터 항생제 감수성 검사를 실시하였으며 기존 방법 대비 50% 신속한 검사를 수행하였다. 본 연구를 통해 개발된 단일 세균 분석 기반의 신속한 항생제 감수성 검사 기술은 이미지 분석 방법을 통하여 항생제 감수성 검사를 신속하게 수행하였을 뿐 아니라 다양한 균의 성장을 세밀히 관찰 할 수 있었으며 균의 다양한 이질성에 대한 연구 가능성도 제시할 수 있었다. 또한 기술이 상용화 된다면 시급한 치료를 요하는 세균성 패혈증과 같은 감염증에 대해 기존 검사 시스템 보다 빠른 진단과 조기 대응이 가능하도록 할 수 있으며 현재 대한민국에 만연해 있는 항생제 남용으로 인한 다제 내성균의 확산도 방지할 수 있을 것으로 기대 된다.

농경지 토양 중 항생제 모니터링과 무 중 흡수이행

이영준 전남대학교 2017 국내석사

항생제는 가축의 질병치료와 예방약 또는 성장촉진제로 사용되고 있다. 항생제가 잔류된 가축분뇨를 직접 토양에 살포하였을 때 토양을 오염시키고, 작물에 흡수되며 지하수로 용출될 가능성이 높아 환경을 보전하기 위한 기초자료로 활용하고자 항생제 모니터링을 조사하였다. 토양과 식물체 내 항생제 검출을 위하여 QuEChERS 분석법을 최적화하여 동시분석법을 확립하고 농경지 토양 중 모니터링과 작물에 대한 흡수이행실험을 수행하였다. 국내 51지점의 농경지 토양에 대한 항생제 잔류량을 조사한 결과 7종의 항생제(chlortetracycline, clopidol, enrofloxacin, sulfathiazole, sulfamethoxazole, tiamulin 및 tylosin)가 검출되었다. 토양 중 항생제 모니터링 결과 검출율과 검출농도가 높은 chlortetracycline, enrofloxacin 및 sulfathiazole 3종을 선정하여 토양 중 항생제 작물 흡수이행시험을 수행하였다. 직선성은 결정계수가 0.9900 이상으로 양호하였으며 검출한계는 토양 0.015-3 μg/kg, 알타리무에서는 0.6-6 μg/kg이며, 정량한계는 토양 0.05-10 μg/kg, 알타리무에서 2-20 μg/kg이었다. 평균회수율은 토양에서 32.5-131.9%이며, 알타리무에서 79.1-114.8% 수준이었으며 상대표준편차는 모든 시료에서 25% 이하였다. 실내시험 토양반감기는 chlortetracycline 2.0-6.1일, enrofloxacin 2.2-4.5일, sulfathiazole 1.1-2.2일 이었으며, 실외시험은 알타리무를 재배하지 않은 토양에서는 chlortetracycline 2.7-7.4일, enrofloxacin 10.3-14.6일, sulfathiazole 2.5-2.8일 이었고, 알타리무를 재배한 토양에서는 chlortetracycline는 2.5-6.9일, enrofloxacin 4.7-16.7일, sulfathiazole 4.4-4.9일 이었다. 토양 중 항생제의 식물체에 대한 흡수이행 실험결과는 chlortetracycline는 처리 후 14일 전체에는 0.6-2.7%, 30일 뿌리에는 0.4%, 잎에는 0.3-1.0% 흡수이행 되었고 45일에는 정량한계 미만이었다. Enrofloxacin은 처리 후 14일 전체에는 2.3-3.9%, 30일 뿌리에는 0.3-0.4%, 잎에는 0.4-0.7% 흡수이행되었으며 45일 뿌리에는 0.2%, 잎에는 0.1% 흡수이행 되었다. Sulfathiazole은 처리 후 14일에 전체에는 0.2-1.6%, 30일에는 뿌리에는 0.1%, 잎에는 0.2-0.4%, 45일에는 0.1% 흡수이행되었다.

하수처리 공정에서 박테리오파지를 이용한 항생제 내성균 유출 저감 연구

신동혁 한국교통대학교 일반대학원 2020 국내석사

항생제는 20세기 초에 발견하여 병원균에 의해 감염된 인간과 동물을 치료하기 위해 사용되었으며, 더 나아가 축산업, 농업 등의 목적으로도 사용되고 있다. 그러나 항생제에 내성을 갖는 균의 출현으로 문제가 되고 있는데 2013년 미국에서 조사된 바로는 내성균으로 인해 연간 2백만 명이 감염되고 2만 3천 명 정도가 사망하며 200억 달러의 손실이 발생하고 있으며, 영국 보고서에 따르면 2050년에는 전 세계에서 천만 명 사망할 것으로 예측하였다. 항생제 내성균을 억제하기위한 방법으로 더욱더 강력한 항생제를 만들어 내고 있지만, 그마저도 내성을 가지는 균이 출현하여 문제가 되고 있다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 새로운 항생제 개발 또는 항생제를 대체할 수 있는 방안이 필요하며 새로운 방안이 제시되지 않는다면 항생제 도입 이전의 시대처럼 될 수도 있다. 병원균에 의해 감염된 인간과 동물을 치료하기 위해 사용된 항생제, 가축 및 식물을 기르기 위해 사용되는 항생제의 사용으로 발생하는 폐수와 가정 하수가 수계로 흘러 최종 하수처리 시설에 모이게 되는데 여기에 모인 항생제 및 항생제 내성균이 하수처리 시설 내에서 소독공정을 통해 소독하고 있지만 제대로 처리되지 않은 채로 유출되거나 방류하여 수계로 내보내지고 있다. 이로 인해 영향을 받는 환경을 통해서 인간 및 동물의 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 박테리오파지는 특정된 박테리아를 숙주로 삼아 박테리아 내에서 증식하여 사멸시키는 바이러스이다. 특정 미생물을 대상으로 숙주로 삼기 때문에 특정 박테리아가 없는 경우 반응하지 않는다는 점을 통해 인체나 가축, 농업에 영향이 가지 않아 안전하며 최근 이를 이용한 항생제 내성균을 제거하는 의료, 가축 및 식물, 식품을 대상으로 연구 및 사용되고 있다. 충주 하수처리시설 방류수에서 검출된 미생물을 추출하였고 그람음성균의 1~3μm 크기의 Aeromonas Sp.로 밝혀졌으며 항생제 내성은 Tetracycline은 고농도에서도 내성을 나타냈으며, Panicillin의 경우 200μg/L에서 내성이 감소하였으며 500μg/L에서 약 70% 정도 내성이 감소하였다. 그리고 Colistin의 경우 매우 낮은 내성을 나타냈으며, Kanamaycin의 경우 내성이 없었다. Aeromonas Sp.를 감염시키는 박테리오파지는 에너지여과형 투과전자현미경(Energy Filtering Transmission Electron Microscope)을 통해 약 200μm 크기로 관찰되었으며 외관을 관찰한 결과 Myoviridae과로 나타났다. 또한, 박테리아에 침투하여 사멸시키는 용균성 파지로 Aeromonas Sp.를 제거함에 있어서 적합한 박테리오파지로 나타났다. 또한, 이 박테리오파지의 경우 온도, 저장기간, 독성물질(크롬, 시안) pH5~11까지 모든 영역에서 감염이 이루어져 pH3 이하의 강산 환경을 제외하고 실험하기에 적합한 환경 순응 능력을 보여주었다. 이를 바탕으로 하여 실규모에서 적용 가능성을 확인하기 위해 실험실 규모의 반응조를 만들어 Aeromonas Sp.의 억제율을 관찰하였는데 약 66%의 Aeromonas Ap.를 제어 가능한 것으로 나타나 적용 가능성을 보여주었다. 따라서 본 연구에서는 의료, 가축 및 식물, 식품 목적으로 연구되고 있는 박테리오파지를 수처리 분야에서도 적용하여 항생제 내성균을 제거할 수 있을 것으로 보여진다.

외래 급성 단순 방광염 환자에서의 항생제 사용 현황

전송현 부산대학교 대학원 2022 국내석사

배경: 요로감염은 매우 흔한 세균성 감염 질환 중 하나이며 이 중 급성 단순 방광염은 가장 흔하게 발생하는 것이다. 국내‧외 여러 임상지침에서 급성 단순 방광염의 일차 치료에 nitrofurantoin, fosfomycin, pivmecillinam과 quinolone 계열 항생제, β-lactam 항생제, trimethoprim/sulfamethoxazole을 경구 제형으로 권고하고 있으나, 국내에서는 급성 단순 방광염 환자의 항생제 처방 양상에 대한 연구가 거의 없었다. 본 연구에서는 급성 단순 방광염 환자에서의 부적절한 항생제 사용 현황을 분석하고 처방된 항생제의 계열과 성분을 파악하고자 하였다. 나아가 본 연구를 통해 국내 일차의료기관 외래진료에서 급성 단순 방광염 환자에서의 부적절한 항생제 처방에 영향을 미치는 인자에 대해 분석하여 부적절한 항생제 처방을 감소시키기 위한 방안에 대해 고찰해보고자 하였다. 방법: 건강보험심사평가원 2019년 전체 환자 데이터셋을 사용하여 4월~12월 주상병코드가 급성 방광염인 20세 이상 65세 미만의 의원을 방문한 여성 환자 가운데 항생제를 처방받은 환자를 추출하였다. 복잡성 요로 감염 환자는 연구 대상에서 배제하였다. 연구 대상자의 항생제 처방을 확인하여 부적절한 항생제 처방 현황 및 처방에 대한 영향 요인을 분석하였다. 결과: 급성 단순 방광염 환자에서의 부적절한 항생제 처방 비율은 70.18%였고 주사 제형의 항생제가 처방된 환자의 비율이 49.97%로 가장 높았으며 항생제 처방 기간 미달이 42.91%로 두번째로 높은 오류 유형이었다. 급성 단순 방광염에 대해 적응증이 없는 항생제를 선택한 경우와 2가지 이상의 항생제를 불필요하게 병용 투여한 경우는 각각 5.93%와 1.20% 발생하였다. 부적절한 항생제 처방으로 aminoglycoside 항생제가 가장 많은 비중을 차지하였다. 진료과가 비뇨기과, 산부인과, 일반의인 경우, 부산‧울산‧경남에 거주하는 경우에 부적절한 항생제 처방이 발생할 가능성이 높았다. 결론: 급성 단순 방광염 환자의 상당수에서 부적절한 항생제 처방이 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 부적절한 항생제 처방에는 진료과, 요양기관의 지역별 분포가 영향을 주는 것으로 분석되었다. 또한 부적절한 항생제 처방 패턴으로는 주사 제형의 항생제 처방이 가장 많았고, 항생제 계열로는 aminoglycoside 계열 항생제가 가장 많이 처방되었다.