마이크로 컬럼

박테리아는 유전변이 없이 다양한 항생제에 대해 일시적인(transient) 내성(tolerance)을 보일 수 있다 [1]. 현재 사용되고 있는 대부분의 항생제들은 박테리아의 성장 중 일어나는 DNA, RNA, 단백질 및 세포벽 합성과 같은 필수적인 생합성 과정을 저해함으로써 박테리아의 성장을 멈추게 하거나 사멸 시킨다. 하지만 박테리아가 비성장 휴면상태(non-growing dormant state)로 들어가게 되면 이러한 생합성 과정들이 일어나지 않거나 최소화되어 항생제들의 타겟이 비활성화 되고, 이로 인해 항생제는 항균작용을 할 수 없게 된다. 또한 aminoglycosides와 같이 세포 내로의 유입이 대사활성에 의존적인 항생제의 경우 타겟으로의 접근이 차단되게 되어 항균작용을 할 수 없게 된다 [2]. 이렇게 비성장 상태 및 대사활성의 최소화를 통해 나타나는 내성을 ‘tolerance’라고 정의하며, 이는 유전변이에 의한 항생제 내성인 ‘resistance’와 구분된다. 그리고 다양한 항생제에 대한 높은 tolerance를 나타내고 있는 비성장 휴면상태의 박테리아를 퍼시스터(persister)라고 한다 [3]. 박테리아 퍼시스터는 생물막 관련 감염(biofilm-associated infections) 및 만성 감염성 질환의 원인으로 알려져 있으며, 이러한 퍼스시터에 의해 유발된 감염의 경우 현재 항생제 화합요법으로 효과적인 치료가 어렵기 때문에 새로운 치료법 및 치료제 개발이 시급하다 [4].

2010년부터 퍼시스터에 효과적인 새로운 화학요법과 항균물질들에 대한 보고가 많이 되고 있다. 특히 그람양성균인 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)은 액체배지(planktonic) 및 생물막(biofilm) 배양 시 많은 수의 퍼시스터를 형성하며 임상적으로 만성감염을 유발하는 대표적인 병원균이기 때문에, 이 균이 형성하는 퍼시스터를 제어하기 위한 연구들이 활발히 수행되어 왔다 [5]. 본 컬럼은 황색포도상구균 퍼시스터 사멸 전략 중 기존 항생제인 aminoglycosides의 항균활성을 증진시키는 방법에 대해 초점을 맞춰 소개해보도록 하겠다.

퍼시스터는 대사 비활성화 상태이지만, 생명을 유지를 하기 위한 최소한의 단백질을 생산하고 있다. 따라서 단백질 합성을 저해하여 살균(bactericidal)작용 나타내는 aminoglycosides 계열 항생제는 퍼시스터에 효과적일 수 있다. 하지만 퍼시스터는 aminoglycosides 항생제들에게 높은 tolerance를 보이고 있는데, 그 이유는 aminoglycosides의 세포 내로 유입이 박테리아 세포막의 proton motive force(PMF)에 의존적이기 때문이다. [6] 즉, 비성장 휴면상태인 퍼시스터는 세포막의 PMF를 현저히 낮은 상태로 유지하고 있어 aminoglycosides의 세포 내로 유입이 차단되어 항균작용을 할 수 없게 되는 것이다. 따라서 aminoglycosides의 세포 내로의 유입 촉진을 통해 황색포도상구균 퍼시스터의 사멸이 가능하며, 이에 대한 여러 전략이 제시되었다.

James Collins group은 metabolite를 사용하여 persister의 PMF를 높여gentamicin의 세포 내 유입을 촉진시켜 황색포도상구균 퍼시스터를 사멸할 수 있음을 보고하였다 [2]. Collins group은 metabolites(carbon source) 스크리닝을 통하여 fructose가 퍼시스터를 gentamicin에 다시 감수성을 보이게(susceptible) 만든다는 것을 발견하였다. Fructose는 오직 aminoglycosides의 항균활성만 증진시킬 수 있으며, 다른 계열 항생제인 ampicillin과 ofloxacin의 퍼시스터에 대한 항균활성은 증진 시킬 수 없음 보임으로써, fructose가 단순히 퍼시스터 세포를 성장하는 세포(growing cell)로 바꾸는 것이 아니라, 퍼시스터의 PMF를 높여 gentamicin의 세포 내 유입이 항균활성 증진 기전임을 입증하였다 (그림 1).

그림 1. 황색포도상구균 퍼시스터 세포 내로 aminoglycosides유입 전략

Elefterios Mylonakis group과 Brian Conlon group은 막활성물질(membrane-active agents)을 사용하여 aminoglycosides의 세포 내 유입을 PMF에 비의존적(PMF-independent)으로 만들어 퍼시스터에 대한 aminoglycosides의 항균활성을 증진시켰다. 먼저, Mylonakis group은 합성레티노이드(synthetic retinoids), 비티오놀(bithionol)과 같은 다양한 막활성 항균 물질을 발굴하였다 [7,8]. 이 물질들은 숙주의 세포막은 투과하지 못하고 그람양성균의 세포막만 투과하는 막선택성에 있어, 황색포도상구균 퍼시스터에 대한 선택적 항균활성을 나타낸다는 장점이 있다. 또한 항균작용을 나타내지 않는 낮은 농도에서도 이 물질들은 퍼시스터 세포막의 불안정화(destabilization)를 유도하여 막투과성(membrane permeability)을 높여 gentamicin이 단순확산을 통해 세포 내로의 유입이 될 수 있게 만든다 (그림 1). 또한 Mylonakis group은 추가 발굴한 막활성 항균물질인 nTZDpa와 PQ401도 퍼시스터 세포막의 투과성을 높여 aminoglycoside의 세포 내 유입을 증진시킴으로써 항균상승작용(antibiotic synergism)을 나타냄을 보고하였다 [9,10]. Conlon group은 Pseudomonas aeruginosa가 생산하는 양친매성 계면활성제(amphiphilic biosurfactant)인 rhamnolipids에 주목하였다 [11]. Rhamnolipids는 300 mg/L에서 그람양성균에 대한 항균효과를 보이지만, 이러한 고농도는 동시에 숙주(host)에게도 독성을 나타낸다고 알려져 있었다. 하지만 Conlon group은 숙주독성을 유발하지 않는 낮은 농도의 rhamnolipids는 황색포도상구균 퍼시스터의 세포막을 불안정화(destabilization) 시킬 수 있으며, 이로 인해 PMF에 비의존적으로 tobramycin의 세포 내 유입을 촉진시킨다는 것을 입증하였다 (그림 1).

마지막으로 Gerard Wong group은 aminoglycoside 항생제인tobramycin을 PMF에 비의존적으로 황색포도상구균 퍼시스터 세포막을 투과할 수 있도록 재설계하였다 [12]. Wong group은 antimicrobial peptides(AMPs)와 cell-penetrating peptides(CPPs)가 박테리아의 대사활성과는 상관없이 세포막을 붕괴시키거나 또는 투과할 수 있으며, 특정 amino acid sequence로 구성된 peptide가 이를 유도한다는 점에 주목하였다. 이들은 이러한 peptide를 tobramycin에 접합(conjugation)시킨다면 tobramycin이 퍼시스터 세포막을 투과할 수 있을 것이라 가정하였다. 이들은 CPPs인 penetratin에서 세포막 투과를 유도하는 12개의 amino acids로 구성된 peptide fragment(RQIKIWFQNRRW)를 tobramycin에 접합 시켰고 이를 ‘Pentobra’라고 명명하였다 (그림 1). Pentobra는 숙주세포의 세포막은 투과하지 않는 반면, 황색포도상구균 퍼시스터 세포막은 선택적으로 투과함으로써 퍼시스터에 대한 높은 항균활성을 나타냈다.

인류의 평균 수명 증가와 면역저하자(immunocompromised individuals)의 증가 임플란트 및 보철 의료 기기 사용 증대를 고려할 때, 퍼시스터가 유발하는 만성적(chronic), 재발성(relapsing) 감염질환은 꾸준히 늘어날 것으로 예측된다. 기존 약물의 효능 증진 전략 개발의 경우 신약개발(de novo drug development)과 비교하여 연구개발 비용과 시간 현저히 적게 들며 개발 성공률도 높다는 장점 있다. 따라서 위에 소개된 aminoglycosides의 퍼시스터 세포막에 대한 투과성을 높이는 전략은 만성 재발성 세균감염질환에 대한 새로운 치료법이 될 것으로 기대된다.

참고문헌

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