바이오인

최근 항생제 내성 병원체의 등장 및 새로운 항생제 개발의 감소로 인해 감염병에 대처하는 우리의 능력은 심각한 위기에 직면하고 있다. 따라서 이에 대한 시급한 대처가 필요하다. 이 리뷰는 항생제의 작용에 있어서 비교적 덜 알려진 부분에 대해 다루고자 한다. 항생제와 그것의 표적물질이 결합한 후에 일어나며, 항생제에 의한 세포사멸에 관여하는 물질대사(metabolism)에 대해서 다룰 것이다. 다양한 박테리아에서 살균적 항생제의 작용을 조사한 많은 연구들은, 항생제-표적물질 간의 상호작용이 항생제의 살균성에 대해서 완전히 설명하지는 못하지만, 반응성 산화제(활성산소)를 생성함으로써 박테리아의 사멸에 기여할 수 있음을 보여주었다. 한편, 이러한 최근의 개념(가설)에 대한 반론도 제기된 바 있다. 마지막으로 이 분야의 새로운 지식이 현재의 항생제 요법을 개선하는데 활용될 수 있는 방법들에 대해서 고찰하였다.

본 자료는 Unraveling the physiological complexities of antibiotic lethality. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2015; 55: 313-332 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.
?
목차

1. 서론
2. 활성산소가 항생제 살균성에 기여한다는 초기 증거들
3. 항생제에 의한 생리학적 변화의 시스템생물학적 분석
4. 항생제 살균성과 2성분 조절체계(two-component system)
5. 임상 검체에서 분리한 병원체를 이용하여 밝혀진 항생제 살균작용에 활성산소가 관여한다는 증거들
6. 항생제에 의한 organic hydroperoxide의 생성
7. 항생제 살균작용에 대해 보호 효과를 가지는 일산화질소와 황화수소
8. 산화된 뉴클레오티드가 항생제 살균성에 관여한다는 증거들
9. 아치사성(sublethal) 용량의 항생제 조건에서 발생하는 돌연변이가 산화적 스트레스로부터 기인한다는 증거들
10. 활성산소가 항생제 살균성에 관여한다는 주장에 대한 도전
11. 산화적 스트레스를 활용하여 항생제의 살균 효능을 높이기 위한 방법들
12. 앞으로의 연구 방향


1. 서론

항생제 내성 병원체의 걱정스러운 증가와 더불어 새로운 항생제 개발의 감소는 전지구적 인류 건강에 심각한 위협을 가져올 수 있다. 따라서 항생제가 어떻게 작용하는지에 대한 이해의 폭을 넓히고, 그 통찰을 박테리아 감염을 치료하는 데 활용하는 것은 매우 중요하다. 그 동안 주요 살균적 항생제들의 표적분자에 대한 연구가 집중적으로 수행되어왔다. 베타락탐(β-lactam) 계열은 세포벽의 합성을 방해하고, 플루오로퀴놀론(fluoroquinolone) 계열은 DNA와 결합한 gyrase나 topoisomerase를 억제함으로써 작용하며, 아미노글리코시드(aminoglycoside) 계열은 리보좀의 정상적 기능을 억제함으로써 정상적인 단백질 합성을 방해한다. 그러나 이러한 작용 이후에 세포사멸을 유발하는 생리적 기제에 대해서는 많이 밝혀지지 않았다.

지난 10년간 발표된 많은 결과들은, 항생제의 살균성이 기존의 전통적인 작동기제만으로는 충분히 설명되지 않는다는 것을 밝혀냈다. 이 연구들을 총괄하면, 항생제-표적분자 결합은 하위단계에 있는 물질대사의 교란을 일으키고 이것은 활성산소와 같은 반응성 산화제를 발생시킴으로써 세포사멸에 기여한다는 것이다. 이와 같은 세포사멸에 대한 기여는, 낮은 농도의 항생제 조건이나 항생제에 대한 초기 노출시점에서 특히 현저하다는 점에서 임상적인 의미를 갖는다. 본 리뷰는 이 새로운 주제에 대한 첫 포괄적인 리뷰로서, 항생제 살균성에 산화작용이 관여한다는 것을 밝힌 일련의 증거들 및 반론을 제시한 최근의 논문까지 다루고 있다. 마지막으로 항생제의 살균성을 높이는데 활성산소와 관련된 형질을 이용하는 방법에 대해서 논의하였다.

2. 활성산소가 항생제 살균성에 기여한다는 초기 증거들

2000년 Arriaga-Alba 등이 발표한 바와 같이, 플루오로퀴놀론 항생제에 의한 Salmonella typhimurium의 돌연변이 발생을 베타카로틴이 감소시킨다는 것은 항생제 작동기제에 있어 산화적 스트레스가 관여함을 시사한 첫 증거이다. 2002년에 Becerra와 Albesa는 NBT 환원실험과 lucigenin 및 luminol을 이용한 화학발광 실험을 통해, 항생제에 의해 세포 내 산화적 스트레스가 증가하고 이것이 세포 사멸에 기여함을 보였다. 플루오로퀴놀론에 감수성을 가진 황색포도알균 (Staphylococcus aureus) 균주에 시프로플록사신(ciprofloxacin; 플루오로퀴놀론계 항생제)을 처리했을 때, 플루오로퀴놀론-저항성 균주에 비해 높은 산화적 스트레스 수치를 보인 점도, 항생제의 작용기제에 활성산소가 관여함을 시사하였다.

mRNA 프로파일링 결과들은 이 가설을 더욱 뒷받침하고 확장하였다. 2003년 Utaida 등은 황색포도알균에 세포벽 합성을 저해하는 세 종류의 항생제를 처리하였을 때, 산화적 스트레스의 표지로 알려져 있는 유전자의 발현이 증가됨을 관찰하였다. 2004년 Waddell 등은 결핵균 (Myco-bacterium tuberculosis)에 다양한 항생제를 처리했을 때 산화적 스트레스 유전자의 발현증가를 확인하였으며, 적어도 세 개의 약물에 의해 공통적으로 유도되는 유전자 집합도 제시하였다. 2004년 Albesa는 황색포도알균, 대장균(Escherichia coli), 장내구균(Enterococcus faecalis)에 시프로플록사신을 처리하였을 때, 감수성 균주에서 산화적 스트레스가 증가한 데 반해 저항성 균주는 그렇지 않다는 사실을 확인하였다. 또한 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에서도 ceftazidime과 piperacillin 항생제에 대해 유사한 결과를 관찰하였다.

Becerra 등(2006년)은 시프로플록사신이 황색포도알균에서 구아닌 뉴클레오티드와 지질의 산화를 증가시킴을 밝혔으며, Goswami 등(2006년)은 대장균을 이용한 실험에서 항산화물질인 글루타티온(glutathione)과 아스코르브산이 플루오로퀴놀론계 항생제의 작용을 억제함을 보였다. 또한 KatG, ahpCF, katE 유전자에 대한 돌연변이는 시프로플록사신의 작용에 활성산소가 관여한다는 유전적 근거를 제시하였다.

2007년 Malik 등은 항생제-표적분자 간 상호작용 이후에 일어나는 생리학적 반응의 복잡성 및 활성산소 생성과의 관계에 대해서 주목하였다. 이 연구에서는 플루오르퀴놀론계 다양한 항생제에 의한 대장균 살균성 및 항생제-표적분자 간 친화력이 산소 농도 조건에 따라 달라짐을 보였다.

3. 항생제에 의한 생리학적 변화의 시스템생물학적 분석

항생제 살균성에 대한 시스템생물학 관점에서의 초기 연구로는 2005년 Hancock과 Brazas가 수행한 연구가 있다. 약물 처리 후 유전체 발현 양상의 변화는, 약물-표적분자 결합과 직접적으로 관련된 유전자들과 간접적으로 영향을 받는 군으로 나뉘었다. 후자는 항생제로 인해 교란된 경로를 우회하거나 세포 내 항상성을 회복하기 위한 세포의 적응현상으로 볼 수 있다. 저자들은 간접적으로 영향을 받는 유전자들이 다양한 약물에 의해 공통적으로 발현이 증가될 확률이 높으며, 궁극적으로는 항생제의 살균성에 관여할 것으로 예상했다.

2007년 Dwyer 등은 DNA gyrase 억제제에 의한 세포사멸의 분자적 메커니즘을 밝히고자, 대장균에 노르플록사신(norfloxacin)을 처리하거나 펩티드 독소인 CcdB를 발현시킨 후 마이크로어레이 실험을 수행하였다(두 물질 모두 DNA-gyrase 복합체를 억제함). 실험 결과, gyrase의 억제는 산화적 스트레스, 철의 흡수 및 활용, 철-황 클러스터 합성에 상당한 변화를 초래하였다. 이는 세포 내 철의 조절 이상을 의미하며, 곧이어 Fenton 반응을 통해 히드록실라디칼(hydroxyl radical)의 형성을 초래할 수 있다. 히드록실라디칼의 증가는 그것에 강한 선택성을 보인다고 알려진 3’-(p-hydroxyphenyl) fluorescein (HPF) 형광물질을 이용하여 검출하였다. 한편, 철의 킬레이터(o-phenanthroline)를 주입하였을 때에는 Fenton 반응에 의한 히드록시라디컬의 생성이 감소됨을 확인하였다. 이러한 결과는 gyrase를 억제하는 항생제의 살균작용에 활성산소가 관여함을 시사하였다.

프로모터-리포터유전자 발현 시스템을 이용한 연구에서, 노르플록사신과 펩티드독소(CcdB)가 철 흡수에 관련된 Fur 레귤론과 철-황 클러스터 합성 오페론 유전자를 통해 철 대사 및 산화적 스트레스 생성에 영향을 준다는 것이 알려졌다. fur, iscS, iscR, iscU, iscA 돌연변이에 항생제를 처리하였을 때, 이들은 야생형에 비해 천천히 죽거나 생존율이 증가하였다. 또한 Fur 및 iscS 돌연변이는 노르플록사신 처리 시, 야생형에 비해 HPF 형광(히드록실라디칼을 반영함)이 줄어들었는데, 이는 세포 내 철의 조절 이상으로 인해 증가된 히드록실라디칼이 항생제에 의한 세포사멸에 관여함을 의미한다.

이후, 다른 종류의 살균적 항생제들도 활성산소 생성을 통해 살균성을 나타낼 것이라는 가설을 제시되었다. Kohanski 등(2007년)은 대장균과 황색포도알균에 베타락탐, 플루오로퀴놀론, 또는 아미노글리코시드 계열의 항생제를 처리하였을 때 산화적 스트레스가 증가함을 보였다. 또한 이들은 철 킬레이터(2,2’-dipyridyl) 또는 활성산소 퀜차(quencher)를 준 세포와 iscS 돌연변이에서 항생제에 대한 감수성이 낮아짐을 보였다. 한편, recA 돌연변이에서 항생제에 대한 감수성이 증가한 점은 활성산소에 의한 세포사멸 기제에 DNA 손상이 관여할 가능성을 제시하였다.

이들은 또한 유전자 발현 분석을 통해서, 살균적 항생제 처리 시 증가되는 핵심적인 경로로 NADH와 연결된 전자전달계가 있음을 밝혔다. NADH 합성반응에 관계하는 이소시트르산 탈수소효소에 대한 돌연변이(icdA)는 항생제에 대한 감수성이 낮았으며, 살균적 항생제의 처리는 NADH/NAD+ 비의 일시적인 변화를 유발했다. 최근 이와 일관된 연구로서, 살균적 항생제를 처리했을 때 세포사멸 정도와 연관되어 ATP/ADP 비가 일시적으로 증가함이 알려졌다. 이러한 결과들은 살균적 항생제가 세포 내 산화-환원 상태에 영향을 주는 물질대사의 변화를 야기함을 시사하였다.