Gram (-) Pathogenic Bacteria Dongwoo Shin Laboratory of Molecular Bacteriology Department of Molecular Cell Biology Sungkyunkwan University School of Medicine

Vibrio Curved rods Vibrio cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus 1. Physiology and Structure - Growth on simple media within a broad temperature range Require salt for growth (호염성) Susceptible to stomach acids Flagella and pili (important for virulence) LPS Capsule: especially important for infection by V. vulnificus Two circular chromosomes + plasmids

Vibrio 2. Pathogenesis and Immunity V. cholerae Bacteriophage CTXФ : ctxA and ctxB genes encoding the cholera toxin, ace and zot genes for other toxins Cholera toxin: a complex A-B toxin Pili: used for adherence to the intestinal mucosal cell layer V. parahaemolyticus: a thermostable direct hemolysin (TDH), Cl- ion secretion in epithelial cells V. vulnificus: capsule production → severe and disseminated infections

Vibrio 3. Clinical Diseases V. cholerae 2~3 days after ingestion → abrupt onset of watery diarrhea and vomiting “Rice-water” stool: colorless and odorless, free of proteins, and speckled with mucus Severe fluid and electrolyte loss → dehydration, painful muscle cramps, metabolic acidosis, hypokalemia and hypovolemic shock with cardiac arrhythmia and renal failure 60% mortality in untreated patients V. parahaemolyticus From self-limited diarrhea to mild cholera-like illness Watery diarrhea Wound infection: by exposure to contaminated seawater

Vibrio 3. Clinical Diseases V. vulnificus (패혈증 비브리오) 비브리오 속 중 가장 심각한 감염증 상처감염: 피부 등에 상처가 있는 사람이 오염된 바닷물에 노출 원발성 패혈증: 오염된 어패류 (e.g. 굴)를 생식한 경우 심각한 조직괴사 소견: 강과 바다가 만나는 유역에서 주로 서식 수온이 높은 여름철에 주로 분리

Vibrio 3. Clinical Diseases V. vulnificus (패혈증 비브리오) 협막 (capsule): 혈청살균작용 및 포식세포에 대한 저항성 Rtx (toxin), Hemolysin, Cytolysin, Proteases 40대 이상 (90~95%)의 남자 (90% 이상)에서 발병 해산물 생식 후 3 시간 혹은 8일 이내 (평균 2일)에 갑작스런 오한, 발열 등의 전신 증상 및 사지의 통증 무증상 후 바로 패혈증으로 발전하기도 함: 피부 괴사, 패혈성 쇼크

Pseudomonas & Acinetobacter (포도당 비발효 세균) Pseudomonas 및 기타 유사세균 (e.g. Acinetobacter) 자연계에 광범위하게 분포: 토양, 물, 습한 환경 그람음성 막대균, 편모, 포자 형성 안함 산소성의 포도당 비발효 형태학상 장내세균과 유사 기회감염균 특히, 녹농균 (Pseudomonas aeruginosa)은 대장균, Staphylococcus와 함께 병원감염의 3대 원인 중 하나로서 면역력이 약화된 환자에서 70% 이상의 치사율을 보임

Pseudomonas aeruginosa 사람의 장관 내 정상 균무리에 포함되지만 건강한 개체의 약 10%에서만 분리 피부 (e.g. 겨드랑이, 서혜부), 침 등에서 발견 각종 항생제에 높은 내성; 중요한 병원 내 감염균 악성 종양 환자, 중증 화상 환자, 스테로이드 또는 면역억제제, 항암제, 방사선 치료 등 숙주의 저항력을 약화 시키는 인자가 작용하면 발병이 촉진되어 치명적 결과를 초래

Pseudomonas aeruginosa 1. 구조와 생리 배양 시 협막과 유사한 다당질의 점질층 형성 자연계 적응력이 매우 강함 절대산소균 (Strict aerobe) 청색의 pyocyanin, 황색 형광의 fluorescein, 적갈색의 pyorubin 색소 생성 → 균 동정의 중요 성상 병원 환경에서의 생존: 호흡보조기구, 냉가습기, 환자용 변기 및 각종 의료기기

Pseudomonas aeruginosa 2. 병인 (Pathogenesis) 독성인자 생물학적 기능 (1) 구조적 성분 협막 부착소, 항생제 저항성, 중성구 및 림프구 억제 섬모 부착소 LPS Endotoxin Pyocyanin 폐섬모 운동억제, IL-8 분비 증강, 염증반응 증강, 반응성 산소 생성 (2) 독소와 효소 Exotoxin A 단백질합성억제, 조직손상, 면역억제 Exotoxin S 단백질합성억제, 면역억제 Leukocidin 세포막 손상 Elastase Elastin 함유 조직 (혈구, 폐조직, 피부) 파괴 Alkaline protease 조직손상, 인터페론 및 TNF-α 불활성화 Phospholipase C 조직손상, 염증반응 증강 Rhamnolipid 레시틴 함유 조직 파괴, 폐섬모 운동 억제 (3) 항생제 내성 항생제 치료 효과 감소

Pseudomonas aeruginosa 3. 역학 (Epidemiology) 병원 환경의 거의 모든 부분에서 분리: 호흡 보조장비, 응급심폐소생기, 가습기, 삽관, 싱크대, 연료, 저장된 증류수, 정주용 용액, 안약, 약한 소독액, 비누, 마취제 병원 내 기회감염에 대한 미국 전역의 역학 조사 결과: 모든 원내 감염의 10~20%, 모든 혈액 분리 균주의 11% 화상센터, 암센터: 모든 감염증의 30% 정상인의 장관내 보균율 10% → 입원 2일 후 30%까지 증가

Pseudomonas aeruginosa 4. 임상특성 신체 거의 모든 조직에 감염 될 수 있음 폐 조직, 피부 (화상, 상처부위), 각막조직, 귀 (외이), 요도 세균성 심내막염, 위장염, 수막염, 기관지염 녹농균 폐렴: 독소에 의한 증상, 혼미 및 진행성 청색증, 가슴고름집 (pyothorax) 국소 감염에서 혈류를 타고 전신에 전파 → 패혈증: 사망률이 높음 (면역능 저하 개체에서 80%)

Pseudomonas aeruginosa 5. 치료 및 예방 대부분 항생제는 녹농균 감염증에 대해 별로 효과가 없음 녹농균 감염환자의 생존에는 균 정착의 예방과 일차적 질환의 관리가 무엇보다 중요함 대부분의 녹농균은 aminoglycoside, colistin, polymyxin에 감수성을 보이지만 장기투여 시 내성균이 나타남 녹농균의 β-lactam 항생제 내성: 분해효소 생산, 막투과성 변화, 배출계 (efflux system)의 보유에 기인

Biological Mechanisms of Drug Resistance

Acinetobacter 토양과 물에 널리 존재 상재화: 피부, 점막, 상부기도 감염증: 병원감염 폐렴: 가습기 등의 물이 오염원 요로감염 창상감염 패혈증: 정맥 카테터 관련 항생제 내성율이 높음

Bordetella pertussis (백일해균) 절대산소성, 비발효성의 그람음성 짧은 막대균 비말을 통해 호흡기로 침입 → 점막 상피세포에 흡착 → 국소적 조직 파괴와 전신 독성 섬모 혈구응집소 (fimbrial hemagglutin), 백일해 독소 (pertussis toxin), 피부괴사(dermonecrotic) 독소, 기관지 세포독소 (tracheal cytotoxin), LPS 사람에서만 감염 1949년 백신 개발: 발병률 감소, 아직도 매년 6천만 명의 환자 발생, 1세 미만의 영아에서 주로 발병 7~10일 정도의 잠복기 → 카타르기 (catarrhal stage): 감기 유사 증상 (콧물, 재채기, 피로감, 식욕감퇴, 미열) → 경련기 (paroxysmal stage): 기관지 섬모상피세포 탈락, 점액배출 곤란, 특징적 백일해 기침 (반복적 발작적 기침 후 거친 호흡) → 회복기, 2차 합병증 발생

Haemophilus influenzae 그람음성균, 포자 형성 안함, 운동성 없음 소아의 세균성 수막염의 주요 원인균 협막 비형성 균: 생후 몇 달 이내에 모든 사람의 상기도에 집락 형성, 국소적으로 전파되어 중이염, 부비동염, 기관지염, 폐렴을 일으킴 협막 생성 균 (혈청형 b): 상기도에 드물게 존재, 침습성이 있고 소아에게 수막염, 후두개염, 연조직염을 일으킴 부착소에 의한 균의 구인두 부착 → 기도상피의 손상 및 침투 → 내피세포를 통과하여 혈중으로 침입 → 균혈증, 뇌막 등의 부위로 균이 전파 혈청형 b의 독성 인자: Polyribitol phosphate (PRP): 항포식 다당 협막 1987년 PRP-protein conjugative 백신의 사용으로 소아의 침습성 질환 빈도가 95% 감소

Neisseria Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis Strict human pathogens 1. Physiology and Structure - Aerobic, G(-), cocci arranged in pairs (diplococci) No motility, no endospore Oxidase and catalase positive N. meningitidis: variable growth on nutrient agar N. gonorrhoeae: a fastidious organism, complex media for growth; difficult isolation from clinical specimens; easy transmission from person to person Capsule in N. meningitidis: virulence factor, antigenic differences No capsule in N. gonorrhoeae

Neisseria - Pili: attachment to epithelial cells, resistance to killing by neutrophils PorA and PorB proteins: porins (outer membrane proteins forming pores) PorB: an important virulence factor in N. gonorrhoeae, inhibiting phagosome-lysosome fusion, facilitating invasion into epithelial cells, making resistant to serum killing Opa (opacity) protein: OM protein, mediating intimate binding to epithelial and phagocytic cells Rmp protein: OM protein, blocking serum bactericidal activity Transferrin-, Lactoferrin-, Hemoglobin-binding protein: surface receptors mediating iron acquisition Lipooligosaccharide (LOS): lipid A + core oligosaccharide; releasing OM blebs (LOS & surface proteins) enhancing endotoxin-mediated toxicity and inhibiting biding of antibodies Ig A1 protease β-lactamase

Neisseria 2. Pathogenesis and Immunity Gonococcal disease Attachment to mucosal cells & Penetration into the cells and multiplication (Pili, PorB, Opa) Pass through the cells into subepithelial space Stimulation of release of TNF-α by LOS (LPS) Symptoms of gonococcal disease

Neisseria Meningococcal disease - Internalized into phagocytic vacuoles → avoid intracellular death, replicate, and migrate to the subepithelial spaces - LOS endotoxin: endothelial damage, inflammation of vessel walls, thrombosis, disseminated intravascular coagulation

Neisseria 2. Epidemiology Gonococcal disease Meningococcal disease 사람에서만 발생 성적 접촉에 의해 전파 클라미디아 다음으로 흔한 성접촉 전염병, 15세~24세 에서 빈발 주요 병원소: 무증상 보유자, 남성 보다 여성이 많음 Meningococcal disease 사람이 유일한 자연 보균자 질병 발생은 무증상 보균자의 비율과 상관관계가 있음 전 세계적으로 풍토병처럼 발생 저 개발국: 새로운 병원성 균주의 유입으로 유행하기도 함 오랫동안 가까이 지내는 사람들 (가족, 군대, 양로원...) 사이에서 감염자나 보균자의 비말 전염으로 전파 5세 이하의 유아에서 빈발

Neisseria 3. Clinical Diseases Neisseria gonorrhoeae (1) 임질 (Gonorrhea) 남성: 요도에 제한 성교 후 2~5일 잠복기, 누런 농액성 분비물, 배뇨장애 (dysuria), 배뇨 시 작열통 합병증: 부고환염 (epididymitis), 전립선염 (prostatitis), 요도주위 농양 (periurethal abscess) 여성: 자궁경부 감염 질내 농성 대하 (vaginal discharge), 배뇨장애, 작열통, 빈뇨, 발열, 복통 남성에 비해 증상이 경미 자궁관염, 자궁관질염: 불임과 자궁 외 임신의 원인 가능

Neisseria Neisseria gonorrhoeae (2) 임균혈증 (Gonococcemia) 전신적 임균 감염, 피부와 관절 감염: 전체 여성 임균 감염의 1~3% 무증상 감염 상태로 치료 없이 지내다가 발생 발열, 관절통 (arthralgia), 손목이나 무릎 혹은 팔꿈치 관절에 화농성 관절염 (suppurative arthritis), 사지 피부에 붉은색 농포성 반점 (erythematous pustular rash) 성인에서 화농성 관절염의 주 원인균 중 하나

Neisseria Neisseria gonorrhoeae (3) 기타 임균 감염 감염성 간주위염 (perihepatitis, Fitz-Hugh-Curtis syndrome) 화농성 결막염 (suppurative conjunctivitis); 신생아 안염 (ophthalmia neonatorum)

Neisseria Neisseria meningitidis (1) 수막염 갑작스런 두통, 열, 수막자극 증후 어린아이는 열, 구토 같은 비특이적 증상: 진단이 어려움 치료하지 않으면 대부분 사망: 초기 항생제 투여로 사망률을 10% 이하로 낮출 수 있음 후유증: 청각 소실, 관절염 (2) 수막알균혈증 (meningococcemia) 수막염 증상 없이 나타나는 치명적 질병 여러 장기의 혈관을 막아 발병 피부 증상: 몸통과 하지에 작은 점출혈 후 확대 패혈증

Neisseria 4. Treatment and Prevention 임질 수막염 과거 penicillin으로 치료 현재는 더 이상 효과 없음: 내성 균주 출현, 세계 각지에서 유행 백신의 개발이 어려움 예방: 성교육, 적극적 조기 진단... 수막염 항생제 치료와 합병증 감소를 위한 보조 치료의 병행 아직은 penicillin에 민감 치명적 질병이므로 항생제 내성균 존재를 고려한 신중한 항생제 투여가 요구됨 백신: 각 혈청군에 대한 협막 다당 이용, 다가형 백신이 개발

Legionella pneumophila 운동성이 있는 그람음성 막대균 그람염색으로 염색이 잘 되지 않아 임상검체에서 발견 못하는 경우가 많음 → 조직에 Dieterle’s silver stain (디에테르 은착색법) 혹은 직접 형광항체 검사법을 이용하여 확인 호흡기를 통해 감염되어 일부 감수성 사람 (노인) 에게 호흡기 질환 유발 Macrophage 안에서 증식 전 세계에서 간헐적 또는 집단적 (늦여름, 가을) 으로 발생 호수나 강물에 널리 분포; 병원을 포함한 대형 건물 냉각탑 물탱크, 목욕탕 등의 생활용수에서도 발견 병원의 장기 입원 환자에게서 흔히 발병 폰티악 열 (Pontiac fever, 독감 유사 증상), 중증 폐렴

Brucella 협막이 없는 그람음성 짧은 막대균 절대산소성, 느린 생장, 세포 내 기생세균 인체감염: 위장관 감염 (오염된 우유 섭취); 점막 감염 (비말); 피부 감염 (감염 동물과의 접촉) 침입 → macrophage에 의한 탐식 → 림프관, 림프절 → 비장, 간, 골수 → 농양을 형성하여 조직 파괴 세계적 분포 매년 50만 건 발생 국내: 2002년 첫 발생, 매년 수십 건, 축산업 종사자, 수의사, 주 원인균은 B. abortus Erythritol이 풍부한 유방, 자궁, 태반, 부고환 조직을 감염, 불임, 낙태의 원인