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Microbiology and Biotechnology Letters

Research Article(보문)

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Molecular and Cellular Microbiology  |  Microbial Genetics, Physiology and Metabolism

Microbiol. Biotechnol. Lett. 2024; 52(4): 479-486

https://doi.org/10.48022/mbl.2410.10001

Received: October 14, 2024; Revised: November 18, 2024; Accepted: December 10, 2024

한국에서 분리된 카바페넴 분해효소 생성 장내세균의 분자적 특성 분석 및 항균 내성(2019-2021)

Molecular Characteristic Analysis and Antimicrobial Resistance of Carbapenem- Producing Enterobacteriaceae Isolates in the South Korea, 2019-2021

Miyoung Lee*

Department of Biomedical Laboratory Science, Daejeon Institute of Science and Technology, Daejeon 35408, Republic of Korea

Correspondence to :
Lee Miyoung,      hope-00@daum.net

Abstract

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We analyzed the molecular genetic characteristics of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae (CPE) isolated from a South Korean hospital between July 2019 and July 2021. A total of 44 CPE strains were isolated from various clinical samples and tested for antimicrobial susceptibility, the presence of β-lactamase genes, Tn4401 transposon variants, multi locus sequence typing, and conjugation ability. All strains showed multidrug resistance, with two strains (4.5%) displaying colistin resistance. Diverse carbapenemase genes were identified in the strains, with 68.2% carrying the gene for KPC-2 and 20.5% carrying the gene for NDM-5. Additionally, 6.82% of the strains carried genes encoding both KPC-2 and NDM-5, while 4.55% carried genes encoding both NDM-5 and OXA-181. High-pathogenicity clones of Klebsiella pneumoniae ST307 (56.3%) and Escherichia coli ST410 (54.5%) were also identified. The plasmid-mediated resistance transfer rate was high (77.3%). Additionally, 84.1% of examined strains contained the Tn4401 transposon, which facilitates the rapid spread and evolution of CPE. These findings underscore the urgent need for national control strategies to curb the spread of highly pathogenic drug-resistant clones. This study highlights the importance of controlling CPE to prevent further increase in bacteria-associated morbidity and mortality in South Korea.

Keywords: Multi drug-resistant (MDR), Tn4401, Escherichia coli ST410, Klebsiella pneumoniae ST307, carbapenem-resistant Enterobacteriaceae, Carbapenemase-producing Enterobacteriaceae

Graphical Abstract


서론

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항생제 내성은 전 세계적으로 점점 더 심각해지고 있는 공중보건 문제이다. 특히, 카바페넴 내성장내세균(Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae, CRE)은 기존 항생제로 치료가 어려운 고내성균으로, 높은 이환율과 사망률을 초래한다[1, 2]. 이러한 CRE의 확산은 글로벌 보건 위협으로 간주되며, 즉각적이고 적극적인 대응이 요구된다[3]. CRE는 주로병원 환경에서 문제를 일으키며, 특히 카바페넴분해효소 (Carbapenemase-producing Enterobacteriaceae, CPE)를생성하는 균주들은 모든 β-lactam 계열 항생제를 가수분해하기 때문에 CPE 감염증의 치료에 사용할 수 있는 항생제가 거의 없으며, carbapenemase 전사 유전자의 수평전파를통한 종내 또는 종간 전파로, 내성 균주의 빠른 확산이 가능하여 그 중요도가 더욱 크다[4, 5]. 한국에서는 2010년에 첫CRE 감염 사례가 보고된 이후, 병원 내 CRE 감염이 급증하였다. 2014년에는 Klebsiella pneumoniae carbapenemase (KPC)의 확산이 처음 관찰되었으며, 이는 병원과 지역 사회로급속히 퍼져 2015년 이후에는 KPC가 풍토병화되었다[6, 7].침습성 CPE 감염의 높은 사망률은 지속적인 모니터링과 효과적인 감염 관리 조치의 필요성을 강조한다.

본 연구는 2019년 7월부터 2021년 7월까지 2년간 한국의 한 종합병원에서 분리된 CPE의 분자 유전적 특성을 조사하여, 항균제 내성경향과 분자유전적 특성 분석을 통한 유행경향을 파악, 다제내성 CPE의 유병률과 확산에 대한 새로운 통찰을 제공하고자 한다.

재료 및 방법

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균주의 수집

본 연구는 2019년 7월부터 2021년 7월까지 부산의 한 종합병원에서 CRE 감염이 의심되는 환자로부터 다양한 임상시료를 수집하였으며, 총 93개의 CRE 균주를 분리하고 이중 44개의 CPE 균주를 식별하였다. 본 연구는 헬싱키선언서에 명시된 윤리적기준에 따라 수행되었으며, 대전과학기술대학교의 기관생명윤리위원회(승인번호 1044342-20240620-HR-004-04)의 승인을 받았다.

세균 동정 및 항균제 감수성 시험

임상검체로부터 분리 배양된 93개의 CRE 균주는VITEK-2 (BioMérieux, France)에 의해 균종을 확인하였으며 16S rDNA 염기서열 분석을 통해 모든 균종의 동정을 재확인하였다[8].

항균제 감수성 시험은 VITEK-2 시스템(bioMérieux)을 사용하여 수행하였으며, ampicillin, aztreonam, cefotaxime, ceftazidime, cefoxitin, ciprofloxacin, amikacin, gentamicin, imipenem, meropenem, ertapenem, colistin에 대한 항균제감수성 검사는 Mueller-Hinton 한천(Becton Dickinson, USA)에서 디스크 확산시험을 통해 CLSI 가이드라인에 따라 평가하였다[9]. Colistin(BD Biosciences, USA)의 최소억제 농도(minimum inhibitory concentration, MIC)는 액체 배지 미량 희석법(broth microdilution method)으로, tigecycline에 대한 감수성은 E-테스트(bioMérieux)로 평가하였다[9]. 정도관리를 위해서 Escherichia coli ATCC 25922와 Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853을 함께 시험하여 허용범위 내에 있는지를 확인하였다.

β-lactamase 및 분자유전학적 분석

중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR: Verity 96-Well; Applied Biosystems, Singapore)을 통해CPE 균주의 저항성 유전자를 확인하였다. Carbapenemase (KPC, NDM, OXA-48-like, IMP, VIM, GES)와 Extended spectrum β-lactamase (ESBL)의 검출을 위해 CTX M-, TEM-, SHV형을 사용하였다[10, 11]. plasmid-mediated AmpCs (blaACC, blaACT, blaCMY, blaDHA), aminoglycoside resistance 결정인자(rmtA, rmtB, rmtD, armA) [11, 12], fluoroquinolone 저항 결정인자(qnrA, qnrB, qnrS, qepA)의 존재여부와[13, 14], 외막 단백질 유전자(OmpK35, OmpK36)의돌연변이여부도 함께 조사하였다[15] (Supplementary Table S1). Tn4401의 동형을 확인하기 위해 흔히 확인되는 5가지동형(a~e)에 대해, blaKPC를 표적으로 하는 보편적인 역방향프라이머로 PCR을 수행하였다[16, 17] (Supplementary Table S2). 증폭 산물은 ABI PRISM 3730xl DNA analyzer (Applied Biosystems, Germany)로 염기서열을 분석하였고, NCBI의 BLAST (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)와 다중 시퀀스 정렬 프로그램 CLUSTALW2(http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/)를 비교하여 유전형을확정하였다.

Multi Locus Sequence Typing (MLST)

CPE의 형별 분류를 위해 E. coli는 adk, fumC, gyrB, icd, mdh, purA, recA를 K. pneumoniae는 gapA, infB, mdh, pgi, phoE, rpoB, tonB를, Citrobacter freundii는 aspC, clpX, fadD, mdh, arcA, dnaG와 lysP의 7개의 housekeeping유전자를 이용하여 PCR 및 염기서열분석을 이전의 연구에서 기술한 절차대로 수행하였다[18−20]. 실험에 의해 확인된염기서열은 MLST 데이터베이스의 기존 염기서열과 비교하여 대립유전자의 sequence type (ST) (http://pubmlst.org/)을 확인하였다(Supplementary Table S3).

접합 실험

저항성 Plasmid의 전이 가능성을 확인하기 위해서 CPE 44 균주를 공여체로, sodium azide-내성 E. coli J53을 수용체로 사용하여 접합 실험(conjugation)을 수행하였다[21, 22].앞선 연구[22]에서 시행된 검사법에 따라 배양한 후 배양액을 100 µg/ml sodium azide와 0.5 μg/ml Imipenem (IMP)을 첨가한 BHA (Brain-heart Agar; MB Cell, USA) 배지에서 접합검사를 실시하였다. 접합된 균주는 단일 균주를 선별하여 β-lactamase, ESBLs, fluoroquinolones, aminoglycoside resistance determinants (ARD), 그리고 plasmid-mediated AmpCs에 대한 전이된 저항성 유전자의 존재를 PCR을 통해 확인하였다.

결과

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환자의 특성

CRE 93균주중 CPE로 확인된 44균주(47.3%) 감염환자의평균 연령은 76.5세(28−94세)였으며, 남성이 26명(59.1%),여성은 18명(40.9%)이었다(Fig. 1A). 분리된 균종은 K. pneumoniae가 72.7% (32/44), E. coli 25% (11/44), C. freundii 2.3% (1/44)로 분리되었다.

Figure 1.Distribution of species for CPE isolates. Among 93 patients with CRE infection, 44 had CPE, including 18 women and 26 men. Diverse carbapenemase genes were identified in the isolates, with 68.2% harboring the gene for KPC-2 and 20.5% harboring the gene for NDM-5. Additionally, 6.82% of the isolates carried genes encoding both KPC-2 and NDM-5, while 4.55% carried genes encoding both NDM-5 and OXA-181.

항균제 감수성 양상 확인

CPE 44균주에 대한 항균제 감수성 결과는 ampicillin, amoxicillin/clavulanate, piperacillin-tazobactam, cefazolin, cefoxitin, cefotaxime, ceftazidime, cefepime, aztreonam, ertapenem, imipenem에 44균주(100%) 모두 내성을 보였으며, trimethoprim/sulfamethoxazole에 30균주(30/44, 68.2%), tigecycline에 16균주(16/44, 36.4%), aminoglycoside계인gentamicin에 21균주(21/44, 47.7%), amikacin에 3균주(3/ 44, 6.8%)가 내성을 보였다. 또한, Polypeptide 계인 colistin에 대해서도 2균주(2/44, 4.5%)가 내성을 보였다. 접합이 된균주와의 디스크 확산법에서도 동일한 결과를 확인하였으며, 44균주 모두 3가지 계열의 항생제에 대하여 비감수성을보이는 경우인 multidrug-resistant(MDR) 표현형의 균주였다[23] (Table 1).

Table 1 . Antimicrobial susceptibilities of 44 CPE isolates and phenotypes.

Isolate I.D (%)Susceptible antibioticsPorin Loss (%)Conjugation
N (%) of isolates
FOXFEPETPIMPAKGNCIPSXTTIGCSTOmpK35OmpK36
CPE strains (N=44)000041(93.2)23(52.3)9(20.5)14(31.8)28(63.6)42(95.5)20(45.5)21(47.7)34(77.3)
KPC-2 (N=30)000028(93.3)19(63.3)9(30)12(40)22(73.3)30(100)13(43.3)17(56.6)24(80)
ΔTn4401a (N=16)000014(87.5)11(68.8)5(31.3)6(37.5)12(75)14(87.5)8(50)9(56.3)13(81.3)
ΔTn4401b (N=9)00009(100)7(77.8)3(33.3)5(55.6)8(88.9)9(100)3(33.3)6(66.7)7(77.8)
NDM-5 (N=9)00008(88.9)2(22.2)01(11.1)4(44.4)8(88.9)4(44.4)2(22.2)5(55.6)
KPC-2, NDM-5 (N=3)00003(100)1(33.3)01(33.3)1(33.3)2(66.6)2(66.6)2(66.6)3(100)
ΔTn4401a (N=3)00003(100)1(33.3)01(33.3)1(33.3)2(66.6)2(66.6)2(66.6)3(100)
NDM-5, OXA-181 (N=2)00002(100)1(50)001(50)2(100)1(50)02(100)
Total (N=37)000035(94.6)22(59.5)8(21.6)12(32.4)25(67.6)33(89.2)18(48.6)19(51.4)29(78.4)
Transconjugants strains (N=34)000034(100)17(50)7(20.6)11(32.4)22(64.7)33(97.1)

Abbreviations: CPE, carbapenemase-producing Enterobacteriaceae; FOX, cefoxitin; FEP, cefepime; ETP, ertapenem; IMP, imipenem; AK, amikacin; GN, gentamicin; CIP, ciprofloxacin; SXT, trimethoprim/sulfamethoxazole; TIG, tigecycline; CST, colistin.

β-lactamase 및 분자유전학적 분석

외막의 구멍 단백질 유전자인 OmpK35와 OmpK36의 돌연변이를 조사한 결과 CPE 31균주(70.5%)에서 돌연변이를관찰하였다. OmpK35 (20/44, 45.5%), OmpK36 (21/44, 47.7%)의 돌연변이는 비슷한 비율로 관찰되었으며, 두가지외막 단백질 모두의 돌연변이를 보인 균주도 10균주(22.7%)가 확인되었다(Table 1). 44개의 CPE 균주 중 30균주는 KPC-2 생성 균주(30/44, 68.2%)로 가장 높은 비율로 확인되었으며, NDM-5 생성 9균주(9/44, 20.5%), 2종 이상의 카바페넴 분해효소를 동시에 갖는 유형으로 KPC-2와 NDM-5균주(3/44, 6.82%), NDM-5와 OXA-181균주(2/44, 4.55%)가 확인되었다(Table 2). 실험 균주들은 ESBL의 높은 내성인자를 관찰할 수 있었다. SHV (21/44, 47.7%), CTX-M-1 (19/44, 43.2%), CTX-M-9 (6/44, 13.6%), CTX-M-14 (4/44, 9.1%), CTX-M-15 (13/44, 29.5%), TEM-1 (12/44, 27.3%) 및 TEM-171 (9/44, 20.5%)이 관찰되었으며 7균주를 제외한 37균주(37/44, 84.1%)가 ESBL 내성인자를 가지고 있었다. 44개의CPE 균주에 대한 fluoroquinolone 저항성 결정 인자를 분석한 결과, 27개의 균주 67.5%가 fluoroquinolone 내성 인자를가지고 있었다. 27개의 fluoroquinolone 내성 균주는 qnrA (8/44, 18.2%), qnrB (24/44, 54.5%), qnrS (8/44, 18.2%) 및qepA (7/44, 15.9%)로 분리되었다. fluoroquinolone 계통에서두종류의 내성 인자를 가진 균주는 16균주(16/44, 36.4%), 세개의 내성인자를 가진 균주도 2균주 (2/44, 4.5%) 존재하였다. 이들 균주에서 aminoglycoside 내성을 분석한 결과, 18균주(45%)가 내성인자를 보유하고 있었으며, 순차적으로 rmtB (13/44, 29.5%), rmtD (6/44, 13.6%), armA (3/44, 6.8%), rmtC (2/44, 4.6%) 및 rmtA (1/44, 2.3%) 등이 확인되었다. Plasmid-mediated AmpC는 4개의 균주(10%)에서 관찰되었으며, DHA (2/44, 4.6%), ACC (2/44, 4.6%)가 각각 확인되었다(Table 2).

Table 2 . Identification of resistance determinants among 44 CPE isolates by PCR.

Antibiotic class/Resistance geneCPE strains N=44 (%)Transconjugants strains N=34 (%)
Carbapenems
KPC-230(68.2)23(67.6)
NDM-59(20.5)5(14.7)
KPC-2/NDM-53(6.8)3(8.8)
NDM-5/ OXA-1812(4.6)2(5.9)
Cephalosporins
SHV21(47.7)17(50)
TEM112(27.3)9(26.5)
TEM1719(20.5)8(23.5)
CTX-M-119(43.2)16(47.1)
CTX-M-96(13.6)6(17.6)
CTX-M-144(9.1)4(11.8)
CTX-M-1513(29.5)11(32.4)
AmpC
DHA2(4.6)1(2.9)
ACC2(4.6)1(2.9)
Aminoglycoside
rmtA1(2.3)1(2.9)
rmtB13(29.5)11(32.4)
rmtC2(4.6)2(5.9)
rmtD6(13.6)4(11.8)
armA3(6.8)3(8.8)
Fluoroquinolone
qnrA8(20)5(14.7)
qnrB17(42.5)15(44.1)
qnrS8(20)6(17.6)
qepA6(15)4(11.7)

Abbreviations: CPE, carbapenemase-producing Enterobacteriaceae; KPC, Klebsiella pneumoniae carbapenemase; NDM, New Delhi metallo-β-lactamase; OXA, oxacillinase; SHV, sulfhydryl variant; TEM, Temoneira β-lactamase; CTX-M, cefotaximase.

접합 및 Tn4401 transposon 유무 확인

44개의 CPE 균주 중에서 E. coli J53으로 34균주가 접합되었다(34/44, 77.3%) (Table 4) (Supplementary Table S4). 34개의 접합 균주는 CPE 분리 균주의 항균제 감수성 결과와 유사한 MDR 표현형을 보였다. 또한, 접합 시험을 통해카바페넴 분해효소에 대한 내성이 접합 균주에서 동일하게검출되었으며, ESBL, aminoglycoside와 Plasmid-mediated AmpC, fluoroquinolone 저항-결정 유전자 등 β-lactamase의 동시 전달이 가능함을 확인하였다(Table 2) (Supplementary Table S4). 이동 유전자인 5가지 Tn4401의 존재 여부를 조사한 결과 Tn4401a와 Tn4401b만이 확인되었으며, KPC 유전자를 가진 33개의 균주(28/33, 84.8%)에서 Tn4401a (18/ 33, 64.2%), Tn4401b (10/33, 30.3%)가 확인되었다(Table 3).

Table 3 . CPE mobile elements carried by CPE producers.

Subtype Bracketed by KPCStrainsK. pneumoniaeE. coliC. freundiiTotal
ST† (N‡)307114292521366041052352061745711718
blaKPC-23115
blaKPC-2 Tn4401a8112111116
blaKPC-2 Tn4401b2311119
blaNDM-5112
blaKPC-2, blaNDM-5
blaKPC-2, blaNDM-5 Tn4401a213
blaNDM-5, blaOXA-18122

† ST: MLST Sequence Type, ‡ Shows the number of strains and their corresponding MLST sequence types.

Table 4 . The β-lactam genes and molecular genetic characteristics were analyzed in 44 CPE strains.

StrainSpeciesCarbapenemsCephalosporinsAmpC16S rRNA methylaseQuinoloneSTPorin LossTn4401 variantConjugants
K2401KPNKPC-2CTX-M-1, CTX-M-15rmtB, rmtDqnrB307OMPK36+
K2402KPNKPC-2CTX-M-1, CTX-M-15rmtBqnrB307OMPK36b+
K2403KPNKPC-2TEM1, CTX-M-9, CTX-M-14armA307OMPK35, OMPK36a+
K2404KPNKPC-2TEM1, TEM171, CTX-M-15, SHVACCrmtDqnrB, qepA11OMPK35, OMPK36b
K2405KPNNDM-5TEM1DHAqnrA11OMPK36
K2406CFRKPC-2TEM171, CTX-M-15, SHVrmtCqnrB, qepA18a+
K2407KPNKPC-2TEM1, TEM171, CTX-M-15, SHVqnrB11OMPK35, OMPK36a+
K2408KPNKPC-2TEM1, TEM171, CTX-M-15, SHVqnrB11OMPK36b+
K2409KPNKPC-2, NDM-5TEM171, CTX-M-15, SHVrmtCqnrB, qnrS, qepA307OMPK36a+
K2410KPNKPC-2, NDM-5TEM1, CTX-M-1, CTX-M-9, CTX-M-14, SHVarmA307OMPK35, OMPK36a+
K2411KPNKPC-2TEM1, TEM171, CTX-M-1, CTX-M-15, SHVrmtB307OMPK36a+
K2412KPNKPC-2TEM1, CTX-M-1, CTX-M-9, CTX-M-15qnrB307OMPK36a+
K2413ECOKPC-2CTX-M-1, CTX-M-15rmtB, rmtDqnrB410OMPK36
K2414KPNKPC-2CTX-M-1, CTX-M-15rmtBqnrB307OMPK36b+
K2415ECONDM-5TEM1, CTX-M-9, CTX-M-14armA410+
K2416KPNKPC-2TEM-1, TEM-171, CTX-M-15, SHVACCrmtDqnrB, qepA11OMPK35, OMPK36b+
K2417KPNKPC-2qnrS2521b
K2418KPNNDM-5TEM-1, TEM-171, CTX-M-111+
K2419ECOKPC-2TEM-171, CTX-M-15rmtD617OMPK36a+
K2420ECONDM-5CTX-M-1, SHV3520+
K2421KPNNDM-5CTX-M-1, CTX-M-14, SHVrmtBqnrB307OMPK35, OMPK36+
K2422KPNKPC-2SHV307OMPK36a+
K2423KPNKPC-2SHV307OMPK35a+
K2424KPNKPC-2SHVrmtB, rmtD307OMPK35, OMPK36a+
K2425KPNKPC-2rmtBqnrB, qepA307OMPK35, OMPK36a
K2426ECOKPC-2SHV, CTX-M-1rmtBqnrB, qepA457OMPK35a+
K2427KPNKPC-2, NDM-5SHV, CTX-M-1rmtBqnrB, qnrS11OMPK35a+
K2428KPNKPC-2SHV3660a
K2429KPNKPC-2SHV3660a+
K2430ECONDM-5SHVqnrB, qnrS410+
K2431ECONDM-5, OXA181SHV, CTX-M-1qnrA, qnrB410+
K2432ECONDM-5, OXA181CTX-M-1, CTX-M-9qnrB, qnrS410OMPK35+
K2433KPNNDM-5qnrB, qnrS307OMPK35
K2434KPNNDM-5SHV, CTX-M-1qnrB, qnrS307OMPK35
K2435KPNKPC-2qnrA3660+
K2436KPNKPC-2qnrB3660b+
K2437KPNKPC-2CTX-M-1qnrA429OMPK35, OMPK36b+
K2438ECOKPC-2TEM-1qnrA, qnrB, qepA52b
K2439KPNKPC-2CTX-M-1qnrA, qnrB307OMPK35+
K2440ECONDM-5CTX-M-1qnrA, qnrB410OMPK35
K2441KPNKPC-2SHV, CTX-M-9rmtBqnrA, qnrB429OMPK35, OMPK36a+
K2442ECOKPC-2CTX-M-1rmtA117b+
K2443KPNKPC-2rmtB307OMPK35a+
K2444KPNKPC-2DHArmtBqnrB307OMPK35+

Abbreviations: KPN, Klebsiella pneumonia; ECO, Escherichia coli; CFR, Citrobacter freundii; ST, sequence type.

MLST 분석

44개의 CPE 균주로 MLST를 시행한 결과, 총 12개의sequence types (STs)를 확인하였다(Table 3). K. pneumoniae 32균주에서는 5개의 ST가 관찰되었고 ST307 (18/32, 56.3%), ST11 (11/32, 34.4%), ST3660 (4/32, 9.1%), ST429 (2/32, 4.5%), 그리고 ST2521(1/32, 3.1%)의 순이었다. E. coli 11균주에서는 ST410 (6/11, 54.5%), 나머지 5개의 ST (ST3520, ST117, ST617, ST457, ST52)는 각각 1 균주(9.1%)에서 확인되었다. C. freundii 1균주는 ST18로 확인되었다. KPC-2 생성 ST307 (13/30, 43.3%), KPC-2 생성ST11과 ST617은 각각 (4/30, 13.3%), KPC-2 생성 ST429 (2/30, 6.7%), 나머지 7개의 KPC-2 생성 ST (ST18, ST410, ST2521, ST617, ST457, ST52, ST117)는 각각 1 균주(9.1%)에서 확인되었다. NDM-5 생성 균주의 ST는 ST11 (2/ 5, 40%), 나머지 3개의 NDM-5 생성 ST (ST410, ST3520, ST307)는 각각 1 균주에서 확인되었다. 2종 이상의 카바페넴 분해효소를 동시에 가진 KPC-2와 NDM-5균주는 ST307 (2/3, 66.7%), ST11 (1/3, 33.3%), NDM-5와 OXA-181균주는 ST410으로 (2/2, 100%)로 확인되었다(Table 3)(Supplementary Table S4).

고찰

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항생제의 부적절한 처방과 오남용으로 인한 항생제 내성균의 출현은 국제사회의 보건과 경제 전반에 악영향을 미치고 있다. 특히 CRE의 출현은 장내세균 항생제 치료의 최후보루로 알려진 카바페넴계 항생제에 내성을 보임에 따라 이환율과 사망률을 크게 증가시키면서 공중보건을 위협하는문제가 되었다[24].

본 연구는 부산의 한 종합병원에서 분리된 CPE 균주의 항균제 내성 분포를 분석하며, 주요 결과를 다음과 같이 제시한다. CPE 44균주에 대해 17종의 항생제를 평가한 결과, colistin 감수성이 가장 높았으나, 내성 균주가 2균주(4.5%)확인되었으며, 모든 균주에서 MDR 표현형이 나타났다. 이는 모든 균주가 다양한 β-lactam 분해 유전자를 보유한 데기인한다. 특히 외막 단백질 OmpK35의 결실은 β-lactam의지속적인 유입을 촉진해 높은 내성을 유발하며, OmpK36의결실은 낮은 carbapenem MIC와 관련이 있다[15, 25]. 한편,국내 항균제 내성균의 증가 원인으로는 항생제의 부적절한 처방과 오남용이 지적되며, 2020년 OECD 통계에 따르면 국내 감염 치료에 사용된 항생제 사용량은 회원국 중 네 번째로 높았다[26].

1996년 미국에서 KPC-생성 K. pneumoniae가 처음 발견된 이후, ST258, ST11, ST307 등 KPC-생성 균주의 확산이전 세계적으로 보고되었다[27, 28]. 2019년 유럽 질병관리본부(European Centre for Disease Prevention and Control, ECDC)의 보고에 따르면 K. pneumoniae의 carbapenem 내성률은 이탈리아 40.6%, 그리스 53.1%로 확인되었다. 이러한 내성 확산의 주요 원인은 KPC-생성 균주의 확산으로 분석된다[29]. 최근 독일, 벨기에 등에서는 NDM-1과 OXA-48을 동시에 생성하며, colistin에도 내성을 보이는 광범위 약제내성(extensively drug-resistant, XDR) 또는 전 항생제내성(pandrug-resistant, PDR) 표현형의 균주 확산이 보고되고 있어 경각심이 요구된다[30, 31]. 국내 CRE 분리 건수는 급증하고 있으며, 2021년에는 15,639주로 확인되어 2019년(11,810주)보다 약 1.3배, 2020년(9,234주) 대비 약 1.7배 증가했다. 같은 해 분리된 CPE는 12,979주(83.0%)로, 주요 카바페넴 분해효소는 KPC형(80.9%), NDM형(15.2%), OXA형(2.2%)이었으며, 2종 이상의 분해효소를 동시에 가진 유형도1.5%로 나타났다. 균종별로 K. pneumoniae는 KPC형(76.7%)이 가장 우세했고, NDM형은 7.5%였다. E. coli의 경우 KPC형 (51.8%)이 우세했으나 NDM형은 21.0%로 상대적으로 높은 비율을 보였다. 아형별로는 KPC-2 (79.5%)가가장 많이 확인되었고, NDM-1 (12.0%), NDM-5 (3.0%), OXA-181 (1.9%)이 뒤를 이었다. 2종 이상의 분해효소를 가진 유형(1.5%) 중 OXA-181/NDM-5, NDM-1/KPC-2, NDM-5/KPC-2가 각각 0.4%로 확인되었다[32]. 본 연구에서도 최근 김 등[32]의 연구 결과와 유사한 양상을 보인다. KPC-2가 90%로 주요 병원체였던 이 등[33]의 이전 연구와 다른 양상을 보이며, CPE의 유전형이 다양화되고 2종 이상의 유전형이 나타나는 복잡성을 보여주어, 공중보건의 심각한 우려로 여겨진다.

KPC-2 생성 K. pneumoniae의 주요 클론인 ST307은 국내에서의 빠른 확산이 확인되고 있으며, 이는 2013년 미국과파키스탄에서 첫 보고된 이후, 이탈리아, 콜롬비아, 미국, 남아프리카 공화국에서 풍토병으로 보고되고 있다[33−35]. 또한, E. coli ST410은 ST131과 유사한 혈통을 가진 고위험 클론으로, 전 세계적으로 높은 유병률을 보이며 병원 내 감염의 주요 원인으로 주목받고 있다[36]. 국내에서는 K. pneumoniae ST307과 E. coli ST410이 CTX-M-15 동반 시집단 발병과 빠른 확산 가능성을 시사하며, 본 연구에서도각각 56.3%, 54.5%의 높은 검출 빈도를 보였다[17, 33, 37].

앞선 연구에 의하면, K. pneumoniae의 서브클론으로는ST307/Tn4401a[blaKPC-2], ST307/Tn4401b[blaKPC-4], ST392/Tn4401b[blaKPC-4], ST11/ND[blaKPC-2]가 국내에서지역 간 감염 확산을 촉진한 것으로 나타났다[17]. Tn4401변이체는 유전자 발현 수준과 카바페넴 내성에 밀접하게 연관되며[38], 본 연구에서는 Tn4401a(64.2%)와 Tn4401b (30.3%)만이 확인되었다. 이는 종간 이동과 카바페넴 내성에영향을 미쳤으나, 카바페넴 감수성 차이는 관찰되지 않았다. 또한, 접합에 의한 수평 전달 성공률은 2010년 18.3%에서[39] 2020년 57.5%로 약 3.1배 증가했으며[33], 본 연구에서는 77.3%로 상승하여 숙주에서의 지속성과 전달 용이성등 다양한 항균 내성 결정 요인과 관련이 있음을 보여준다.

본 연구 결과 국내에서의 CPE 유행경향은 빠르게 변화하고 있다. 다양한 카바페넴 유전자와 Transposon을 통한 균종간의 이동, 고위험 클론은 병원내 환경에서 잠재적 위험요인을 내포하고 있다. 향후 고위험 클론의 항생제 내성균에의한 국가 감염병 위기에 대응하기 위해서는 유전학적 연관성에 대한 지속적인 분석이 필요하다. 본 연구에서 관찰된CPE의 수평 전달 용이성과 고위험 클론의 지속성은 공중보건에 대한 중대한 역학적 함의를 가지고 있으나, 고위험 클론에 대한 내성기전을 밝히기 위해서는 더 많은 검체에 대한 분자유전학적 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다.

요약

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카바페넴 분해효소생성 장내세균(Carbapenemase-producing Enterobacteriaceae, CPE)의 전 세계적 확산은 중대한 공중보건 문제를 일으키며, 이로 인해 병원성과 사망률이 증가하고 있다. 2019년 7월부터 2021년 7월까지 한국의 한 종합병원에서 다양한 임상 검체에서 분리된 44개의 CPE 균주로 항균제 감수성 시험, β-lactamase 유전자 검출을 위한중합효소 연쇄반응(PCR), DNA 염기서열 분석, Tn4401 Transposon 변이체 분석, 다좌위 서열 분석(MLST)과 접합실험을 실시했다. 분석 결과 모든 균주가 다제내성을 보였으며, 특히 colistin내성인 균주가 2균주(4.5%) 존재하였다. 카바페넴 분해효소 생성 유전자의 종류는 다양해져, KPC-2 생성 30균주(68.2%), NDM-5 생성 9균주(20.5%), 2종 이상의카바페넴 분해효소를 동시에 갖는 유형으로 KPC-2와 NDM-5균주 3균주(6.82%), NDM-5와 OXA-181균주 2균주 (4.55%)로확인되었다. 고위험 클론인 K. pneumoniae ST307 (56.3%)과 E. coli ST410 (54.5%)이 확인되었으며, 플라스미드 매개내성 전이율은 77.3%로 나타났다. 또한, 높은 빈도의 트랜스포존 Tn4401 (84.8%)의 검출은 CPE의 빠른 확산 및 진화와관련이 있다. 이러한 결과는 한국에서 빠르게 확산되고 있는광범위 약제내성 고위험 클론의 문제를 해결하기 위해 엄격한 국가 차원의 관리 대책이 시급히 필요함을 강조한다.

Acknowledgment

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This research was supported by the Daejeon Institute of Science and Technology.

Conflict of Interest

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The authors have no financial conflicts of interest to declare.

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