Gram (-) Pathogenic Bacteria

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) • 간질환 (간경변, 간염)이 있거나 당뇨병 등으로 면역기능이 저하되어 있는 사람에 감염증: V. vulnificus의 철 이용성과 상관관계 • 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) • Pseudomonas및 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 • Pseudomonas속 가운데 사람 감염증과 가장 밀접 • 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) 생물학적 기능 독성인자 (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 단백질합성억제, 조직손상, 면역억제 Exotoxin A 단백질합성억제, 면역억제 Exotoxin S Leukocidin 세포막 손상 Elastase Elastin 함유 조직 (혈구, 폐조직, 피부) 파괴 Alkaline protease 조직손상, 인터페론 및 TNF-α불활성화 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 • 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 • 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

Gram (-) Pathogenic Bacteria