디프테리아의 원인과 발병 기전

디프테리아는 독소성 감염병의 전형입니다. 1883년, 클렙스는 코리네박테리움 디프테리아가 디프테리아의 원인균임을 증명했습니다. 1년 후, 뢰플러는 이 균이 비인두강에서만 배양될 수 있음을 발견하고 내부 장기 손상이 용해성 독소 때문이라고 주장했습니다. 1888년, 루와 예르생은 디프테리아균의 멸균 여과액을 투여받은 동물에서 인간 디프테리아와 구별할 수 없는 장기 병리학적 증상이 나타남을 보였습니다. 이는 강력한 외독소가 주요 병독성 인자임을 보여주었습니다.

디프테리아는 발열, 인후통, 그리고 권태감을 유발하는 상기도 감염입니다. 세균 증식, 독소 생성, 기저 조직 괴사, 그리고 숙주 면역 반응의 복합적인 영향으로 감염 부위에 두꺼운 회녹색 피브린 막인 위막이 형성되는 경우가 많습니다. 전신 장기 손상이 디프테리아 독소의 작용에 기인한다는 사실이 밝혀지면서, 급성 감염 치료를 위한 효과적인 항독소 기반 치료법과 매우 효과적인 톡소이드 백신이 개발되었습니다.

톡소이드 면역으로 인해 공중 보건 기준상 백신 접종이 필요한 지역에서 디프테리아는 드문 질병이 되었지만, 면역이 저하된 미접종 집단에서는 여전히 디프테리아 발병이 발생합니다. 반면, 적극적인 예방 접종 프로그램이 중단된 지역에서는 전염병 수준에 달하는 광범위한 디프테리아 발병이 발생했습니다.

다른 유형의 코리네박테리아

디프테리아균(C. diphtheriae), 궤양균(C. ulcerans), 그리고 가성결핵균(C. pseudotuberculosis) 외에도, 가성디프테리아균(C. pseudodiphtheriticum)과 제로시스균(C. xerosis)은 때때로 비인두 및 피부 감염을 일으킬 수 있습니다. 후자의 두 균주는 피라진아마이드 분해효소(pyrazinamidase)를 생성하는 능력으로 구별할 수 있습니다. 수의학에서 C. renale과 C. kutscheri는 각각 소에서 신우신염을, 생쥐에서 잠복 감염을 유발하는 중요한 병원균입니다.

원인

디프테리아균의 원인균인 코리네박테리움 디프테리아는 끝이 곤봉 모양으로 두꺼워진 얇고 약간 휘어진 막대 모양이며 움직이지 않습니다. 포자, 캡슐 또는 편모를 형성하지 않으며, 그람 양성균입니다.

디프테리아 코리네박테리아는 독소 외에도 생활 과정에서 노이라미니다제, 히알루로니다제, 용혈소, 괴사 및 확산 인자를 생성하는데, 이는 결합 조직의 주요 물질의 괴사와 액화를 일으킬 수 있습니다.

디프테리아 코리네박테리아는 독소를 형성하는 능력에 따라 독소 생성형과 비독소 생성형으로 구분됩니다.

디프테리아 독소는 질병의 전신 및 국소 임상 증상을 결정하는 강력한 세균성 외독소입니다. 독소 생성 여부는 유전적으로 결정됩니다. 디프테리아의 비독소 생성 코리네박테리아는 이 질병을 유발하지 않습니다.

모든 디프테리아 코리네박테리아는 문화적 및 형태학적 특징에 따라 gravis, mitis, intermedius의 세 가지 변종으로 나뉩니다. 디프테리아 코리네박테리아 변종에 따라 질병의 중증도가 직접적으로 달라지지는 않습니다. 각 변종에는 독소 생성 균주와 비독소 생성 균주가 모두 포함되어 있습니다. 모든 변종의 독소 생성 코리네박테리아는 동일한 독소를 생성합니다. [ 1 ]

구조, 분류 및 항원 유형

코리네박테리움 디프테리아는 그람 양성이며 운동성이 없는 곤봉 모양의 간균입니다. 조직 배양이나 오래된 체외 배양에서 자라는 균주는 세포벽에 미세한 반점을 가지고 있어 그람 염색 중 탈색을 유발하고 그람 반응의 변화를 일으킵니다. 오래된 배양액에는 종종 메틸렌블루로 청자색으로 염색되는 이염성 과립(폴리메타포스페이트)이 포함되어 있습니다. 세포벽 당에는 아라비노스, 갈락토스, 만노스가 포함됩니다. 또한, 코리네마이콜산과 코리네마이콜렌산을 등몰 농도로 함유하는 독성 트레할로스 6,6'-에스터가 분리될 수 있습니다. 이 균주는 세 가지 다른 배양 유형, 즉 미티스(mitis), 인터메디우스(intermedius), 그레이비스(gravis)로 알려져 있습니다.

대부분의 균주는 생장에 니코틴산과 판토텐산을 필요로 하며, 일부 균주는 티아민, 비오틴, 또는 피멜산을 필요로 합니다. 최적의 디프테리아 독소 생산을 위해서는 배지에 아미노산을 보충하고 따로 보관해야 합니다.

1887년 초, 뢰플러는 건강한 개인에게서 분리된 독성(독소원성) 균주와 구별할 수 없는 비독성(비독소원성) C. diphtheriae의 분리를 설명했습니다.현재 비독성 C. diphtheriae 균주는 디프테리아 독소의 구조적 유전자인 tox를 지닌 여러 코리네박테리오파지 중 하나에 의한 감염 및 용원화 후 독성 표현형으로 전환될 수 있다는 것이 알려져 있습니다.비독성에서 독성 표현형으로의 용원성 전환은 현장 및 시험관 내에서 모두 발생할 수 있습니다.디프테리아 독소의 구조적 유전자는 코리네박테리오파지나 C. diphtheriae에 필수적이지 않습니다.이러한 관찰에도 불구하고 디프테리아 독소의 유전적 표류는 관찰되지 않았습니다.

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]

병인

감염의 진입점은 구인두, 코, 후두의 점막이며, 드물게는 눈과 생식기의 점막도 감염의 원인이 될 수 있습니다. 또한 손상된 피부, 상처 또는 화상 부위, 기저귀 발진, 아물지 않은 배꼽 상처도 감염의 원인이 될 수 있습니다. 감염의 진입점에서 디프테리아 코리네박테리움은 증식하여 외독소를 분비합니다.

피브리노겐이 풍부한 삼출물은 상피세포 괴사 과정에서 분비되는 트롬보키나아제의 영향으로 피브린으로 전환됩니다. 섬유소막이 형성되는데, 이는 디프테리아의 특징적인 증상입니다.

디프테리아 풍토병 지역에서는 무증상 비인두 보균이 흔합니다. 감염에 취약한 개체에서 독소 생성 균주는 비인두 또는 피부 병변에서 디프테리아 독소를 복제 및 분비하여 질병을 유발합니다. 디프테리아 병변은 종종 피브린, 박테리아, 그리고 염증 세포로 구성된 위막으로 덮여 있습니다. 디프테리아 독소는 단백질 분해에 의해 두 개의 단편, 즉 N-말단 단편 A(촉매 도메인)와 단편 B(막관통 도메인 및 수용체 결합 도메인)로 절단될 수 있습니다. 단편 A는 신장 인자 2의 NAD+ 의존성 ADP-리보실화를 촉매하여 진핵 세포에서 단백질 합성을 억제합니다. 단편 B는 세포 표면 수용체에 결합하여 단편 A의 세포질로의 전달을 촉진합니다.

보호 면역은 임상 질환 이후 디프테리아 독소에 대한 항체 반응이나 예방 접종 이후 디프테리아 독소(포름알데히드로 불활성화된 독소)에 대한 항체 반응을 포함합니다.

식민지화

C. diphtheriae의 식민지화를 매개하는 요인에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그러나 디프테리아 독소 생성 이외의 요인이 병독성에 기여한다는 것은 분명합니다. 역학 연구에 따르면 특정 리소타입은 개체군 내에서 장기간 지속될 수 있습니다. 이는 나중에 다른 리소타입으로 대체될 수 있습니다. 개체군 내에서 새로운 리소타입의 출현과 그에 따른 우세는 비인두 생태적 지위의 해당 구역에서 식민지화하고 효과적으로 경쟁할 수 있는 능력과 관련이 있는 것으로 추정됩니다. Corynebacterium diphtheriae는 세포 표면 시알산을 피루브산과 N-아세틸뉴라민산으로 분해하는 뉴라미니다제를 생성할 수 있습니다. Cord factor(6,6'-di-O-mycoloyl-α, α'-D-trehalose)는 C. diphtheriae의 표면 성분이지만, 인간 숙주의 식민지화에서 그 역할은 불분명합니다.

디프테리아 독소 생성

디프테리아 독소의 구조 유전자인 tox는 밀접한 관련이 있는 코리네박테리오파지 계열에 속하며, 그중 β-파지가 가장 많이 연구되었습니다. 디프테리아 독소의 발현 조절은 C. diphtheriae 유전체에 의해 암호화되는 철 활성화 억제인자 DtxR에 의해 매개됩니다. 독소의 발현은 C. diphtheriae의 생리적 상태에 따라 달라집니다. 철이 성장 속도 제한 기질이 되는 조건에서, 철은 DtxR에서 분리되고, 톡시코덴드론 유전자가 활성화되어 디프테리아 독소가 합성되어 최대 속도로 배양 배지 내로 분비됩니다.

디프테리아 독소는 매우 강력합니다. 감수성이 있는 종(예: 사람, 원숭이, 토끼, 기니피그)의 경우, 체중 1kg당 100~150ng의 낮은 농도로도 치명적입니다. 디프테리아 독소는 535개의 아미노산으로 구성된 단일 폴리펩타이드 사슬로 구성되어 있습니다. 생화학적, 유전학적, X선 구조 분석 결과, 이 독소는 세 가지 구조적/기능적 영역으로 구성되어 있습니다.

• N-말단 ADP-리보실트랜스퍼라제(촉매 도메인)
• 세포막을 가로질러 촉매 도메인의 전달을 용이하게 하는 영역(막관통 도메인)
• 진핵 세포 수용체 결합 도메인.

디프테리아 독소는 약한 트립신 분해 및 변성 조건 하에서의 환원 과정을 거쳐 프로테아제 민감 루프에서 특이적으로 절단되어 두 개의 폴리펩타이드 단편(A와 B)으로 분리될 수 있습니다. 단편 A는 독소의 N-말단 21 kDa 성분이며, 신장 인자 2(EF-2)의 ADP-리보실화 촉매 부위를 포함합니다.

단량체 천연 디프테리아 독소의 X선 결정 구조 리본 다이어그램. (Bennett MJ, Choe S, Eisenberg D: Domain swapping: Entangling aliances between proteins. Proc Natl Acad Sci, USA, 91: 3127, 1994에서 수정). 촉매 도메인, 막관통 도메인, 수용체 결합 도메인의 상대적 위치가 표시되어 있습니다. 손상되지 않은 독소는 프로테아제 민감 루프(PSL)에 위치한 Arg190, Arg192 및/또는 Arg193에서 트립신 유사 프로테아제에 의해 절단될 수 있습니다. Cys186과 Cys201 사이의 이황화물 결합이 환원되면 독소는 A와 B 단편으로 분리될 수 있습니다. 손상되지 않은 독소의 아미노 말단(N)과 카르복시 말단(C)이 표시되어 있습니다. 스트립 차트는 MOLESCRIPT 프로그램을 사용하여 생성되었습니다.

C 말단 단편인 단편 B는 독소의 막관통 도메인과 수용체 결합 도메인을 가지고 있습니다.

디프테리아 독소에 의한 단일 진핵 세포의 중독에는 적어도 4가지 단계가 포함됩니다.

1. 독소가 세포 표면의 수용체에 결합함
2. 코팅된 구덩이에 전하된 수용체의 클러스터링 및 수용체 매개 내포작용을 통한 독소의 내재화; 막 관련 ATP 구동 양성자 펌프에 의한 내포소포의 산성화에 따라,
3. 막관통 도메인을 막에 삽입하고 촉매 도메인을 세포질로 전달하는 것을 용이하게 합니다.
4. EF-2의 ADP-리보실화로 인해 단백질 합성이 돌이킬 수 없이 억제됩니다.

촉매 도메인의 단일 분자가 세포질로 전달되면 세포에 치명적일 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

감염성 진핵세포의 디프테리아 중독에 대한 개략도.

독소는 세포 표면 수용체에 결합하여 수용체 매개 내재화를 통해 세포 내로 흡수됩니다. 엔도솜이 산성화되면 막관통 도메인이 소포 막에 삽입됩니다. 촉매 도메인이 세포질로 전달되어 단백질 합성과 세포 사멸이 억제됩니다.

역학

디프테리아 톡소이드로 미국 인구를 대량 예방 접종하기 전에는 디프테리아가 일반적으로 소아 질병이었습니다. 디프테리아 톡소이드를 이용한 대량 예방 접종의 주목할 만한 측면은 항독소 면역의 보호 수준(≥ 0.01 IU/mL)을 가진 인구의 비율이 증가함에 따라 인구에서 독소 생성 균주의 분리 빈도가 감소한다는 것입니다. 오늘날 임상 디프테리아가 거의 완전히 사라진 미국에서는 C. diphtheriae의 독소 생성 균주가 분리되는 경우가 드뭅니다. 임상 미만 감염은 더 이상 디프테리아 항원에 노출될 수 있는 원인이 되지 않고, 항독소에 대한 면역력이 증강되지 않으면 약해지기 때문에 성인의 상당수(30~60%)가 보호 수준 미만의 항독소 수치를 가지고 있어 위험에 처해 있습니다. 미국, 유럽, 동유럽에서 최근 디프테리아 발병은 주로 알코올 및/또는 약물을 남용하는 사람들 사이에서 발생했습니다. 이 그룹 내에서 독소성 C. diphtheriae 보균자는 중간 정도로 높은 수준의 항독소 면역을 가지고 있습니다. 최근 러시아의 공중 보건 조치가 무너지면서 디프테리아는 전염병으로 번졌습니다. 1994년 말까지 러시아에서는 8만 건 이상의 감염 사례와 2,000명 이상의 사망자가 보고되었습니다.

디프테리아의 국소 발병은 거의 항상 디프테리아가 풍토병인 지역에서 돌아온 면역 보균자와 관련이 있습니다. 실제로 최근 미국과 유럽에서 발생한 임상 디프테리아 발병은 러시아와 동유럽에서 돌아온 여행객과 관련이 있었습니다. 독소 생성 C. diphtheriae 균주는 공기 중 비말을 통해 사람 간에 직접 전파됩니다. 독소 생성 균주는 비인두강을 직접 식민지화할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 독소 생성 유전자는 독소 생성 코리네박테리오파지의 방출과 비독소 생성 토착 C. diphtheriae의 원위치에서의 용원성 형질 전환을 통해 간접적으로 전파될 수 있습니다. [ 5 ]

C. diphtheriae 분리주의 생물형 및 리소형(lysotype) 결정 외에도, 분자생물학 기술을 이용하여 디프테리아 발병을 연구할 수 있습니다. C. diphtheriae 염색체 DNA의 제한효소 분해 패턴은 임상 발병 연구에 사용되었으며, 클로닝된 코리네박테리아 삽입 서열을 유전자 탐침으로 사용하는 방법도 사용되었습니다.

쉬크 검사는 디프테리아 독소에 대한 면역성을 평가하는 데 수년간 사용되어 왔지만, 현재는 많은 지역에서 디프테리아 독소에 대한 특정 항체에 대한 혈청학적 검사로 대체되었습니다. 쉬크 검사에서 소량의 디프테리아 독소(0.2ml당 약 0.8ng)를 팔뚝(검사 부위)에 피내 주사하고, 0.2ml당 0.0124μg의 디프테리아 독소를 대조군 부위에 피내 주사합니다. 판독값은 48시간과 96시간에 측정합니다. 비특이적 피부 반응은 일반적으로 48시간에 최고조에 이릅니다. 96시간에 검사 부위에 약간의 괴사가 있는 홍반 반응은 독소를 중화하기에 충분한 항독소 면역이 없음을 나타냅니다(≤ 0.03 IU/ml). 48시간 후 검사 부위와 대조군 부위 모두에서 염증이 발생하면 항원 제제에 대한 과민 반응을 나타냅니다.

양식

코리네박테리움 디프테리아(Corynebacterium diphtheriae)는 비인두 또는 피부를 감염시킵니다. 독소 생성 균주는 디프테리아를 유발할 수 있는 강력한 외독소를 생성합니다. 디프테리아 증상으로는 인두염, 발열, 목이나 피부 병변 주변 부위의 부종 등이 있습니다. 디프테리아 병변은 위막으로 덮여 있습니다. 이 독소는 혈류를 통해 먼 장기로 퍼져 마비와 울혈성 심부전을 유발할 수 있습니다. [ 6 ]

임상적 디프테리아에는 비인두성 디프테리아와 피부성 디프테리아, 두 가지 유형이 있습니다. 인두성 디프테리아의 증상은 경미한 인두염부터 위막에 의한 기도 폐쇄로 인한 저산소증까지 다양합니다. 경부 림프절 침범은 목의 심한 부종(황소경부 디프테리아)을 유발할 수 있으며, 환자는 발열(103°F 이상)을 보일 수 있습니다. 피부성 디프테리아의 피부 병변은 대개 회갈색 위막으로 덮여 있습니다. 디프테리아 독소가 말초 운동 뉴런과 심근에 작용하여 생명을 위협하는 전신 합병증, 주로 운동 기능 상실(예: 삼키기 어려움)과 울혈성 심부전이 발생할 수 있습니다.

제어

디프테리아 관리는 디프테리아 톡소이드(디프테리아 독소를 포름알데히드로 불활성화하여 항원성을 그대로 유지하는 것)를 이용한 적절한 예방 접종에 달려 있습니다. 톡소이드는 디프테리아 독소를 포름알데히드와 함께 37°C의 알칼리성 조건에서 배양하여 제조합니다. 디프테리아 예방 접종은 생후 2개월부터 시작하여 4~8주 간격으로 3회에 걸쳐 기본 접종을 실시하고, 마지막 기본 접종 후 약 1년 후에 4차 접종을 실시합니다. 디프테리아 톡소이드는 디프테리아-백일해-파상풍(DPT) 백신의 구성 요소로 널리 사용됩니다. 역학 연구에 따르면 디프테리아 예방 접종의 효과는 약 97%입니다. 미국과 유럽에서는 디프테리아에 대한 집단 예방 접종이 시행되고 있으며 소아 예방 접종률도 적절하지만, 성인 인구의 상당수는 방어 수준 이하의 항체가를 가지고 있을 수 있습니다. 성인은 10년마다 디프테리아 톡소이드를 재접종해야 합니다. 실제로, 풍토병성 디프테리아 발생률이 높은 지역(중남미, 아프리카, 아시아, 러시아, 동유럽)으로 여행하는 여행객에게는 디프테리아-파상풍 톡소이드를 이용한 추가 접종을 해야 합니다. 최근 몇 년 동안 고순도 톡소이드 제제를 사용한 예방 접종으로 인해 간혹 발생하는 심각한 과민 반응이 최소화되었습니다. 풍토병성 디프테리아 발생률이 높은 지역(중남미, 아프리카, 아시아, 러시아, 동유럽)으로 여행하는 여행객에게는 디프테리아-파상풍 톡소이드를 이용한 추가 접종을 해야 합니다. 최근 몇 년 동안 고순도 톡소이드 제제를 사용한 예방 접종으로 인해 간혹 발생하는 심각한 과민 반응이 최소화되었습니다. 풍토병성 디프테리아 발생률이 높은 지역(중남미, 아프리카, 아시아, 러시아, 동유럽)으로 여행하는 여행객에게는 디프테리아-파상풍 톡소이드를 이용한 추가 접종을 해야 합니다. 최근 몇 년 동안, 고도로 정제된 독소이드 제제를 면역에 사용함으로써 가끔씩 나타나는 심각한 과민 반응이 최소화되었습니다.

디프테리아 환자 치료의 일환으로 항생제(페니실린, 에리스로마이신 등)가 사용되지만, 디프테리아 항독소를 이용한 신속한 수동 면역이 사망률을 줄이는 데 가장 효과적입니다. 특정 항독소의 혈류 내 긴 반감기는 디프테리아 독소의 효과적인 중화를 보장하는 데 중요한 요소입니다. 그러나 효과가 있으려면 항독소가 세포 내로 들어가기 전에 독소와 반응해야 합니다.

진핵생물 수용체 특이적 세포 독소 개발을 위한 디프테리아 독소의 재설계

단백질 공학은 분자생물학에서 새롭고 빠르게 발전하는 분야입니다. 재조합 DNA 방법과 고체상 DNA 합성을 결합하여 독특한 특성을 가진 키메라 유전자를 설계하고 구축합니다. 디프테리아 독소의 구조-기능 관계에 대한 연구는 이 독소가 촉매, 막관통, 수용체의 세 가지 도메인을 가진 단백질임을 명확히 보여주었습니다. 디프테리아 독소의 본래 수용체 결합 도메인을 다양한 폴리펩타이드 호르몬과 사이토카인(예: α-멜라닌세포 자극 호르몬[α-MSH], 인터루킨(IL) 2, IL-4, IL-6, IL-7, 상피세포 성장 인자)으로 유전적으로 대체하는 것이 가능했습니다. 그 결과, 키메라 단백질 또는 융합 독소는 사이토카인의 수용체 결합 특이성과 독소의 막관통 도메인 및 촉매 도메인을 결합합니다. 각 경우에서 융합 독소는 해당 표적 수용체를 보유한 세포만 선택적으로 중독시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 유전자 변형 융합 독소 중 첫 번째인 DAB 389IL-2는 현재 고친화도 IL-2 수용체를 가진 세포가 발병 기전에 중요한 역할을 하는 내성 림프종 및 자가면역 질환의 치료를 위한 인체 임상 시험에서 평가되고 있습니다.[ 7 ] DAB 389 IL-2 투여는 안전하고 내약성이 좋으며 심각한 부작용 없이 지속적인 질병 완화를 유도할 수 있는 것으로 나타났습니다. 디프테리아 독소 기반 융합 독소는 특정 세포 표면 수용체를 표적으로 삼을 수 있는 특정 종양 또는 질병의 치료를 위한 중요한 새로운 생물학적 제제가 될 가능성이 높습니다.