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미생물이야기 PET로 병원미생물 직접 검출 성공
2013-08-05 14:05:48
이엠생명과학연구원
PET로 병원미생물 직접 검출 성공
세균·진균 세포벽 구성성분이 타깃

 

감염증에서 실시돼 온 기존 영상진단은 특정 감염 부위의 염증상(傷)을 보여주는데 불과해 화학요법은 아직까지 엠피릭(경험적) 치료에 의존할 수 밖에 없는 상황이다.

이런 가운데 최근 일본 후쿠이대학 종양병리학 노리키 사콩 교수와 이나이 구니히로 교수팀은 이 대학 고에너지의학연구센터와 함께 세균·진균의 세포벽을 구성하는 기틴의 기질인 N-아세틸글리코사민을 방사성물질로 표지하여 양전자방출형단층촬영(PET)으로 생체내 병원체 국소 부위를 특이적으로 가시화시키는데 최초로 성공했다. 감염증 진료에 새로운 전기를 마련할 수 있을지에 주목되는 새 영상법에 대해 알아본다.

오토라디오그래피로 세균세포벽의 특이적 흡수 확인

감염증 영상진단법으로는 흉부단순X선촬영 사진, CT, MRI 등이 있다. 그러나 모두 감염에 동반되는 염증 부위의 확산을 발견하는데만 그칠 뿐이며 병원체의 존재 자체를 가시화시키지는 못하고 있다.

최근 세균·진균 감염의 새로운 영상화법으로서 불소18로 표지한 2-플로오로-2-데옥시글루코스(18F-FDG)를 이용한 PET영상화가 보고됐다.

그러나 이 방법 역시 감염 병변에 집족된 염증 세포에 FDG가 흡수되는 영상만을 보여주는데 불과했다.

PET를 통해 생체내 침입한 병원체 자체를 파악할 수는 없을까. 예를들어 심재성진균증에서의 심부감염부위에서 진균 콜로니만을 영상화할 수는 없을까.

노리키 교수는 우선 세균·진균의 세포벽의 보편적 구성 성분인 키틴(chitin)에 착안했다. 키틴의 기질인 N-아세틸글루코사민은 우리딘2인산(UDP)-N-아세틸글루코사민에서 키틴신타제와 키티나제의 대사를 통해 생성된다.

UDP-N-아세틸글루코사민과 N-아세틸글루코사민 양쪽을 분자 타깃으로 선별, 트리티움(3H) 표지하여 오토라디오그래피로 검증했다.

꼬리정맥에서 아스페르길루스(Aspergillus)를 주입하여 감염시킨 마우스의 복강내로 3H-UDP-N-아세틸글루코사민과 3H-N-아세틸글루코사민을 각각 따로 투여한 다음 2시간 후에 살처분하여 핵종의 조직내 분포를 검토했다.

그 결과, 모든 핵종이 아스페르길루스 균체에만 축적돼 있고 균체가 검은 점으로 집적돼 있었다(그림1, 3H-N-아세틸글루코사민 투여례).

   
그림1.아스페르길루스감염 마우스 조직의 3H-N-아세틸글루코사민에 의한 오토라디오그래피 영상. 3H-N-아세틸글루코사민을 흡수한 균체가 검은 점이 집적돼 있는 것처럼 나타났다.(화살표는 호중구)

또 균체 주변에 모인 호중구 등의 염증세포와 신(腎)조직에는 핵종이 거의 축적되지 않은 것으로 나타났다.

2개의 핵종을 이용한 이번 실험에서 분자 표적으로는 UDP-N-아세틸글루코사민보다 N-아세틸글루코사민이 훨씬 균체 흡수가 양호하다는 사실도 확인됐다.

앞선 예비실험에 이어 6종류의 사람 암세포주에 3H-N-아세틸글루코사민을 투여하는 in vitro실험도 실시됐다.
사람 세포주에 전혀 흡수되지 않은 것은 아니지만 검출한계 이하였다는 점에서 N-아세틸글루코사민은 세균·점막만을 특이적으로 검출할 수 있는 우수한 분자표적인 것으로 확인됐다.

또 소화관점막에 감염성 미란을 일으킨 마우스의 혈중에 3H-N-아세틸글루코사민을 투여해도 관강 내에는 집적되지만 상재균총으로는 이동하지 않는 것으로 나타났다.

N-아세틸글루코사민을 18F표지PET로 생체내 병원체 검출

예비실험을 거듭한 끝에 핵종을 3H에서 18F로 교체해 PET로 실험을 시작하는 단계에 도달했다.

이후 사전에 면역억제제를 투여한 래트의 우측 대퇴근육에 대장균을 주입하여 심부 농양을 만들고 꼬리정맥에 18F-N-아세틸글루코사민을 투여했다.

18F의 반감기가 110분이라는 점을 감안하여 투여 1시간 후에 PET를 실시했다. PET에서 나타나는 병변 부위와 일치하게 우측 대퇴부의 병리조직표본에서 직경 약 2mm의 세균이 집족된 병변이 확인됐다(그림2).

   
그림2.18F-N-아세틸글루코사민을 이용한 대장균감염(우측 대퇴근속) 래트의 PET영상(좌)과 병리조직상(우)


 
녹농균에는 대량흡수 확인

노리키 교수팀은 현재까지 여러 종류의 병원체를 감염시킨 동물에서 PET 촬영을 종료한 상태로, 모두 목표한 결과를 얻어냈다.

in vitro에서 흡수 정도는 균종마다 약간씩 다르지만 특히 녹농균은 상당히 많은 양이 흡수되는 것으로 나타났다.
한편 18F-N-아세틸글루코사민은 흡수량이 합성을 시작한 시점의 10분의 1에서 가장 많이 손실된다는 문제점이 있다. 게다가 이번 시도에 대해 감염증진단에까지 PET로 검토할 필요가 있느냐는 지적도 있는 등 연구과정에서 어려운 점도 있었다고 한다.
 
감염증 경험치료에 종지부

감염증은 최근 인구동태통계에서도 폐렴이 사망원인의 4위를 차지하고 있어 여전히 심각한 문제다.

이나이 교수의 검토에 따르면 병리해부증례의 폐렴 합병률은 혈액질환에서 약 60%, 고형종양에서 약 40%를 차지하며 폐 이외에 감염 병변이 발견되는 경우와 패혈증, 진균감염, 바이러스감염도 적지 않다. 이러한 감염증이 직접적인 사망원인이되는 경우도 많다.

이러한 현상과는 달리 감염증 치료는 현재 경험적 치료에 머물고 있다.

“백혈병에서는 사망 1개월 전에만 항균제를 8제나 사용하는 경우도 적지 않다. 또 기존 영상진단에서는 감염 후의 수복기전 결과로 나타나는 조직 섬유화와 감염병변 자체를 확실히 판별할 수 없다. 이러한 경우 병원미생물 자체의 통태만을 검출하는 비침습적인 객관적 지표가 있다면 항균제 투여의 필요성을 정확히 판단할 수 있어 적정한 화학요법이 가능하다.”(이나이 교수)

18F-N-아세틸글루코사민-PET는 피폭량도 적고 아세틸글루코사민 자체는 보충제로도 사용되기 때문에 안전성은 매우 높다고 한다.

또 감염병변의 시간적 변동(up and down)을 정량적으로 추적할 수 있어 항균제 효과 판정을 위해 여러 동물을 희생시킬 필요도 없다. 연구팀은 이 세균·진균의 영상화법을 특허 출원한 상태로 조만간 임상시험도 진행할 예정이다.




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