Gram (-) Pathogenic Bacteria

Dongwoo ShinLaboratory of Molecular BacteriologyDepartment 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

- 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. cholerae

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

- 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. cholerae

- From self-limited diarrhea to mild cholera-like illness

- Watery diarrhea

- Wound infection: by exposure to contaminated seawater

V. parahaemolyticus

Vibrio

3. Clinical Diseases

- 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 :

V. vulnificus ( 패혈증 비브리오 )

- 강과 바다가 만나는 유역에서 주로 서식- 수온이 높은 여름철에 주로 분리

Vibrio

3. Clinical Diseases

- 간질환 ( 간경변 , 간염 ) 이 있거나 당뇨병 등으로 면역기능이 저하되어 있는 사람에 감염증 : V. vulnificus 의 철 이용성과 상관관계- 협막 (capsule): 혈청살균작용 및 포식세포에 대한 저항성- Rtx (toxin), Hemolysin, Cytolysin, Proteases

V. vulnificus ( 패혈증 비브리오 )

- 40 대 이상 (90~95%) 의 남자 (90% 이상 ) 에서 발병- 해산물 생식 후 3 시간 혹은 8 일 이내 ( 평균 2 일 ) 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 , Staphylococcus 와 함께 병원감염의 3 대 원인 중 하나로서 면역력이 약화된 환자에서 70% 이상의 치사율을 보임

Pseudomonas aeruginosa

-Pseudomonas 속 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

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 성분협막섬모LPS

Pyocyanin(2) 독소와 효소

Exotoxin A

Exotoxin S

LeukocidinElastase

Alkaline protease

Phospholipase C

Rhamnolipid

(3) 항생제 내성

부착소 , 항생제 저항성 , 중성구 및 림프구 억제

부착소

Endotoxin

폐섬모 운동억제 , IL-8 분비 증강 , 염증반응 증강 , 반응성 산소 생성

단백질합성억제 , 조직손상 , 면역억제단백질합성억제 , 면역억제세포막 손상Elastin 함유 조직 ( 혈구 , 폐조직 , 피부 ) 파괴

조직손상 , 인터페론 및 TNF-α 불활성화

조직손상 , 염증반응 증강레시틴 함유 조직 파괴 , 폐섬모 운동 억제

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, polymyxin 에 감수성을 보이지만 장기투여 시 내성균이 나타남

-녹농균의 β-lactam 항생제 내성 : 분해효소 생산 , 막투과성 변화 , 배출계 (efflux system) 의 보유에 기인

Pseudomonas aeruginosa

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 6 천만 명의 환자 발생 , 1 세 미만의 영아에서 주로 발병

-7~10 일 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 , 2 차 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 b 의 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

Neisseria2. 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

Neisseria2. Epidemiology

- 사람에서만 발생- 성적 접촉에 의해 전파- 클라미디아 다음으로 흔한 성접촉 전염병 , 15 세 ~24 세 에서 빈발- 주요 병원소 : 무증상 보유자 , 남성 보다 여성이 많음

- 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- 5 세 이하의 유아에서 빈발

Gonococcal disease

Meningococcal disease

Neisseria3. Clinical Diseases

- 남성 : 요도에 제한• 성교 후 2~5 일 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 gonorrhoeae

(1) 임질 (Gonorrhea)

Neisseria

- 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 gonorrhoeae

(2) 임균혈증 (Gonococcemia)

Neisseria

- 감염성 간주위염 (perihepatitis, Fitz-Hugh-Curtis syndrome)- 화농성 결막염 (suppurative conjunctivitis); 신생아 안염 (ophthalmia neonatorum)

Neisseria gonorrhoeae

(3) 기타 임균 감염

Neisseria

- 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

Neisseria meningitidis

(1) 수막염

- 수막염 증상 없이 나타나는 치명적 질병- 여러 장기의 혈관을 막아 발병- 피부 증상 : 몸통과 하지에 작은 점출혈 후 확대- 패혈증

(2) 수막알균혈증 (meningococcemia)

Neisseria4. Treatment and Prevention

- 과거 penicillin 으로 치료- 현재는 더 이상 효과 없음 : 내성 균주 출현 , 세계 각지에서 유행- 백신의 개발이 어려움- 예방 : 성교육 , 적극적 조기 진단 ...

- 항생제 치료와 합병증 감소를 위한 보조 치료의 병행- 아직은 penicillin 에 민감- 치명적 질병이므로 항생제 내성균 존재를 고려한 신중한 항생제 투여가 요구됨 - 백신 : 각 혈청군에 대한 협막 다당 이용 , 다가형 백신이 개발

임질

수막염

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 → macrophage 에 의한 탐식 → 림프관 , 림프절 → 비장 , 간 , 골수 → 농양을 형성하여 조직 파괴

-세계적 분포 매년 50 만 건 발생

-국내 : 2002 년 첫 발생 , 매년 수십 건 , 축산업 종사자 , 수의사 , 주 원인균은 B. abortus

-Erythritol 이 풍부한 유방 , 자궁 , 태반 , 부고환 조직을 감염 , 불임 , 낙태의 원인