본문내용
1. 항생제 개요
1.1. 항생제의 정의
항생물질(Antibiotics)이란 방선균이나 진균 등의 미생물이 생성한 2차 대사산물이며 분자량이 작고 대부분 화학구성이 단백질이 아니면서 자기를 제외한 다른 미생물의 증식을 억제하거나 사멸시키는 항균활성을 가진 물질이다.""
1.2. 항생제의 종류와 작용 기전
1.2.1. 세포벽 합성 저해
세포벽 합성 저해란 항생제가 세균의 세포벽 합성을 방해하여 항균 작용을 나타내는 기전이다. 세포벽은 세균 생존에 필수적이므로, 이를 파괴하거나 합성을 저해하면 세균이 사멸하게 된다.
대표적인 세포벽 합성 저해 항생제로는 베타락탐계 항생제가 있다. 베타락탐계 항생제는 세균의 세포벽 펩티도글리칸 합성을 저해하여 항균 작용을 나타낸다. 세균의 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성되며, 이를 합성하는 효소인 transpeptidase와 transcarboxylase에 베타락탐 고리가 결합하여 이들 효소의 활성을 저해한다. 이로 인해 세포벽 합성이 억제되어 세균이 팽윤되다 결국 파열되어 사멸하게 된다.
페니실린과 세팔로스포린이 대표적인 베타락탐계 항생제에 속한다. 페니실린은 1929년 영국의 Alexander Fleming에 의해 최초로 발견되었으며, 그람 양성균에 효과적이다. 세팔로스포린은 1945년 이탈리아의 Giuseppe Brotzu에 의해 발견되었고, 세대가 늘어나면서 점차 그람 음성균에 대한 항균력이 증가하였다.
이 외에도 모노박탐계와 카바페넴계 항생제도 베타락탐 구조를 가지고 있어 세포벽 합성 저해 기전을 나타낸다. 모노박탐계는 그람 음성균에 선택적으로 작용하며, 카바페넴계는 가장 광범위한 항균 스펙트럼을 지닌다.
한편 베타락탐 항생제에 내성을 가진 세균을 치료하기 위해, 베타락타마제 억제제인 클라불란산, 술박탐, 타조박탐 등이 개발되어 활용되고 있다. 이들 억제제는 세균이 생성하는 베타락타마제 효소를 불활성화시켜 베타락탐 항생제의 항균력을 높이는 역할을 한다.
결론적으로, 항생제 중 베타락탐계가 세포벽 합성 저해 기전을 통해 가장 대표적인 항균 작용을 나타내며, 이는 의료 현장에서 널리 사용되고 있다.
1.2.2. 세포막 투과성 변화
세균의 세포막은 선택적 투과성을 가지고 있어 세포 내외의 물질 이동을 조절하는 중요한 역할을 합니다. 항생제 중에는 세포막의 투과성을 변화시켜 세균을 사멸시키는 작용을 하는 약물이 있습니다.
대표적으로 폴리믹신(polymyxin)계와 일부 항진균제가 세포막 투과성 변화를 통해 항균 작용을 나타냅니다. 폴리믹신은 그람음성균의 세포막에 결합하여 세포막의 선택적 투과성을 변화시키고 세포질 성분의 유출을 유발하여 세균을 사멸시킵니다. 암포테리신 B, 케토코나졸, 플루코나졸, 이트라코나졸 등의 항진균제도 진균 세포막에 결합하여 세포막 구조와 기능을 파괴함으로써 항진균 작용을 나타냅니다. 다만 이러한 작용은 인체 세포막에도 영향을 미칠 수 있어 대량 투여 시 독성 문제가 발생할 수 있습니다.
이처럼 항생제가 세균의 세포막 투과성을 변화시켜 항균 효과를 나타내는 기전은 세포막의 중요성을 보여주는 대표적인 사례입니다. 세균의 생존과 증식에 필수적인 세포막의 기능을 방해함으로써 효과적인 항균 작용을 나타낼 수 있습니다.
1.2.3. 단백질 합성 억제
세균의 단백질 합성을 억제함으로써 항균 작용을 나타내는 항생제는 아미노글라이코사이드계, 마크로라이드계, 링코사마이드계, 테트라사이클린계 등의 항생제들이다.
아미노글라이코사이드계 항생제는 세균의 리보솜 30S 소단위에 결합하여 단백질 합성을 저해한다. 이로 인해 세균의 증식을 억제하는 정균 작용을 나타낸다. 대표적인 아미노글라이코사이드계 항생제로는 겐타마이신, 토브라마이신, 아미카신 등이 있다.
마크로라이드계, 링코사마이드계, 스트렙토그라민계 항생제(MLS계열)는 세균의 리보솜 50S 소단위에 결합하여 단백질 합성을 억제한다. 이 계열의 항생제들은 주로 그람양성균에 대한 항균력이 우수하며, 정균 작용을 나타낸다. 대표적인 마크로라이드계 항생제로는 에리스로마이신, 클래리스로마이신, 아지스로마이신 등이 있다.
테트라사이클린계 항생제는 세균의 리보솜 30S 소단위에 결합하여 아미노아실-tRNA의 리보솜 결합을 차단함으로써 단백질 합성을 저해한다. 이를 통해 세균의 증식을 억제하는 정균 작용을 나타낸다. 대표적인 테트라사이클린계 항생제로는 테트라사이클린, 독시사이클린, 미노사이클린 등이 있다.
이처럼 단백질 합성 억제 기전을 통해 항균력을 발휘하는 항생제들은 대부분 정균 작용을 나타내며, 세균의 증식을 억제하지만 완전한 사멸을 유도하지는 않는다. 따라서 이러한 항생제를 투여한 후 투여를 중단하면 세균이 다시 증식할 수 있다.
1.2.4. 핵산 합성 억제
핵산 합성 억제는 항생제가 세균의 유전물질인 DNA와 RNA의 합성을 방해하여 항균작용을 나타내는 기전이다. 이를 통해 세균의 증식과 복제를 억제하여 감염을 치료할 수 있다.
대표적인 핵산 합성 억제 항생제로는 quinolone계와 rifampicin이 있다. quinolone계 항생제는 세균 DNA gyrease와 topoisomerase IV 효소를 억제하여 DNA 복제를 방해한다. 이를 통해 DNA 합성을 저해하고 세균을 사멸시킨다. 대표적인 quinolone계 항생제로는 ciprofloxacin, levofloxacin 등이 있다. rifampicin은 세균의 RNA 중합효소를 억제하여 RNA 합성을 차단하여 항균력을 발휘한다.
이 외에도 sulfonamide와 trimethoprim은 각각 엽산 합성 단계의 서로 다른 효소를 억제하여 상승효과를 보인다. 이를 통해 세균의 엽산 합성을 저해하여 간접적으로 DNA 합성을 억제한다.
항생제의 핵산 합성 저해 기전은 매우 효과적이지만, 이에 대한 내성 또한 빠르게 발생하는 문제가 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 새로운 기전의 항생제 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
1.2.5. 엽산 합성 억제
엽산 합성 억제는 세균의 핵산 합성을 저해하여 항균 작용을 하는 메커니즘이다. 세균에는 자체적으로 엽산을 합성할 수 있는 기전이 있지만, 엽산 합성을 저해하는 항생제를 처리하면 세균이 증식하지 못하게 된다.
세균과 인체 세포는 엽산 합성 경로의 차이가 있는데, 세균은 자체적으로 엽산을 합성할 수 있지만 인체 세포는 외부로부터 엽산을 섭취해야 한다. 따라서 엽산 합성 억제 항생제는 세균의 엽산 합성을 저해하여 증식을 막을 수 있지만, 인체 세포에는 큰 영향을 미치지 않는다.
대표적인 엽산 합성 억제 항생제로는 설포나미드와 트리메토프림이 있다. 설포나미드는 세균의 엽산 대사 과정에서 필수적인 para-aminobenzoic acid(PABA)의 합성을 억제하여 항균 작용을 나타낸다. 또한 트리메토프림은 세균의 dihydrofolate reductase(DHFR) 효소를 억제하여 엽산 합성을 차단한다. 이 두 약물은 단독으로도 항균 효과를 보이지만, 상승 작용이 있어 병용 투여하면 시너지 효과를 나타낸다.
설포나미드와 트리메토프림의 병용 투여는 요로감염, 폐렴, 중이염 등 다양한 세균 감염증 치료에 효과적이며, 특히 그람 양성균, 그람 음성균, 일부 원충 감염에 대한 광범위한 항균 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 장점으로 인해 설포나미드-트리메토프림 복합제는 임상에서 널리 사용되고 있다.
2. 항생제 사용
2.1. 세균에 미치는 영향에 따른 분류
2.1.1. 정균 효과
정균 효과는 항생제가 세균의 증식을 억제하는 것을 의미한다. 항생제가 세균 내 구조와 약하게 혹은 가역적으로 결합하여 세균의 증식을 막는 방식으로 작용하므로, 항생제를 중단하면 세균이 다시 증식할 수 있다. 즉, 항생제를 제거하면 세균이 다시 증식하게 되는 것이다.
이런 정균 효과를 보이는 대표적인 항생제로는 마크로라이드계, 클린다마이신, 트리메토프림/설파메톡사졸 등이 있다. 이들 항생제는 세균의 단백질 합성을 억제하여 증식을 저해하는 방식으로 작용한다. 하지만 정균 효과로 인해 항생제 투여가 중단되면 세균이 다시 증식할 수 있기 때문에, 감염이 재발할 가능성이 있다는 한계점이 있다.
따라서 의사는 정균 효과를 보이는 항생제 사용 시 환자의 증상 호전 여부와 지속적인 모니터링을 통해 적절한 치료 기간을 결정해야 한다. 또한 세균의 내성 발생을 예방하기 위해 불필요한 장기 처방은 피하고, 감염의 재발 가능성에 주의를 기울여야 한다.
2.1.2. 살균 효과
살균 효과는 항생제가 세균의 증식을 억제하는 것을 넘어 세균을 완전히 사멸시키는 것을 의미한다. 즉, 항생제가 세균 내부의 구조나 기능을 비가역적으로 파괴하여 세균을 완전히 죽이는 작용을 하는 것이다.
살균 효과를 나타내는 항생제는 세균 세포벽 합성을 저해하거나, 세포막 투과성을 변화시키며, 단백질 합성 또는 핵산 합성을 억제하여 세균을 사멸시킨다. 이러한 기전으로 작용하는 대표적인 항생제로는 베타락탐계, 아미노글라이코사이드계, 글리코펩타이드계 등이 있다.
베타락탐계 항생제는 세균 세포벽 합성을 저해하여 세포가 삼투압에 견디지 못하게 함으로써 세균을 사멸시킨다. 페니실린, 세팔로스포린, 카바페넴, 모노박탐 등이 이에 해당한다. 아미노글라이코사이드계 항생제는 세균의 단백질 합성을 억제하여 세균을 사멸시키며, 대표적인 약물로는 겐타마이신, 토브라마이신, 아미카신 등이 있다. 글리코펩타이드계 항생제인 반코마이신은 세균 세포벽 합성을 저해하여 살균 효과를 나타낸다.
이와 달리 정균 효과를 나타내는 항생제는 세균의 증식을 억제하지만 사멸시키지는 않는다. 대표적인 정균 효과 항생제로는 마크로라이드계, 링코사미드계, 테트라사이클린계, 설포나미드와 트리메토프림 등이 있다.
이처럼 살균 효과와 정균 효과는 항생제의 작용 기전과 밀접하게 관련되어 있으며, 이해하는 것은 적절한 항생제 선택과 사용에 중요한 지침이 된다.
2.2. 주요 항생제 계열
2.2.1. 베타락탐계
베타락탐계 항생제는 화학구조상 베타락탐 고리를 기본 구조로 하는 항생제들을 일컫는다. 베타락탐계 항생제는 세균의 세포벽 합성을 저해하여 항균력을 발휘한다. 이들은 의료 현장에서 가장 널리 사용되는 항균제로, 세균의 세포벽 합성에 관여하는 효소인 transpeptidase와 transcarboxylase에 직접 작용하여 세포벽 합성을 저해한다. 이를 통해 세균을 사멸시키는 살균 효과를 나타낸다.
베타락탐계 항생제는 크게 페니실린계와 세팔로스포린계로 구분된다. 페니실린계 항생제는 1929년 영국의 Fleming에 의해 푸른곰팡이에서 처음 발견되었으며, 그람 양성균에 주로 효과적이지만 천연 페니실린은 산에 대해 불안정하다는 단점이 있다. 세팔로스포린계 항생제는 1945년 이탈리아의 Brotzu에 의해 발견되었으며, 세대에 따라 그람 음성균에 대한 억제력이 강화되었다.
세팔로스포린계 항생제는 제1세대부터 제4세대까지 구분되는데, 각 세대별로 특징이 다르다. 제1세대 세팔로스포린은 그람 양성균에 대한 항균력이 강하지만 제2세대부터는 그람 음성균에 대한 억제력이 증가하였다. 제3세대 세팔로스포린은 장내세균과 녹농균에 대한 항균력이 강화되었고, 제4세대에 이르러서는 세포외막 투과성이 향상되어 AmpC형 베타락타마제에 더욱 안정적이게 되었다.
모노박탐계와 카바페넴계 항생제도 베타락탐계에 속한다. 모노박탐계는 경구 투여가 불가능하여 주사제로만 사용되며, 호기성 및 통성 혐기성 그람 음성 간균에만 항균력을 갖는다. 카바페넴계는 베타락탐 항생제 중 가장 항균 범위가 넓지만, 메탈로 베타락타마제에 의해 분해되는 단점이 있다.
또한 베타락탐계 항생제에는 베타락타마제 억제제가 병용 사용되기도 한다. 이들 억제제는 미생물에 직접적인 영향을 주지 않고, 단지 미생물이 생산한 베타락타마제를 불활성화시켜 항균제의 효과를 높이는 역할을 한다.
이처럼 베타락탐계 항생제는 세포벽 합성 저해를 통한 살균 효과를 나타내며, 페니실린계와 세팔로스포린계, 모노박탐계, 카바페넴계 등 다양한 종류로 구분된다. 이들은 의료 현장에서 가장 광범위하게 사용되는 항균제라 할 수 있다.
2.2.2. 아미노글라이코사이드계
아미노글라이코사이드계 항생제는 대부분의 호기성 그람 음성 막대균에 유효하다. 그람 양성균의 일부와 그람 음성균에 폭넓은 항균력을 보이지만, 연쇄상구균, 폐렴구균에는 항균력이 약하며, 혐기성균에는 항균력이 없다. 대표적인 아미노글라이코사이드계 항생제로는 겐타마이신, 토브라마이신, 아미카신 등이 있다.
겐타마이신(Gentamycin)은 호기성 그람 음성 막대균에 유효하며, 특히 포도상구균에 대한 항균력이 토브라마이신에 비해 강하다. 그러나 포도상구균과 장구균에 대한 항균력은 약한 편이다. 중증 호기성 그람 음성 막대균 감염, 특히 녹농균 감염 시 베타락탐계 항생제와 병용하여 사용한다.
토브라마이신(Tobramycin)은 모든 호기성 그람 음성 막대균에 유효하며, 특히 녹농균에 대한 항균력이 겐타마이신보다 약 2배 강하다. 그러나 그람 양성균과 혐기성균에는 효과가 없다. 중증 호기성 그람 음성 막대균 감염, 특히 녹농균 감염 시 베타락탐계 항생제와 병용하여 사용한다.
아미카신(Amikacin)은 겐타마이신이나 토브라마이신에 내성이 있는 그람 음성 막대균에 대한 억제 작용이 뛰어나다. 특히 포도상구균, 폐렴구균, 녹농균 등 다제내성 그람 음성균에 유효하다. 그러나 혐기성균에는 효과가 없다.
이처럼 아미노글라이코사이드계 항생제는 주로 그람 음성 막대균 감염에 유효하지만, 신기능 장애, 청력 장애 등의 부작용이 있어 주의가 필요하다. 이러한 부작용 때문에 단독 투여보다는 다른 계열의 항생제와 병용하여 사용하는 것이 일반적이다.
2.2.3. Macrolide, Lincosamide, Streptogramin계
Macrolide, Lincosamide, Streptogramin계 항생제는 단백질 합성을 억제하여 정균작용을 나타내는 항생제들이다. 이 계열의 항생제들은 그람 양성균에 대한 항균력이 상대적으로 높으며, 대부분의 그람 음성균은 자연내성을 갖고 있다.
Macrolide계 항생제에는 대표적으로 에리스로마이신, 클래리...
