Abstract

Characteristics of Mycobacterium tuberculosis isolates from contact investigations in Korea, 2015-2017

Ha Jee Min, Lee Jeong Seob, Kim Young Mi, Song Seung Eun, Kwon Seung Jik, Yoo Jae Il, Kim Dong Hyeok
Division of Bacterial Diseases, Center for Laboratory Control of Infectious Disease, KCDC

Mycobacterium tuberculosis complex genotyping has proven to be an important tool for tuberculosis (TB) control and surveillance, and has provided new insight into the dynamics of disease transmission. In this study, we genotyped a total of 1,931 M. tuberculosis isolates from 1,669 congregate facilities, such as schools, companies, and hospitals etc., with conventional contact investigations from 2015 to 2017 in Korea using spoligotyping and 24-loci MIRU-VNTR. Based on the molecular typing results, 1,177 genotypes were identified from the 1,931 isolates, 940 (48.7%) of which had a unique genotype, while the others (51.3%) shared a profile with one or more other strains, and were categorized into 237 clusters. The results of spoligotyping indicated that 95.1% of the isolates belonged to known genotype clades. The largest spoligotype was the Beijing clade (80.53%), followed by the T1 clade (9.06%), H3 clade (0.93%), and T2 clade (0.88%). The most common genotype was TBG0381 (n = 65, 3.4%), followed by TBG0014 (n = 41, 2.1%), TBG0175 (n = 22, 1.1%), and TBG0100 (n = 21, 1.1%); all of the genotypes were included in the SIT 1-Beijing family. Moreover, the Beijing genotype strains showed a higher genomic clustering rate (OR = 7.7, 95% CI: 5.7-10.5) and TB transmission rate (OR = 4.0, 95% CI: 1.7-9.8) compared with non-Beijing genotype strains. In conclusion, our data suggest that the Beijing genotype is the most predominant genotype in Korea, and that a Beijing strain is associated with recent transmission events rather than a non-Beijing strain.

Keywords: Mycobacterium tubercuosis, Molecular typing, Genotypes


들어가는 말

결핵은 Mycobacterium tuberculosis complex(MTBC)에 감염되어 유발되는 감염병으로 전 세계적으로 연간 약 천만 명의 신환자가 발생하는 것으로 추정되고 있다[1]. 국내에서도 약 30,000여 명의 신환자가 매년 보고되고 있어 결핵관리를 위한 적극적인 대응이 요구되고 있다[2]. 결핵은 매개체 없이 공기감염(비말핵)을 통해 감염되며, 감염 후 평생에 걸쳐 감염인의 약 5～10%가 활동성 결핵으로 이환된다고 알려져 있어 통상적인 역학조사만으로는 감염원 추적과 질병의 전파경로를 확인하는 것이 어렵다. 이러한 점을 해결하기 위해 결핵균 유전형 검사(MTB molecular typing service)가 도입되었다. 초기에는 결핵 집단 환자를 대상으로 감염경로를 확인하는데 제한적으로 사용하였으나, 현재는 미국, 영국 등 주요국에서 결핵 실험실검사 체계에 포함시켜 배양되는 결핵균 전수를 대상으로 검사하고 있다. 이를 토대로 결핵환자 간 감염경로 확인뿐 아니라, 특정 지역 또는 인구집단 내 유행주 확인, 동일 전파 경로에 포함된 추가 환자 또는 역학적 연관성을 확인하지 못한 환자군에서 발생한 집단발생 조기 인지, 결핵실험실 내 오염에 의한 위양성 확인, 재발 및 재감염 환자 감별, 최근 결핵 전파 현황 분석을 통한 국가결핵관리 평가 등으로 목적이 확대되었다[3,4].
결핵균 유전형 검사법은 변별력, 재현성, 검사자의 생물안전과 유전형 검사로 제공할 수 있는 정보의 범위 등을 고려해 1990년대 중반부터 IS6110-RFLP가 사용되다가 2000년대 초중반에 12 및 15 유전자좌 MIRU-VNTR(Mycobacterial Interspersed Repetitive Unit-Variable Number Tandem Repeat)법과 Spoligotyping 방법으로 변화되었고, 2010년경 24 유전자좌 MIRU-VNTR이 소개되어 국가별 상황에 맞는 방법을 선택하여 사용하고 있다. 최근에는 차세대염기서열분석법을 이용한 유전형 검사방법을 영국과 미국 등에서 도입하여 사용하고 있으며, 캐나다 등에서는 도입을 준비하고 있다[5].
질병관리본부에서는 2015년부터 결핵 집단시설 역학조사 관련 사례 중 동일 집단 내에 2건 이상의 결핵환자 발생이 보고된 사례에 대해 “결핵균 감염경로 추적 감시망 사업”을 추진하고 있으며, “결핵균 유전형 검사”를 처음 도입하여 수행하고 있다. 2017년부터는 결핵 집단시설 역학조사 관련 배양균주 전수로 검사 대상을 확대하여 향후 발생할 수 있는 접촉자 중 추가 환자의 감염경로를 확인할 수 있는 체계를 구축하였다. 결핵균 유전형 검사는 사업 초기부터 24 유전자좌를 이용한 MIRU-VNTR법과 Spoligotyping법을 채택하여 사용하고 있다. 또한 2020년 차세대염기서열분석법을 이용한 검사법을 도입하기 위해 시범사업도 계획 중에 있다.
이 연구에서는 2015년부터 2017년까지 ‘결핵균 감염경로 추적 감시망’ 운영을 통해 수집한 균주를 대상으로 유전형 특성을 분석하여 국내에서 발생하고 있는 결핵균 중 유행주(endemic strain)의 유무를 확인하고 전파 특성을 균주 관점에서 확인하였다.


몸 말

결핵균 감염경로 추적 감시망을 통해 2015년부터 2017년까지 1,699개 집단시설(학교, 직장, 의료기관 등)로부터 총 1,931주의 결핵균을 수집하였다. 24 유전자좌 MIRU-VNTR법과 Spoligotyping법을 통해 분석한 결과, 총 1,177종의 유전형을 확인할 수 있었다. 991개(51.3%) 결핵균주는 237가지 유전형으로 구분되었으며, 940개(48.7%) 결핵균주는 독립적인 유전형을 가지는 것으로 확인되었다.
SITVIT 데이터베이스(www.pasteur-guadeloupe.fr:8081/SITVIT_ONLINE/)를 이용해 spoligotype을 분석한 결과, 1,555개(80.5%)가 Beijing 타입으로 국내에서 가장 많은 유전형으로 확인되었고, T1 클레이드 175개(9.1%), H3 클레이드 18개(0.9%), T2 클레이드 17개(0.9%) 순으로 확인되었다. 이 연구에서 확인된 spoligotype의 종류는 총 30종이었으며, 78개(4.0%) 균주는 데이터베이스에서 확인되지 않은 새로운 유형이었다. TB-insight 데이터베이스(http://tbinsight.cs.rpi.edu)를 이용해 결핵균 계통을 확인한 결과, 1,571개(81.4%)가 East Asian(Beijing) 계통이었으며 Euro-American 계통이 243개(12.6%), Indo-Oceanic 계통이 26개(1.3%), East-African Indian 계통이 14개(0.7%)였다(Figure 1).



국내에 가장 많이 분포하는 유전형은 TBG0381로 65개(3.4%)였고 TBG0014가 41개(2.1%), TBG0175가 22개(1.1%), TBG0100이 21개(1.1%)순으로 분포되어 있었으며, 동일 유전형 균주(genomic cluster) 중 5개 이상인 균주는 모두 Beijing clade에 포함되는 것으로 확인되었다(Figure 2A). 각 집단발생의 환자 수는 2명에서 9명 이었다. 총 150개 집단시설에서 결핵접촉자조사를 통해 2개 이상의 균주가 수집되어 유전형을 비교 분석한 결과, 53개소(35.3%)에서 발생한 결핵 다발 발생이 동일 유전형에 의한 전파로 확인되었다(Figure 2B). 이 중 TBG0381의 20.0%(13/65개)가 3군데의 시설 내 집단발생과 연관이 있었으며, TBG0014의 29.3%(12/41개)와 TBG0100의 28.6%(6/21개)는 2군데의 시설과 관련이 있었다. 따라서 국내의 경우 특정 유전형에 의한 전국적인 대규모 결핵발생은 없는 것으로 확인되었다.
결핵균의 계통과 전파력 간의 관계를 통계적으로 분석한 결과, Beijing type이 비 Beijing type보다 동일한 유전형 균주(genomic cluster)로 구성될 가능성이 유의하게 높은 것으로 확인되었다(OR = 7.7, 95% CI: 5.7-10.5). 또한, 결핵 집단발생사례에서도 Beijing type이 비 Beijing type보다 결핵의 전파와 관련성이 높은 것을 확인하였다(OR = 4.0, 95% CI: 1.7-9.8).




맺는 말

결핵균 유전형 검사를 통해 보다 정교한 결핵균 전파경로 확인이 가능해졌다. 기존 역학조사 결과와 결핵균 유전형 검사 결과를 통합 분석하여 역학조사서의 개선(기존 직장, 가족 등에 한정한 접촉자 조사에서 취미활동, 대중교통 등을 같이 이용하는 대상까지 조사)을 통해 역학조사 대상 확장, 해외 결핵의 유입 및 확산 감시, 인수공통 결핵균과 다제내성 결핵균의 발생 및 전파를 확인할 수 있었다. 개선된 분석 체계는 집단발생 결핵만을 대상으로 분석할 때보다 실험실 검사체계에 유전형 검사를 포함하여 전향적인 감염경로 추적 감시망을 운영하였을 때, 역학조사만으로 인지하지 못하는 감염경로를 확인하여 접촉자 관리를 수행할 수 있게 되었다[5].
이 연구결과를 통해 덴마크의 경우 결핵균 단일 유전형에 의해 전국 결핵의 80% 이상이 발생하는 것에 반하여 우리나라는 특정한 유전형에 의한 전국적인 대규모 발생 없이 다양한 유전형을 가진 결핵균에 의해 질병이 발생되고 있음을 확인하였다[6]. 또한, 국내 분리 결핵균 중 다수를 차지하고 있는 Beijing type이 타 계통 결핵균에 비해 질병의 확산과 연관성을 가지고 있는 것을 확인하였다. 이는 해외의 타 연구들과 동일한 결과로 결핵 조기발견, 접촉자 조사를 통한 감염경로 확인 및 추가 확산 방지, 적극적인 예방 홍보 등을 통한 결핵 전파 방지가 필요하다[7].
국내의 경우 현재까지는 집단시설에서 발생한 결핵균만을 대상으로 유전형 검사를 수행하고 분석하여 국내 전체 결핵균의 유전형 특성을 대표할 수는 없지만 전국적으로 2명 이상의 환자가 발생한 집단시설에 대한 분석 결과를 포함한 첫 연구결과로써의 의미를 가지고 있다. 향후 보다 정확하고 세밀한 분석을 위해 유전형 검사 대상의 확대와 변별력이 높은 차세대 검사법의 도입이 필요하다.


참고문헌

1. WHO. Global tuberculosis report 2016. 2017.
2. 질병관리본부. 결핵환자 신고 현황 연보. 2017.
3. CDC. http://www.cdc.gov/tb/programs/genotyping
4. PHE. TB Strain Typing and Cluster Investigation Handbook. 3rd Edition, 2014.
5. Dario GDV and Laura P-L. The evolution of genotyping strategies to detect, analyze, and control transmission of tuberculosis. Microbiol Spectrum. 2018;6(5):MTBP-0002-2016. doi: 10.1128/microbiolspec.MTBP-0002-2016.
6. Troels L, et al. Mycobacterium tuberculosis outbreak strain of Danish origin spreading at worrying rates among greenland-born persons in Denmark. J Clin Microbiol. 2013;51:4040-4044.
7. Mokrousov I, et al. Real-time PCR assay for rapid detection of epidemiologically and clinically significant Mycobacterium tuberculosis Beijing type isolate. J Clin Microbiol. 2014;51:1691-1693.