Abstract

Genetic distribution of Streptococcus pyogenes isolated through a surveillance system to assess respiratory infection pathogens in Korea, 2007-2018

Kim Hwanhee, Jung Sang Oun, Yoo Jaeil, Hwang Kyu Jam
Division of Bacterial Diseases, Center for Laboratory Control of Infectious Disease, KCDC

Acute pharyngitis is a common respiratory disease caused by bacterial and viral infections. Streptococcus pyogenes (group A streptococci; GAS) is one of the prevalent pathogens that cause bacterial pharyngitis. M protein is the major virulence factor used for the classification of GAS into various emm types. emm type can be the marker of molecular epidemiological investigation of GAS diseases. In this study, S. pyogenes isolates were collected through a surveillance system and tested to determine the prevalence of pharyngitis GAS emm types in Korea. The common emm types in all isolates were emm 12.0, emm 89.0, emm 4.0, emm 1.0, and emm 12.0. However, the most prevalent GAS emm type varies in isolates collected in different years: in 2007-2009, emm 1.0; in 2009-2011, emm 12.0; and in 2015-2018, emm 28.0. In addition, emm genotypes of GAS may vary every year or with time. Hence, continuous studies are necessary to monitor the epidemiological changes of GAS in Korea.

Keywords: Streptococcus pyogenes, Group A streptococcus, Pharyngitis, Respiratory infection, emm type


들어가는 말

Streptococcus pyogenes(Group A Streptococcus; GAS)는 성홍열의 원인균인 호기성 그람 양성 연쇄상 구균이다. 또한 급성 인후염(acute pharyngitis)의 주요 원인 중 하나로 알려져 있으며 폐렴과 균혈증, 괴사성 근막염, 독성 쇼크 증후군(Toxic shock syndrome; TSS) 등의 침습성 질병 또한 발생시킨다.
급성 인후염은 인후 점막에 급성 염증성 변화가 나타나는 질병으로 의료기관을 방문하게 하는 가장 흔한 질병 중 하나이다. 발열, 목통증, 두통, 콧물, 기침 등의 증상을 동반하며 발병 원인은 바이러스(adenovirus, influenza virus, parainfluenza virus, respiratory syncytial virus 등) 또는 세균(GAS, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae 등)의 감염으로 알려져 있다[1]. 급성 인후염 감염의 원인 세균 중에서 GAS가 성인에서 약 5∼15%, 소아에서 20∼30%대를 차지하고 있는 것으로 보고되고 있다[2]. GAS 유래 인후염은 중증도 질병은 아니나 류머티스열, 급성 신장염 등의 후유증이 동반될 수 있어 주의하여야 한다.
GAS의 혈청형은 세포벽의 단백질 성분에 따라 T형과 M형으로 구분된다. 세균 세포벽에서 유래하는 M 단백질은 S. pyogenes의 대표적인 병독소로서, GAS의 독력과 밀접한 관계가 있으며 외부 환경으로부터 GAS를 보호하는 동시에 숙주세포로의 침입을 용이하게 한다. M 단백질에 따라 독성 정도에 차이가 있다는 보고가 있으며 그 외에도 질환의 경중, 감염 양상, 침습성 질환 여부 등과 관련이 있다고 보고되고 있다[3].
M 단백 항원형은 GAS의 표현형 분류에 사용되는 중요한 지표이지만, 검사에 필요한 항 M 단백 항체의 종류가 많고 보관이 번거로워 그 대안법으로 emm 유전자의 유전형 분석이 주로 사용되고 있다. emm 유전자는 M 단백질의 유전형을 결정하는 유전자로서 M 항원에 따라 특이적인 패턴을 보인다. emm 유전형은 emm 유전자 5′ 말단 변이 부위의 염기서열 차이에 따라 표현형을 분류하는 방법으로 170개의 emm type과 750개 이상의 subtype으로 구분이 가능하다[4]. 이러한 emm type과 같은 유전형 분석 결과는 지역 및 시기별로 유행하는 균주의 분포양상을 파악하고 병독성 균주에 대한 역학적 동태를 파악하는데 사용되고 있다.
이 연구에서는 국내에서 병원체 감시사업을 통해 수집된 성홍열 분리 균주를 대상으로 emm type을 확인하여 해당 기간 동안 유행하였던 GAS균의 유전학적 변화를 조사하였다.


몸 말

이 연구는 2007년∼2009년, 2009년∼2011년 그리고 2014년∼2018년 동안 급성 호흡기 병원체 감시사업으로 구축한 실험실감시망을 통하여 전국의 병·의원에서 수집된 GAS 분리주를 대상으로 하였으며, 수집된 GAS 분리 균주는 염기서열을 분석한 후 미국 CDC에서 운영하는 Streptococcus laboratory 웹페이지(http://www.cdc.gov/streplab/index.html)의 database 정보를 바탕으로 emm type을 분류하였다.

연도별 감시망 운영현황 및 GAS 양성률

질병관리본부에서는 국내 호흡기감염증 및 인후염 원인병원체의 유행 원인 및 분석 관리를 목적으로 발생 양상 및 분포 실태를 파악하고자 호흡기감염증 감시망을 지속적으로 운영 중이다.
이 연구에서 분석한 분리주가 포함된 감시사업은 2005년∼2009년 동안의 급성상기도감염증 감시사업과 2009년∼2011년, 2014년∼2018년 동안의 인후염 감시사업이며, 2005∼2009년 급성상기도 감시사업과 2009년∼2011년, 2014년∼2018년 인후염 감시사업 운영현황을 정리하였다.
2005년∼2009년 동안 운영했던 급성상기도감염증 감시사업의 경우, 총 13,649개 검체가 수집되었으며 그 중 병원체가 분리된 검체는 8,881건으로 65.1%를 차지하였다. GAS 양성 건은 158건이었으며 전체의 1.2%를 차지하였다. 2009년∼2011년 인후염 감시사업은 총 3,586건이 수집되었으며 그 중 2,106건 58.7%에서 병원체가 분리되었고 그 중 GAS 양성 건은 262건으로 전체의 7.3%를 차지하였다. 2014년∼2018년 동안의 감시사업에서는 전체 1,074건의 검체 중 566건(52.7%)에서 병원체가 분리되었고 142건(13.2%)에서 GAS가 분리되었다(Table 1).



국내 emm type 분포 현황

대상인 554개 균주의 emm type을 분석한 결과 국내에서 확인된 성홍열 병원체의 emm 유형은 21종이었다. 이중 emm 12.0이 25.1%(n=139)로 가장 수가 많았고, emm 89.0 19.0%, emm 4.0 16.1%, emm 1.0 12.1%, emm 28.0 9.0%, emm 3.0 5.1% 순이었다. 그 외에도 75.0, 11.0, 6.0 등 다양한 emm type이 동정되었다(Figure 1).



시기별 emm type 유행 현황

분석한 emm type을 수집된 시기별로 비교해보면 2007년∼2009년에 수집된 분리주의 우세한 유전형은 emm 1.0 21.6%(n=27), emm 89.0 17.6%(n=22), emm 4.0 13.6%(n=17), emm 11.0 8.8%(n=11), emm 12.0 8.8%(n=11), emm 75.0 8.8%(n=11) 순이었으며, 2009년∼2011년 동안 수집된 균주에서 우세한 emm 유전형은 emm 12.0 37.0%(n=110), emm 89.0 20.5%(n=61), emm 4.0 17.5%(n=52), emm 1.0 8.4%(n=25) 순이었다. 2014년∼2018년에 수집된 분리주는 emm 28.0 19.1%(n=27), emm 89.0 14.9%(n=21), emm 4.0 14.2%(n=20), emm 12.0 12.8%(n=18), emm 1.0 11.5%(n=15), emm 3.0 10.6%(n=14) 순이었다(Figure 2).



연도별로 유행한 emm 유전형을 비교해보면, 2007∼2009년 동안 가장 우세했던 유전형인 emm 1.0은 21.6%에서 2009∼2011년에 8.4%, 2014∼2018년 11.5%로 감소하였고 emm 12.0은 2009∼2011년 동안 급격하게 증가하여 37.0%로 가장 높은 비율의 유전형을 차지하였다. 한편 emm 28.0은 2011년도까지 5%대를 유지하다가 2014∼2018년 동안 19.1%로 증가하였다. 따라서 조사한 연도에 따라 가장 우세한 유전형에 변화가 있음을 관찰할 수 있었다. 그 외에도 emm 3.0 또한 2014∼2018년 동안 증가하였고 반대로 emm 11.0은 2007∼2009년에는 8.8%를 차지하였으나 이후 2.0%를 거쳐 2014∼2018년에는 0.8%로 감소함을 확인하였다. emm 1.0, emm 4.0, emm 12.0, emm 28.0, emm 89.0 등은 지속적으로 유행하는 emm type 임을 확인할 수 있었다.


맺음 말

GAS는 세균성 인후염의 가장 흔한 원인균 중 하나이며 WHO에 따르면 전 세계적으로 연 6억 1600만 명 이상이 GAS 유래 인후염에 감염된다. 성홍열, 인후염뿐만 아니라 최소 181만 명이 심각한 GAS와 관련된 질환(류머티스열, 급성 사구체신염, 침습성 질환 등)을 앓고 있고 매년 178만 명이 새로 감염되며, 감염으로 인해 매년 50만 명 이상이 사망하는 것으로 보고된다[5].
GAS는 유행하는 지역, 유행하는 시기 등에 따라 emm type의 우세한 유전자형이 달라지며 다양한 양상을 보인다. 2011년도 홍콩에서 성홍열이 대유행 한 시기에 분리된 GAS균 중 가장 많은 emm type은 emm 12.0(77.0%)이었다. 그러나 2008년∼2010년 동안 홍콩에서 우세했던 GAS 균의 유전형은 emm 28.0(32.1%), emm 12.0(7.1%)이었다[6]. 조사한 유전형에 차이가 있음을 통하여 그 시기의 홍콩에서 GAS균의 유전형 분포에 변화가 있음을 파악 가능하였다. 한편 비슷한 시기의 프랑스에서는 분리된 성홍열 유래 GAS균의 가장 우세한 유전형이 emm 4.0(17.4%)이었는데, 이는 홍콩에서 유행했던 유전형들과 달라 발생 지역에 따른 유전형의 차이를 확인할 수 있었다[7]. 이처럼 GAS균의 유전형 분석 자료는 지역사회 내의 GAS의 감염 양상이나 역학적 동태를 파악하는데 지표로 사용할 수 있다. 국내의 경우 2002년 연구에서 emm 12.0이, 2009년도에 emm 4.0이 우세하였다는 논문이 존재한다[8]. 하지만 이러한 결과들은 특정 지역이나 대상에 국한되어 전국적인 규모의 지속적인 연구가 필요하다.
GAS균에 의한 질환과 합병증의 예방을 위하여 백신이 현재 개발 중이나 M 단백 혈청형(emm type)에 따라 효과의 차이가 있어 지역에 따라 유행하는 GAS균의 emm type에 따라 예방 가능한 정도가 달라진다. 현재 임상 전 단계까지 진행된 30가 다가백신을 예로 든다면, 미국에서는 인후질환의 98%와 침습성 질환의 90%를 예방할 수 있지만 유럽에서는 80% 이하, 아프리카에서는 60% 이하의 침습성 질환의 예방만이 가능하다[9]. 따라서 향후 백신이 개발된 이후 백신의 국내 적용 및 효과 측정 등과 관련해서도 GAS에 대한 분자생물학적 연구가 필요할 것으로 생각된다.


참고문헌

1. Bisno AL. Acute pharyngitis. N. Engl. J. Med. 2001;344:205-211.
2. Wessels, M. R. Clinical practice. Streptococcal pharyngitis. N. Engl. J. Med. 2011;364:648-655.
3. 2018년도 성홍열 관리지침, 질병관리본부. 2018.
4. Koh, EH. Distribution of T types and emm Genotypes of Streptococcus pyogenes in Jinju, 2004. Korean J Lab Med. 2004;26:269-274.
5. Carapetis, J. R. The global burden of group A streptococcal diseases. Lancet Infect Dis. 2005;5(11):685-694.
6. Luk, E. Scarlet Fever Epidemic, Hong Kong, 2011. Emerging Infectious Diseases. 2012;18(10):1658-1661.
7. d’Humières, C. Comparative Epidemiology of Streptococcus pyogenes emm-Types Causing Invasive and Non invasive Infections in French Children by Use of High-Resolution Melting-Polymerase Chain Reaction. Pediatr Infect Dis J. 2015;34:557-561.
8. Koh, E. Decline in Erythromycin Resistance in Group A Streptococci from Acute Pharyngitis due to Changes in the emm Genotypes Rather Than Restriction of Antibiotic Use. Korean J Lab Med. 2010;30(5):485-490.
9. Dale, J. B. Current Approaches to Group A Streptococcal Vaccine Development. Streptococcus pyogenes, Basic Biology to Clinical Manifestations. 2017:993-1040.