비브리오 패혈증 예방을 위한 철착화제의 유용성

Abstract

연구배경 및 목적) 패혈증 비브리오균은 그람음성 호염성 세균으로 다양한 철흡수기전들을 가지고 있음에도 불구하고 혈청 또는 조직내 철농도가 높아진 환자에게서 치명적인 패혈증을 유발하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 첫째로 실재로 비브리오 패혈증 환자에서 혈청 철농도와 철포화도가 상승되어 있는지 확인하고 둘째로 패혈증 비브리오균의 철요구량을 측정함으로써 호철성(ferrophilic) 특성이 있는지를 알아보고자 하였고 셋째로 철농도가 패혈증 비브리오균의 독력인자들의 발현에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다. 네번째로 비브리오 패혈증의 예방을 위해 철착화제의 이용가능성을 평가하고자 하였다. 방법 및 결과) 첫째로 비브리오 패혈증 환자의 혈청에서 철농도와 트렌스페린의 농도를 직접 측정하여 정상인과 비교하였다. 혈청 철농도와 트렌스페린 철포화도는 정상인(n=45)에 비해 비브리오 패혈증 환자(n=33)에서 의미있게 높았다(p<0.05). 혈청 트렌스페린 농도는 정상인에 비해 비브리오 패혈증 환자에서 의미있게 낮았다(p<0.05). 둘째로 패혈증 비브리오균의 호철성(ferrophilic) 특성을 규명하였다. 패혈증 비브리오균은 증식을 시작하기 위해 트렌스페린에 결합된 철보다는 결합되지 않은 철을 더 잘 이용하였다. 또한, 황색포도알균이나 대장균에 비해 패혈증 비브리오균은 증식하기 위해 더 높은 농도의 트렌스페린과 결합하지 않은 철을 필요로 하였고, 더 적은 양의 시데로포아를 생산하였으며 트렌스페린에 결합된 철을 이용하는 능력도 낮았다. 게다가 약 1 x 103 cfu/ml, 즉 인체 감염시 추정되는 균수를 배지에 접종하였을 때 패혈증 비브리오균은 트렌스페린에 결합된 철을 이용하지 못하였다. 그러나 낮은 농도일지라도 트렌스페린에 결합되지 않은 철이 공급된 경우에는 트렌스페린에 결합된 철을 이용할 수 있었다. 셋째로 철농도가 패혈증 비브리오균의 독력인자들의 발현에 미치는 영향을 관찰하였다. 철은 패혈증 비브리오균으로부터 독력인자인 세포용해소/용혈소와 단백분해효소의 생산을 촉진하였다. 네번째로 비브리오 패혈증의 예방을 위해 철착화제의 이용가능성을 평가하였다. 최근에 새롭게 개발된 철착화제인 Ferriprox?에 의해서 패혈증 비브리오균의 증식이 억제되었으나 지금까지 사용되어 왔던 표준 철착화제인 Desferal?에 의해서는 패혈증 비브리오균의 증식이 오히려 촉진되었다. Desferal을 이용할 수 있는 외막단백질 즉, Desferal 수용체를 암호화하고 있는 유전자 desA가 사용된 모든 패혈증 비브리오 임상분리 균주(n=10)에서 발견되었고 한 균주를 제외한 나머지 환경분리 균주(9 of 10)에서도 발견되었다. 유전자 desA를 가지고 있는 모든 균주들은 Desferal에 의해 증식이 촉진되었고 유전자 desA를 가지고 있지 않은 한 균주는 Desferal에 의해 증식이 억제되었다. 유전자 desA의 발현은 철농도가 낮고 Desferal이 존재하는 경우에만 관찰되었고 철농도가 높은 환경이나 철농도가 낮더라도 Desferal이 존재하지 않는 경우에는 관찰되지 않았다. 유전자 desA를 결손시킨 돌연변이 균주의 증식은 Desferal이 존재하는 환경에서도 촉진되지 않았으며 유전자 desA를 회복시킨 균주의 증식은 Desferal이 존재하는 환경에서 촉진되었다. Desferal과는 대조적으로 Ferriprox는 사용된 모든 패혈증 비브리오 균주들의 증식을 억제할 수 있었다. 결론 및 제언) 패혈증 비브리오균은 다른 세균들에 비해 증식하기 위해 높은 농도의 트렌스페린 결합되지 않은 철을 필요로 할 뿐만아니라 트렌스페린에 결합된 철보다 트렌스페린에 결합되지 않은 철을 선호하는 호철성 세균이기 때문에 혈청 또는 조직내 철농도가 상승된 환자에게서 치명적인 패혈증을 유발하는 것으로 생각된다. 또한 높아진 철농도는 패혈증 비브리오균의 독력인자들의 발현을 촉진함으로써 패혈증의 경과를 악화시킬 수 있는 것으로 판단된다. 이러한 사실에 근거하여 패혈증 비브리오균이 이용하기 쉬운 가용철농도를 낮춤으로써 균증식을 억제할 수 있는 Ferriprox를 이용한 철착화요법은 비브리오 패혈증 예방을 위한 유용한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 Desferal이 존재하는 환경에서만 발현되는 Desferal 수용체가 임상 분리균주들 뿐만 아니라 환경 분리균주에서도 존재하고 있다. 따라서 철착화제인 Desferal을 사용하여 철과부하를 개선하는 치료방법은 오히려 치명적인 비브리오 패혈증을 초래할 수 있는 위험요인이 될 수 있다.|Background and objective) Vibrio vulnificus is a gram-negative halophilic bacterium and known to cause fatal septicemia in patients with elevated serum or tissue iron levels although it possesses several iron-uptake systems. Accordingly, we tried to directly measure serum iron levels and transferrin levels in V. vulnificus septicemia (VVS) and to compare with those in normal healthy persons, to determine the ferrophilic characteristic of V. vulnificus and the effect of iron on the expression of V. vulnificus virulence factors, and then to evaluate the potential usefulness of iron-chelation therapy for the prevention or treatment of VVS. Methods and results) We directly measured serum iron levels and transferrin levels in VVS and the levels were compared with those in normal healthy persons. Serum total iron concentrations and transferrin iron saturations were significantly elevated in VVS patients (n=33) versus normal controls (n=45) (p<0.05). Transferrin levels were significantly elevated in VVS patients versus normal controls (p<0.05). We determined the ferrophilic characteristic of V. vulnificus. V. vulnificus preferred non-transferrin-bound-iron (NTBI) to transferrin-bound-iron (TBI) for growth initiation. In addition, V. vulnificus required higher levels of available NTBI for growth initiation, produced siderophores at smaller levels and utilized TBI less efficiently than Staphylococcus aureus or Escherichia coli. Moreover, V. vulnificus could not utilize TBI for growth initiation at an initial bacterial density of about 1 x 103 cfu/ml, which is a reasonable bacterial density in human V. vulnificus infections. Rather, NTBI was required for the efficient TBI utilization by and the growth initiation of V. vulnificus. We determined the effect of iron on the expression of V. vulnificus virulence factors. Iron stimulated the production of V. vulnificus cytolysin/hemolysin and metalloprotease. We evaluated the potential usefulness of iron-chelation therapy for the prevention or treatment of VVS. The growth of V. vulnificus was inhibited dose-dependently by Ferriprox?, a new clinically available oral iron chelating agent, but rather stimulated dose-dependently by Desferal?, which has been used as the standard iron chelating agent. The desA gene, which encodes for 78 kDa outer membrane protein (DesA) which can bind to Desferal, was present in 10 of 10 clinical strains and in 9 of 10 environmental strains. The growths of all the desA-positive strains were stimulated by Desferal, but the growth of one desA-negative environmental strain was rather inhibited by Desferal. The transcription of the desA gene was observed only in the presence of Desferal under iron-deficient conditions, but not in the absence of Desferal under iron-deficient conditions or under iron-sufficient conditions. A desA-deletion mutant did not grow despite the presence of Desferal under iron-deficient conditions, but its suppressed growth was completely recovered by the in trans complementation of wild-type desA gene. In contrast with Desferal, Ferriprox inhibited the growths of all V. vulnificus clinical and environmental strains regardless of their abilities to utilize Desferal. Conclusion and suggestion) These results show that V. vulnificus is a ferrophilic bacterium that requires higher levels of available NTBI than other pathogens, prefers NTBI to TBI for growth initiation, and thus iron-chelation therapy using Ferriprox can be a useful means of preventing VVS by reducing iron-availability in susceptible patients. In addition, these results indicate that DesA is the real Desferal-specific receptor expressed only in the presence of Desferal under iron-deficient conditions and ubiquitously present in V. vulnificus clinical and environmental strains, suggesting that Desferal therapy to improve iron overload is rather likely to predispose fatal VVS.