Bio-Timer법을 이용한 Staphylococcus aureus의 biofilm에 감수성 있는 항생제의 검색 및 rifampin과 erythromycin의 biofilm matrix에 미치는 상승효과

Abstract

배 경: 현재 사용되고 있는 항생제에 대한 내성율은 점차 증가하고 있는 추세이며 이러한 내성율을 증가시키는 기전 중의 하나로 biofilm이 잘 알려져 있다. 그리고 병원감염의 가장 흔한 원인균인 S. aureus 또한 여러 의학장비의 표면에 부착하여 biofilm을 형성함으로써 질병을 유발하기 때문에 치료에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 그러므로 biofilm에 의한 S. aureus 감염 증 치료 시에 biofilm에 효과적인 항생제를 선택하기에 필요한 자료가 절실히 필요한 실정이다.

방 법: Biofilm을 약하게 형성하는 CYL1135 균주와 상대적으로 2배 이상 강하게 형성하는 CYL1106 균주를 실험에 사용하였다. 이들 실험균주에 대해서 24개 항생제의 항균효과, 즉 B-MIC와 B-MBC 그리고 biofilm에 우수한 항균효과를 보인 항생제 병합이 biofilm에 미치는 항균효과를 Bio-Timer 방법을 사용하여 확인하였다. 또한 단일 항생제와 선택된 항생제의 병합이 biofilm matrix를 제거하는 능력을 biofilm matrix detachment assay를 통하여 확인하였다.

결 과: P-MIC와 B-MIC를 비교 시, MXF, CRO, ERY 그리고 Q-D의 항생제의 P-MIC가 biofilm 형성 정도와 관계없이 동일한 B-MIC를 보여 침투성이 우수한 항생제이었다. Biofilm 효과적인 항균효과를 보이는 항생제를 확인하기 위해서 B-MIC와 B-MBC를 분석한 결과, AMK, TOB의 항생제들은 biofilm 형성 정도에 관계없이 실험에 사용한 항생제 중에서 biofilm에 제일 우수한 살균효과를 보였다. 그러나 RIF은 biofilm 형성한 실험균주에서 살균효과가 600배에서 1000배 이상 가장 현저히 감소하였다. 항생제의 병합 시에 TEC과 RIF 그리고 RIF과 ERY 병합 시 FIC index가 각각 0.26, 0.38을 보여 상승효과를 나타냈다. 실험에 사용한 항생제의 biofilm matrix 제거능력을 확인한 경우, biofilm matrix를 60% 이상 제거한 항생제는 bacampicillin, CTX, RIF 이었으며, 그 중 RIF은 자신의 B-MBC 농도보다 낮은 0.015 μg/ml 농도에서 80% 이상의 biofilm matrix 제거율을 보였으나 RIF과 ERY의 병합 시에는 RIF 단일 약제 사용 시에 보다 약 500 배 낮은 0.03 ng/ml 농도에서도 80%의 동일한 biofilm matrix 제거율을 보여 최고의 상승효과를 보였다.

결 론: MXF, CRO, ERY 그리고 Q-D은 타 약제에 비해서 biofilm에 침투성이 좋은 항생제로 생각되며, Aminoglycosides 계열의 항생제 중에서도 AMK과 TOB 항생제가 다른 항생제에 비해 biofilm 형성 정도에 상관없이 biofilm에 우수한 살균효과를 보이는 항생제로 판단된다. RIF의 경우, biofilm에 침투력이 가장 떨어지며, biofilm 형성 시에 살균효과 또한 현저히 감소되는 항생제이었다. 그러나 흥미롭게도 RIF의 경우 자신의 B-MIC 보다도 낮은 농도에서 80%의 biofilm matrix를 제거할 수 있는 가장 효과적인 항생제였으며, RIF과 ERY과의 병합 시에는 RIF의 단일약제 시 보다 훨씬 500배 낮은 농도에서 동일한 biofilm matrix 제거 효과를 보였다. 본 실험 결과를 바탕으로, 먼저 AMK 혹은 TOB을 사용하여 biofilm 내의 S. aureus 를 죽이며 동시에 RIF과 ERY의 병합적으로 사용하여 S. aureus가 형성하는 biofilm matrix를 효과적으로 제거하는 것이 S. aureus가 형성하는 biofilm 감염증 치료에 최선의 대안이 될 수 있다고 사료된다.|To investigate not only the antibiotic efficacy against biofilm-forming Staphylococcus aureus, but also detachment ratio of the biofilm matrix, we performed Bio-Timer assay, which represents cell viability, with color change of Bio-Timer medium from red to yellow, and biofilm detachment assay, respectively. The rbf isogenic mutant of 8325-4 strain of S. aureus, with low biofilm producing and the complemented strain, with high-biofilm producing strain, were used for detection for B-MBC of antibiotics according to biofilm productivity of S. aureus. Of 24 conventional antibiotics, the B-MICs of moxifloxacin, ceftriaxone, erythromycin and quinupristin/dalfopristin were as same as the planktonic MICs (P-MIC) of them, respectively. This result suggested that the 4 antibiotics may penetrate the biofilm-forming cells as much as the planktonic cells. But rifampin, known as bactericidal to planktonic cells, showed much higher B-MBC than P-MBC, suggesting rifampin no longer showed the bactericidal effect on biofilm-forming S. aureus. Amikacin and tobramycin were more bactericidal to biofilm-forming cells, irrespective of biofilm productivity, than any other antibiotic used in this study. Although rifampin seemed to be lost its bactericidal activity to biofilm-forming strains, the combination of rifampin either with teichoplanin or with erythromycin showed synergistic effect on high biofilm-forming CYL1106 strains, with 0.26 and 0.36 of FIC index, respectively. Moreover, rifampin displayed the most potent ability to detach the biofilm matrix, reaching to 80% maximum detachment ratio at the concentration below to the B-MBC. When the combination of rifampin with erythromycin was treated to detach the matrix, the concentration of rifampin was much lowered 500 times to 0.03 ng/ml. This result suggested that the combination of rifampin with erythromycin displayed synergistic effect on biofilm matrix detachment of S. aureus.