배경: Klebsiella pneumoniae는 지역사회획득감염 및 원내감염 모두에서 중요한 병원체이다. Carbapenem-resistant K. pneumoniae (CRKP)로 대표되는 다제내성균 출현과 hypervirulent K. pneumoniae (HvKP)라는 병독성이 높은 K. pneumoniae 균주의 출현과 연관된다. 최근에는 항균제 내성와 고도 병독성인자를 모두 가진 균주가 출현함으로서 더 심각한 문제가 예견되고 있다. KPC 카바페넴분해효소 생산 K. pneumoniae (KPC-KP) 전세계적으로 팬데믹을 일으키고 있다. 특히 ST258형 KPC-KP는 대규모 집단감염을 통해 전세계적인 대유행을 초래하였다. 이후 blaKPC는 다른 유전형에 전파되어 ST258, ST11, ST512 등 다양한 KPC 카바페넴분해효소 생산 K. pneumoniae가 남아메리카, 유럽, 아시아 등 지역에 따라 우세종이 되었다. HvKP는 표준화된 정의는 없지만 통상 rmpA와 rmpA2와 같은 협막생성을 증가시키는 유전자와 salmochelin과 aerobactin과 같은 siderophore를 획득한 균주를 일컫는다. HvKP는 K1, K2 등 협막형이 대다수를 차지하고 타이완, 중국, 남아시아 등 아시아 지역에 주로 보고된다. 한국에서는 간농양을 일으키는 주요 원인균이다. 서울아산병원에서 2018년 10월에 첫 번째 KPC-KP가 간농양 검체에서 분리된 이래 42개월 동안 12주의 KPC-KP가 분리되었다. 이 연구에서는 간농양 환자 검체와 혈액배양 검체에서 분리된 KPC-KP의 전장유전체를 분석하여 분자역학, 항균제 내성, 병독성 인자를 총체적으로 분석하고자 하였다.
방법: 2016년 2월부터 2022년 3월까지 혈액배양 검체와 간농양 환자의 검체에서 KPC-KP가 분리된 환자 별로 1주씩 KPC-KP 균주를 모았다. 균종 동정과 감수성 검사는 MicroScan NC72 panel (Beckman Coulter, Brea, CA)로 실시하였고, KPC 생산은 blaKPC 특이적인 PCR 검사 또는 Carba5 검사 (NG Biotech, Guipry, France)로 검출하였다. 모든 균주들에 대해 스트링 테스트를 이용해 과점액성점도 검사를 시행하였다. MinION (Oxford Nanopore Technologies, Oxford, UK)을 이용하여 전장유전체분석을 시행하였다. de novo 조립하여 가능한 원형 염기서열 단편을 구성하였다. 협막형, 다좌염기서열 형별분석, 핵심유전체 다좌염기서열 형별분석(cgMLST) 등 형벌검사를 분자형별검사를 실시하였고, 내성 유전자와 병독성 유전자의 데이터베이스를 조회하였다. 전자의무기록을 통해 대상 환자의 인구학적 및 임상적 소견을 검토하였다.
결과: 64 명의 균혈증과 13 명의 간농양 환자로부터 총 77 주의 KPC-KP 를 수집하였다. 이중 72 주가 ST307 형으로 60 명의 균혈증과 12 명의 간농양 환자로부터 분리되어 가장 우세한 형별이었다. ST307 형은 2016 년에 3 주, 2017 년에 2 주, 2018 년에 5 주가 각각 분리되었는데, 2019 년에 10 주, 2020 년에 20 주, 2021 년에 29 주, 2022 년 3 월까지 3 주로 증가하였다. 나머지 염기서열형으로는 혈액배양에서 분리된 ST11 형 2 주, ST789 형 1 주, ST889 형 1 주와 간농양 환자로부터 분리된 ST420 형 1 주 등 5 주가 있었다. ST307 형 균주들은 베타락탐계 항생제와 퀴놀론계 항생제에 일관되게 내성을 가지고 있었으며 amikacin, gentamicin, tobramycin, colistin, tetracycline, trimethoprim/sulfamethoxazole 에 대한 감수성률은 각각 100%, 26%, 7%, 94%, 4%, 3%였다. ST307 균주들의 염색체에는 blaSHV-28, fosA, oqxAB, gyrA-S83I, parC-S80I 등 내성인자들을 가지고 있었다. 대부분의 ST307 KPC-KP 균주는 공통적으로 aac(3)-IIe, aac(6')-Ib-cr5, aph(3")-Ib, aph(6)-Id, blaCTX-M-15, blaOXA-1, blaTEM-1, catB3, sul2, dfrA14, qnrB, tet(A)를 보유한 247kb-IncFIB(K)/IncFII 형의 플라스미드와 blaKPC-2와 blaSHV-11을 보유한 47kb-IncX3 형 플라스미드를 가지고 있었다. ST307 KPC-KP 을 cgMLST 결과의 군집분석에서 동일한 두 개의 클론이 다수를 차지하고 있었고, 나머지 18 개는 단수형이었다. 10 주의 첫 번째 클론은 2016 년 ST307 KPC-KP 의 100%를 차지하였는데, 2017 년 50%, 2018 년 20%, 2019 년 20%, 2020 년 10%, 2021 년 3%로 계속 감소한 초기에 우세한 클론이었다. 44 주로 구성된 두 번째 클론은 2018 년 처음 출현하였는데 2018 년 60%, 2019 년 60%, 2020 년 55%, 2021 년 72%, 2022 년 100%로 2018 년 이후 현재의 우세한 클론이 되었다. 초기클론 중 8 주는 siderophore 로 enterobactin 만을 가졌지만, 2020 년 2 주는 ybt17 yersiniabactin 과 colibactin 이 추가되었다. 초기클론들은 tobramycin 내성이고, amikacin 과 gentamicin 에는 감수성이었는데, 2018 년, 2020 년, 2021 년에 분리된 3 주의 초기클론들은 aac(3)-IIe 가 추가되었고 gentamicin 에도 내성이었다. 초기클론은 이전 보고되었던 2016 년 국내에서 검출된 ST307 KPC-KP 균주와 cgMLST 와 플라스미드 형별이 동일한 클론이었다. 현재클론은 siderophore 로 enterobactin 과 ybt16 yersiniabactin 2 가지를 보유하고 있고, aac(3)-IIe 양성으로 gentamicin 내성이 있었다. 과점액성점도를 보인 ST307 형은 2019, 2020, 2021 년에 각각 1 주씩 분리되었는데, KL102 협막형으로 ybt16 yersiniabactin 만 가지고 있었다. 모든 ST307 형은 rmpA, rmpA2 음성이었다. 단수형은 연구기간 동안 매년 20-50%를 차지하였으며, 18 주 중 현재클론에서 2 개 이내의 유전자좌 이내로 군집한 균주가 14 주였고 나머지 2 주는 blaKPC-2 가 부정형 플라스미드에 1 주는 IncFIB(pQil)/IncFII 플라스미드에 존재했고, 나머지 1 주는 유일하게 ybt10 yersiniabactin 을 가졌다. 비 ST307 형 5 주 중에 ST11 형 2 주와 ST789 형 1 주는 다제내성이었지만, ST889 1 주와 ST420 1 주는 blaKPC-2 와 blaSHV-11 를 보유한 IncX3 형 플라스미드만을 가지고 있고 다제내성은 아니었다. ST420 형 1 주는 간농양 환자의 혈액배양에서 분리되었고 과점액성점도를 보였다. 이 균주는 KL54 협막형을 가졌고, enterobactin, yersiniabactin, aerobactin, salomochelin 과 rmpADC 를 갖고 있는 HvKP 이었다. KPC-KP 균혈증과 간농양 사례들은 96%가 의료관련감염이고, 입원 중 사망률은 36%였다. 기저질환은 77 명 중 간담도계 종양 50.6%, 혈액 종양 19.5%, 비뇨기계 종양 5.2%, 다른 종류의 종양 14.3%로 악성종양이 98.6%를 차지했다. 환자군의 평균 연령은 63.8 ± 11.0 세였고 남성 47 명과 여성 30 명이었다. 간농양 환자는 대부분 간담도계에 기저질환을 가지고 있었다. ST420 형 KPC-KP 간농양 환자는 입원 중 패혈증으로 사망하였다.
결론: 일차 균혈증과 간농양과 같은 침습적 KPC-KP 감염 원인균의 대부분은 ST307 형이었다. ST307 KPC-KP 는 다양한 베타락탐분해효소와 aminoglycoside, quinolone, tetracycline, cotrimoxazole 등에 내성인 항균제 내성 유전자를 보유한 다제내성균이었다. ST307 KPC-KP 는 두 개의 클론이 75%를 차지해 단일 기관에서 클론성 전파가 ST307 KPC-KP 확산의 주요 기전으로 추정되었다. 초기클론은 6 년 전 유입되었을 것으로 추정되며 더 병독성인자가 많고 aminoglycoside 에 내성이 강화되는 쪽으로 진화하는 것뿐만 아니라, 병독성과 내성이 더 높은 현재클론으로 대체되었다 단수형 대부분은 현재클론과 유전자좌 1-2 개 차이 정도로 군집하며 현재클론과 공동의 기원을 가진 것으로 추정되었다. 이에 비해 현재클론에 군집하지 않은 단수형 4 주는 미생물학적 특성과 임상역학으로 볼 때 외부 유입된 것으로 추정되었다. 유일한 HvKP 인 ST420 1 주는 ST307 형과 동일한 blaKPC-2 를 가진 IncX3 플라스미드가 발견되었고, 항균제 내성이 없는 K. pneumoniae 에 의한 간농양이 선행되었던 환자에서 분리되어 HvKP 가 원내 토착화된 ST307 KPC-KP 로부터 blaKPC-2 를 획득한 것으로 추정되었다. 따라서, 다제내성 K. pneumoniae 의 추가적인 원내 감염 전파와 유전적 진화를 막기 위해서 새로운 유전형의 K. pneumoniae 의 원내 유입에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다. 유전체적 접근은 침습적 감염을 일으키는 K. pneumoniae 의 항균제 내성과 병독성의 전파 역학을 이해하고 감염관리 및 예방에 유용할 것이다.