본문내용
1. 병원 미생물학의 기초
1.1. 미생물의 종류와 특징
1.1.1. 바이러스
바이러스(virus)는 사람에게 감염병을 일으키는 병원체 중 가장 작으며, 숙주세포에 의존해야 증식할 수 있다. 바이러스의 생물학적 숙주범위는 사람, 동물, 식물, 세균 등으로 적어도 한 가지의 생물에 각각 다른 바이러스가 감염되는 것으로 알려져 있다. DNA 또는 RNA 중에 한 종류의 핵산만을 가지고 있는 것이 바이러스의 특징이다.
바이러스는 생물체가 아니기 때문에 스스로 증식할 수 없으며, 반드시 숙주세포 내부에서 증식한다. 바이러스는 숙주세포의 유전물질과 단백질 합성기구를 이용하여 자신의 유전물질과 단백질을 합성하고 조립하여 새로운 바이러스를 만들어낸다.
DNA 바이러스와 RNA 바이러스로 구분되며, DNA 바이러스는 유전물질이 DNA이고 RNA 바이러스는 유전물질이 RNA이다. DNA 바이러스에는 아데노바이러스, 헤르페스바이러스, 사람유두종바이러스 등이 있고, RNA 바이러스에는 인플루엔자바이러스, 폴리오바이러스, HIV 등이 있다.
바이러스는 숙주세포에 침입하여 증식하는 과정에서 숙주세포를 파괴하거나 기능을 교란시켜 감염을 일으킨다. 감염된 숙주는 면역반응을 통해 바이러스를 제거하려 하지만, 바이러스는 숙주 면역체계를 교란시켜 감염을 지속시킬 수 있다. 특히 인간면역결핍바이러스(HIV)는 숙주의 T 림프구를 공격하여 면역체계를 무력화시킴으로써 에이즈를 일으킨다.
바이러스는 숙주 특이성이 매우 강해 사람을 감염시키는 바이러스는 다른 동물에게는 감염을 일으키지 않는 경우가 많다. 그러나 가끔씩 동물 바이러스가 변이를 일으켜 사람을 감염시킬 수 있는데, 이는 새로운 감염병의 출현으로 이어질 수 있다. 대표적인 예가 코로나19를 일으킨 SARS-CoV-2 바이러스로, 박쥐에서 유래한 것으로 알려져 있다.
1.1.2. 세균
세균(bacteria)은 대표적인 원핵생물로서 중요한 특징은 상대적으로 작은 크기, 핵막이 없으며, 핵산은 DNA와 RNA 모두를 가지고 있다는 점이 바이러스와 다르다.
일반 세균의 DNA 염색체는 약 1mm 길이의 원형 구조로 이루어져 있으며, 이분열 증식을 하는 특징을 가진 생명체이다. 리케차(rickettsia)와 클라미디아(chlamydia)는 일반 세균의 특징을 가지고 있으면서 숙주세포에 의존해야 증식할수 있다는 점이 일반 세균과 다르다.
세균은 그 균종에 따라 특유한 형태를 나타내는데, 배열은 세포의 분열방향에 의해 결정된다. 알균(cocci)은 직경이 약 1㎛의 크기로 배열된 모양에 따라 단알균(monococci), 쌍알균(diplococci), 사슬알균(streptococci), 포도알균(staphylococci), 4련알균(tetrad), 8련알균(sarcina) 등으로 분류된다. 막대균(bacillus)은 짧은막대균(coccobacillus), 긴막대균(filamentous bacillus), 사슬막대균(streptobacillus) 등으로 구분되며, 나선균(spirillum)은 가늘고 길게 꼬여 있는 형태가 대부분이다.
세균의 세포벽, 협막, 점질층, 섬모, 편모, 세포질막, 메소솜, 핵상물질, 리보솜, 저장물질, 아포 등의 구조와 기능이 매우 중요하다. 세포벽은 그람양성세균과 그람음성세균에서 차이가 있으며, 편모와 섬모는 세균의 운동과 부착에 관여한다. 아포는 열, 화학약품, 방사선에 강한 내성을 가지고 있어 멸균 시 주요 대상이 된다.
이처럼 세균은 다양한 형태와 구조적 특징을 가지고 있어 병원성, 증식, 생존 등 감염 과정에서 중요한 역할을 한다. 따라서 세균에 대한 이해는 병원 미생물학 분야에서 필수적이다.
1.1.3. 진균
진균(Fungi)은 광합성능이 없는 진핵생물로서 섬유상(hyphae, 균사)의 집단인 균사체(mycelium)로 서로 얽혀 증식된다. 섬유상의 균사를 가지는 곰팡이를 사상균(mold)이라고 하며, 균사체를 형성하지 않지만 단세포의 난형 또는 구형을 이루는 곰팡이를 효모(yeast)라고 한다. 사상균과 효모의 온도 차이로 인해 사상균은 비교적 덜 따뜻한 환경에서, 효모는 비교적 따뜻한 환경에서 잘 자란다.
진균은 병원성 진균에 감염되면 인체에 질병을 일으킬 수 있다. 대표적인 병원성 진균은 다음과 같다. 첫째, 칸디다(Candida)는 구강 내 칸디다증(아구창), 식도 칸디다증, 간 농양, 칸디다혈증 등을 일으킨다. 둘째, 크립토코쿠스(Cryptococcus)는 폐렴과 수막염을 유발한다. 셋째, 아스페르길루스(Aspergillus)는 각막염, 알레르기성 기관지 폐렴, 파종성 아스페르길루스증, 혈전증, 경색증 등을 야기한다. 넷째, 피부사상균은 몸, 손, 발, 머리 백선증(피부진균증)을 유발하며, 대표적인 예로 발백선(무좀)이 있다.
이처럼 진균은 사상균과 효모의 형태적 차이를 나타내며, 병원성 진균은 인체에 다양한 질병을 일으킬 수 있다. 진균에 감염되면 증상과 병변이 나타나므로 조기 진단과 적절한 치료가 중요하다.
1.1.4. 원생동물
원생동물은 광합성능이 없는 진핵생물로서 편모나 섬모 같은 분화된 구조를 가진 운동성 단세포 생물이다. 원생동물에는 기생충, 아메바 등이 포함되며 인체에 질병을 일으킬 수 있다.
기생충은 숙주의 체내나 체표에서 일정 기간 생활하면서 영양을 섭취하고 자신을 번식시키는 원생동물이다. 대표적인 예로는 말라리아를 일으키는 원충인 플라스모디움(Plasmodium)과 아메바성 이질을 일으키는 이질아메바(Entamoeba histolytica) 등이 있다. 이들은 숙주체내에서 복잡한 생활사를 가지며 주기적으로 다른 형태로 변화하며 증식한다.
아메바는 편모나 섬모가 없이 가변적인 유동성 세포질을 가진 단세포 생물이다. 인체 내에서 기생하며 장관 이질, 화농성 간농양 등의 질병을 일으키는 대표적인 아메바로는 이질아메바(Entamoeba histolytica)가 있다. 이질아메바는 점막 표면의 상피세포를 파괴하여 궤양을 유발하고 간농양을 일으킬 수 있다.
이와 같이 원생동물은 인체 감염을 일으키는 주요한 병원체로 알려져 있으며, 이를 예방하고 치료하기 위해서는 원생동물의 생활사와 특성에 대한 이해가 필요하다."
1.2. 병원 미생물학의 역사
1.2.1. 자연발생설과 생물속생설
자연발생설은 오랫동안 병원체 발생에 대한 주된 설명이었다. 고대 그리스와 중세 유럽에서 썩은 물질이나 고기에서 벌레나 미생물이 자연스럽게 발생한다고 믿었던 것이다. 그러나 이 설은 17세기 Redi의 실험으로 반박되었다. Redi는 썩은 고기를 뚜껑이 열린 용기와 뚜껑이 닫힌 용기에 각각 놓았는데, 뚜껑이 열린 용기에서만 벌레가 생겨났다. 이를 통해 벌레는 자연발생하지 않고 파리가 알을 낳아 생겨난다는 것을 밝혀냈다.
이후에도 자연발생설은 오랫동안 지속되었지만, 19세기 프랑스의 Louis Pasteur에 의해 결정적으로 반박되었다. 파스퇴르는 공기 중에 미생물이 있으며, 충분히 멸균한 배지에서는 미생물이 자연발생하지 않는다는 것을 실험을 통해 증명하였다. 또한 공기와의 접촉을 막으면 미생물의 증식이 일어나지 않음을 보여주었다. 이로써 자연발생설은 과학적으로 부정되었고, 생물은 생물로부터 발생한다는 생물속생설이 확립되었다. 파스퇴르의 연구는 미생물과 감염병 관계 규명의 토대가 되었다고 평가받고 있다.
1.2.2. 근대 병원 미생물학의 개척자
근대 병원 미생물학의 개척자들은 감염병과 병원체와의 관계를 규명하고 항생제와 백신의 개발에 기여했다. 의사인 Robert Koch는 1870년대 초기 연구에서 탄저균 배양 및 염색방법을 개발하였다. 그는 1876년에 특적한 감염병(탄저)에서 세균의 직접적인 병인학적 역할을 보고하였다. 이를 위해 Koch는 감염병과 미생물과의 연관 관계를 증명하기 위한 4대 가설을 제시하였다. 이 가설에 따라 과학자들은 특정한 감염병과 병원 미생물들과의 관계를 판단하게 되었다.
한편, 파스퇴르는 탄저균을 42~43도의 온도에서 증식시키면 약한 병원성을 나타내어 백신 사용에 적합하다는 사실을 밝혀 탄저(anthrax) 예방백신을 개발하여 가축의 감염병을 해결하였다. 또한 그는 공기 중에 보이지 않는 미생물들의 증식을 증명하고 자연발생설을 반박하여 생물은 생물로부터 발생한다는 이론을 주장하였다.
Lister는 외과수술 시 석탄산을 사용하는 무균 수술방법을 고안하여 수술에 의한 패혈증을 감소시키는 결과를 얻었다. 그리고 나이팅게일은 공중위생과 청결에 대한 노력이 환자의 치료과정에 필수적임을 강조하여 청결과 무균법의 표준을 세웠다.
1.2.3. 바이러스의 발견
바이러스의 발견은 미생물학 발전의 중요한 이정표였다. Iwanowski는 1892년 담배 모자이크병에 감염된 담뱃잎을 갈아 즙을 만들어 세균여과기를 통과시키면 건강한 담뱃잎에 모자이크병(식물 바이러스)을 일으킨다는 사실을 발견하였다. 이것이 오늘날 바이러스 병원체 발견의 시초였다. 이후 1898년 Loeffler와 Frosch는 구제역(foot-and-mouth disease)의 병원체가 세균보다도 훨씬 작은 입자라는 것을 입증하였다. 이와 같이 바이러스의 발견은 미생물학 발전의 새로운 장을 열어주었다고 볼 수 있다. 이로써 기존의 미생물 중심적 관점에서 벗어나 새로운 병원체인 바이러스에 대한 이해의 폭이 크게 확대되었기 때문이다. 바이러스는 생물학적 특성상 숙주세포에 의존해야 증식할 수 있는 특징을 지니고 있어 이 점에서 세균이나 다른 미생물들과 구분된다. 이처럼 바이러스의 발견은 기존 미생물 분류와 특성 연구에 새로운 지평을 열어주었다고 할 수 있다."
1.2.4. 면역학의 발전
면역학의 발전은 인류 역사상 가장 중요한 발전 중 하나이다. 19세기 중반 에드워드 제너가 천연두 백신을 개발한 이래로 면역학은 지속적인 혁신과 발전을 거듭해왔다.
우선, 코흐가 탄저에 관한 연구를 통해 병원성 세균학이 황금기를 맞이하게 되었다. 코흐는 감염병과 미생물의 연관성을 규명하기 위해 4대 가설을 제시하였는데, 이는 미생물학 발전의 기반이 되었다. 이후 파스퇴르가 공기 중 미생물 존재를 입증하고 자연발생설을 반박하면서 생물은 생물로부터 발생한다는 생물속생설을 확립하게 되었다.
이에 더하여, 파스퇴르는 탄저균을 약화시켜 백신을 개발하는 데 성공하였다. 이는 인류가 감염병을 예방할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것이었다. 이후 에드워드 젠너가 천연두 백신을 개발하면서 천연두를 지구상에서 퇴치할 수 있게 되었다. 이처럼 백신의 개발은 면역학 발전의 핵심이었다.
한편, 알렉산더 플레밍이 페니실린을 발견하면서 화학요법의 새로운 시대가 열렸다. 이후 화학요법제의 개발이 지속되면서 감염병 치료에 혁신적인 변화가 일어났다. 이와 더불어 나이팅게일의 공중위생 및 무균법 개선 노력도 면역학 발전에 중요한 역할을 하였다.
이처럼 면역학의 발전은 감염병 예방과 치료에 획기적인 발전을 가져왔다. 과거 인류를 괴롭혔던 전염병들이 백신과 항생제의 발견으로 크게 감소하였고, 이를 통해 인간의 건강과 수명이 크게 증가하게 되었다. 현대 의학에서 면역학은 가장 핵심적인 분야로 자리 잡았다고 할 수 있다.
1.2.5. 화학요법의 발전
화학요법의 발전은 감염병 치료에 있어서 획기적인 전환점을 이루었다. 17세기 후반부터 감염병 치료에 화학물질이 사용되기 시작했으며, 이후 많은 화학요법제들이 개발되어 임상에 적용되었다.
1929년, 스코틀랜드의 세균학자 Alexander Fleming은 푸른곰팡이 Penicillium notatum에서 항생물질 페니실린을 발견하였다. 페니실린은 세균 세포벽의 합성을 억제하여 세균을 사멸시키는 작용기전을 가지고 있었다. 이는 치료의학의 새로운 시대를 열어준 획기적인 발견이었다. 페니실린은 1940년대부터 임상에 실용화되어 많은 감염병 환자들의 치료에 성공적으로 사용되었다.
이후 1944년에는 토양미생물 연구를 통해 streptomycin이 발견되었다. Stre...
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