1. 호흡기 미생물총의 발달

16S 리보솜 RNA의 계통학적 분석을 통한 연구 결과들을 보면 사람은 무균 상태로 출생한다는 가설이 오랫동안 지지를 받았으나 최근 자궁 내 태아가 이미 미생물을 획득한다는 보고15, 16)가 있었고 그렇지 않다는 논란도 있지만17), 자궁 내에서 경태반 항체와 미생물 분자가 출생 후 선천 면역 발달에 영향을 준다는 사실은 잘 알려져 있다.18, 19)

출생 직후 미생물에 노출되기 때문에 첫 1시간 내 건강한 신생아의 상부 호흡기에서도 다양한 미생물군이 존재하는데 대개 모체로부터 기원한 비특이적인 양상을 보인다.20) 출생 후 첫 주 동안 Staphylococcus spp.가 우세하다가 점차 Corynebacterium spp., Dolosigranulum spp.가 풍부해지고, 생후 4–6개월경 Moraxella spp.가 우세한 순으로 위치 분화(niche differentiation)가 일어나는데,21) 이 변화는 안정적인 미생물 생태계 뿐만 아니라 호흡기 건강과도 관련이 있다.22, 23) 하부 호흡기는 출생 후 1일 내 Streptococcus viridans가 우세하다가 생후 첫 주까지 빠르게 성장하는 Staphylococcus aureus로 대체되고, 생후 2주부터 S. aureus는 감소하면서 생후 2개월까지 Moraxella catarrhalis, Corynebacterium spp., Dolosigranulum spp.가 급격하게 증가하여 우세한 자리를 차지하고 이 시기와 겹쳐 생후 6개월경 Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae의 집락이 시작된다.24)

2. 호흡기 미생물총 발달과 성숙에 영향을 주는 주요 인자들

출산 방법과 수유 형태는 출생 후 신생아 미생물총의 초기 성숙에 큰 영향을 준다.20, 21, 22, 25) 질식 분만으로 출생한 신생아의 호흡기에서는 질내 환경과 유사한 Lactobacillus spp., Prevotella spp., 혹은 Sneathia spp.가 관찰되는 반면 제왕절개로 출생한 신생아의 호흡기는 피부 상재균과 유사한 Staphylococcus spp., Corynebacterium spp., 그리고 Propionibacterium spp.가 우세하고, 이후 S. aureus로부터 Moraxella spp., Corynebacterium spp., Dolosigranulum spp.의 우세 형태로 전환되는 시기도 질식 분만 출생아에 비하여 느린 것으로 나타났다.21) 수유 방법이 장내 미생물총 구성에 영향을 준다고 알려져 있는 것처럼25) 호흡기 미생물총의 발달도 수유 방법에 따라 차이가 있었다.22) 생후 6주 모유 수유아의 상부 호흡기에서 분유 수유아보다 Corynebacterium spp., Dolosigranulum spp.가 더 풍부하였고 Staphylococcus spp.는 감소되어 있었는데, 이는 이후의 가벼운 호흡기 감염의 이환률과 영아기 천명의 발생률이 낮은 것과 연관이 있었다.22) 항생제도 건강한 소아의 상부 호흡기 미생물총에 영향을 주는데 항생제 노출 후 유익한 상재균으로 여겨지는 Corynebacterium spp.와 Dolosigranulum spp.의 유의한 감소가 관찰되며23, 26, 27) 노출이 반복될수록 호흡기 감염의 가능성이 증가할 수도 있다는 연구 결과가 있었다.28) 그리고 계절적 영향, 백신 접종, 형제의 유무, 보육 시설 이용, 간접 흡연, 선행 감염의 요인들도 소아의 미생물총 구성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.29, 30, 31, 32, 33) 유전적 소인은 건강한 소아의 상부 호흡기 미생물총의 전체적인 구성에 큰 영향을 주진 않으나 비강내 미생물총의 군집도와 관련성은 있는 것으로 생각되고34), 특히 객담 미생물총의 구성은 유전적 소인과 환경적 요인의 영향이 동일한 기여를 하고 있는 것으로 나타났다.35) 장내 미생물총은 생후 첫 3년 동안 성인과 유사한 형태로 성숙되는 것으로 알려져 있는데 반하여,36) 호흡기 미생물총이 안정화되는 기간은 아직 분명하지 않은데 생후 첫 주에 이미 미생물총의 위치 분화(niche differentiation)가 시작됨에도 불구하고 생후 1년까지도 미생물총의 변화가 관찰되기 때문이다.22, 31, 37) 호흡기 미생물총이 안정된 후에는 항생제 치료 유무가 생애 전체에 걸친 미생물총의 평형에 영향을 주는 주요 인자이며,38) 직접 흡연은 상부 호흡기 미생물총에 영향을 주지만,35, 39) 하부 호흡기 미생물총 구성과의 관련성은 분명하지 않다(Fig. 1).40)

Fig. 1
Host and environmental factors that influence the respiratory microbiota.

• Click for larger image
• Download as PowerPoint slide

3. 건강한 호흡기 미생물총의 구성

상부 호흡기에 존재하는 미생물들이 점막 확산(mucosal dispersion)과 미세 흡인(micro-aspiration)의 과정을 통하여 폐로 들어가 하부 호흡기 미생물총을 구성하기에 성인의 경우 구인두(oropharynx)의 미생물총이 하부 호흡기 미생물총의 원천일 것으로 생각되나, 소아의 경우 상부 호흡기의 해부학 구조가 성인과 차이가 있고 비강 분비물이 빈번하여 미생물의 확산을 촉진하기 때문에 구인두와 함께 비인두(nasopharynx)의 미생물총도 하부 호흡기 미생물총 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.41) 한편 위식도 역류에 의한 장내 미생물총의 호흡기 미생물총으로의 이동은 현재까지 무시할 만한 수준으로 여겨진다.42)

출생 후 Moraxella spp.에 이어 Corynebacterium spp.와 Dolosigranulum spp.가 빠르게 나타나고 우세해지는, 소위 안정된 미생물총 구성인 경우 생후 6개월 이후 급성 중이염의 위험을 낮추는 것으로 알려져 있다.27) 반면 생후 5–7주경 Moraxella spp.와 함께 Streptococcus spp., Haemophilus spp.가 우세해지는 구성이 나타나면 생후 1세까지 급성 상기도 감염의 빈도가 증가하였다.23) 그리고 생후 4주 이내 S. pneumoniae, H. influenzae, M. catarrhalis의 집락이 조기에 이루어지면 하부 호흡기 감염의 위험이 증가하고 이후 연령에서의 반복적 천명의 발생과 천식 발작 증가에 영향을 주는 것으로 나타나43) 신생아기 미생물총의 집락 구성이 환경 자극에 대한 체내 면역 반응에 장기적 영향을 주는 것으로 생각된다.44)

기관을 삽관한 조산아의 하부 호흡기 미생물총은 병원균인 Staphylococcus spp., Ureaplasma spp. 혹은 Acinetobacter spp. 등이 우세한 것으로 나타나는데 미생물총의 발달에 있어 다양성이 결여된 특징을 보인다.45, 46, 47) 그러나 건강한 소아에서 하부 호흡기의 미생물총 구성은 다양성이 특징으로 대개 상부 호흡기에서도 관찰되는 Moraxella spp., Haemophilus spp., Staphylococcus spp., Streptococcus spp. 등이 독특한 생태 집단을 이루고 있으며, Corynebacterium spp.와 Dolosigranulum spp.은 관찰되지 않아 상부 호흡기 미생물총과 구별된다(Table 1).42, 43, 44)

Table 1
Niche-specific selective growth of the respiratory microbiota42, 43, 44)

• Click for larger image
• Click for full table
• Download as Excel file

4. 소아 호흡기 미생물총의 구성체 간 상호관계

미생물총을 구성하는 세균들 간의 상호작용은 생태학적으로 긍정적인 상호작용(positive interaction)과 부정적인 상호작용(negative interaction)으로 나뉘는데, 호흡기 미생물총을 구성하는 세균 간에도 이러한 모습들을 관찰할 수 있다. 전자(前者)의 경우 두 균이 모두 이득이 나타나는 상리공생(相利共生, mutualism), 한 세균은 이득이 있으나 다른 세균은 영향을 받지 않는 편리공생(片利共生, commensalism)으로 나뉘고, 후자(後者)의 경우 한 세균만 손해를 보고 다른 세균은 영향을 받지 않는 편해공생(片害共生, amensalism), 한 세균이 손해를 보고 다른 세균이 이득을 보는 기생(寄生, predatism and parasitism), 두 세균 모두 손해를 보는 경쟁(競爭, competition)이 있다.48) 호흡기 미생물총 간의 상리공생은 Veillonella spp.가 streptococcal biofilm 형성을 촉진시키는 예에서 볼 수 있고49), 상재균과 병원성 Streptococcus 계통군 사이,50) 비인두 생태에서의 M. catarrhalis와 S. pneumoniae 사이51)에서 볼 수 있다. 이와 같은 관계는 종(種) 특이적(species-specific)이고 때로는 주(株) 특이적(strain-specific)이기도 한데 기전은 명확하게 알려져 있지 않으며, 예를 들어 Corynebacterium accolens와 S. aureus는 상리공생 관계이지만, Corynebacterium pseudodiphtheriticum과 S. aureus의 관계는 서로 다른 결과를 보고한 연구들이 있다52). 부정적인 상호 관계는 S. aureus와 S. pneumoniae 사이에서 볼 수 있으며, 아직 기전에 대한 연구가 진행 중이지만, S. pneumoniae의 과산화수소 생성이 S. aureus에 치명적인 박테리오파지를 유도하기 때문은 아닐까 생각되고 있다.30) 생애 초반부터 대부분 영아의 호흡기에 존재하는 S. aureus는 간혹 질병을 일으킬 때도 있으나 오히려 항균물질을 분비함으로써 숙주의 면역에 기여하는 것처럼 보이는데 Corynebacterium striatum에 의하여 S. aureus의 공생적 성향이 증가되고 병독력이 감소하는 것이 실험적으로 관찰되기도 하였다.53) 같은 종 내에서는 Neisseria lactamica가 기존에 형성된 Neisseria meningitidis의 집락을 감소시켜 새로운 N. meningitidis의 획득을 방해하는 것이 관찰되었으나 아직 기전은 밝혀지지 않았다.54) 또한 Staphylococcus spp. 내에서도 S. epidermidis가 분비하는 세린 단백질 분해효소(Esp), S. lugdunensis가 분비하는 lugdunin이 S. aureus의 집락과 과성장을 방해하는 것으로 알려져 있다.55, 56)

미생물 간 간접적인 경로를 통하여 영향을 주는 경우들도 있는데, C. accolens가 소아의 코와 피부에 존재하는 중성지방(triacylglycerol)을 유리지방산(free fatty acid)으로 전환함으로써 S. pneumoniae의 성장을 제한할 수 있고,57) Corynebacterium spp.와 Dolosigranulum spp.가 공존하면서 Dolosigranulum spp.가 주변 환경을 산성화시킴으로써 Corynebacterium spp.의 성장을 도울 수 있다고 발표되었다.58)

호흡기에 존재하는 미생물총은 다양한 기전을 통하여 바이러스 감염을 촉진시킬 수 있다. 영아의 호흡기에 집락된 H. influenzae가 세포간 부착분자(intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)의 상승 조절을 일으켜 리노바이러스(human rhinovirus)와 호흡기 세포융합 바이러스(respiratory syncytial virus, RSV) 등의 수용체 결합을 증가시키고 염증 전 반응(proinflammatory response)을 증폭할 수 있음이 알려졌다.59) 또한 RSV에 이환된 영아를 대상으로 한 전향적인 연구에서 S. pneumoniae와 H. influenzae의 비인두 집락은 RSV에 의하여 유도되는 숙주의 면역 반응을 증폭시켜 RSV 감염의 중증도를 높이고 반복적인 천명과 폐기능의 감소를 유발할 수 있음이 발표되었다.60, 61) 반대로 항생제 사용으로 인한 인두 상재균의 파괴는 RSV 감염 후 기관지 과민성을 증가시킬 수 있는 것으로 보고되었다.62)

호흡기 미생물총은 진균 감염에도 영향을 줄 수 있다. 동물 부비동염 모델에서 S. aureus, Streptococcus spp., Pseudomonas aeruginosa에 의하여 호흡기 상피세포가 손상되면 진균 biofilm이 형성되기 쉽고,63) 특히 P. aeruginosa는 대사물질을 분비하여 먼 거리에서도 Aspergillus fumigatus의 성장을 자극할 수 있었다.64)

5. 호흡기 미생물총과 숙주의 면역 간 상호작용

호흡기 미생물총의 생태학적 모형은 호흡기에서 미생물의 유입과 제거가 균형을 이루는 것에 의하여 건강한 미생물총이 구성되고 유지되는 것이며(The adapted island model), 미생물총이 어떻게 호흡기 건강을 도모하고 유지하는 데에 도움이 되는지 명확하게 밝혀져 있지 않으나 아마도 숙주–미생물 간 상호작용을 통하여 점막 면역의 항상성과 면역 관용에 기여하기 때문일 것으로 보고 있다.65) 실험적으로 사람의 상기도 상피세포에서 Toll-like receptors (TLRs), nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD)-1, NOD-2가 활성화되면 β-defensin과 같은 항균 펩타이드가 분비되어 Th17 세포를 자극함으로써 상기도의 미생물총 구성에 영향을 주고,66) 동물 실험에서 비강내 S. aureus를 접종한 후 나타나는 TLR-2에 의하여 유도된 항염증 반응으로 influenza virus에 의한 폐손상이 감소하거나,67) 마찬가지로 동물 실험에서 비강내 Lactobacillus plantarum을 접종한 후 TLR-2와 NOD-2에 의한 면역 제어(immunomodulation)로 치명적인 pneumovirus 감염을 조절한 연구가 발표된 바 있다.68)

현재까지는 건강한 호흡기 미생물총의 구성을 위하여 소아뿐만 아니라 성인에게도 직접 호흡기에 미생물을 접종하거나 중재하는 연구는 이루어지지 못하고 있는 실정이나, 열처리된 Lactobacillus casei를 면역증강제(adjuvant)로 사용한 비강내 백신이 동물 실험에서 면역원성과 안전성이 확인된 바 있다.69)

6. 소아 호흡기 미생물총 연구의 어려움

지금까지 미생물총 연구가 활발히 이루어지고 있는 구강, 장내, 질, 피부와 달리 호흡기는 미생물의 밀도가 매우 낮아서 건강한 소아에서 기관지-폐포 세척액을 얻는다 하여도 1 mL 당 100–1,000 세포 수 미만이기 때문에 whole-genome sequencing이 어렵거나 낮은 DNA 함량으로 인하여 분류와 해석이 불가능할 수도 있다.21) 그리고 무엇보다 소아의 하기도 검체를 채취하기가 다른 연령에 비하여 용이하지 않으며 상기도 미생물과의 교차 오염의 확률이 높아 호흡기계 미생물총의 해부학적 위치에 따른 분포를 구별하기가 어렵다. 그렇기 때문에 오염된 염기서열을 인지하고 제외하기 위하여 검체를 채취하는 단계부터 주의하고 실험의 각 단계에서 적절한 음성 대조군을 신중하게 사용하며 표준화된 절차를 준수할 필요가 있다.