Journal of Milk Science and Biotechnology
Korean Society of Milk Science and Biotechnology
Article

원유에서 Coagulase-Negative Staphylococci 검출율 및 특징

김종희1, 김부민1, 함준상1, 오미화1,*
Jong-Hui Kim1, Bu-Min Kim1, Jun-Sang Ham1, Mi-hwa Oh1,*
1농촌진흥청 국립축산과학원
1National Institute of Animal Science, RDA
*Corresponding Author : Mi-hwa Oh National Institute of Animal Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Republic of Korea. Tel :+82-63-238-7379, Fax :+82-63-238-7397, E-mail : moh@korea.kr

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Received: Jul 31, 2017 ; Revised: Sep 05, 2017 ; Accepted: Sep 18, 2017

Published Online: Sep 30, 2017

Abstract

Mastitis is a common and serious infection of the mammary gland in dairy cattle and has a major economic impact on the production of milk and dairy products. Bacterial mastitis is caused by several pathogens and is most frequently associated with coagulase-negative staphylococci (CNS). Although CNS are typically associated with subclinical or mild mastitis, the importance of CNS has increased as these pathogens have emerged as predominant mastitis-related pathogens in many countries. CNS can cause persistent infections, resulting in increased milk somatic cell counts and thereby affecting milk quality and decreasing milk production. Globally, Staphylococcuschromogenes, S. epidermidis, and S. simulans are the predominant CNS species in dairy cattle mastitis. Antibacterial resistance of CNS varies with species, and most CNS are susceptible to vancomycin and resistant to penicillin and tetracycline. As the most frequently isolated CNS species, some strains of S. chromogenes exhibit phenotypic resistance to ampicillin, erythromycin, oxacillin, penicillin, and tetracycline. Some strains of S. epidermidis and S. haemolyticus are only susceptible to vancomycin and rifampicin. Therefore, more studies are needed to achieve the control and prevention of CNS as environmental pathogens.


서론

유방염은 산유량 감소와 유방염 원유 폐기, 감염우의 조기도태, 치료비 등으로 국내외 낙농산업에 막대한 경제적 손실을 야기하고 있다. 임상형 유방염은 육안으로 쉽게 판별할 수 있지만, 산유량 감소와 함께 유방염의 잠재성을 가진 준임상형 유방염은 임상증상이 없기 때문에 진단하는 것이 쉽지 않다. 준임상형 유방염은 캘리포니아 유방염 진단법(CMT) 등의 야외진단 방법이나 유즙의 세균배양 등 실험실 진단에 의해서만 판정할 수 있으며, 임상형 유방염보다 발생율이 15~40배나 높다(국립수의과학검역원, 2001). 이들을 치료하지 않은 채 방치하면 임상형 유방염으로 진행될 수 있기 때문에 준임상형을 신속하게 진단․치료하거나 예방하는 것이 유방염의 방제를 위해서 매우 중요하다고 할 수 있다(Nam, 2010).

유방염 원인체는 발생 양상에 의해서 전염성과 환경성으로 분류되며, 전염성 유방염 원인균으로는 Staphylococcus aureus, Streptococcus dysgalactiaeStreptococcus agalactiae 등이 있고, 환경성 유방염 원인균으로는 Escherichia coliStreptococcus uberis 등이 있다(Lee 등 2007). 국제기구(National Mastitis Council; NMC)에 의해 전 세계적으로 보급된 ‘유방염 관리프로그램’을 적용한 후에는 전염성 유방염 원인균이 크게 감소되어 유질이 획기적으로 개선되었다. 그러나 환경성 유방염 원인균 근절에는 효과적이지 못하였으며, 이러한 환경성 원인체에 의한 임상형 유방염이 점차적으로 문제가 되었다(Nam, 2010).

Coagulase-negative Staphylococci(CNS)는 환경성 유방염 주요 원인균으로 세계적으로 분리되는 빈도가 증가하고 있다(Sawant et al., 2009; Piessens et al., 2011). Staphylococci는 혈액 응고를 일으키는 효소인 coagulase를 생산하는 능력에 기초하여 Coagulase-positive Staphylococci(CPS)와 CNS로 나누어진다. Staphylococcus aureus는 대표적 CPS로서 일반적으로 S. aureus와 CNS 두 그룹으로 나눌 수 있다(Pyörälä and Taponen, 2009a). 유방염 진단에서 S. aureus는 주요 병원균으로 잘 알려져 있지만, CNS는 보통 준임상적 또는 경증의 유방염만을 일으키기 때문에 종 수준으로 식별되지 않고 하나의 그룹으로 취급하였다(Pyörälä and Taponen, 2009a). 그러나 최근 연구에 따르면 일부 종은 임상적 유방염과 관련성이 있을 수 있다고 지적하고 있다(Piessens et al., 2011). 또한 CNS는 많은 국가에서 유방염을 일으키는 가장 흔한 원인체가 되었고, 유선에 상재하면서 체세포 수를 증가시키고, 우유의 품질저하를 유발한다(Nam et al., 2012). 또한 최근 면역저하 환자나 인공장치물을 삽입한 환자들에서 자주 패혈증이나 원내감염을 일으키는 기회감염균으로 밝혀졌다(Nam et al., 2000; Choi et al., 2004). Shin과 Park(2007)은 병원에서 1년간 입원환자와 외래환자에서 Staphylococcus의 분리율을 조사한 결과 CNS가 각각 46.6%, 85.4%로 매우 높은 비율을 차지한다고 보고하였다.

이러한 유방염의 치료를 위해서 주로 항생제 요법이 활용되고 있다. 적절한 항생제를 선택하기 위해서는 유방염 원인균에 대한 감수성 검사를 선행하는 것이 중요하다(Rajala-Schulz et al., 2004). 왜냐하면 Nam 등(2000)은 삼성병원에서 1997년부터 32개월간 자료조사 결과 CNS의 73.0%가 methicillin 내성을 보인다고 보고하였고, 그 외 여러 연구에서도 CNS의 각종 항생제 내성을 보고하고 있기 때문이다(Virdis et al., 2010; Sawant et al., 2009; Huber et al., 2011; Maran, 2005).

이에 본 고는 국가별 전임상 유방염에서 CNS 균종의 분리 빈도와 일반적인 특성, 예방법을 파악함으로서 유방염을 효과적으로 통제하기 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

본론

1. 국내외 젖소에서 S. aureus와 CNS의 검출율

젖소에서 유방염의 주요 원인균으로 Staphylococci는 사람 및 동물에 있어서 질병과 관련된 중요한 인자이며, 특히 Staphylococcus aureus는 오랜 기간 젖소 농가의 주요한 유방염 원인체로 검출되어 왔다. 이들은 병원성이 매우 강한 그람양성 알균으로 사람과 동물에 각종 화농성 질환과 폐렴, 식중독, 패혈증, 뇌수막염 등을 일으키며, 병원성 Staphyloccous의 지표가 되는 내열성 효소인 coagulase, hemolysin, enterotoxin 등 다양한 독성 인자를 생산하는 것으로 알려져 있다(Leonard et al., 2008). 이 외 유방염 원인체인 Coagulase-negative Staphylococci (CNS)는 축사 내 분변, 유방, 유두, 착유기 세척에 사용되는 물 등의 환경을 통해 유선조직에 침입하여 유방염을 유발한다고 알려져 있다(Faria et al., 2009; Pyörälä snf Taponen, 2009a). 최근에 많은 CNS가 원내 감염환자에서 발견되어짐으로써 주요 병원성균 중 하나로 중요도가 커지고 있다(Pyörälä and Taponen, 2009a).

최근 국내에서 Nam 등(2013)은 국내 젖소 유방염 원인균별 분리 빈도를 보기 위해 2006년부터 2012년도까지 조사하였다(Table 1). 연구결과에 따르면 주요 원인균은 Staphylococci으로서, 2012년을 제외한 매년 분리율의 50%이상을 차지하는 것으로 나타났다. 이중 CNS가 약20% 이상 많게는 약 47% 이상을 차지하고 있었다. 이렇듯 빈번한 젖소 유방염의 원인체로 작용하기 때문에 CNS는 신종 출현 병원체라고 표현할 수 있다(Pyörälä and Taponen, 2009a). Kim 등(2010)의 연구에서도 CNS는 약 45%로 분리 빈도가 높게 나타났는데, 외국의 경우도 유사한 경향이 나타남을 확인하였다. 즉, 국내와 비슷한 결과가 미국, 네덜란드, 스웨덴, 벨기에에서도 보고된 바 있다(Sawant et al., 2009; Sampimon et al., 2009; Piessens et al., 2011; Waller et al., 2011). 그러나 1990년대 이전에는 국내 유방염 원인균으로서 가장 빈번하게 분리되는 균은 S. aureus라는 보고가 있었다(Cho et al., 2001). 근래에 들어서야 환경유래 기회세균인 CNS가 주된 유방염의 원인균으로 큰 비율을 차지하게 되었는데, Nam 등(2010)은 이러한 이유를 유방염 방제프로그램이 S. aureus와 같은 감염성 유방염 원인체의 감소에 큰 기여를 했기 때문이라고 언급하였다.

Table 1. Relative frequency of S. aureus and CNS isolated from milk samples of subclinical mastitis in dairy cattle in Korea during 2006~2012

Pathogens

Number of isolates (%)
Total 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006
Staphylococci spp. S. aureus 503 (14.7) 88(7.1) 29(22.8) 72(36.9) 78(31.8) 56(11.0) 115(25.4) 65(9.8)
CNS 1079(31.5) 246(19.9) 41(32.3) 61(31.2) 100(40.8) 203(40.1) 117(25.9) 311(46.9)
Total 3422 1237 127 195 245 505 451 662
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2. 유병염 젖소에서 CNS 균종별 검출율

앞서 설명한 바와 같이 국내외에서 최근 유방염 원인균으로 Staphylococci 중 CNS의 빈도가 가장 매우 높게 나타나고 있다. CNS의 분리균종별 검출율을 더 상세히 살펴보기 위해 국내(Nam et al., 2010) 뿐만 아니라 미국, 네덜란드, 스웨덴, 벨기에에서 조사했던 준임상 유방염 젖소의 우유에서 CNS 균종별 분리빈도를 Table 2에 나타냈다(Sawant et al., 2009; Sampimon 등, 2009; Waller et al., 2011; Piessens et al., 2011). 분리된 균종은 국가별로 차이를 보였으나, 우리나라를 제외한 미국, 네덜라드, 스웨덴, 벨기에에서 CNS 분리균종 중 S. chromogenes가 30.3~36%로 가장 많이 분리되었으며, 그 다음으로는 S. epidermidis(11.9~22%), S. simulans (11~18.8%), S. haemolyticus(1~27.6%), S. warneri(2.2~4%)순으로 나타났다. CNS 균종 간의 분리된 빈도 차이 또는 특이적으로 검출되는 종은 국가에 따라 차이가 있었다. 미국과 네덜란드에서는 S. hyicusS. intermedius가 분리되었는데 특히 S. hyicus는 미국에서 22%의 높은 빈도를 보였다. 이 두 종은 균주에 따라 Cagulase positive 또는 Coagulase-variable가 다양하게 존재한다. 국내 CNS 분리균종에서는 특이하게도 가장 빈번히 검출된다고 보고된 S. chromogenes는 검출되지 않았고, 다른 국가에서는 검출되지 않거나 소수로 분리되어진 S. auricularis가 가장 높은 검출율인 약 40% 정도를 차지하였다. 그 다음으로 빈도가 높은 균종은 S. simulans S. haemolyticus, S. xylosus, S. sciuri, S. hominis, S. warneri, S. saprophyticus, S. epidermidis의 순으로 나타났다. S. chromogenes의 존재 유무에서 국외 연구와 큰 차이를 보이는 이유는 생화학적 동정과 유전학적 동정이 꼭 일치하지는 않기 때문으로 사료된다.

Table 2. Frequency of coagulase-negative staphylococci species isolated from milk sample with subclinical mastitis
CNS species Value or description in study
Sawant et al.(2009) Nam et al.(2008) Sampimon et al. (2009) Waller et al.(2011) Piessens et al.(2011)
Stuudy design parameters
Country USA Korea Netherland Sweden Belgium
No. of isolates 168 (100) 169 (100) 155 (100) 98 (100) 134 (100)
Identification metods PFGE anaysis API Staph API Staph tuf gene PCR RAPD fingerprints
Identified Staphylococci (%)
S. chromogenes 61 (36) 47 (30.3) 30 (31) 41 (30.6)
S. epidermidis 37 (22) 2 (0.9) 20 (12.9) 21 (21) 16 (11.9)
S. auricularis 66 (39.9) 2 (1.3) 3 (2.2)
S. capitis 17 (11)
S. simulans 16 (10) 31 (18.8) 17 (11) 13 (13) 15 (11.2)
S. warneri 7 (4) 7 (4.1) 12 (7.7) 2 (2) 3 (2.2)
S. xylosus 1(1) 14 (8.2) 7 (4.5) 4 (4)
S. haemolyticus 2(1) 21(12.4) 6 (3.9) 14 (14) 37 (27.6)
S. hominis 4 (2) 12 (7.1) 1 (0.7) 5 (3.7)
(S. hyicus)a 37 (22) 3 (1.9) 1
(S. intermedius)a 2 (1) 4 (2.6)
S. cohnii 2 (1.3) 4 (3.0)
S. sciuri 1(1) 13 (7.6%) 3 (1.9)
S. saprohyticus 3 (1.7) 1 (0.7) 7 (7) 4 (3.0)
Others 13 (8.4) 6 (6) 6 (4.5)

a If part of the study, percentages of coagulase-positive or coagulase-variable species (species names in parentheses) are also given.

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Vliegher 등(2003) 연구에 따르면, S. chromogenes는 송아지의 유두에서 주로 분리되었으며 나이에 따라 그 수는 증가하였다. 또한 S. chromogenesS. xylosus, S. sciuri, S. saprophyticus, S. warneriS. epidermidis와 함께 젖소의 피부 및 환경에서 우세한 CNS 종으로 알려져 있다(Matos et al., 1991; white et al., 1989). Devriese와 De Keyser (1980)는 S.chromogenes를 제외하고, 젖꼭지와 유두관에서 자주 검출된 CNS 종은 주로 우유에서 분리 된 CNS 종과 차이가 있다고 보고하였다. 즉, 젖소의 유두 피부와 유두 꼭대기에서 얻은 시료에서는 S. xylosus, S. sciuriS. haemolyticus가 우세한 반면, 우유 시료에서 주로 S. epidermidis, S. chromogenes, S. simulans가 높은 빈도로 분리되어 분포에 차이가 있음을 제시하였다. 또한 임상 또는 준임상형 유방염에서는 S. simulans가 우세한 CNS 종이었으며, S. hyicusS. epidermidis는 또한 CNS 유방염으로부터 빈번히 검출되었다(Taponen et al., 2006; Rajala-Schulz et al., 2004). 유사하게도 Table 2의 결과에서 보듯이 준임상형 유방염 젖소의 우유에서는 S. epidermidis, S. chromogenes, S. simulan가 우세하게 분리되었음을 확인할 수 있었다.

3. CNS의 항균제 내성률

Staphlococci의 가장 잘 알려진 대표적 항생제 내성균인 methicillin resistant S. aureus (MRSA)는 많은 연구가 보고되었지만, 최근 유방염 원인체로 국내를 비롯한 여러 국가에서 가장 빈번히 분리되는 CNS는 다제내성을 쉽게 일으키는 경향이 있음에도 불구하고 별로 중요하지 않는 병원체로 간주되어 왔다(Pyörälä and Taponen, 2009a). 이들은 S. aureus에 항생제 내성 유전자를 전달하는 매개체로서도 작용할 수 있다는 보고와 함께 최근에 그 중요성이 부각되었으다(Leonard and Markey, 2008). Archer와 Climo (1994)에 따르면 원내 감염에 있어서 CNS 증가는 다중 저항성을 가진 CNS 균주의 증가로 인한 것일 수 있다고 언급하였다. Staphylococci에서 가장 흔한 저항기작은 β-lactamase 생산으로 penicillin G와 aminopenicillins에 내성을 갖는 것이다(Pyörälä and Taponen, 2009a). 유방염에서 분리된 CNS의 penicillin 저항성은 노르웨이(36%, NORM-VET, 2005), 덴마크(25%, DANMAP, 2001), 네덜란드(41~61%, MARAN, 2005), 필란드(32%, Pyörälä et al., 2004)로 보고되었다.

Staphlococci의 항생제 내성이나 병원성, 기회감염에 대한 숙주의 반응은 균종에 따라 다를 수 있어 적절한 항생제 선발을 위해서는 CNS 각각의 균종에 따라 항생제 내성 패턴을 조사할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 전임상 유방염 젖소의 우유에서 분리된 주요 CNS 균종의 항생제 내성 패턴을 여러 연구들을 통해 비교하였다(Table 3). 대부분의 CNS는 penicillin과 tetracycline에 내성을 보였고, vancomycin에 대해서는 보고된 8종의 CNS 모두 감수성을 나타내었다. 젖소의 유방염 우유에서 가장 빈번하게 분리되는 S. chromogenes는 ampicillin, erythromycin, oxacillin, penicillin, tetracycline에 저항성을 보였으며, S. epidermidis와 S. homeoly ticus는 vancomycin과 rifampicin에만 감수성을 보였고, 그 외 10개의 항생제에 대해선 저항성을 나타내었다. S. saprohyticus는 상당수의 항생제에 대해서 가장 높은 감수성을 보였다. 국내의 유방염 젖소에서 가장 많이 분리된 S. auricilaris는 항생제 민감성에 관한 연구가 많지 않았지만 oxacillin과 tetracycline에 저항성이 있음이 보고되었다. CPS(coagulase-positive species)에 속하는 S. hyicus S. intermedius는 erythromycin, penicillin, tetracycline에 대해 내성을 나타냈다. 따라서 CNS 자체 뿐 아니라 항생제 내성 측면에서도 주의를 기울여야 한다.

Table 3. Colony appearance and antibiotic resistance characteristics of the individual CNS species isolated from animal-derived milk sample with subclinical mastitis
CNS Species Colonyappearance Antibiotic resistance* Reference
Amp Cef Cmp Cip Em Van Gm Oxa Rif Str Pen Tc
S. chromogenes Butyrous,
orange, or creamy
R R S R R R R Devriese et al., 2002
Todhunter et al., 1993
S. epidermidis Gray or grayish white R R R R R S R R R R R Huber et al., 2011
Haque et al., 2009
S. auricularis White R R Schwarz et al., 1998
Marshall et al., 1998
S. simulans Gray-white S/R S S/R R R Luthje and Schwarz, 2006
Faria et al., 2009
S. warneri Gray-white (20%),
slightly yellowish colonical ceter
to bright Yellow-orange
S/R S S/R R Luthje and Schwarz, 2006
Faria et al., 2009
S. xylosus Orange-yellow, yellowish,
or gray to gray-white
R S/R S S S R R Luthje and Schwarz, 2006
Allori et al., 2006
S. haemolyticus Gray-white, white,
or slight yellow tint
R R R R R S R R S R R R Huber et al ., 2011
Bjorland et al., 2005
S. hominis Dull, gray-white to yellowish,
or yellow-orange
S S R S R R R S/R R Faria et al ., 2009
Bjorland et al., 2005
(S. hyicus) Gray-white with
yellowish
R R/S S R R R Wegener and Schwa, 1992
(S. intermedius) R S R R Werckenthin et al., 2001
Schwarz et al., 1998
S. cohnii Lemon yellow S R R S R R R R S/R Faria et al., 2009
Schwarz et al., 1998
S. sciuri Gray-white with
yellowish
R R R S S S R R Huber et al., 2011
S. saprohyticus Unpigmented or
sloght yellow tint
S S S S/R R S S S S S/R S Jeong and Lee, 2015
Luthje and Schwarz, 2006
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4. CNS 유방염의 예방

CNS 유방염의 경우, 다른 유형의 유방염과 마찬가지로 예방이 가장 중요하다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 주요 병원균에 의한 유방염 예방에 중점을 두고 있으며, CNS에 의한 유방염은 구체적으로 다루어지지 않았다. CNS는 오랫동안 유방염을 일으킬 수 있는 기회주의 환경 미생물로 간주되어 왔다(Faria et al., 2009). 따라서 청결하고 건조한 환경이 무엇보다 중요하다. Pyörälä와 Taponen (2009b)은 임신한 젖소는 임신하지 않은 소보다 CNS에 감염될 확률이 높으며 분만 전이나 분만 직후에 감염이 가장 높게 발생한다고 보고하였다. 따라서 CNS 유방염 예방 시, 임신한 젖소 주변의 환경 관리를 철저하게 해야 하며 이는 송아지의 유방 건강을 위해서도 중요한 요인이 될 수 있다고 제시하였다.

유방염에 대한 예방 대책 중 비항생제 요법인 Internal Teat Sealants는 건유기 유방염 치료에 대안제로서 상용될 수 있다. Parker 등(2007) 연구에서 Internal Teat Sealants의 염증 보호 효과가 입증되었다. Internal Teat Sealants를 산전 암소에서 실험하였더니 산후 임상적 유방염과 염증 감염의 위험이 현저하게 감소하였다. 소의 유방염 백신의 개발은 어려우며 심지어 자연적인 유방 내 감염은 후속 감염을 예방하지 못했다(Talbot and Lacasse, 2005). CNS 유방염에 대한 백신 접종은 아직 연구된 바가 없어 앞으로 이에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

결론

유방염은 낙농 젖소에서 가장 흔하고 해로운 감염이며, 우유 및 낙농 제품의 생산에 큰 경제적 영향을 미친다. 유방염에서 가장 빈번히 분리되는 세균 중 하나인 Coagulase-negative staphylococci(CNS)는 최근까지 그다지 중요하지 않은 병원체로 간주되었다. 그러나 많은 국가에서 발생 빈도가 증가하고 원내감염을 일으키는 환경 유래 기회감염균으로 알려지면서 그 중요성이 부각되고 있다. CNS 감염은 대부분 전임상형이나 지속적으로 체세포수를 증가시키고 유질을 떨어뜨리며 유방조직을 손상시켜 유량을 감소시킬 수 있다. CNS는 국내 전임상 유방염 젖소 우유에서 약 20% 이상 많게는 약 47% 이상을 차지하고 있다. 전 세계적으로 S. epidermidis, S. chromogenes, S. simulan는 젖소의 전임상 유방염에서 우세한 CNS 종이며, 국가별 약간의 차이가 있지만 S. haemolyticus, S. xylosus, S. sciuri, S. hominis, S. warneri, S. saprophyticus도 잦은 빈도로 검출되었다. 항생제 종류에 대한 CNS 내성양상은 균종에 따라 달랐다. 대부분의 CNS는 penicillin과 tetracycline에 내성을 보였고, vancomycin에 대해서는 조사된 총 11종 중 현재까지 보고되지 않은 S. chromogenes S. auricularis를 제외한 다른 9종에서 모두 감수성을 나타내었다. 가장 빈번이 검출되는 CNS 균종 중 일부 S. chromogenes 균주는 ampicillin, erythromycin, oxacillin, penicillin, tetracycline에 저항성을 보였으며, S. epidermidis와 S. homeolyticus 균주는 vancomycin과 rifampicin에서만 감수성을 보였다. 유방염 원인균별 검출율 및 각 CNS 균종별 항생제 내성을 조사한 결과, 국내 젖소에서 유방염을 방제하기 위해서는 환경 유래 유방염 원인균에 대한 통제 및 예방을 위한 노력에 더 많은 주의를 기울여야 한다는 사실을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 연구사업(축산물 중 식중독균 검출을 위한 시료 전처리법 개발, PJ01199301)과 2017년도 농촌진흥청(국립축산과학원) 박사후연수과정 지원사업에 의해 이루어진 것임.

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