백일해

1. 개요

백일해는 Bordetella pertussis 세균 감염으로 발생하는 호흡기 질환이다. 공기 중 비말을 통해 전파되며, 발작성 기침, 흡입 시 "흡" 소리, 기침 후 구토 또는 기절 등의 증상을 보인다. 백일해균은 인수공통감염 가능성이 있으며, 인두 상피 세포에 부착하여 증식하며, 백일해 독소 등 다양한 독소를 분비하여 병원성을 나타낸다. 진단은 균 배양, 혈청학적 검사, 유전자 검사 등을 통해 이루어지며, 백신 접종이 주요 예방 방법이다. 치료는 항생제를 사용하며, 전 세계적으로 유행하며 3~5년 주기로 발생한다.

2. 원인

백일해는 주로 그람 음성 간균인 [[백일해균]](Bordetella pertussis) 감염에 의해 발생하는 공기매개 질환이다. 감염된 사람의 기침이나 재채기를 통해 나오는 비말 형태로 공기 중에 퍼져 전파된다. 유사한 증상을 일으킬 수 있는 균으로는 파라백일해균(B. parapertussis)과 볼데텔라 홀메시이(B. holmesii)가 있으며, 이들 역시 비말을 통해 감염된다.

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백일해균은 1906년 쥘 보르데와 옥타브 젱구(Octave Gengou)가 함께 발견했으며, 이후 보르데의 이름을 따서 학명이 붙여졌다(1952년). 이 때문에 '보르데-젱구 간균'(Bordet-Gengou bacillus; bacillus of Bordet and Gengou)이라고도 불린다.

2.1. 인수공통감염 가능성

1910년대부터 백일해가 인수공통감염병인지에 대한 의문이 제기되었으나, 1930년대에는 한천 배지에서 여러 세대를 거치면서 백일해균의 독성이 사라지는 것이 관찰되었다.

현재 사람은 Bordetella pertussis의 유일한 숙주 종으로 알려져 있다. 그러나 최소한 일부 유인원들은 백일해균에 감염되기 쉬우며, 백신 접종을 하지 않을 경우 백일해로 발전할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 실제로 동물원의 침팬지와 야생 고릴라에게서 백일해 발병이 관찰되었는데, 두 경우 모두 사람과의 밀접한 접촉으로 인해 감염된 것으로 여겨진다. 야생 고릴라 등에서 백일해균이 발견되기도 했으나, 이에 대한 실험적인 검증은 아직 이루어지지 않았다. 이러한 이유로 여러 동물원에서는 영장류에게 백일해 예방 접종을 하는 오랜 관습이 있다.

3. 병원 기전

백일해균(보르데텔라 백일해균 Bordetella pertussis^라틴어)은 공기를 통해 흡입된 후 인두의 섬모 상피 세포에 달라붙는다. 이때 세균 표면의 단백질인 섬유상 헤마글루티닌(FHA)과 퍼탁틴 등이 상피 세포 부착을 돕는다. 부착 후 세균은 그 자리에서 증식하기 시작한다. 특히 면역력이 약한 영아의 경우, 세균이 폐까지 내려가면서 더 심각한 증상을 유발할 수 있다.

백일해균은 여러 종류의 독소와 병원성 인자를 통해 병을 일으킨다.
* 부착 인자: 섬유상 혈구 응집소(FHA), 퍼탁틴(69KD 외막 단백질), 응집소(아글루티노겐 2, 3) 등은 세균이 기도 상피세포에 부착하는 데 중요한 역할을 한다.
* 기관 세포 독소 (Tracheal Cytotoxin, TCT): 펩티도글리칸 조각으로 이루어진 이 독소는 기도의 섬모 상피세포를 파괴한다. 이로 인해 점액이나 이물질을 기도 밖으로 내보내는 점액섬모 청소 기능이 억제된다. TCT는 백일해의 특징적인 심한 기침을 유발하는 원인 중 하나로 여겨진다. 아직 밝혀지지 않은 다른 "기침 독소"도 존재할 것으로 추정된다.
* 백일해 독소 (Pertussis Toxin, PT): 이 독소는 아직 정확한 기전은 밝혀지지 않았지만, 혈액 내 림프구 수를 비정상적으로 증가시키는 림프구증가증을 일으킨다. 백혈구 수가 과도하게 증가하면 폐고혈압이 발생할 수 있는데, 이는 백일해로 인한 주요 사망 원인이다. 백일해 독소는 세포 내 신호 전달에 관여하는 G 단백질 α 서브유닛 중 Gi 단백질을 ADP-리보실화하여 세포 독성을 나타낸다.
* 기타 독소: 아데닐산 시클라제, 가열성 피부 괴사 독소 등도 병원성에 관여한다.

이러한 독소의 작용과 세균 감염으로 인해, 특히 영아에게는 심각한 합병증이 발생할 수 있다. 뇌병증(뇌증)이나 뇌출혈이 나타날 수 있으며, 이로 인한 저산소증으로 뇌의 피질이 위축될 수도 있다.

백일해균은 크기 0.2~0.5 × 0.5~1.0 μm 정도의 그람 음성 단간균이다. 산소가 있어야 살 수 있는 편성 호기성 세균이며, 편모가 없어 스스로 움직이지 못한다.

4. 증상

4.1. 질병 경과

4.2. 잠복기

잠복기는 평균 7~14일이며, 그 범위는 6일에서 20일 사이이다. 드물게는 42일까지 길어질 수도 있다.

5. 진단

5.1. 검사 방법

백일해 진단을 위한 실험실 검사 방법에는 여러 가지가 있다. 대표적으로 영양 배지(보르데-장구 배지나 CSM 배지 등)를 이용한 비인두 면봉 검체의 미생물 배양, 중합 효소 연쇄 반응 (PCR) 및 LAMP법(loop-mediated isothermal amplification)과 같은 유전자 검사, 직접 형광 항체 (DFA)법, 그리고 혈청학적 방법(예: 보체 결합 검사) 등이 사용된다.

백일해균은 질병 발생 후 초기 3주 동안 환자로부터 검출될 가능성이 높으며, 이 시기에는 배양 검사나 DFA 검사가 유용하다. 특히 카타르기 및 경련성 해소기 초기의 환자 중 80-90%에서 균이 검출될 수 있다. 하지만 실제로는 균의 분리 및 동정이 어려울 수 있으며, 3주가 지나면 배양 및 DFA 검사의 유용성은 떨어진다. 반면, PCR이나 LAMP법과 같은 유전자 검사는 발병 후 6주까지도 제한적으로 진단에 활용될 수 있다. 특히 LAMP법은 특이도가 높은 검사법으로 알려져 있다.

질병이 수 주 이상 진행된 성인이나 청소년의 경우 혈청학 검사를 통해 진단할 수 있다. 이는 환자의 혈액 속에 백일해 독소나 다른 백일해균 독성 인자에 대한 항체가 높은 수준으로 존재하는지 확인하는 방법이다. 일반적으로 발병 4주 이내에는 배양 검사나 유전자 검사(PCR, LAMP)를 시행하고, 4주 이후에는 혈청학적 진단(백일해균 응집소가 측정 등)을 고려한다.

백일해 확진을 위해서는 비인두 도말액 또는 객담 검체에서 원인균을 분리하여 동정하거나, LAMP법 또는 PCR법을 이용해 균의 유전자를 검출해야 한다.

한편, 유사한 증상을 보이는 파라백일해는 배양 검사나 형광항체법을 통해 감별할 수 있다.

5.2. 감별 진단

비슷하고 덜 심각한 질병은 B. 파라백일해균에 의해 발생한다. 아데노바이러스, 마이코플라스마, 클라미디아 감염증과의 감별이 필요하다.

6. 예방

백일해를 예방하는 가장 중요한 방법은 백신 접종이다. 백일해균에 노출되었으나 아직 증상이 나타나지 않은 사람에게 항생제를 사용하는 것이 효과적인지에 대한 증거는 부족하다. 하지만, 백일해에 노출되었고 중증 질환으로 발전할 위험이 높은 사람(특히 영아)에게는 예방 차원에서 항생제가 자주 사용된다. 구체적인 백신 종류와 접종 방법에 대해서는 하위 문서를 참고할 수 있다.

6.1. 백신

백일해 백신은 질병 예방에 효과적이며, 세계 보건 기구(WHO)와 미국 질병통제예방센터(CDC)에서 정기적인 사용을 권장한다. 2002년에는 이 백신으로 약 50만 명의 생명을 구한 것으로 추정된다. 다성분 무세포 백일해 백신은 71~85%의 효과를 보이며, 더 심각한 증상을 유발하는 균주에 대해서는 더 높은 효과를 보인다.

광범위한 예방 접종에도 불구하고 백일해는 예방 접종을 받은 사람들 사이에서도 지속적으로 발생하고 있으며, "서구 국가에서 가장 흔한 백신 예방 가능 질병 중 하나"로 남아 있다. 21세기에 들어 백일해 감염이 다시 증가하는 경향을 보이는데, 이는 시간이 지남에 따라 백신으로 형성된 면역력이 감소하고 백신을 회피하는 세균 변이가 나타나는 복합적인 이유 때문이다.

예방 접종은 평생 면역력을 제공하지 않으며, 2011년 CDC 연구에 따르면 백신의 보호 효과는 3년에서 6년 정도만 지속될 수 있다. 이 기간은 백일해에 가장 취약하고 사망 위험이 가장 높은 시기인 어린 시절을 포함한다. 광범위한 예방 접종의 영향으로 보고되는 감염 연령층이 과거 1~9세 어린이 중심에서 영아, 청소년 및 성인으로 이동하는 양상을 보인다. 특히 청소년과 성인은 백일해균(B. pertussis)의 주요 보균자 역할을 하여, 백신 접종을 3회 미만으로 받은 영아에게 병을 전파시키는 원인이 될 수 있다.

백일해 감염을 통해 얻는 자연 면역 역시 시간이 지남에 따라 약해지는 불완전한 면역이다. 2005년 연구에 따르면 감염으로 획득한 면역의 지속 기간은 약 7년에서 20년 사이로 추정되며, 연구 결과 간의 차이는 지역별 유행 균주의 수준, 감시 시스템, 사용된 사례 정의 등의 차이 때문일 수 있다. 이 연구는 백신 접종 후 보호 면역은 4년에서 12년 후에 약해진다고 밝혔다. 한 연구에서는 백신 접종을 면제받는 것이 백일해 사례 수를 증가시키는 요인이 될 수 있음을 시사했다.

일부 연구에서는 무세포 백일해 백신이 질병 자체를 예방하는 데는 효과적이지만, 감염과 전파를 막는 데는 제한적인 영향을 미친다고 지적한다. 즉, 백신 접종을 받은 사람이라도 가벼운 증상이나 증상이 없더라도 백일해를 다른 사람에게 퍼뜨릴 수 있다는 것이다. 이러한 사람들의 백일해 감염은 무증상일 수도 있고, 가벼운 기침부터 7일 이상 지속되는 전형적인 백일해 기침까지 다양한 형태로 나타날 수 있다. 노인에게는 질병이 더 가볍게 나타날 수 있지만, 감염된 사람들은 예방 접종을 받지 않았거나 불완전하게 접종받은 영아를 포함한 다른 감수성 있는 사람들에게 질병을 전파할 수 있다. 노인들은 여러 백일해 사례가 발생한 가정에서 첫 번째 감염 사례로 발견되는 경우가 많으며, 종종 어린이의 감염원으로 지목된다.

백신 개발의 역사를 보면, 1932년 조지아주 애틀랜타에서 백일해 발병을 계기로 소아과 의사 릴라 덴마크가 이 질병에 대한 연구를 시작했다. 이후 6년간의 연구 결과를 미국 의학 협회 저널에 게재했으며, 에모리 대학교 및 일라이 릴리 앤 컴퍼니와 협력하여 최초의 안전하고 효과적인 백일해 백신 개발에 기여했다. 1942년에는 미국의 과학자 그레이스 엘더링, 로니 고든, 펄 켄드릭이 전세포 백일해 백신과 디프테리아 및 파상풍 톡소이드를 결합하여 최초의 DTP 혼합 백신을 만들었다. 전세포 백신 성분으로 인한 빈번한 부작용을 줄이기 위해, 일본의 과학자 사토 유지(佐藤 裕二^일본어)는 백일해균(B. pertussis)이 분비하는 정제된 혈구 응집소(HA)를 이용한 무세포 백신을 개발했다. 사토의 무세포 백일해 백신은 1981년부터 일본에서 사용되었다. 이후 다른 국가에서는 B. pertussis의 추가적인 성분을 포함하여 개선된 무세포 백신들이 개발되었으며, 이는 종종 DTaP 혼합 백신의 일부로 사용되었다.

현재 소아기에는 디프테리아·파상풍·백일해 혼합 백신(DTaP)를 통한 예방접종이 이루어지고 있다. 일본의 경우, 유아기에 DTaP 백신을 총 4회 접종하며, 1994년 10월부터 접종 개시 연령을 2세에서 3개월로 낮춘 결과, 접종률 상승과 함께 소아 환자 수가 현저하게 감소했다. 2017년 현재에는 소아마비 백신을 추가한 4가 혼합 백신(DTP-IPV)에 의한 예방접종이 실시되고 있다. 미국 질병통제예방센터는 성인도 10년마다 Tdap 백신(파상풍, 디프테리아, 백일해) 추가 예방접종을 받을 것을 강력히 권장하고 있으며, 하버드 대학교 의학부 역시 고령자에게 백일해 예방접종을 권장하고 있다.

의료 현장에서 마스크 착용은 감염 전파 방지에 효과적인 것으로 생각된다.

6.2. 대한민국 예방접종

소아기에는 주로 디프테리아·파상풍·백일해 혼합 백신(DTaP 백신)을 통해 예방접종이 이루어진다. 일본에서는 유아기에 DTaP 백신을 4회 접종하며, 1994년 10월부터 접종 시작 연령을 2세에서 3개월로 낮춘 이후 접종률 상승과 함께 소아 환자 수가 현저히 감소했다. 2017년 현재 소아마비를 추가한 4가 혼합 백신 (DTP-IPV)에 의한 예방접종이 실시되고 있다.

미국 질병통제예방센터는 성인도 10년마다 Tdap 백신(파상풍, 디프테리아, 백일해 혼합 백신) 예방접종을 받을 것을 강력히 권장하고 있으며, 하버드 대학교 의학부 역시 고령자에게 백일해 예방접종을 권장하고 있다。

한편, 의료 현장에서 마스크를 착용하는 것은 백일해 감염 전파를 막는 데 효과적인 방법으로 여겨진다。

7. 치료

일반적으로 권장되는 치료법은 마크로라이드계 항생제인 에리스로마이신, 클래리스로마이신, 또는 아지트로마이신이다. 비교적 새로운 마크로라이드계 항생제는 부작용 발생률이 낮아 자주 권장된다. 생후 6개월 이상의 환자에게 주로 투여한다.

1차 치료제에 알레르기가 있거나, 마크로라이드계 항생제로 인해 유문 협착증의 위험이 있는 유아에게는 트리메토프림-설파메톡사졸(TMP/SMX)을 사용할 수 있다.

기침이 시작된 후 3주 이내의 1세 이상 환자, 그리고 6주 이내의 1세 미만 유아 및 임산부에게 항생제 치료가 권장된다. 만약 진단이 늦어져 이 시기를 놓쳤다면, 항생제는 질병의 경과를 바꾸지 못하며, 항생제를 사용하지 않아도 더 이상 백일해를 전파하지 않는 상태일 수 있다. 항생제를 조기에 사용하면 전염 기간을 줄여 확산을 예방하는 데 도움이 된다.

단기간의 항생제 치료(예: 아지트로마이신 3~5일)는 장기간 치료(예: 에리스로마이신 10~14일)만큼 효과적이며, 부작용이 더 적고 덜 심각한 경향이 있다.

백일해 환자는 증상이 나타난 후 첫 2주 동안 전염성이 가장 강하다.

백일해로 인한 기침 자체에 대한 효과적인 치료법은 아직 개발되지 않았다. 시중의 일반의약품 기침약은 사용이 권장되지 않으며, 증상 완화에 도움이 된다는 증거도 없다.

8. 역학

대부분의 건강한 어린이나 성인은 백일해 감염 후 완전히 회복되지만, 신생아의 감염은 특히 심각할 수 있다. 미국에서는 1세 미만 영아의 백일해 치명률이 약 0.5%에 달한다. 1세 미만의 영아는 무호흡(31%), 폐렴(12%), 발작(0.6%), 뇌병증(0.15%)과 같은 합병증이 발생할 가능성도 더 높다. 이는 백일해균이 인체의 면역 체계를 억제하는 능력 때문일 수 있다.

백일해는 전 세계적으로 발생하는 풍토병이며, 백신으로 예방 가능함에도 여전히 주요 사망 원인 중 하나이다. 특히 개발도상국에서 발생률과 사망률이 높다. 백신 도입 이후 발생률이 크게 줄었으나, 면역력 감소 등의 요인으로 인해 주기적인 유행이 나타나고 있다.

과거 일본에서는 소아과 지정 의료기관 보고 체계의 한계로 성인 환자 파악이 어려웠으나, 정확한 동향 파악 및 확산 방지를 위해 2018년부터 전수 보고 체계로 변경되었다.

8.1. 유행 주기

2018년에는 전 세계적으로 151,000건 이상의 사례가 보고되었으나, 모든 사례가 보고되거나 정확하게 진단되지는 않으며, 특히 개발도상국에서 더욱 그렇다. 2017년 연구에서는 연간 2,400만 건의 사례와 16만 명의 영유아 사망이 발생하는 것으로 추정하며, 사례의 약 90%가 개발도상국에서 발생한다고 보고했다. 백일해는 백신으로 예방 가능한 사망의 주요 원인 중 하나이다.

백일해는 전염성이 매우 강하여 환자와 밀접하게 접촉한 사람의 약 80%가 감염될 수 있다. 감염자의 약 70%는 5세 미만의 유아이며, 특히 6개월 미만 영아가 38%를 차지한다. 1세 미만 영아의 사망률은 약 1~2%에 달하며, 생후 1개월 된 영아의 사망률이 가장 높다.

이 질병은 백신 접종 여부와 관계없이 2~5년 주기로 유행하는 경향이 있다. 이는 시간이 지남에 따라 백신 접종이나 자연 감염으로 얻은 면역력이 약 4~12년 후 감소하기 때문이다. 또한, 면역력이 없는 신생아들이 계속 태어나고, 집단 면역 수준이 일정 기준 이하로 떨어지면 유행이 발생할 수 있다. 백일해균 자체가 백신으로 유도된 면역을 회피하도록 진화했을 가능성도 제기된다. 연중 발생하지만 봄철에 발병률이 높은 경향을 보인다.

백신이 개발되기 전 미국에서는 연평균 178,171건의 사례가 보고되었고, 2~5년마다 유행했으며, 보고된 사례의 93% 이상이 10세 미만 어린이였다. 1940년대 DTP 혼합 백신(디프테리아, 파상풍, 백일해) 도입 후 발생률은 급격히 감소하여 1976년에는 약 1,000건까지 줄었으나, 이후 연간 1,000건에서 30,000건 사이를 오르내리고 있다.

다른 나라에서도 높은 발병률이 기록되었다. 백신 도입 전 스웨덴에서는 연평균 약 3,000명의 어린이가 백일해로 사망했는데, 이는 1749~1764년 당시 인구가 180만 명에 불과했던 점을 고려하면 매우 높은 수치이다. 같은 기간 런던에서도 3,000명 이상이 사망했으며, 런던의 발병률은 18세기 내내 증가하는 추세를 보였다. 이는 백일해가 전 세계적으로 심각한 영향을 미쳤음을 보여준다.

최근 들어 성인 감염자 수가 증가하는 추세인데, 이는 백신 접종으로 얻은 면역력이 시간이 지나면서 감소한 성인층과, 부모의 백신 거부 등으로 인해 면역을 얻지 못한 청소년 및 성인이 새로운 감염원이 되기 때문이다. 이러한 현상은 수두나 풍진 등 다른 감염병에서도 나타난다. 다만, 경련성 기침 증상이 시작된 지 3주가 지난 환자는 더 이상 감염원으로 작용하지 않는다.

미국 질병통제예방센터(CDC)는 2024년 백일해 발병 건수가 2014년 이후 최고치를 기록했다고 보고했다. 해당 연도에 16,000건 이상 발생하여 전년도 총 3,700여 건 대비 4배 이상 증가했으며, 2명의 사망자도 확인되었다. 이는 미국 내 백일해 발생 건수가 팬데믹 이전 수준(연간 10,000건 이상)으로 회귀하는 추세를 보여준다.

8.2. 대한민국 현황

대한민국에서는 과거 전국 3,000개 지정 의료기관의 소아과에서만 보고하는 '표본 감시 시스템'을 운영하여 성인 백일해 환자 현황을 정확히 파악하기 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 국립감염증연구소는 2008년 5월 백일해 발생 데이터베이스를 구축하고, 지정 의료기관 외에서도 자율적으로 보고할 수 있도록 시스템을 개선하였다. 그 결과, 2008년 한 해에만 6,500명이 넘는 감염자가 보고되었으며, 이 중 약 60%가 성인 환자인 것으로 나타났다.

9. 역사

1578년 기욤 드 바유 등이 파리에서의 유행을 최초로 보고했다. 1670년에는 심한 기침을 나타내는 라틴어 "pertussis"가 처음 사용되었다. 일본에서는 분세이 연간(1818년~1830년)에 백일해(百日咳)라고 불리기 시작했다.

1906년, 쥘 보르데와 옥타브 갱구는 백일해균(Bordetella pertussis)을 처음으로 분리하고 발견했다. 이 박테리아는 이후 쥘 보르데를 기리기 위해 Bordetella pertussis로 명명되었다. 보르데와 갱구는 B. pertussis 배양에 성공했고, 1912년 최초의 불활성화된 전세포 백신을 개발했으며, 1913년과 1914년에는 다른 연구자들이 뒤를 이었다. 그러나 이러한 초기 백신은 효과가 제한적이었다.

1920년대에 루이 W. 사우어는 에반스턴 병원에서 백일해 백신을 개발했다. 1925년 덴마크 의사 토르발트 마드센은 페로 제도에서 발생한 유행병을 통제하기 위해 전세포 백신을 사용하며 대규모 시험을 처음으로 실시했다. 하지만 이 과정에서 백신을 접종받은 어린이 두 명이 사망하는 사건이 발생하기도 했다.