페니실린
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1. 개요
페니실린은 1928년 알렉산더 플레밍에 의해 발견된 최초의 항생제로, 푸른곰팡이(Penicillium)에서 생성되는 물질이다. 세균의 세포벽 합성을 억제하여 세균을 사멸시키는 작용 기전을 가지며, 다양한 종류의 감염병 치료에 사용된다. 1940년대 하워드 플로리와 언스트 체인에 의해 정제 및 대량 생산 기술이 개발되었고, 1945년에는 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 페니실린은 천연 페니실린, 반합성 페니실린, 합성 페니실린 등으로 분류되며, 6-아미노페니실란산(6-APA)을 기본 골격으로 하여 다양한 변형을 통해 항균 스펙트럼과 안정성을 개선했다. 페니실린 내성균의 출현과 부작용의 위험성도 존재한다.
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페니실린 | |
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약물 정보 | |
상품명 | (제공된 정보 없음) |
Drugs.com | Drugs.com 페니실린 정보 (경구, 주사, 정맥, 근육) |
MedlinePlus | (제공된 정보 없음) |
임신 범주 (호주) | (제공된 정보 없음) |
임신 범주 (미국) | B |
임신 범주 설명 (미국) | (제공된 정보 없음) |
법적 지위 | 처방전 필요 |
투여 경로 | 정맥 주사 근육 주사 입으로 |
단백질 결합 | (제공된 정보 없음) |
대사 | 간 |
제거 반감기 | 0.5시간에서 56시간 사이 |
배설 | 신장 |
CAS 등록 번호 참조 | (제공된 정보 없음) |
CAS 등록 번호 | (제공된 정보 없음) |
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2. 역사
17세기 말 안토니 판 레벤후크가 현미경을 통해 미생물의 존재를 처음 발견한 이후,[149] 18세기에는 마르쿠스 폰 플렌시즈가 세균 원인설을 주장했다.[150] 19세기에는 에드워드 제너가 우두법을 통해 천연두 백신 접종법을 개발했고, 루이 파스퇴르와 로베르트 코흐는 세균병인론을 확립했다.[153][154]
독일의 파울 에를리히는 매독균을 억제하는 살바르산을 개발하여 화학요법의 가능성을 열었지만, 대부분의 항생물질은 인체에도 해로운 문제가 있었다.[152]
알렉산더 플레밍은 1929년 3월 7일에 ''페니실리움 루벤스''의 항균성을 발견하고, '페니실린'이라는 이름을 붙였다.[9] 플레밍은 논문에서 "다소 번거로운 '곰팡이 배양액 여과액'이라는 구절을 반복하는 것을 피하기 위해 '페니실린'이라는 이름을 사용하겠다"라고 설명했다.[10]
현대적 용법에서 페니실린은 티아졸리딘 고리가 β-락탐 핵에 융합된 β-락탐 항균제를 지칭하는 데 더 광범위하게 사용된다.[12] ''페니실리움''의 주요 활성 성분은 다음과 같다:[13][14]
화학명 | 영국 명명법 | 미국 명명법 | 페니실린 G에 대한 상대적 효능[15] |
---|---|---|---|
2-펜테닐페니실린 | 페니실린 I | 페니실린 F[16] | 70–82% |
벤질페니실린 | 페니실린 II | 페니실린 G[17] | 100% |
p-히드록시벤질페니실린 | 페니실린 III | 페니실린 X[18] | 130–140% |
n-헵틸페니실린 | 페니실린 IV | 페니실린 K[19] | 110–120% |
추출된 페니실린의 정확한 구성은 사용된 ''페니실리움'' 곰팡이의 종과 배양 배지에 따라 달라진다.[8] 플레밍의 원래 균주는 페니실린 F를 주로 생성했지만, 불안정하고 분리하기 어려웠다.[8] ''페니실리움 크리소게눔''은 페니실린 G를, 배양 배지에 페녹시에탄올을 첨가하면 페니실린 V를 주요 페니실린으로 생성한다.[8]
6-아미노페니실린산(6-APA)은 페니실린 G에서 파생된 화합물로, 다양한 반합성 페니실린 제조에 사용된다.
페니실린의 발견, 개발, 대량 생산, 구조 결정 및 전합성에 대한 자세한 내용은 하위 문서를 참조한다.
일본에서는 1943년 나치 독일의 의학 잡지를 통해 페니실린의 존재를 알게 되었고, 1944년 육군 군의 학교에서 "벽소"라는 이름으로 소량 생산에 성공하여 환자들에게 투여했다.[143]
2. 1. 발견

알렉산더 플레밍은 1928년 9월 3일 황색포도상구균을 배양하던 중 페니실리움 루벤스(P. Rubens)[76] 곰팡이에 의해 세균 배양이 오염되면 세균이 죽는 현상을 우연히 발견했다.[77][78] 플레밍은 1929년 실험 결과를 발표하며 항균 물질을 페니실린이라 명명했다.[79]
플레밍은 ''페니실리움'' 곰팡이가 생성한 물질이 여러 종류의 세균에 대해 항균 작용을 보이며, 인간 백혈구나 생쥐에는 해가 없다는 사실을 확인했다. 그러나 페니실린 분리가 어렵고 약물 개발 가능성이 낮아 당시에는 큰 주목을 받지 못했다.[81]
19세기 후반부터 ''페니실리움'' 곰팡이의 항균성에 대한 보고는 있었으나, 원인 과정은 밝혀지지 않았었다.[75] 플레밍의 발견은 ''페니실리움 루벤스''가 항균성을 가짐을 최초로 증명한 사례였다.
2. 2. 개발 및 대량 생산
1940년, 호주의 과학자 하워드 월터 플로리(훗날 플로리 남작)와 언스트 보리스 체인, 에드워드 아브라함 등 옥스퍼드 대학교의 윌리엄 던 병리학 연구소 연구팀은 균 배양액에서 농축된 페니실린을 만들어 ''시험관 내'' 및 ''생체 내'' 살균 작용을 보이는 데 성공했다.[112][87] 1941년, 그들은 심각한 안면 감염을 앓고 있는 경찰관 앨버트 알렉산더를 치료했는데, 그의 상태는 호전되었지만 페니실린 공급이 끊겨 사망했다. 그 후, 다른 여러 환자들이 성공적으로 치료를 받았다.[108]1942년에 알렉산더 플레밍은 신경계 감염으로 치명적일 수 있었던 해리 램버트를 순수한 페니실린으로 처음 성공적으로 치료했다. 그 당시 옥스퍼드 팀은 소량만 생산할 수 있었다. 플로리는 기꺼이 사용 가능한 유일한 샘플을 플레밍에게 주었다. 램버트는 치료 다음 날부터 호전을 보였고 일주일 안에 완전히 완치되었다.[89][90]
의학적 적용이 확립되면서 옥스퍼드 팀은 실험실에서 사용할 수 있는 양을 생산하는 것이 불가능하다는 것을 발견했다.[108] 영국 정부를 설득하는 데 실패한 플로리와 히틀리는 1941년 6월 곰팡이 샘플을 가지고 미국으로 갔다.[93][94] 그들은 대규모 발효 시설이 구축된 USDA 북부 지역 연구소(NRRL, 현재 국립 농업 활용 연구 센터)에 접근했다.[95][94]
1942년 3월 14일, 첫 번째 환자는 머크 앤 컴퍼니가 생산한 미국산 페니실린으로 연쇄상구균 패혈증을 치료받았다.[96] 1943년, 전쟁 생산 위원회는 유럽에서 싸우는 연합군에게 페니실린 재고를 대량으로 배포하는 계획을 세웠다.[102] 화이자 과학자 재스퍼 H. 케인은 제약 등급 페니실린을 대량 생산하기 위해 심층 탱크 발효 방식을 제안했다.[100][26] 대규모 생산은 화학 엔지니어 마가렛 허친슨 루소에 의한 심층 탱크 발효 공장의 개발로 이루어졌다.[101] 전쟁과 전쟁 생산 위원회의 직접적인 결과로 1945년 6월까지 연간 6460억 단위 이상이 생산되었다.[102]
제2차 세계 대전 동안 페니실린은 연합군의 감염된 상처로 인한 사망자 및 절단 횟수를 크게 줄였다.[104] 그러나 대량의 페니실린을 제조하기 어렵고 약물의 빠른 신장 청소율로 인해 가용성이 심각하게 제한되어 빈번한 투여가 필요했다.
제2차 세계 대전 이후 호주는 민간인용으로 약물을 사용할 수 있도록 한 최초의 국가였다. 미국에서는 1945년 3월 15일에 페니실린이 일반 대중에게 제공되었다.[111]
2. 3. 한국에서의 페니실린 도입과 영향
1946년 점령군이 초빙한 텍사스 대학교의 잭슨 포스터 교수의 지도하에 일본 제약 회사들이 페니실린 생산을 시작했고,[144] 1947년부터 병원을 통해 일본 전역에 퍼져나갔다. 그 결과, 일본에서는 항생제 개발 및 생산이 크게 늘고, 감염증 치료법이 보급되어 유아부터 고령자까지 모든 연령층에서 감염증으로 인한 사망률이 현저하게 감소했으며, 평균 수명 증가에 큰 영향을 미쳤다.2. 4. 구조 결정 및 전합성

페니실린의 화학 구조는 1942년 에드워드 아브라함이 처음 제안했고,[112] 1945년 X선 결정학을 사용하여 옥스퍼드에서 연구하던 도로시 호지킨이 확인했다.[113] 호지킨은 이 연구와 다른 구조 결정으로 1964년 노벨 화학상을 받았다.
매사추세츠 공과대학교(MIT)의 화학자 존 C. 시언은 1957년 페니실린의 최초 화학적 총합성을 완료했다.[114][115][116] 시언은 1948년에 페니실린 합성에 대한 연구를 시작했으며, 이 과정에서 펩타이드 합성을 위한 새로운 방법과 특정 작용기의 반응성을 숨기는 새로운 보호기를 개발했다.[116][117] 시언이 개발한 초기 합성은 페니실린의 대량 생산에 적합하지 않았지만, 이 합성 과정의 중간 화합물 중 하나가 페니실린의 핵인 6-아미노페니실란산(6-APA)이었다.[114][115][116][118]
1957년 서리(Surrey)의 Beecham Research Laboratories (후에 Beecham Group) 연구원들이 6-APA를 발견했고, 1959년에 발표했다.[119] 페니실린의 '핵'인 6-APA에 다른 기를 부착하여 더 다재다능하고 활성이 좋은 새로운 형태의 페니실린을 만들 수 있었다.[120]
2. 5. 과테말라 인체 실험 (비윤리적 연구)
1946년부터 1948년까지 과테말라에서 미국 공중보건국 주도로 페니실린의 효과를 확인하기 위한 비윤리적인 인체 실험이 자행되었다. 이 실험은 과테말라 정부의 동의 하에 이루어졌지만, 실험 대상자들에게는 실험 내용이 제대로 알려지지 않았다.실험에는 매독, 임질 등 성병 감염자, 정신질환자, 나병 환자, 고아 등이 포함되었으며, 이들에게는 페니실린이 투여되거나, 의도적으로 성병에 감염시키는 등의 비윤리적인 행위가 이루어졌다. 이 과정에서 최소 83명이 사망한 것으로 알려져 있다.
2010년 이 사실이 밝혀진 후, 버락 오바마 당시 미국 대통령은 과테말라 대통령에게 공식적으로 사과했다. 이후 피해자들은 미국 정부를 상대로 손해 배상을 청구했지만, 2012년 미국 법원은 주권 면제를 이유로 소송을 기각했다.
3. 항균 메커니즘
베타-락탐계 항생제는 세균 세포벽의 펩티도글리칸 교차연결 배열을 망가뜨린다. 페니실린의 베타-락탐 부분은 펩티도글리칸 분자를 연결하는 트랜스펩티데이스와 무작위로 결합하여 세균 세포벽을 약화시킨다. 약화된 세포는 삼투압 변화를 견디지 못하고 터져 죽게 된다.[45]
페니실린은 그람 양성 세균의 경우 세포에 쉽게 들어갈 수 있다. 그람 양성 세균은 외부 세포막이 없고 두꺼운 세포벽 안에 갇혀 있기 때문이다.[45] 페니실린 분자는 세포벽의 당단백질 사이를 통과할 수 있을 정도로 작아 그람 양성 세균에 매우 취약하다.[79][46]
그람 음성 세균의 경우, 세균은 더 얇은 세포벽을 가지고 있지만 외부 표면은 외부막이라는 추가적인 세포막으로 덮여 있다. 외부막은 친수성 분자의 통과를 막는 지질다당류 사슬로, 유독 물질에 대한 첫 번째 방어선 역할을 하며 항생제에 대한 상대적인 내성의 원인이 된다.[47] 그러나 페니실린은 여전히 지방 분자 사이에 분산되어 포린 (외부막 단백질)을 통해 확산되어 그람 음성 종에 들어갈 수 있다.[48] 포린을 통한 확산 속도는 약물 분자의 크기에 따라 결정된다. 예를 들어, 페니실린 G는 크고 포린을 통해 천천히 들어가지만, 더 작은 암피실린과 아목시실린은 훨씬 더 빠르게 확산된다.[49] 반대로 큰 반코마이신은 포린을 통과할 수 없어 그람 음성 세균에 효과가 없다.[50]
페니실린은 세균 세포벽의 구조적 구성 요소인 펩티도글리칸 합성을 억제하여 세균을 죽인다. 특히 세포벽 생합성의 마지막 단계에서 펩티도글리칸의 가교 결합에 필요한 효소의 활성을 억제한다. 페니실린 분자에 있는 β-락탐 고리를 사용하여 페니실린 결합 단백질에 결합함으로써 이루어진다.[52][53] 이로 인해 가교 결합이 줄어들어 세포벽이 약해지고, 삼투압 구배를 유지할 수 없어 물이 세포 안으로 흘러들어가 세포 용해와 죽음이 발생한다.
세균은 성장하고 분열하면서 펩티도글리칸 세포벽을 재구성하며, 세포벽의 일부를 동시에 구축하고 파괴한다. 펩티도글리칸 생합성의 마지막 단계에서 우라딘 이인산-''N''-아세틸무라민산 펜타펩티드(UDP-MurNAc)가 형성되며, 이 펜타펩티드에서 네 번째와 다섯 번째 아미노산은 모두 D-알라닌-D-알라닌이다. D-알라닌의 전이는 효소 DD-트랜스펩티다아제(페니실린 결합 단백질)에 의해 수행된다.[49] 세균 세포벽의 구조적 완전성은 UDP-MurNAc와 ''N''-아세틸 글루코사민의 가교 결합에 달려 있다.[54] 페니실린과 다른 β-락탐 항생제는 D-알라닌-D-알라닌(디펩티드)의 유사체로 작용한다. 그러면 DD-트랜스펩티다아제는 UDP-MurNAc 대신 페니실린의 4원자 β-락탐 고리에 결합한다.[49] 그 결과 DD-트랜스펩티다아제가 비활성화되고, UDP-MurNAc와 ''N''-아세틸 글루코사민 사이의 가교 결합 형성이 차단되어 세포벽 생성과 분해 사이의 불균형이 발생하여 세포가 빠르게 죽게 된다.[55]
펩티도글리칸 가교 결합을 가수 분해하는 효소는 계속 기능을 수행하여 세균의 세포벽을 약화시키고, 삼투압은 보상되지 않아 결국 세포 죽음(세포 용해)을 유발한다. 또한 펩티도글리칸 전구체의 축적은 세균 세포벽 가수분해 효소와 자가용해 효소의 활성화를 유발하여 세포벽의 펩티도글리칸을 추가로 소화시킨다. 페니실린의 작은 크기는 세포벽 전체 깊이까지 침투할 수 있게 하여 효능을 증가시킨다.[56]
그람 양성 세균은 세포벽을 잃으면 원형질체라고 불린다. 그람 음성 세균은 페니실린으로 처리한 후에도 세포벽을 완전히 잃지 않고 구형질체라고 불린다.[57]
페니실린은 아미노글리코사이드와 함께 사용하면 상승 효과를 낸다. 펩티도글리칸 합성을 억제하면 아미노글리코사이드가 세균 세포벽에 더 쉽게 침투하여 세포 내에서 세균 단백질 합성을 방해할 수 있기 때문이다. 이로 인해 감수성 있는 유기체에 대한 MBC가 낮아진다.[58]
페니실린은 다른 ''β''-락탐 항생제와 마찬가지로 시아노박테리아를 포함한 세균의 분열뿐만 아니라, 남조식물의 광합성 세포 소기관인 시아넬의 분열, 선태식물의 엽록체 분열도 차단한다. 반면에 고도로 발달된 관다발 식물의 색소체에는 영향을 미치지 않는다. 이는 육상 식물에서 색소체 분열의 공생 기원설을 뒷받침한다.[59]
일부 세균은 β-락탐 고리를 분해하는 β-락타마제라는 효소를 생성하여 페니실린에 내성을 갖도록 한다. 따라서 일부 페니실린은 클라불란산 또는 타조박탐과 같은 β-락타마제 억제제와 함께 사용하여 β-락타마제 생성 세균에 대한 페니실린 활성을 얻을 수 있다. β-락타마제 억제제는 β-락타마제에 비가역적으로 결합하여 항생제 분자의 베타-락탐 고리가 분해되는 것을 방지한다. 또는 플루클록사실린은 아실 측쇄가 β-락탐 고리를 β-락타마제로부터 보호하여 β-락타마제 생성 세균에 대한 활성을 갖는 변형된 페니실린이다.[38]
페니실린은 β-락탐계 항생제이며, 진정세균의 세포벽 주요 성분인 펩티도글리칸을 합성하는 효소(PBP)와 결합하여 그 활성을 억제한다. 페니실린이 작용한 세균은 펩티도글리칸을 만들 수 없게 되어 세포벽이 얇아지고 증식이 억제된다(정균 작용). 또한 세균은 세포질의 삼투압이 높아, 세포벽이 얇아지고 손상된 세균 세포에서는 외액과의 삼투압 차이로 인해 세포 내로 외액이 유입되어, 최종적으로 용균을 일으켜 사멸한다(살균 작용).
페니실린은 진정세균의 세포벽 합성을 표적으로 특이적으로 억제하는 약제이다. 펩티도글리칸을 주요 성분으로 하는 세포벽은 마이코플라즈마를 제외한 진정세균의 생존에 필수적인 구조이지만, 인간을 포함한 진핵생물에는 존재하지 않는다. 따라서 페니실린은 진정세균에 대한 선택적 독성이 높고, 인간에 대한 독성은 낮다.
4. 종류
알렉산더 플레밍은 1929년 페니실리움 루벤스에서 항균 물질을 발견했다.[9] 현대에는 티아졸리딘 고리가 β-락탐 핵에 융합된 β-락탐 항균제를 페니실린이라 통칭한다.[12]
''페니실리움'' 곰팡이의 주요 활성 성분은 다음과 같다.[13][14]
화학명 | 영국 명명법 | 미국 명명법 | 벤질페니실린에 대한 상대적 효능[15] |
---|---|---|---|
2-펜테닐페니실린 | 페니실린 I | 페니실린 F[16] | 70–82% |
벤질페니실린 | 페니실린 II | 페니실린 G[17] | 100% |
p-히드록시벤질페니실린 | 페니실린 III | 페니실린 X[18] | 130–140% |
n-헵틸페니실린 | 페니실린 IV | 페니실린 K[19] | 110–120% |
''페니실리움''의 다른 미량 활성 성분으로는 페니실린 O,[20][21] 페니실린 U1, 페니실린 U6가 있다. 추출된 페니실린의 정확한 구성은 사용된 ''페니실리움'' 곰팡이의 종과 배양 배지에 따라 달라진다.[8] 예를 들어, 페니실리움 크리소게눔을 옥수수 침지액 배지에서 배양하면 벤질페니실린가 주성분이 되고,[8] 페녹시에탄올이나 페녹시아세트산을 첨가하면 페녹시메틸페니실린가 주성분이 된다.[8]
6-아미노페니실린산(6-APA)은 벤질페니실린에서 유도된 화합물로, 다양한 반합성 페니실린 제조에 사용되는 전구체이다. 페니실린은 역사적으로 '단위'로 처방되었으나, 미국 외 지역에서는 거의 사용되지 않는다. 현재는 순수한 벤질페니실린 제제가 사용되면서 단위 사용의 필요성이 줄었다.
페니실린은 티아졸리딘 고리와 R 측쇄, 그리고 4원자 고리인 베타-락탐 고리로 구성되어 있으며, R 치환체에 따라 항균 스펙트럼, 안정성, 베타-락타마제에 대한 감수성이 달라진다.
페니실린과 관련된 세 가지 주요 반합성 항생제 그룹은 6-APA에 다양한 측쇄를 첨가하여 합성된다.
- 항포도구균 항생제: 클록사실린, 디클록사실린, 플루클록사실린, 메티실린, 나파실린, 옥사실린 등. 포도구균 페니실리나제에 의해 분해되지 않는 저항성을 갖는다.
- 광범위 항생제: 암피실린, 아목시실린 등. ''대장균'' 및 ''살모넬라 타이피''와 같은 그람 음성 세균에 작용하지만, 내성이 흔하게 나타난다.
- 항녹농균 페니실린: 카르베니실린, 티카르실린, 피페라실린 등. 그람 음성 세균인 ''녹농균''에 효과가 있도록 개발되었다.
1957년 존 시언이 페녹시메틸페니실린 전합성에 성공하면서, 화학 합성에 의한 새로운 페니실린계 화합물 개발이 가능해졌다.
파일:構造式Penicillin G.JPG|벤질페니실린
파일:構造式 Penicillin N.PNG|페니실린 N
파일:構造式 Penicillin O.png|페니실린 O
파일:構造式 Penicillin V.PNG|페녹시메틸페니실린
파일:構造式 Methicilline Sodium.png|메티실린
파일:構造式 Ampicillin.png|암피실린
파일:構造式 Oxacillin.png|옥사실린
파일:構造式 Cloxacillin.png|클록사실린
파일:構造式 Dicloxacillin.png|디클록사실린
파일:Carbenicillin.svg|카르베니실린
파일:構造式 Talampicillin.png|탈람피실린
파일:構造式 Bacampicillin.png|바캄피실린
파일:構造式 Ticarcillin.png|티카르실린
파일:構造式 Azlocillin.png|아즐로실린
파일:構造式 Mezlocillin.png|메즐로실린
파일:構造式 Piperacillin.png|피페라실린
파일:構造式 Amoxicillin.png|아목시실린
파일:構造式 Sultamicillin.png|설타미실린
페니실린계 항생물질은 내산성과 치료 대상 미생물 범위에 따라 분류되기도 한다. 초기 페니실린의 단점을 보완하기 위해 내산성 페니실린이 개발되었고, 항균 스펙트럼을 넓히는 방향으로 개발이 진행되었다. 임상적으로는 고전적인 페니실린, 광범위 페니실린, 황색 포도상구균에 효과가 있는 페니실린, 녹농균에 효과가 있는 페니실린, 베타-락타메이스 저해제 배합제 등으로 분류된다.
광범위 항균 스펙트럼을 가지며 그람 음성균에도 효과가 있는 페니실린으로는 암피실린과 아목시실린 등이 있다. 녹농균에도 효과가 있는 광범위 페니실린으로는 피페라실린과 카르베니실린 등이 있다.
4. 1. 천연 페니실린
알렉산더 플레밍이 푸른곰팡이 배양액에서 정제한 것을 '''천연 페니실린'''이라고 하며, 여기에는 벤질페니실린(페니실린 G), 페니실린 X, 페니실린 F, 페니실린 K 등이 있다. 이 중 벤질페니실린(페니실린 G)이 수량, 활성, 안정성 면에서 가장 우수하다.[8]
벤질페니실린은 위산에 의해 파괴되어 경구 투여가 불가능하지만, 페녹시메틸페니실린은 위산에 비교적 강해 경구 복용이 가능하다.[34]
벤질페니실린의 적응증은 다음과 같다.[17]
- 봉와직염
- 어린이 패혈증
- 탄저병, 방선균증, 클로스트리디움 감염, 보툴리누스 중독증, 가스 괴저, 파상풍, 디프테리아, 돼지단독 심내막염, 푸소스피로헤타증, ''리스테리아'' 감염, ''파스퇴렐라'' 감염, 하버힐열, 쥐 물린 열, 임질균 전신 감염, 수막구균 수막염 및/또는 패혈증, 매독
페녹시메틸페니실린의 적응증은 다음과 같다.
4. 2. 반합성 페니실린
베타-락타메이스를 억제하고 스펙트럼 범위를 넓히기 위해 페니실린의 구조를 변경한 것이 반합성 페니실린이다. 반합성 페니실린은 광범위한 감염증과 감염 예방에 사용되며, 현재 사용되는 페니실린의 대부분을 차지한다.- 베타-락타메이스 저항성 페니실린: 스펙트럼은 좁지만 베타-락타메이스의 기능을 억제한다. 포도상구균의 특정 감염증에 다른 항생제보다 효과가 좋다.
- 메티실린
- 디클록사실린
- 옥사실린
- 나프실린
- 플루클록사실린
- 광범위 페니실린: 스펙트럼 범위를 넓힌 것으로, 아목시실린은 경구 투여 시 생체 활성화도 향상되었으나 베타-락타메이스 억제 능력은 없다.
- 아목시실린
- 암피실린
- 항녹농균 페니실린: 그람 양성 세균뿐만 아니라 그람 음성 세균까지 스펙트럼 범위를 넓혔다. 일부는 녹농균(''Pseudomonas aeruginosa'')에도 감수성이 있으나, 베타-락타메이스 억제 능력은 없다.
- 피페라실린
- 티카실린
- 아즐로실린
- 카르베니실린
4. 3. 베타-락타메이스 저해제와의 복합제
베타-락타메이스 저해제는 베타-락타메이스의 활성을 억제하여 항균 효과를 증강시키고, 항균 스펙트럼을 넓히는 역할을 한다. 내성균주가 많아진 현재 가장 빈번하게 사용되는 약제이다.[1]다음은 베타-락타메이스 저해제와 페니실린의 주요 복합제이다.
- 아목시실린/클라불란산 (AMPC/CVA): 경구제. 아목시실린 단독으로는 무효한 균종에도 유효하다 (상품명 오구멘틴, 클라바목스).[1]
- 암피실린/설박탐 (SBT/ABPC): 주사제. 주로 호흡기 감염증, 수술 전후 감염 예방에 사용된다. 일부 혐기성 세균에도 유효하다. 2006년 시점에서는 일본에서 가장 많이 사용되는 주사용 페니실린 제제이다. (상품명 유나신 S®).[1]
- 티카르실린/클라불란산 (TIPC/CVA): 주사제. 일본에서는 판매 중지되었다(메이지 제과-GSK).[1]
- 피페라실린/타조박탐 (TAZ/PIPC): 주사제. 그람 음성균에 강하다. 세계에서 가장 많이 소비되는 주사 항균제이다 (상품명 조신).[1]
5. 내성
페니실린이 사용되면서, 페니실린에 대한 약제 내성을 새롭게 획득한 '''페니실린 내성균'''이 출현했다. 페니실린 내성균은 페니실린이 실용화된 지 수년 후에 임상 현장에서 분리되었으며, 항생제의 무분별한 남용이 계기가 되어 확대되었고, 1960년대에는 페니실린 내성균 문제가 현저해져 의료상 큰 문제가 되었다.
알렉산더 플레밍은 1928년 원시적인 페니실린을 발견했을 때, 많은 세균이 페니실린의 영향을 받지 않는다는 것을 관찰했다.[79] 1940년, 언스트 체인과 에드워드 에이브러햄은 대장균(Escherichia coli)과 같이 페니실린에 감수성이 없는 세균이 페니실리나제라는 특정 효소를 생성하여 페니실린 분자를 분해함으로써 항생제에 내성을 갖는다는 것을 발견했다.[62]
초기 페니실린 내성균은 페니실리나제 (β-락타마제)라는 β-락탐 고리를 가수 분해하여 고리 열림을 하는 효소를 생산했다. 이는 약제 분해 효소의 유전자를 돌연변이 시키거나, 파지나 플라스미드를 통해 획득한 것이었다. 이에, 이러한 분해 효소에 의한 분해를 받지 않는 페니실린계 항생제인 메티실린이 개발되었다. 또한, 페니실린과 클라불란산 등의 β-락타마제 저해제를 함께 사용함으로써 내성균 문제를 해결해 왔다.
페니실린은 세균이 세포벽을 만드는 데 필요한 효소인 페니실린 결합 단백질(PBP)에 결합하여 작용한다. 많은 내성균은 β-락타마제를 생산함으로써 페니실린을 분해하여 내성을 얻고 있다. β-락타마제는 PBP의 일종이며, 페니실린을 분해하는 활성이 있다.
원래 염색체상에 가지고 있던 PBP 유전자를 발현할 수 있는 균주가, 인간이 페니실린을 남용한 것으로 인해 도태에서 살아남아, β-락타마제 생산균의 비율이 증가하게 된 것이다.
5. 1. 내성 기전
페니실린 내성은 세균이 페니실린의 항균 작용에 저항하는 능력을 말한다. 내성 기전은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.- '''β-락타메이스 생성''': 세균이 β-락타메이스라는 효소를 생성하여 페니실린 분자를 분해한다. 1940년, 언스트 체인과 에드워드 에이브러햄은 대장균(Escherichia coli)이 페니실린을 분해하는 효소인 페니실리나제를 생성한다는 것을 발견했다.[62] 페니실리나제는 현재 β-락타마제라고 불리는 효소의 일종으로, β-락탐 고리를 가수분해하여 페니실린의 항균 활성을 없앤다.[70][71] 2,000개 이상의 β-락타마제가 알려져 있으며, 각각 다른 아미노산 서열과 효소 활성을 가지고 있다.[71]
- '''페니실린 결합 단백질(PBP) 변이''': 세균의 세포벽 합성에 관여하는 효소인 PBP가 변이되어 페니실린과의 결합력이 약해진다. 폐렴 연쇄상구균(Streptococcus pneumoniae)은 PBP 유전자의 돌연변이를 통해 페니실린에 대한 결합 친화도가 낮은 변이 PBP를 생성한다.[65] 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)은 PBP2a (PBP2'라고도 함)라는 변이 단백질을 생성하여 페니실린을 포함한 대부분의 β-락탐계 항생제에 내성을 나타낸다.[67]
이 외에도 세균의 투과성 감소, 지속 세포 형성 등 다양한 내성 기전이 존재한다.[63]
페니실린 내성은 흔하며, 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) 감염의 경우 감수성이 있는 것으로 알려진 경우를 제외하고는 페니실린을 사용해서는 안 된다. 다음은 주요 세균의 페니실린 감수성, 중간, 내성을 나타내는 표이다.
세균 | 감수성(S) | 중간(I) | 내성(R) |
---|---|---|---|
황색포도상구균 | ≤0.12 mcg/ml | - | ≥0.25 mcg/ml |
폐렴구균 (수막염) | ≤0.06 mcg/ml | - | ≥0.12 mcg/ml |
폐렴구균 (수막염 아님) | ≤2 mcg/ml | ≥8 mcg/ml | |
연쇄상구균 비리단스 그룹 | 0.12 mcg/ml | 0.25–2 mcg/ml | 4 mcg/ml |
리스테리아 모노사이토제네스 | ≤2 mcg/ml | - | - |
탄저균 | ≤0.12 mcg/ml | - | ≥0.25 mcg/ml |
5. 2. 내성균의 예
메티실린이 실용화된 지 수년 후에는 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)이 출현했다.[44] MRSA는 PBP2'라는 변이형 PBP를 획득한 황색 포도상구균이다.[67] MRSA의 PBP2'는 β-락탐계 항생제와의 결합 능력이 약하여 저해를 받지 않으므로, 메티실린을 비롯한 모든 β-락탐계 항생제에 대해 다제 내성을 획득했다.6. 임상 사용
페니실린은 여러 질환의 치료에 1차 선택 약제로 사용된다.
; 전형적인 폐렴
: 원인균인 폐렴구균이 페니실린 내성인 경우가 많아 배양을 통한 약물 감수성 조사가 필요하다. 페니실린 저감수성 폐렴구균의 경우 대량 투여(1200만~2400만 단위)로 치료할 수 있다. 폐렴구균의 내성 기전이 β-락타마제에 의한 것이라면 합제를 사용하는 방법도 있다.[12]
; 매독
: 100% 페니실린 감수성이므로, 제1기, 제2기에 대해 아목시실린 등을 사용한다.[12]
; 인두염
: 세균성인 경우 연쇄상구균이 원인균이 되므로 벤자틴 페니실린 G를 사용하는 경우가 많다. 10일 정도 복용하면 완치된다고 알려져 있다. 전염성 단핵구증과의 감별에 주의해야 한다.[12]
; 중이염, 부비동염
: 세균성인 경우 전형적인 폐렴과 유사한 원인균이다. 즉, 폐렴구균(그람 양성 구균), 인플루엔자균(그람 음성 간균), 모락셀라 카타랄리스(그람 음성 구균)이다. 1차 선택으로는 항생제를 사용하지 않지만, 증상이 심한 경우 광범위 페니실린인 아목시실린을 사용하는 경우가 많다. 폐와 달리 중이와 부비동은 불결한 장기이므로 어느 정도 균을 죽이면 임상 증상은 개선되므로 문제가 없다.[12]
; 감염성 심내막염[12]
; 괴사성 근막염[12]
7. 부작용
페니실린 사용에 따른 일반적인 부작용(사용자의 1% 이상에서 발생)에는 설사, 과민증, 구역질, 발진, 신경 독성, 두드러기, 칸디다증을 포함한 중복 감염 등이 있다. 드물게(0.1~1%의 사용자) 나타나는 부작용으로는 발열, 구토, 홍반, 피부염, 혈관부종, 간질 환자에게서 특히 자주 발생하는 발작, 가성막 대장염 등이 있다.[35]
페니실린은 일부 사람들에게 혈청병 또는 혈청병 유사 반응을 일으킬 수 있다. 혈청병은 페니실린을 포함한 약물에 노출된 후 1~3주 후에 발생하는 3형 과민 반응이다. 이는 1형 과민 반응인 진정한 약물 알레르기는 아니지만, 유발 물질에 반복적으로 노출되면 아나필락시스 반응이 나타날 수 있다.[36][37] 알레르기는 1~10%의 사람에게 발생하며, 노출 후 피부 발진으로 나타난다. IgE 매개 아나필락시스는 약 0.01%의 환자에게서 발생한다.[38][35]
비경구로 투여되는 벤자틴 벤질페니실린, 벤질페니실린, 그리고 덜하지만 프로카인 벤질페니실린의 경우 주사 부위에 통증과 염증이 흔하게 나타난다. 이 상태는 망상피부염 또는 니콜라우 증후군으로 알려져 있다.[39][40]
페니실린은 알레르겐으로 작용하여 알레르기 반응을 일으키기 쉽다. 특히, 수만 명 중 한 명 정도의 확률로 아나필락시스 쇼크를 일으킬 수 있으며, 페니실린이 일으키는 심각한 알레르기 증상은 "페니실린 쇼크"라고 불린다. 과거에는 피내 테스트를 실시했지만, 2004년 9월 일본 화학요법 학회의 제안에 따라 후생노동성이 항균제 첨부 문서 개정을 지시하면서 피내 테스트는 점차 폐지되는 추세이다.
페니실린 알레르기 반응은 다음과 같이 분류할 수 있다.
분류 | 발증 시기 | 기전 | 주 증상 |
---|---|---|---|
I형 | 1시간 이내 | IgE | 아나필락시스, 빈맥, 저혈압, 후두 부종, 기도 폐쇄, 혈관 부종, 두드러기 |
II형 | 72시간 이내 | IgG, 보체 | 간질성 신염, 용혈성 빈혈, 혈소판 감소 |
III형 | 72시간 이내 | IgG, IgM 면역 복합체 | 혈청병, 약물열, 접촉성 피부염 |
IV형 | 72시간 이내 | 접촉성 피부염 | |
기타 | 파종상 홍반 구진양 발진 |
I형 반응은 1시간에서 72시간 사이에 나타날 수 있다. 모든 유형은 알레르기의 쿰스 분류에 대응된다.
페니실린의 부작용은 투여량과 관계없이 알레르기 반응이므로, 부작용이 나타나면 원칙적으로 투여를 중단해야 한다. 특히 간질성 신염과 같은 신장 장애가 있는 경우 투여량 조절을 고려할 수 있지만, 알레르기성 장애이므로 투여량 변경은 의미가 없다. 단, 매독 치료에 페니실린을 사용할 때 나타나는 야리시-헤르크스하이머 반응은 알레르기 반응이 아니므로 투여를 중단해서는 안 된다.
페니실린에 의한 아나필락시스 발생 빈도는 낮지만, 알레르기 발생률은 0.7~10% 정도이다. 발진 등이 나타나면 다른 계열의 약물로 변경하는 것이 좋다. 세펨계 항생제와 교차 반응을 일으킬 수 있지만, 빈도가 높지 않으므로 약물 변경은 의미가 있다. 매독 치료와 같이 알레르기가 나타나더라도 페니실린 사용을 지속해야 하는 경우에는 알레르기 전문의의 지도 하에 탈감작을 실시할 수 있다.
1956년 도쿄 대학 법학부장 오다카 아사오가 "페니실린 쇼크"로 사망한 사건은 보도 기관에서 크게 다루어졌으며, 이를 계기로 페니실린에 의한 쇼크사 환자가 이미 100명에 달했다는 사실이 밝혀져 사회 문제가 되었다.[142]
8. 생합성
페니실린은 곰팡이 ''페니실리움 루벤스(Penicillium rubens)''가 다양한 종류의 당을 발효시켜 생산한다.[123] 발효 과정은 곰팡이의 성장이 스트레스에 의해 억제될 때 2차 대사 산물로 페니실린을 생성한다.[123]
페니실린 G(벤질페니실린) 생합성에는 세 가지 주요 단계가 있다.
1. 첫 번째 단계는 세 가지 아미노산—L-α-아미노아디프산, L-시스테인, L-발린을 트라이펩타이드로 축합하는 것이다.[126][127][128] 트라이펩타이드로 축합되기 전에 아미노산 L-발린은 에피머화 과정을 거쳐 D-발린이 되어야 한다.[129][130] 축합된 트라이펩타이드는 δ-(L-α-아미노아디필)-L-시스테인-D-발린 (ACV)이라고 한다. 축합 반응과 에피머화는 모두 효소 δ-(L-α-아미노아디필)-L-시스테인-D-발린 합성효소(ACVS)에 의해 촉매된다.
2. 두 번째 단계는 선형 ACV를 이중환 중간체인 아이소페니실린 N으로 산화적으로 전환하는 것이며, 이는 유전자 ''pcbC''에 의해 암호화된 아이소페니실린 N 합성효소 (IPNS)에 의해 이루어진다.[1][127] 아이소페니실린 N은 항생 활성이 강하지 않기 때문에 매우 약한 중간체이다.[129]
3. 마지막 단계는 전이 아미드화로, 아이소페니실린 N N-아실전이효소에 의해 아이소페니실린 N의 α-아미노아디필 측쇄가 제거되고 페닐아세트산 측쇄로 교환된다. 이 반응은 페니실린을 얻는 과정에서 유일한 유전자 ''penDE''에 의해 암호화된다.[1]
전구체인 ACV 트리펩타이드(δ-(L-α-아미노아디포일)-L-시스테이닐-D-발린)는 단량체인 L-아미노산으로부터 효소 ACV-synthetase[133][134]에 의해 리보솜을 거치지 않고 세균이나 곰팡이 세포 내에서 생합성된다. ACV 트리펩타이드는 효소 isopenicillin N synthetase[135][136]에 의해 이소페니실린 N(isopenicillin N)으로 고리화되어 β-락탐 고리가 형성된다. 이소페니실린 N은 효소 isopenicillin N ''N''-acyltransferase [137][138]에 의해 측쇄가 교환되는데, 관여하는 아실-CoA의 카르복실산 잔기에 따라 다양한 유도체가 얻어진다. 이처럼 isopenicillin N ''N''-acyltransferase가 비교적 기질 특이성이 낮은 효소이기 때문에, ''Penicillium'' spp.에서도 이소페니실린 N으로부터 원래 세포 내에 존재하는 아실-CoA와 교환함으로써 페니실린 G, 페니실린 K 등 많은 유도체가 생산된다. 이소페니실린 N은 이소페니실린 N 이성질화 효소(isopenicillin N epimerase)[139][140]에 의해 페니실린 N으로 이성질화된다. 세팔로스포린계 항생 물질의 생합성은 페니실린 N을 출발 물질로 한다.[141]
''페니실리움'' 세포는 유가식 배양이라고 하는 기술을 사용하여 배양되는데, 이 기술은 페니실린 생산 유도를 위해 세포에 지속적으로 스트레스를 가한다. 포도당을 탄소 공급원으로 사용하면 페니실린 생합성 효소가 억제되지만, 락토스는 어떠한 영향도 미치지 않으며, 알칼리성 pH 수준은 이러한 조절을 무시한다. 과도한 인산염, 충분한 산소, 질소 공급원으로 암모늄의 사용은 페니실린 생산을 억제하는 반면, 메티오닌은 자극 효과와 함께 단일 질소/황 공급원으로 작용할 수 있다.[125]
생명공학적 방법인 지향적 진화는 많은 수의 ''페니실리움'' 균주를 돌연변이로 생성하는 데 적용되어 왔다. 이러한 기술에는 오류가 발생하기 쉬운 PCR, DNA 셔플링, ITCHY, 스트랜드 오버랩 PCR 등이 있다.
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