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대한의료관련감염관리학회

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Review Article

Korean J healthc assoc Infect Control Prev 2024; 29(2): 93-102

Published online December 31, 2024 https://doi.org/10.14192/kjicp.2024.29.2.93

Copyright © Korean Society for Healthcare-associated infection Control and Prevention

Chechk for updates

Implant-associated Infections: Role of Biofilms, Diagnosis and Prevention

Yu Mi Wi

Samsung Changwon Hospital, Sungkyunkwan University, Changwon, Korea

Correspondence to: Yu Mi Wi
E-mail: yumi.wi@samsung.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3625-3328

Received: November 3, 2024; Revised: November 16, 2024; Accepted: January 18, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0).

Abstract

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Implant-associated infections pose significant challenges for diagnosis and treatment due to the formation of biofilm on device surfaces. Biofilms are complex microbial communities that adhere to surfaces and are encased in a self-produced extracellular polymeric substance (EPS) matrix. Their presence on implants can lead to persistent infections, implant failure, and increased morbidity and mortality. This review explores the role of biofilms in the pathogenesis of implant-associated infections and examines current strategies for their diagnosis and prevention.

Keywords: Implant, Biofilms, Extracellular polymeric substance, Infection, Prevention

INTRODUCTION

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인공삽입물은 심장 부정맥의 치료, 정맥 내 약물 전달, 관절 기능 회복 등 다양한 의료 분야에서 필수적인 치료 수단이 되었다. 그러나 심장이식형 전자장치, 혈관 내 카테터, 인공관절 등의 인공삽입물의 사용은 감염의 위험을 동반한다. 이러한 인공삽입물 관련 감염은 미생물 박멸이 어려워 수술 및 장기 항생제 사용을 야기하여 재원 기간 연장, 의료비용 증가, 사망률 증가를 초래한다[1,2] 인공삽입물 감염의 치료는 매우 까다롭고 재발이 흔한데, 주요한 요인은 미생물이 인공삽입물 표면에 부착되어 부유상태의 미생물(planktonic cells)과는 다른 구조적 특징과 환경을 가지는 생물막(biofilm) 상태에 들어가기 때문이다. 생물막 구조는 미생물의 보호막으로 작용하여 항생제와 숙주 면역체계에 대한 감수성 감소를 야기하여 만성 감염을 일으킨다[3]. 이러한 생물막 구조 외에도 생물막 내의 항생제 파괴 효소 존재, 밀집된 미생물 환경에 의한 성장 속도 감소, 스트레스 반응 유전자의 상향 조절, 유전 물질의 교환을 통한 항생제 내성 획득 등이 항생제 감수성 감소에 관여해 독성이 강한 균주의 출현을 야기한다[3]. 생물막 내 미생물은 부유상태의 미생물에 비해 항생제에 대한 감수성이 1,000배 감소하는 것으로 보고되고 있다[4]

미국에서는 매년 1.7백만명의 의료관련감염이 생물막과 관련된 감염으로 확인되는데, 미국에서 발생하는 의료관련감염의 거의 1/4을 차지하는 것으로 추정되고 있으며 이는 대략 연간 110억 달러의 경제 부담을 초래하고 있다[5]. 생물막 형성은 이제 인공삽입물 관련 감염에서 가장 중요한 독성 인자 중 하나로 받아들여지고 있다[6]. 이에 본 종설에서는 인공삽입물 관련 감염에서 가장 중요한 독성 인자인 생물막을 중심으로, 생물막의 역할과 이를 고려한 진단 및 감염 예방 전략에 대해 소개하고자 한다.

생물막의 이해

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1. 생물막 구조

생물막은 복잡한 미생물 집합체이다. 이는 인공삽입물 표면에 부착한 미생물이 생산하는 세포외 고분자 물질(extracellular polymeric substance, EPS)에 둘러싸여 있다[3]. 흥미롭게도 부유상태의 미생물도 자기 응집을 통해서 인공삽입물 생물막과 유사한 기능을 가진 생물막을 형성할 수 있다[7]. 미생물은 거의 모든 유형의 인공삽입물과 조직 표면(예: 피부, 뼈, 기도, 결합조직, 장 점막, 혈관 내피)에 부착할 수 있다. 따라서 생물막은 인공삽입물 관련 감염뿐 아니라 다양한 종류의 조직 관련 만성감염에 관여한다(Table 1). 미생물이 자체적으로 생성한 EPS는 다당류, 단백질, 핵산 등으로 구성되어 있는데 인공삽입물 표면에 미생물의 추가 부착과 미생물 간의 응집을 촉진하여 생물막에 3차원 구조를 제공하여, 미생물의 공간 배열을 유지하고 숙주 면역시스템이나 항생제를 포함한 외부 위협으로부터 미생물을 보호하는 역할을 한다[4,8-10]. 5차 미국미생물학회 생물막 회의에서는 생물막을 ‘aggregated, microbial cells surrounded by polymeric self-produced matrix, which may contain host component’라고 정의하였는데, 생물막은 숙주의 피브린, 혈소판 및 면역글로불린과 같은 숙주 유래 성분도 포함할 수 있다[11].

Table 1 . Biofilm-associated infections

Implant-associated infectionsTissue-associated infections
Cardiovascular implantable electronic devicesBiliary tract
Catheters, shunts and stentsInternal ear (chronic otitis media)
Cochlear implantsTonsils (chronic tonsillitis)
Contact lensesSinuses (chronic sinusitis)
Deep brain stimulatorsWounds
Endotracheal tubeTeeth (dental caries)
Dental implantsHeart valve (endocarditis)
Orthopedic implantsKidney stones
Tissue fillers, including breast implantsLung (cystic fibrosis syndrome)
Sutures and surgical meshesBone (osteomyelitis)
Vascular grafts


2. 생물막 성장 단계

생물막은 단계적 성장을 하게 되는데, 일반적으로 다음 4가지 단계인 초기 부착(initial attachment)-성장(cell proliferation)-성숙(biofilm maturation)-분리(cell detachment and dispersal)의 단계를 거치는 것으로 설명한다[3,7] (Fig. 1). 미생물이 인공삽입물 표면에 처음 부착되는 것은 인공삽입물 표면의 특성과 노출 시간과 같은 물리적 힘에 영향을 받는다[12]. 미생물은 인공삽입물 표면에 부착하고 생물막 형성을 용이하게 하는 특정 독성 인자와 생물막 관련 물질을 생산한다. S. aureus는 표면에서 24개의 광범위한 단백질을 발현하는데, 세포벽 고정(cell wall-anchored, CWA) 단백질로 통칭한다[13]. 특정 고유한 구조적 모티프의 존재에 따라 CWA 단백질은 (1) MSCRAMM (Microbial Surface Component Recolonizing Adhesive Matrix Molecule) 계열, (2) NEAT (Near-Iron Transporter) 모티프 계열, (3) 3중 나선 다발 계열 및 (4) G5-E 반복 계열의 네 가지 그룹으로 분류된다[13]. 반면에 P. aeruginosa는 생물막 형성 및 항균제에 대한 내성에 기여하는 alginate, Pel, Psl과 같은 다양한 다당류를 생산한다[14]. 생물막 성장 및 성숙 단계에서는 부착된 미생물이 증식하고 미생물간 접착력이 향상되어 자체 생성한 EPS에 둘러 쌓이는 복잡한 3차원 구조를 보이게 된다[3,7]. 생물막이 성숙하면 숙주의 면역 시스템 및 항생제를 포함한 외부 위협으로부터 보호하는 구조화된 다세포 구조가 되며, 생물막에 있는 미생물은 자가조절인자를 분비하여 병독성을 증가시키도록 유전자 발현을 변경하여 생물막의 탄력성과 변화하는 환경 조건에 적응할 수 있는 능력에 기여한다[10]. 미생물 분리 단계에서는 생물막에서 미생물이 부유 상태로 방출되어 원격 전이성 감염 또는 추가 국소 생물막 형성을 초래할 수 있다. 생물막은 이와 같이 전신 감염을 유발하는 미생물의 저장소의 역할을 할 수 있다[11]. 예를 들어 인공관절 감염의 경우 생물막에서 미생물이 분리되면 골수염과 패혈성 관절염이 발생할 수 있고[15], 기관내 삽관 튜브 내강 표면의 생물막은 인공호흡기 관련 폐렴의 발병에 기여할 수 있다[16].

Figure 1. Stages of biofilm formation.

3. 생물막 내 미생물의 항생제 저항성

생물막 미생물은 부유 상태의 미생물과 달리 숙주 면역시스템과 항생제에 대한 저항성을 보인다. 항생제에 대한 저항성은 유전자 변화나 내성 유전자의 수평적 전파에 의해 획득되기보다는 주로 항생제에 대한 가역적 저항성(reversible tolerance)에 의해 획득된다[17]. 생물막의 EPS는 항생제의 침투를 방해하고 항생제를 비활성화시키는 물질을 보유함으로써 저항성을 나타낼 수 있다[17]. 또한 생물막 내 낮은 산소와 영양분은 생물막 내에서의 미생물의 성장을 늦추거나 멈추게 하는데 이러한 미생물의 특징은 성장하는 미생물을 타깃으로 하는 항생제의 효과를 무마시킨다[18]. 이러한 현상은 persister 미생물로 설명이 될 수 있다[19]. Persister cell은 유전적 변화 없이 대사가 극도로 저하된 휴면상태로 전환되어 항생제에 저항성을 보이는 미생물 아군집을 의미한다. 이들은 항생제 치료 후에도 살아남아 재발의 원인이 될 수 있으며, 생물막 내에서 특히 흔하게 관찰된다[19]. 생물막 내 환경은 미생물의 유전적 변형이나 내성 유전자의 수평적 전파도 촉진시킨다[20]. 한 연구에 의하면 plasmid 접합이 생물막 내에서 700배 이상 효율적인 것으로 확인되었다[21]. S. aureus와 S. epidermidis는 생물막 내에서 유전자 변형이 각각 4배와 60배 이상 발생하였다[20].

인공삽입물 관련 감염의 진단

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인공삽입물 관련 감염의 정확한 진단을 위해 전통적 배양 방법의 한계를 보완하는 다양한 분자 진단 기법과 영상 기술이 도입되고 있다. 이러한 새로운 기술들은 향상된 진단 정확도를 제공하지만, 임상적 유용성과 비용 효과성을 고려한 적절한 적용이 필요하다. 일부 생물막 내 미생물은 무증상 또는 집락화 상태로 존재하기 때문에 인공삽입물 표면에 생물막이 존재한다고 해서 반드시 활동성 감염의 존재를 나타내는 것은 아니다[11]. 따라서 인공삽입물 관련 감염을 진단하려면 임상, 미생물학적, 영상학적 검사결과를 통합하여 진단하는 접근 방식이 필요하다.

1. 전통적 배양 방법과 한계점

인공삽입물 관련 감염의 진단에서 미생물 배양은 가장 기본적이고 핵심적인 진단 방법이다[22]. 일반적인 진단 절차는 감염이 의심되는 부위의 조직, 삼출액, 또는 인공삽입물 주변 체액을 채취하여 호기성 및 혐기성 배양을 실시하는 것이다. 특히 인공관절 감염의 경우, 정확한 진단을 위해서는 최소 3-4개의 독립적인 조직 검체를 채취하여 배양하는 것이 필수적이다[23,24]. 배양 검사의 정확도를 높이기 위해서는 적절한 검체 채취와 운반이 매우 중요한데, 검체는 반드시 무균적으로 채취되어야 하며 가능한 한 빨리 검사실로 운반되어야 한다. 특히 Cutibacterium acnes와 같은 느리게 자라는 균의 경우 최소 14일간의 배양 기간이 필요하며, 이는 특히 어깨 인공관절이나 척추 수술 후 감염에서 중요하다[25].

그러나 전통적 배양 방법은 여러 가지 중요한 한계점을 가지고 있다. 가장 큰 문제점은 검체 채취 전 항생제 투여로 인한 위음성 결과가 흔하다[26]. 또한 인공삽입물 표면에 형성된 생물막은 일반적인 검체 채취를 통한 미생물 검출을 저해하여 위음성 결과를 초래할 수 있다[26,27]. 생체막 내의 미생물들은 대사가 저하된 상태로 존재하여 일반적인 배양 조건에서는 자라지 않을 수 있으며[22], 이는 미생물이 생존하지만 배양할 수 없는 상태(viable-but-nonculturable state, VBNC state)로 존재할 수 있기 때문이다[28]. 특히 S. aureus는 생물막 내에서 VBNC 상태로 존재할 수 있으며, daptomycin과 vancomycin 같은 항생제 치료가 이러한 상태를 유도할 수 있는 것으로 알려져 있다[29]. 또한 small colony variant (SCV)의 출현도 진단을 어렵게 만드는 요인이다. SCV는 느린 성장을 보이는 소집단으로 일반 미생물과는 다른 작은 집락 크기와 생화학적 특성을 보이며, 특히 S. aureus의 SCV는 증가된 세포 내 지속성을 가지고 있다[30,31]. 실제로 전체 인공삽입물 감염 중 약 7%-40%가 배양 음성으로 보고되고 있으며, 이는 특히 만성 감염이나 이전 항생제 치료를 받은 경우에 더욱 흔하다[32,33]. 이러한 한계를 극복하기 위해 초음파처리(Sonication) 기법이 도입되었으며, 이는 제거된 인공삽입물을 초음파 처리하여 생물막을 박리하는 방법으로 기존 조직 배양보다 높은 민감도를 보여준다[34,35]. 또한 관절액이나 조직 검체를 혈액배양병에 접종하는 방법도 도입되어 배양의 민감도를 향상시키고 있다[36].

2. 분자 및 영상 진단 기법

분자 기술 및 영상 진단 기술과 같은 새로운 진단 기법이 인공삽입물 관련 감염의 진단을 개선하기 위해 개발되었다. 새로운 분자 기술은 전통적인 배양 방법에 비해 향상된 민감도 및 특이도, 빠른 수행 시간, 배양하기 어렵거나 불가능한 미생물을 검출할 수 있는 능력 등의 이점을 가지고 있다[37,38]. 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR) 기반 방법은 적은 수의 미생물도 검출할 수 있기에 배양 음성인 검체에서도 미생물을 검출할 수 있다[37]. 예를 들어, 배양 음성 심내막염의 경우, 심장 판막 조직을 이용한 PCR을 통해서 원인 미생물을 확인할 수 있다[38]. 이 방법은 배양이 어려운 균주도 검출 가능하며, 사전 항생제 투여에 영향을 받지 않는다는 큰 장점이 있다. 최근에는 차세대 시퀀싱(next-generation sequencing, NGS) 기술이 도입되어 더욱 포괄적인 미생물 검출이 가능해졌다[39,40]. 이러한 방법은 검체 내의 모든 미생물 DNA를 동시에 분석할 수 있어 복잡한 감염에서 특히 유용하며, 항생제 내성 유전자도 동시에 검출할 수 있다[39,40]. 그러나 죽은 세균의 DNA도 검출되어 위양성이 나타날 수 있다는 제한점이 있다.

영상 진단은 인공삽입물의 해부학적 위치와 범위를 확인하고 수술적 접근을 계획하는데 필수적이다. 일반 방사선 검사(X-ray)는 가장 기본적인 첫 단계 검사로, 인공삽입물의 위치와 정렬 상태를 확인하고 삽입물 이완 등을 평가하지만, 연부조직 평가에는 한계가 있다. 전산화 단층촬영(computed tomography, CT)은 보다 상세한 해부학적 정보를 제공하며, 특히 골 침범 정도의 정확한 평가와 농양이나 누공의 확인에 유용하지만, 금속 아티팩트로 인한 영상 왜곡이 주요한 제한점이다[41]. 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 연부조직 평가에 가장 우수하며 초기 감염 발견에 높은 민감도를 보이지만, 역시 금속 아티팩트의 영향을 받는다. 분자 영상 기술인 양전자 방출 단층 촬영(positron emission tomography, PET)과 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(single photon emission computed tomography, SPECT)은 감염의 존재 여부와 범위에 대한 기능적 정보를 제공하여 기존 영상 양식의 해부학적 정보를 보완한다[42,43]. 특히 PET는 대사 활성도를 기반으로 한 감염 평가가 가능하며 전신 평가가 가능하다[43]. 형광제자리부합법(fluorescence in situ hybridization, FISH)과 같은 분자 이미징 기법은 조직 내 병원체를 직접 시각화할 수 있는데, 특히 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(confocal laser scanning microscope, CLSM)은 생물막의 3차원 시각화를 가능하게 하여 미생물 군집과 EPS 공간 분포에 대한 이해를 제공하며[44], 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)은 생물막 표면의 고해상도 이미지를 통해 개별 세포의 형태와 배열을 보여준다[45]. 이러한 이미징 기술은 분자 방법과 함께 사용하여 생물막 구조 및 조성에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공한다.

3. 인공삽입물 종류별 진단 접근(Table 2) [22]

인공삽입물 관련 감염의 정확한 진단을 위해서는 각 인공삽입물의 특성과 해부학적 위치를 고려한 최적화된 미생물학적 진단 전략이 필요하다. 이에 인공삽입물 종류별 구체적인 진단 접근법을 살펴보고자 한다.

Table 2 . Summary of recommended microbiological diagnostic methods by implant type

Implant typeEssential testsSpecial situation testAdditional tests for negative tests resultsNot recommended
Prosthetic joints• Synovial fluid culture in blood culture bottles (aerobic and anaerobic)
• 3-4 separate tissue specimens for culture (3 if using blood culture bottles, 4 if using standard culture)		• Extended anaerobic culture for 14 days when chronic infection or C. acnes suspected
• Sonication culture of removed implants
• Consider fungal/mycobacterial cultures in specific circumstances		• Molecular diagnostics for culture-negative cases• Tissue/synovial fluid/sonicate fluid Gram stain
• Swab cultures
• Sinus tract cultures
Cardiac implants• Minimum 2 sets of blood cultures (aerobic and anaerobic)
• For prosthetic vascular grafts: at least 3 tissue specimens for culture
• For CIED infections: pocket tissue cultures and sonication of removed device		For culture-negative PVE:
• C. burnetii and Bartonella serology
• Valve tissue pathology and Gram stain
• 16S rRNA gene PCR/sequencing when pathogen undefined		• Sinus tract cultures
Intravascular catheters• Minimum 2 sets of blood cultures (one peripheral, one through catheter) if DTP will be calculated
• DTP >2 hours suggests catheter-related infection
• Consider quantitative blood cultures		• Catheter tip cultures [46]
Neurosurgical implants• 2 sets of blood cultures (especially for VA shunt infections and meningitis)
• CSF culture (before antibiotics if possible)		• Extended anaerobic culture for C. acnes• Consider molecular testing in culture-negative cases• Routine culture of removed shunts/drains without clinical suspicion
Urologic implants• Culture only if symptomatic
• Midstream urine after catheter removal or from sampling port of newly inserted catheter		• Pyuria alone not diagnostic
Gastrointestinal implants• Gram stain and culture of aspirate from suspected mesh infections• Fungal/mycobacterial cultures in specific circumstances• PEG exit site swab cultures
• Explanted biliary stent cultures


인공관절 감염의 진단을 위해서는 관절액과 조직 검체의 적절한 채취가 핵심이다. 관절액은 호기성 및 혐기성 배양을 시행하되, 혈액배양병 사용이 권장된다. 조직 검체는 독립적인 도구를 사용하여 최소 3-4개를 채취해야 하는데, 혈액배양병을 사용할 경우 3개, 표준배양을 시행할 경우 4개의 검체의 채취를 권고한다. 특히 만성 감염이나 C. acnes 감염이 의심되는 경우에는 14일간의 혐기성 배양이 필수적이다. 인공삽입물 초음파처리 후 배양도 권장되는데, 이는 생물막 내 미생물의 검출률을 높이는데 효과적이다. 배양 음성인 경우에는 분자진단법을 고려해볼 수 있다. 진균이나 항산균 배양은 통상적으로는 권장되지 않으나, 면역저하자나 특수한 임상 상황에서는 고려할 수 있다. 조직, 관절액, 초음파처리액의 그람염색은 낮은 민감도로 인해 일반적으로 권장되지 않으며, 면봉 배양이나 누공 배양은 신뢰할 수 없어 권장되지 않는다. 심장 인공삽입물 감염의 진단에서는 혈액배양이 가장 중요하다. 최소 2쌍의 호기성 및 혐기성 혈액배양이 필수적이며, 심장이식형 전자장치 감염이 의심되는 경우에는 포켓 조직의 호기성 및 혐기성 배양과 함께 제거된 장치의 초음파처리 배양이 필요하다. 인공판막 심내막염이 의심되나 배양 음성인 경우에는 C. burnetii와 Bartonella species에 대한 혈청검사를 시행하고, 가능한 경우 판막 조직의 병리검사, 그람염색 및 16S rRNA 유전자분석을 시행한다. 누공이 있는 경우 누공 배양은 권장되지 않는다.

중심정맥관 혈류감염 진단을 위해서는 최소 2쌍의 혈액배양이 필요하며, 이는 말초혈액과 카테터를 통해 각각 채취해야 한다. 과거에는 카테터 팁 배양이 흔히 시행되었으나, 현재는 일반적으로 권장되지 않는다[46]. 신경외과 인공삽입물 감염에서는 혈액배양과 뇌척수액 검사가 중요하다. 특히 심방-뇌실 단락 감염이나 수막염이 의심되는 경우에는 최소 2쌍의 혈액배양이 필수적이다. 뇌척수액은 가능한 항생제 투여 전에 채취하는 것이 중요하며, 임상적으로 중추신경계 감염이 의심되지 않는 경우에는 제거된 단락이나 배액관의 일상적인 배양은 불필요하다. 비뇨기과 인공삽입물 감염의 진단은 임상 증상을 동반한 경우에만 배양 검사를 시행한다. 검체 채취는 가능한 카테터 제거 후 중간뇨를 채취하는 것이 좋으며, 이것이 불가능한 경우에는 새로 삽입된 카테터를 통해 검체를 채취한다. 카테터 팁 배양, 만성 신루관 배양, 장기 유치 도뇨관 배양은 권장되지 않는데, 이는 집락화된 미생물로 인해 잘못된 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 위장관계 인공삽입물 감염의 경우, 인공삽입물 주위 농양이 의심될 때는 흡인액의 그람염색과 배양이 권장된다. 그러나 위루관 출구 부위의 면봉 배양이나 제거된 담도 스텐트의 배양은 권장되지 않는데, 이는 정상 상재균의 오염으로 인해 진단적 가치가 떨어지기 때문이다.

인공삽입물 관련 감염의 예방

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여러 노력에도 인공삽입물 관련 감염의 예방 및 치료는 여전히 어렵다. 인공삽입물 관련 감염 예방의 기본 원칙은 인공삽입물의 미생물 오염을 방지하는 것으로 이는 인공삽입물 표면에 쉽게 생물막 형성이 이루어지기 때문이다. 기본적으로 모든 인공삽입물의 삽입과 관리에서 무균술 준수가 기본이 된다. 최대멸균차단(maximal sterile barrier precautions)과 적절한 피부소독은 필수적이다. 의료진의 교육과 프로토콜 준수가 매우 중요하다[47,48]. 또한 수술 시 예방적 항생제 투여는 인공삽입물 관련 감염을 예방하는 가장 기본적인 전략이다. 항생제는 피부 절개 전 30-60분 이내에 투여하여 수술 부위 조직에서 적절한 농도에 도달하도록 해야 한다. 수술 후 24시간 이내의 단기간 투여가 권장되며, 장기간 투여는 내성 발생의 위험만 증가시킬 수 있다[47].

인공삽입물 관련 감염의 예방에는 다양한 전략이 있으나, 본 장에서는 생물막 형성 예방에 초점을 맞추어 현재까지 개발된 다양한 예방 전략을 소개하고자 한다. 생물막 형성을 예방하기 위해 항균 코팅, 표면 재질 기술, 생물학적 예방 전략 등이 개발되고 있다.

1. 항균 코팅 기술

항균 코팅은 미생물의 초기 부착과 인공삽입물에 생물막이 형성되는 것을 방지하기 위한 접근 방식으로 부상했다[6,49]. 은, 구리 및 항생제와 같은 다양한 항균제가 인공삽입물에 결합되어 미생물 집락화를 방해하는 표면을 만든다[6,49]. 현재 상용화된 minocycline-rifampin 카테터는 중심정맥관 관련 혈류감염을 감소시키는 것으로 알려져 있는데, 8일 이상 거치할 것으로 예상되는 환자에게 적용하였을 때 비용 대비 효과적이다[50,51]. Chlorhexidine-silver sulfadiazine 카테터도 중심정맥관 관련 혈류감염 예방에 효과적인 것으로 나타났다[52]. 은 코팅 기도삽관 튜브는 기도삽관 10일 이내 최대치의 효과를 나타내어 인공 호흡기 관련 폐렴 환자의 사망률을 낮추는 것으로 보고되었다[53]. 정형외과 영역에서 특히 항생제 함유 시멘트 코팅 기법이 많이 연구되었는데, 많은 연구자들이 치료 부담을 줄이고 좋은 결과를 얻을 수 있다고 결론짓고 있으나 현재까지 보고된 문헌들 간에 이질성이 있고 완벽한 코팅 방법은 아직 확립되지 않았다는 지적도 존재한다[54].

항균 코팅의 새로운 접근법으로 박테리오파지를 이용한 방법이 연구되고 있다. S. epidermidis 박테리오파지 혹은 P. aeruginosa 박테리오파지로 전처리된 하이드로겔 코팅 카테터는 실험실적으로 생물막 형성을 저해하는 것을 확인되었다[55-57]. 박테리오파지는 특정 세균에 대한 특이성이 높고 자가 증식이 가능하다는 장점이 있으나, 임상 적용을 위해서는 추가 연구가 필요하다[58].

2. 표면 재질 기술

인공삽입물 재료 기술의 발전은 항균제를 코팅하지 않고도 생물막 형성에 영향을 줄 수 있는 인공삽입물 표면 패턴의 개발을 이끌었다[59]. 산화 진코늄(zinconium oxide) 및 전해 연마 스테인리스 스틸(electropolished stainless steel)과 같은 새로운 소재는 인공삽입물 표면에 미생물의 부착을 저해한다[18]. 상어의 피부에서 착안된 Sharklet 미세패턴을 인공삽입물 표면에 적용하면 미생물의 부착을 감소시키고 생물막 형성을 저해할 수 있을 것으로 기대된다[60].

물리적 방법을 이용한 예방도 연구되고 있다. 기도삽관 튜브내 분비물을 제거하여 생물막을 형성을 기계적으로 저해하는 장치가 소수의 연구에서 보고되고 있으며[61], 나노 공법을 이용한 기도삽관 튜브가 미생물의 부착을 저해한다는 보고도 있다[62,63]. 전기 혹은 전기화학적 방법을 통한 인공삽입물 생물막 형성 방지에 대한 연구도 진행중이다[64,65].

3. 생물학적 예방 전략

쿼럼 감지 억제제(Quorum sensing inhibitors, QSI)는 생물막 감염의 예방을 위한 또 다른 유망한 접근 방식이다[66-68]. 쿼럼 센싱(Quorum sensing)은 생물막 형성 및 독성 인자 생성을 포함한 다양한 미생물 행동을 조절하는 세포 간 통신 시스템이다[66-68]. QSI는 쿼럼 센싱 신호 전달을 방해하여 생물막 형성을 감소시키고 항생제에 대한 미생물의 감수성을 높일 수 있다[66-68].

면역 조절 요법도 새로운 전략으로 주목받고 있다. 숙주의 면역 반응을 조절하여 생물막 형성을 억제하거나, 기존 생물막을 제거하는 접근법이다[69]. 항체 기반 치료, 백신, 면역 조절제 등이 연구되고 있으며, 특히 S. aureus를 타겟으로 한 연구가 활발하다[69].

4. 예방 전략의 임상적 효과

예방 전략의 효과는 인공삽입물의 종류, 사용 기간, 환자의 상태 등 다양한 요인에 따라 다르게 나타난다. 항균 코팅의 경우 단기 사용 카테터에서는 그 효과가 입증되었으나, 장기 사용 시 효과의 지속성과 내성 발생에 대한 우려가 있다. 표면 개질 기술은 지속적인 효과가 기대되나, 임상 데이터가 부족하여 추가 연구가 필요하다. 생물학적 예방 전략은 내성 발생 위험이 낮고 생체 적합성이 우수하나, 효과의 예측이 어렵고 대규모 임상 연구가 부족하다.

CONCLUSION

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인공삽입물 관련 감염은 인공삽입물 사용과 관련된 중대한 합병증으로 인공삽입물 표면에서의 생물막 형성은 이러한 감염의 병인에 중요한 역할을 하며, 감염의 진단과 치료를 어렵게 만든다. 인공삽입물 관련 감염의 예방과 관리를 위해서는 다양한 전략을 포함하는 다학제적 접근이 필요하다. 향후 연구는 생물막을 효과적으로 표적할 수 있는 새로운 항균제와 전략의 개발, 그리고 이러한 감염의 조기 진단과 모니터링을 위한 비침습적 진단 기술의 개발에 중점을 두어야 할 것이다. 인공삽입물 관련 감염에서 생물막의 복잡한 특성과 역할을 이해하는 것은 환자의 예후를 개선하고 전 세계 보건 의료 시스템에 미치는 인공삽입물 관련 감염의 부담을 줄이는 데 매우 중요하다.

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