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* 인간의 면역 방어는 생물막에 갇힌 병원체에 무력, 식세포는 생물막 제거할 수 없다.
* 모든 세균성 전염병의 약 60 % 이상, 생물막 사용해 우리의 면역 체계로부터 자신을 보호
* 충치 유발 박테리아 우식균은 돔 모양 생물막 생성.법랑질 안에서 마음껏 파괴작업
* 생물막은 요관 염증이나 세균성 질염, 음부 염증에도 발생
* 심장, 신경계 손상, 임플란트 보철 기구에도 형성될 수 있다.

인체에 대한 공격

왜 생물막은 우리 건강에 문제가 되는가?

박테리아 생물막은 인간에게 의학적 문제가 될 수 있다. 인간의 면역 체계는 박테리아 생물막에서 보호되는 병원체와 싸울 기회가 거의 없기 때문이다. 

▲ 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 종의 박테리아는 내성이 매우 강하고 거의 모든 곳에서 발생한다. © HZI/Manfred Rohde

식세포로부터 보호

세균성 병원체가 우리 몸에 들어오면 대부분 자체적으로 생물막을 형성하거나 이미 우리 몸에 존재하는 세균 점액층에 부착된다. 이것이 생물막이 확대되고 새로운 식민지를 형성하는 방법이다.

문제는 인간의 면역 방어는 일반적으로 생물막에 갇힌 이러한 병원체에 대해 무력하다. 우리의 식세포는 생물막을 제거할 수 없다.

독일 브라운슈바이크에 있는 헬름홀츠 감염 연구 센터(HZI,Helmholtz- Zentrum für Infektionsforschung)의 카르스텐 마츠(Carsten Matz)와 과학자들은 이것이 해양 박테리아를 사용하는 이유를 조사했다. 이들은 일반적으로 인간의 식세포가 하는 것처럼 해양 박테리아는 아메바가 먹는다.

박테리아가 물속에서 자유롭게 헤엄치는 한 포식자의 먹이가 되는 것으로 밝혀졌다.
그러나 그들이 정착해 생물막에서 다른 박테리아와 공동체를 형성하면 아메바는 그들에 대해 아무것도 할 수 없다. “놀라운 것은 생물막을 공격하는 단세포 유기체가 비활성화되거나 심지어 죽는다는 것이다. 분명히 박테리아는 성을 만들뿐만 아니라 반격도 한다"고 메츠는 설명했다.

연구자들에 따르면 박테리아는 포식자에 대해 일종의 화학 전쟁 에이전트를 사용한다.
이를 위해 해양 박테리아는 독성 색소인 비올라세인(violacein)을 생성해 생물막을 섬세한 자주색으로 반짝이게 한다. 공격자가 생물막의 단일 세포와 이 세포의 색소만 먹으면 아메바가 즉시 마비되고 비올라세인(violacein)은 자살 프로그램을 시작한다. 

▲ 비올라세인(Violacein)의 화학 구조

충치에서 질염까지

모든 세균성 전염병의 약 60 % 이상에서 인간 병원체는 특히 만성 감염의 경우 생물막을 사용하여 우리의 면역 체계로부터 자신을 보호한다. 예를 들어, 생물막은 모든 치과 질환의 절반과 관련이 있다.

충치의 경우도 마찬가지다.
충치를 유발하는 박테리아 종인 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)는 돔 모양의 생물막 형태로 치아에 침전물을 생성해 수백 종의 다른 박테리아가 여기에 정착하고 보호된다. 이 돔 아래에서 우식균은 치아 법랑질을 방해 받지 않고 마음껏 파괴 작업을 수행할 수 있다.

▲ 돔형 플라크의 구조. © Dongyeop Kim

세균성 병원체는 우리 입안에 생물막을 형성 할뿐만 아니라, 상처는 박테리아에게 보호 점액 기질을 생성할 수 있는 완벽한 조건을 제공한다. 촉촉하고 유기체에게 조직 잔재물을 통해 직접 먹이 공급원을 제공하기 때문이다.

일단 박테리아가 상처를 찾아내고 생물막에 공동체를 형성하면, 박테리아가 치유되고 다시 닫히는 것을 막아 상처가 만성화된다. 코펜하겐 대학의 토마수 비아른숄트(Thomas Bjarnsholt)는 "바이오 필름은 지금까지 현미경으로 만 60~80%만 감지 할 수 있었지만 모든 만성 상처에 관여할 가능성이 매우 높다"고 설명했다.

또한 생물막은 예를 들어 요관 염증이나 세균성 질염, 음부 염증에 같은 역할을 한다.
스트레스, 호르몬 영향, 약화된 면역 체계 또는 과도한 질내 세척은 일반적으로 그곳에 서식하는 박테리아를 감소시켜 질병을 일으키는 병원균이 더 쉽게 증식할 수 있다.

세균성 질염에서 이것은 질 점막에 생물막을 형성하는 Gardnerella vaginalis와 같은 혐기성 미생물 종의 수를 증가시킨다. 이것은 자궁이나 나팔관의 감염을 초래할 수 있다. 

또한 성병에 걸릴 위험이 증가한다. 

▲ 형광 염색에서 Pseudomonas aeruginosa의 임상 분리주의 생물막(녹색: 살아있는 세포, 빨간색: 죽은 세포). © Twincore / Janne Thöming. https://www.dzif.de/de/bakterielle-biofilme-detektieren-und-bekaempfen

머리와 심장도 위험할 수 있다.

이것이 전부는 아니다.
박테리아 생물막은 신경계에 감염을 일으킬 수도 있다. 예를 들어, 보렐리아가 진드기에 물린 후 인체 조직에 퍼지면 신체를 감염시켜 신경계로 퍼진다. 박테리아가 그곳에서 생물막을 형성하면 만성 신경 보렐리증이 발생할 수 있다.

심장도 세균성 생물막으로부터 안전하지 않다.
예를 들어, 심장 내벽의 염증인 세균성 심내막염은 세균이 혈액을 통해 심장에 도달하여 혈관과 방벽에 세포 외 기질을 생성할 때 발생할 수 있다. 

 

박테리아는 종종 민감한 심장 판막에 정착하여 그곳에서 생물막을 형성한다. 거기에서 심장 판막이 더 제대로 닫히지 않고 심장이 더 효과적으로 펌프질할 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 심장 기능이 저하된다.

임플란트, *카테터(Catheter) 등에 정착
* 방광 등에 삽입해 내용물 배출 측정용 고무 혹은 금속제 얇은 관)

 
인체의 장기와 조직뿐만 아니라 인체에 고의로 유입된 이물질도 박테리아의 매력적인 정착지가 된다. 병원 감염의 45% 이상이 보철물, 임플란트 및 카테터 오염으로 거슬러 올라갈 수 있다.  

▲ 바이오필름은 종종 이 고관절 임플란트와  같은임플란트에 형성된다.  © Booyabazooka / CC-by-sa 3.0

오하이오 주립 대학의 그레고리 빅슬러(Gregory Bixler)가 이끄는 연구자들이 연구에서 제안한 바와 같이 생물막의 병원균은 물질이 신체에 삽입 될 때 또는 보철물 이식 후 수년 후에 발생할 수 있는 감염을 통해 그곳에 도달한다.

박테리아, 일반적으로 포도상 구균이 뼈 및 관절 보철물 또는 인공 심장 판막에 정착하면 이식 부위의 통증, 부기 및 과열이 지연될 수 있으며 이식 흉터의 상처 치유가 지연될 수 있다. 또한 보철물에 누공이 생기거나 혈액 중독이 발생한다. 그렇게 되면 대체 관절이나 장기를 자주 교체해야 한다.

영구적으로 이식되지 않은 예비 부품도 거친 점액 기질의 공격을 받을 수 있다.
녹농균 또는 세라티아 마르세센스와 같은 전형적인 박테리아의 생물막이 콘택트렌즈에 형성되면 각막 감염으로 이어진다. 이는 엄청난 눈의 통증을 유발할 뿐만 아니라 시각 장애를 유발할 수도 있다. (계속)

[더사이언스플러스]

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