현대 의학 분야에서 항생제는 가장 중요한 발전 중 하나로 입증되었으며, 미생물 감염과 관련된 발생률과 사망률을 획기적으로 낮추었습니다. 세균 감염의 임상적 결과를 변화시키는 항생제의 능력은 수많은 환자의 기대 수명을 연장시켰습니다. 항생제는 수술, 임플란트 식립, 이식, 항암 화학 요법을 포함한 복잡한 의료 시술에서 필수적인 역할을 합니다. 그러나 항생제 내성 병원균의 출현은 시간이 지남에 따라 이러한 약물의 효능을 감소시키는 우려를 불러일으키고 있습니다. 미생물 돌연변이가 발생함에 따라 모든 항생제 범주에서 항생제 내성 사례가 보고되었습니다. 항생제가 가하는 선택 압력은 내성 균주의 증가에 기여하여 세계 보건에 심각한 문제를 야기하고 있습니다.
항생제 내성이라는 시급한 문제를 해결하기 위해서는 항생제 사용을 줄이는 동시에 내성 병원균의 확산을 억제하는 효과적인 감염 관리 정책을 시행하는 것이 필수적입니다. 또한, 대체 치료법에 대한 필요성이 절실히 요구됩니다. 고압산소치료(HBOT)는 이러한 맥락에서 유망한 치료법으로 떠오르고 있는데, 특정 압력 수준의 100% 산소를 일정 시간 동안 흡입하는 방식입니다. 감염에 대한 1차 또는 보완적 치료법으로 자리매김한 HBOT는 항생제 내성 병원균으로 인한 급성 감염 치료에 새로운 희망을 제시할 수 있습니다.
이 치료법은 염증, 일산화탄소 중독, 만성 상처, 허혈성 질환, 감염 등 다양한 질환의 1차 또는 대체 치료법으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 감염 치료에 있어 HBOT의 임상적 응용은 매우 중요하며, 환자에게 매우 귀중한 이점을 제공합니다.
감염에 대한 고압산소요법의 임상적 적용
현재 근거는 HBOT의 단독 및 보조적 치료로서의 적용을 강력하게 뒷받침하며, 감염 환자에게 상당한 이점을 제공합니다. HBOT 시행 중 동맥혈 산소압은 2000mmHg까지 상승할 수 있으며, 이로 인한 높은 산소-조직 압력 기울기는 조직 산소 수치를 500mmHg까지 상승시킬 수 있습니다. 이러한 효과는 허혈 환경에서 관찰되는 염증 반응 및 미세순환 장애의 치유를 촉진하고 구획증후군을 관리하는 데 특히 유용합니다.
HBOT는 면역 체계에 의존하는 질환에도 영향을 미칠 수 있습니다. 연구에 따르면 HBOT는 자가면역 증후군과 항원 유도 면역 반응을 억제하여 림프구와 백혈구 순환을 감소시켜 이식편 내성을 유지하는 데 도움이 되며, 면역 반응을 조절합니다. 또한, HBOT는치유를 지원합니다만성 피부 병변에서 혈관신생을 촉진하여 회복을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 이 치료법은 상처 치유에 필수적인 단계인 콜라겐 기질 형성을 촉진합니다.
특정 감염, 특히 괴사성 근막염, 골수염, 만성 연조직 감염, 감염성 심내막염과 같이 깊고 치료하기 어려운 감염에는 특별한 주의를 기울여야 합니다. HBOT의 가장 흔한 임상 적용 중 하나는 혐기성 또는 내성균에 의해 종종 발생하는 저산소증과 관련된 피부 연조직 감염 및 골수염입니다.
1. 당뇨병성 발 감염
당뇨병 발궤양은 당뇨병 환자에게 흔한 합병증으로, 전체 환자의 최대 25%에 영향을 미칩니다. 이러한 궤양에서 감염이 빈번하게 발생하며(전체 사례의 40~80% 차지) 이환율과 사망률을 증가시킵니다. 당뇨병성 발 감염(DFI)은 일반적으로 다양한 혐기성 세균 병원균이 확인되는 다균성 감염으로 구성됩니다. 섬유아세포 기능 결함, 콜라겐 형성 문제, 세포 면역 기전, 식세포 기능 등 다양한 요인이 당뇨병 환자의 상처 치유를 저해할 수 있습니다. 여러 연구에서 피부 산소 공급 장애가 DFI 관련 절단의 강력한 위험 요인으로 확인되었습니다.
DFI 치료를 위한 현재 옵션 중 하나로HBOT는 당뇨병성 족부 궤양의 치유율을 크게 향상시켜 절단 및 복잡한 수술적 개입의 필요성을 줄이는 것으로 보고되었습니다. HBOT는 피판 수술이나 피부 이식과 같은 자원 집약적인 시술의 필요성을 최소화할 뿐만 아니라, 수술적 옵션에 비해 비용과 부작용이 적습니다. Chen 외 연구진의 연구에 따르면, 당뇨병 환자의 HBOT 10회 이상 시술 시 상처 치유율이 78.3% 향상되었습니다.
2. 괴사성 연조직 감염
괴사성 연조직 감염(NSTI)은 종종 다균성으로, 일반적으로 호기성 및 혐기성 세균 병원균이 복합적으로 작용하여 발생하며, 가스 생성과 관련이 있는 경우가 많습니다. NSTI는 비교적 드물지만, 빠르게 진행되기 때문에 사망률이 높습니다. 시기적절하고 적절한 진단과 치료는 좋은 결과를 얻는 데 중요하며, HBOT(Hyper-Bottom-Test)는 NSTI 관리의 보조적인 방법으로 권장되어 왔습니다. 전향적 대조 연구의 부족으로 NSTI에 HBOT를 사용하는 것에 대한 논란이 여전히 남아 있지만,증거에 따르면 NSTI 환자의 생존율 향상 및 장기 보존과 관련이 있을 수 있음이 시사됩니다.후향적 연구에 따르면 HBOT를 받은 NSTI 환자의 사망률이 유의미하게 감소한 것으로 나타났습니다.
1.3 수술 부위 감염
수술 부위 감염(SSI)은 감염의 해부학적 부위에 따라 분류할 수 있으며, 호기성 및 혐기성 세균을 포함한 다양한 병원균에 의해 발생할 수 있습니다. 멸균 기술, 예방적 항생제 사용, 수술 방법 개선 등 감염 관리 조치의 발전에도 불구하고, 수술 부위 감염은 여전히 만성적인 합병증으로 남아 있습니다.
한 가지 중요한 연구에서는 신경근육 척추측만증 수술 시 심부 수술부위감염(SSI) 예방에 있어 HBOT의 효능을 조사했습니다. 수술 전 HBOT는 수술부위감염 발생률을 유의미하게 감소시키고 상처 치유를 촉진할 수 있습니다. 이 비침습적 치료법은 상처 조직의 산소 수치를 높이는 환경을 조성하는데, 이는 병원균에 대한 산화적 사멸 작용과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 수술부위감염 발생에 기여하는 혈중 산소 수치 저하에도 효과가 있습니다. HBOT는 다른 감염 관리 전략 외에도 대장 수술과 같은 청정-오염 수술에 특히 권장되어 왔습니다.
1.4 화상
화상은 극심한 열, 전류, 화학물질 또는 방사선으로 인한 손상이며 높은 이환율과 사망률을 초래할 수 있습니다. HBOT는 손상된 조직의 산소 수치를 증가시켜 화상 치료에 효과적입니다. 동물 실험 및 임상 연구에서는 엇갈린 결과가 제시되지만,화상 치료에 있어서 HBOT의 효과125명의 화상 환자를 대상으로 한 연구에 따르면, HBOT는 사망률이나 수술 횟수에 유의미한 영향을 미치지 않았지만, 평균 치유 시간은 단축시키는 것으로 나타났습니다(19.7일, 43.8일 대비). HBOT를 종합적인 화상 관리에 통합하면 화상 환자의 패혈증을 효과적으로 조절하여 치유 시간을 단축하고 수액 요구량을 줄일 수 있습니다. 그러나 광범위한 화상 관리에서 HBOT의 역할을 확인하기 위해서는 추가적인 광범위한 전향적 연구가 필요합니다.
1.5 골수염
골수염은 종종 세균성 병원균에 의해 발생하는 뼈 또는 골수 감염입니다. 골수염은 뼈로의 혈액 공급이 상대적으로 부족하고 항생제가 골수에 제대로 침투하지 못하기 때문에 치료가 어려울 수 있습니다. 만성 골수염은 지속적인 병원균 감염, 경미한 염증, 그리고 괴사성 골조직 형성을 특징으로 합니다. 불응성 골수염은 적절한 치료에도 불구하고 지속되거나 재발하는 만성 골 감염을 말합니다.
HBOT는 감염된 뼈 조직의 산소 수치를 유의미하게 개선하는 것으로 나타났습니다. 수많은 증례 연구 및 코호트 연구에서 HBOT가 골수염 환자의 임상 결과를 향상시킨다는 사실이 밝혀졌습니다. HBOT는 대사 활동 증진, 세균 병원균 억제, 항생제 효과 증진, 염증 최소화, 치유 촉진 등 다양한 기전을 통해 작용하는 것으로 보입니다.HBOT 후, 만성 난치성 골수염 환자의 60~85%가 감염 억제 징후를 보입니다.
1.6 곰팡이 감염
전 세계적으로 300만 명이 넘는 사람들이 만성 또는 침습성 진균 감염으로 고통받고 있으며, 이로 인해 매년 60만 명 이상이 사망합니다. 진균 감염 치료 결과는 면역 상태 변화, 기저 질환, 병원균의 독성 특성 등의 요인으로 인해 종종 저하됩니다. HBOT는 안전성과 비침습적 특성 덕분에 중증 진균 감염 치료에 매력적인 선택지로 떠오르고 있습니다. 연구에 따르면 HBOT는 아스페르길루스균(Aspergillus)과 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)과 같은 진균 병원균에 효과적일 수 있습니다.
HBOT는 아스페르길루스(Aspergillus)의 바이오필름 형성을 억제하여 항진균 효과를 증진시키며, 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(SOD) 유전자가 결핍된 균주에서 효능이 증가하는 것으로 나타났습니다. 진균 감염 시 저산소 상태는 항진균제 전달에 어려움을 초래하기 때문에 HBOT를 통한 산소 농도 증가는 잠재적으로 유익한 개입이 될 수 있지만, 추가 연구가 필요합니다.
HBOT의 항균 특성
HBOT가 생성하는 고산소 환경은 항균 작용을 촉진하는 생리적 및 생화학적 변화를 일으켜 감염에 효과적인 보조 요법이 됩니다. HBOT는 직접적인 살균 작용, 면역 반응 향상, 특정 항균제와의 시너지 효과 등의 기전을 통해 호기성 세균 및 주로 혐기성 세균에 대해 탁월한 효과를 나타냅니다.
2.1 HBOT의 직접적인 항균 효과
HBOT의 직접적인 항균 효과는 주로 세포 대사 과정에서 발생하는 슈퍼옥사이드 음이온, 과산화수소, 하이드록실 라디칼, 하이드록실 이온을 포함한 반응성 산소종(ROS)의 생성에 기인합니다.
O₂와 세포 구성 요소 간의 상호작용은 세포 내 ROS 형성 과정을 이해하는 데 필수적입니다. 산화 스트레스라고 불리는 특정 조건에서는 ROS 생성과 분해 사이의 균형이 깨져 세포 내 ROS 수치가 증가합니다. 슈퍼옥사이드(O₂⁻) 생성은 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제에 의해 촉진되며, 이 효소는 O₂⁻를 과산화수소(H₂O₂)로 전환합니다. 이 전환은 펜톤 반응에 의해 더욱 증폭되는데, 펜톤 반응은 Fe²⁺를 산화시켜 히드록실 라디칼(·OH)과 Fe³⁺를 생성하고, 결과적으로 ROS 생성과 세포 손상이라는 유해한 산화환원 반응을 일으킵니다.
ROS의 독성 효과는 DNA, RNA, 단백질, 지질과 같은 중요한 세포 구성 요소를 표적으로 합니다. 특히 DNA는 디옥시리보스 구조를 파괴하고 염기 구성을 손상시키기 때문에 H₂O₂ 매개 세포독성의 주요 표적입니다. ROS에 의한 물리적 손상은 DNA의 나선 구조까지 확장되며, 이는 ROS에 의해 유발되는 지질 과산화로 인해 발생할 수 있습니다. 이는 생물학적 시스템 내 ROS 수치 상승이 초래하는 부정적인 결과를 강조합니다.
ROS의 항균 작용
활성산소(ROS)는 미생물 증식 억제에 중요한 역할을 하며, 이는 HBOT에 의해 유도되는 ROS 생성을 통해 입증됩니다. ROS의 독성은 DNA, 단백질, 지질과 같은 세포 구성 요소를 직접적으로 표적으로 합니다. 고농도의 활성산소는 지질을 직접 손상시켜 지질 과산화를 유발할 수 있습니다. 이 과정은 세포막의 무결성을 손상시키고, 결과적으로 세포막 관련 수용체와 단백질의 기능을 저하시킵니다.
더욱이, 활성산소종(ROS)의 중요한 분자 표적이기도 한 단백질은 시스테인, 메티오닌, 티로신, 페닐알라닌, 트립토판과 같은 다양한 아미노산 잔기에서 특정 산화적 변형을 겪습니다. 예를 들어, HBOT는 대장균에서 신장 인자 G와 DnaK를 포함한 여러 단백질의 산화적 변화를 유도하여 세포 기능에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
HBOT를 통한 면역력 강화
HBOT의 항염 특성조직 손상 완화 및 감염 진행 억제에 중요한 것으로 입증되었습니다. HBOT는 사이토카인 및 기타 염증 조절 인자의 발현에 상당한 영향을 미쳐 면역 반응에 영향을 미칩니다. 다양한 실험 시스템에서 HBOT 후 유전자 발현 및 단백질 생성에 차등적인 변화가 관찰되었으며, 이는 성장 인자와 사이토카인을 상향 조절하거나 하향 조절합니다.
HBOT 과정 동안 증가된 산소량은 염증 매개체 방출을 억제하고 림프구와 호중구의 세포자멸사를 촉진하는 등 다양한 세포 반응을 유발합니다. 이러한 작용들은 종합적으로 면역 체계의 항균 기전을 강화하여 감염 치유를 촉진합니다.
또한, 연구에 따르면 HBOT 중 산소 수치 증가는 인터페론 감마(IFN-γ), 인터루킨-1(IL-1), 인터루킨-6(IL-6)을 포함한 염증 유발 사이토카인의 발현을 감소시킬 수 있습니다. 이러한 변화에는 CD4:CD8 T 세포의 비율을 하향 조절하고 다른 가용성 수용체를 조절하여 궁극적으로 염증을 억제하고 치유를 촉진하는 데 중요한 인터루킨-10(IL-10) 수치를 증가시키는 것도 포함됩니다.
HBOT의 항균 활성은 복잡한 생물학적 기전과 밀접하게 연관되어 있습니다. 과산화물과 고압 모두 HBOT 유도 항균 활성과 호중구 세포자멸사를 불규칙적으로 촉진하는 것으로 보고되었습니다. HBOT 후 산소 수치가 현저히 상승하면 면역 반응의 필수 요소인 호중구의 살균 능력이 향상됩니다. 또한, HBOT는 호중구의 부착을 억제하는데, 이는 호중구의 β-인테그린과 내피 세포의 세포간 부착 분자(ICAM)의 상호작용을 통해 매개됩니다. HBOT는 일산화질소(NO) 매개 과정을 통해 호중구 β-2 인테그린(Mac-1, CD11b/CD18)의 활성을 억제하여 호중구가 감염 부위로 이동하는 데 기여합니다.
호중구가 병원균을 효과적으로 식세포작용하기 위해서는 세포골격의 정밀한 재배열이 필수적입니다. 액틴의 S-니트로실화는 액틴 중합을 자극하여 HBOT 전처리 후 호중구의 식세포 작용을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 또한, HBOT는 미토콘드리아 경로를 통해 인간 T 세포주에서 세포자멸사를 촉진하며, HBOT 후 림프구 사멸이 가속화되는 것으로 보고되었습니다. 카스파제-8에 영향을 미치지 않으면서 카스파제-9를 차단하는 것은 HBOT의 면역 조절 효과를 입증했습니다.
HBOT와 항균제의 시너지 효과
임상 적용에서 HBOT는 감염을 효과적으로 퇴치하기 위해 항생제와 함께 자주 사용됩니다. HBOT 중 달성되는 과산소 상태는 특정 항생제의 효능에 영향을 미칠 수 있습니다. 연구에 따르면 베타락탐, 플루오로퀴놀론, 아미노글리코사이드와 같은 특정 살균제는 내재적인 기전을 통해 작용할 뿐만 아니라 박테리아의 호기성 대사에도 부분적으로 의존합니다. 따라서 항생제의 치료 효과를 평가할 때 산소의 존재와 병원균의 대사 특성은 매우 중요합니다.
저산소 환경은 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)의 피페라실린/타조박탐 내성을 증가시킬 수 있으며, 저산소 환경은 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae)의 아지트로마이신 내성 증가에도 영향을 미친다는 중요한 증거가 있습니다. 반대로, 특정 저산소 상태는 테트라사이클린계 항생제에 대한 세균의 감수성을 증가시킬 수 있습니다. HBOT(저산소 전신 요법)는 호기성 대사를 유도하고 저산소 감염 조직에 재산소를 공급하여 병원균의 항생제 감수성을 증가시킴으로써 효과적인 보조 치료법으로 작용합니다.
전임상 연구에서, HBOT(280 kPa에서 하루 두 번 8시간 동안 투여)와 토브라마이신(20 mg/kg/day)을 병용 투여한 결과, 황색포도상구균 감염성 심내막염 환자의 세균 수가 유의미하게 감소했습니다. 이는 HBOT가 보조 치료제로서 잠재력을 시사합니다. 추가 연구에서는 37°C, 3 ATA 압력에서 5시간 동안 HBOT를 투여했을 때, 대식세포에 감염된 녹농균에 대한 이미페넴의 효과가 현저히 향상됨을 확인했습니다. 또한, HBOT와 세파졸린을 병용 투여한 동물 모델에서 세파졸린 단독 투여에 비해 황색포도상구균 골수염 치료에 더 효과적인 것으로 나타났습니다.
HBOT는 또한 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 바이오필름에 대한 시프로플록사신의 살균 작용을 유의미하게 증가시키며, 특히 90분 노출 후 그 효과가 두드러진다. 이러한 증가는 내인성 활성산소(ROS) 생성에 기인하며, 과산화효소 결핍 돌연변이에서 민감도가 증가한다.
메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)으로 인한 흉막염 모델에서 반코마이신, 테이코플라닌, 리네졸리드와 HBOT의 병용 투여는 MRSA에 대한 효능을 유의미하게 증가시켰습니다. 당뇨병성 족부 감염(DFI) 및 수술 부위 감염(SSI)과 같은 중증 혐기성 및 다균성 감염 치료에 널리 사용되는 항생제인 메트로니다졸은 혐기성 조건에서 더 높은 항균 효과를 나타냈습니다. 향후 생체 내 및 시험관 내 환경에서 HBOT와 메트로니다졸을 병용 투여했을 때의 상승적 항균 효과를 규명하는 연구가 필요합니다.
내성균에 대한 HBOT의 항균 효능
내성 균주의 진화와 확산으로 인해 기존 항생제는 시간이 지남에 따라 효능을 잃는 경우가 많습니다. 더욱이, HBOT은 다제내성 병원균으로 인한 감염의 치료 및 예방에 필수적인 것으로 입증될 수 있으며, 항생제 치료가 실패할 때 중요한 전략으로 활용될 수 있습니다. 수많은 연구에서 HBOT이 임상적으로 관련된 내성균에 미치는 유의미한 살균 효과를 보고했습니다. 예를 들어, 2 ATM에서 90분간 HBOT를 시행한 결과 MRSA의 증식이 상당히 감소했습니다. 또한, 비율 모델에서 HBOT은 MRSA 감염에 대한 다양한 항생제의 항균 효과를 향상시켰습니다. 여러 연구에서 HBOT이 OXA-48을 생성하는 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae)에 의한 골수염 치료에 보조 항생제 투여 없이 효과적이라는 것이 확인되었습니다.
요약하자면, 고압산소요법은 감염 관리에 대한 다각적인 접근법으로, 면역 반응을 강화하는 동시에 기존 항균제의 효능을 증폭시킵니다. 포괄적인 연구 개발을 통해 항생제 내성의 영향을 완화하고 세균 감염과의 지속적인 싸움에 희망을 제시할 잠재력을 보유하고 있습니다.
게시 시간: 2025년 2월 28일