페니실린

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최초의 페니실린인 페니실린-G

penicillin

1 항생물질

1.1 개요

인류의 생명연장을 한층 더 진보시킨 획기적인 치료제.

페니실리움(Penicillium)속에 속하는 푸른곰팡이에서 얻는 화학물질이며, 세균성 질환을 치료하는 데 사용되는 Beta lactam 계열 항생제의 일종이다. 대표적으로 Penicillium notatum 혹은 Penicillium chrysogenum이라는 푸른곰팡이에서 추출한다.

1.2 발견 과정

1928년에 9월 28일 새벽에 영국 스코틀랜드 생물학자 알렉산더 플레밍(Alexander Fleming) 경이 발견했다.

발견한 계기가 독특하다. 실험을 위하여 샬레에 포도상구균을 배양하고 휴가를 갔는데 돌아와보니 괴상한 곰팡이 녀석이 포도상구균을 먹어버린 것. 졸지에 실험을 망쳐버렸다고 할 수 있었겠지만, 평소에 호기심이 많았던 그는 흥미를 가지고 샬레를 폐기처분하는 대신에 세균을 녹여버린 그 곰팡이(정확히는 푸른곰팡이)의 성질을 연구함으로써 페니실린을 발견하고, 제2차 세계대전 직후에 수많은 생명을 구하게 된다.

페니실린은 박테리아, 즉 세균의 세포벽을 합성하는 효소를 날려버려 세포벽이 자라지 못하게 한다. 그 결과 세균 세포가 분열을 시도할 때 둘로 나뉜 부분에 격벽이 생기지 못하고 그냥 내용물이 흘러나와 죽는 그로테스크한(...) 광경을 연출하게 된다. 따라서 생식능력에 문제가 있거나 번식을 포기한 세균들만이 살아남게 되고, 이들은 우리 몸의 면역력에 의해 자연박멸된다. 세균과 달리 인체세포에는 세포벽이 아예 존재하지 않아서 페니실린이 아무런 악영향도 미치지 않는다. 인체에 공존하는 수많은 이로운 미생물들을 싸그리 죽여버리는 부작용도 있지만, 원래 항생제란 게 그렇지 않은 게 드물다. 어차피 미생물들이야 다시 번식할 것인데 "죽기 vs 미생물들 죽이기"에서 죽기를 선택할 사람이 얼마나 될까?미생물도 생명이잖아요

하지만 초창기의 페니실린은 온도, 환경 등이 무진장 적절해야 살아날 수 있을 정도로 민감했고, 골 때리게도 방사능 오염지역, 화산, 북극, 심지어 우주에서도 살아남는 생존왕 박테리아의 명성에 걸맞게 몇 년도 지나지 않아 페니실린을 파괴하는 Beta-lactamase이라는 방패를 소유하게 되어 내성이 생겨 버렸다... 오오 박테리아 오오 그 후, 1959년에 나온 메티실린과 같은 합성 페니실린은 Beta-lactamase에 가수분해되지 않도록 화학적 구조변경을 하였으나, 1961년 세포벽 합성 효소의 구조에 돌연변이가 생겨 아예 페니실린 계열의 항생제가 듣지 않는 MRSA(Methicillin resistant staphylococcus aureus, 메티실린 내성 황색포도구균)가 등장했다. 그 후 지금까지 이래저래 세균과 인간의 물고 물리는 전쟁이 진행 중이다.

게다가 발견 당시에는 천연 페니실린을 다량 생산할 수 없었고, 몸에 투여한 후에도 반감기가 30분 이내로 짧아 쉽게 배설되는 문제가 있어 실제로 질병 치료에 이용되지는 못하였다. 페니실린이 발견될 때의 곰팡이 종류가 워낙 생장이 느렸던 데다, 공기와의 접촉을 상시 하지 않으면 곧바로 사멸하는 민감한 종이었다. 공기펌프를 쓰는 대용량 배양탱크를 쓸 수 없을 정도로 민감했기에, 실험실에서밖에 생산될 수 없었으며, 2차 세계대전 중인 데다 신약에 대한 제약회사들의 머뭇거림까지 겹쳐 값은 비싸고 양도 터무니 없이 적었다. 그 생산된 양을 재사용하기 위해 투약환자의 소변에서 페니실린을 추출해 다시 써야 할 정도였다.# 가끔 플레밍의 제자들이 눈병 치료에 좋다고 연락을 하는 등 효과는 좋았지만, 지극히 부족한 양때문에 매우 안타까운 상황이었다. 이 와중에 "술파제"란 것이 발견되자 플레밍은 불안정한 페니실린을 제쳐두고 그 쪽을 집중 연구했다.

한편 영국 옥스퍼드 대학의 플로리와 체인은 플레밍이 예전에 발견했던 리소자임(Lysozyme)을 연구하다가, 점차 페니실린에도 관심을 가지게 되었다.

마침내 그들은 플레밍과 비슷하게 페니실륨을 만들어냈고, 화학적 처리를 통해 가루 형태로 만들어냈다. 그들은 즉시 쥐들에게 약을 주사하여 효과를 관찰했고, 24마리 중 23마리가 살아남는 결과를 발표했다. 플레밍은 이를 보고 즉시 옥스퍼드 대학에 달려가서 자신의 초기 페니실린 표본을 줬고, 플로리와 체인은 이를 더욱 연구하여 한 사람에게 쓸 수 있을 만큼의 양을 만들고, 세균에 감염된 환자에게 주사한 결과 병을 치료할 수 있었다. 하지만... 역시 페니실륨의 양이 부족하여 치료를 중단했고, 그 환자는 병이 다시 악화되어 사망했다.

이로써 그들은 이 물질이 사람에게도 효과가 있음을 알아채고, 더욱 연구를 했다. 그때가 전쟁 중이라서 연구시설이 공습을 받을 것을 우려했지만, 미국의 록펠러 재단에서 지원을 하겠다는 연락이 오자 그들은 모든 자료를 들고 미국으로 날아가서 공장을 세운다. 결국 페니실린 크리소게눔이란 종이 발견되어서야 배양액 탱크에 공기를 불어넣는 방법으로 대량생산이 가능해졌다. 이렇게 하여 완성된 페니실린은 알약 형태로 만들어졌다. 이러한 문제가 해결된 2차 대전 이후에 페니실린이 본격적으로 사용되었으며, 박테리아로 인한 병을 치료하여 많은 생명을 구하였다. 이러한 공로로 플레밍 경은 페니실린을 대량 생산하는 방법을 고안한 플로리(Howard Walter Florey), 체인(Ernst Boris Chain)과 함께 1945년에 노벨상을 수상하였다.

이후 채산성이 안 맞아서 생산 중지되었다. 비록 MRSA와 같은 몇몇 위험한 균들은 페니실린에 대한 내성을 가지고 있고, 또 상술했듯이 페니실린은 내성균이 잘 생기는지라 강력한 항생제는 아니지만, 매독 등 몇몇 질환에서 매우 탁월한 효과를 보여준다. 특히 매독의 경우 2기까진 페니실린 주사 몇 번으로 완치될 정도로 특효. 현재 나오는 페니실린계 항생제는 모두 인공적으로 합성된 제품들이다.

1.3 사용

페니실린은 beta lactam ring이라는 구조를 포함하는데, 이것이 박테리아 세포벽의 peptidoglycan의 연결을 방해한다. 불행히도 peptidoglycan 이 외부막과 내부막 사이에 있는 Gram negative 균에게는 통하지 않는다. 게다가 박테리아들도 진화하여, 저 beta lactam ring을 방해하는 효소를 가진 녀석들이 등장했다. 하지만 페니실린 또한 진화하여 앰피실린, 아목시실린 등 수많은 페니실린 유도체가 등장하였으며, 이런 페니실린계 항생제는 Beta-lactamase에도 저항하고 Gram negative 균에도 작용한다. 아목시실린은 전세계에서 가장 광범위하게 사용되는 항생제이기도 하다. 물론 병원균들은 이에 굴하지 않고 최신의 페니실린에도 내성을 기르고 있으니(...), 차세대 페니실린의 등장이 필요한 시점이다.

엉덩이에 근육주사로 주로 놓는데, 산성도에 민감하여 까딱하면 무력화되기 때문. 대부분의 약물이 위산에 파괴되거나 장에서 혈관으로 침투할 수가 없다. 이 주사는 X나게 아프다. 주로 매독 우려 시에 놓는다. 주사는 바늘 굵기가 굵을수록, 약물의 점도가 높을수록 통증이 큰데 이 주사는 둘 다 충족한다. 근육주사에는 보통 21~23G가 일반적인데, 이 주사는 근육주사임에도 굵은 바늘인 18G를 사용하기도 한다. 굵은 것을 쓰는 건 그만큼 점성이 높아서 직경이 작은 바늘에는 막힐 가능성이 높아서이다. 주로 한 번에 놓지 않고 두세 번에 나눠서 놓는 경우가 많다. 연쇄구균이나 장구균 등 매독 이외 전신감염증의 경우에는 정맥투여를 한다. 몇몇 페니실린계 항생제는 캡슐제로 경구투여가 가능하다.

단, 일부 사람들에게 과민성 쇼크의 일종인 페니실린 쇼크가 나타난다. 복용 후 몸이 화끈거리고 속이 울렁이거나, 피가 섞인 소변을 보거나 얼굴이나 발목이 붓거나 혹은 호흡곤란, 피곤한 증상을 느끼는 사람이 있다. 만약 이런 증상을 경험한다면 당장 119를 부르자. 빠른 시간 내에 응급처치에 들어가지 않는다면 죽을 수도 있다. 그 외의 부작용은 피부발진, 발열, 가려움증, 호흡곤란 등이 있다. 이러한 이유로, 페니실린을 사용하기 전에 미리 피하에 약간의 페니실린을 주입하여 미리 반응 검사를 한 후에만 놓는다. 물론 반응이 없다고 해도 안심은 금물이다. 피부반응이 없는데도 아나필락시스 쇼크가 나타나기도 한다.

아나필락시스 쇼크의 페니실린 메커니즘으로는 적혈구와 혈소판과의 결합으로 인한 헵텐으로서의 작용이다. 일반적으로 화학물질은 생체 유기물질에 비해 구조가 단순하고 분자량이 적기 때문에 면역원성을 가지고 있지 않다. 또한 웬만한 화학물질은 혈장단백질과 결합하여 혈류를 순환하는데 문제는 페니실린이 적혈구와 혈소판과 결합한다는 것이다. 보통 혈장과 결합해도 면역원성을 발현하지 않으나 페니실린-적혈구 혈소판은 면역원성을 가지는 헵텐으로 작용한다. 면역계는 적혈구와 페니실린 결합물 자체를 항원으로 인식하고 이들을 제거하는 항체를 발현하는데 이로 인해 과민성 반응뿐만 아니라 적혈구 혈소판 감소증이 동시에 나타나게 된다. 물론 요즘 페니실린을 항생제로 사용하지 않기 때문에 잘 나타나지 않는다.

그리고 정말 운빨이 더럽게 나쁜 경우, 같은 속인 페니실리움으로 발효시킨 치즈(까망베르 치즈, 브리 치즈, 블루 치즈 등)를 먹고 페니실린 쇼크가 나는 경우도 있다(...).

1.4 여담

<멋진 징조들>에 따르면, 묵시록의 4기사 중 질병은 페니실린이 어쩌구 하면서 은퇴해버렸다고 한다. 근데 후임자로 오염이 들어왔다. 신의 벌이나 다름없던 재앙 하나를 인간의 힘으로 이긴 건 좋은데, 그 대신 인간 때문에 생겨난 재앙이 들어간 것. 역시 신과 함께 만악의 근원인 인간. 뭐 사실 따지고보면 재앙으로서의 질병이 완전히 격퇴된 건 아니긴 하나 페니실린 쯤 되면 은퇴하고 싶을 만 하다.(...)

사족으로, 플레밍과 처칠에 관련해서 1943년 폐렴에 걸린 처칠을 페니실린으로 살린 이야기에 대해, 어렸을 때도 처칠이 물에 빠졌을 때 플레밍이 구해준 적이 있다는 이야기가 있는데 이는 사실이 아닌 듯 하다. 무엇보다, 처칠은 1874년생이고 플레밍은 1881년생으로 7년 차이로. 처칠이 19세에 육사에 입학했으므로 이런 일화가 생기려면 적어도 처칠이 17~18세에 일어난 일일 텐데, 이때 플레밍의 나이는 10~11세. 해외토픽감이다. (MBC 서프라이즈에서는 이를 사실로 받아들이고 책에 실었지만... 뭐 걔네가 그러는 게 한두 번인가. 이런 사실 때문인지 플레밍의 아버지가 물에 빠진 처칠을 구했고, 감동한 처칠이 그의 아들 플레밍이 의과 대학에 진학할 수 있도록 후원하여 플레밍이 페니실린을 발견할 수 있었다는 이야기도 있는데, 플레밍의 아버지는 플레밍이 고작 일곱 살 때 세상을 떠난 터라 은혜를 잊지 않았던 처칠이 나중에 은혜를 갚은 거라 해도 사실과 맞지 않는다. 맞는 거 같은데 어디가 아니라는 거지? (사실을 아는 사람은 수정바람) 플레밍은 런던에서 해상 회사에서 일하다가 친척의 유산을 물려받은 덕에 의학 공부를 시작할 수 있었다. 하지만 처칠이 플레밍의 페니실린 덕분에 목숨을 구한 건 사실이다.

이밖에 플레밍에 대한 재미있는 이야기가 많은데, 그는 리소자임이 어디에 포함되어 있는지 알기 위해 세균배양접시에 침과 눈물 등 온갖 체액을 뿌렸는데, 이 체액들을 구하기 위해 사람들(심지어 어린아이에게도)에게 레몬즙을 투척하기도 했다.(...) 후에 리소자임이 달걀이나 물고기 알 등 알 종류에 많다는 걸 알자 직접 낚시(그의 취미 중 하나)를 해서 실험용 동물을 구해오기도 했다.

참고로 쥐 태아에게 사지 기형을 유발시킨다. 동물실험을 반대하는 사람들의 논리 중 하나인 동물 실험의 결과가 인간에게 적용될 수 없다는 증거로 클리오퀴놀과 함께 제시된다.

모 프로에서는 콧물에서 발견했다는 개드립을 했다. 2번 항목 분들이 들으면 분노할지도...? 아마 콧물에서 발견한 리소자임을 착각한 듯. 뭐 스펀지가 그렇지 뭐 90년대 중반까지 플레밍 위인전이나 어린이용 과학잡지 등에 플레밍이 콧물에서 페니실린을 발견했다는 글이 실리곤 했는데, 이 때문에 이를 사실로 생각하는 중년층도 상당수 있다.

2 록밴드

페니실린(밴드) 참조.