Sputum for Gram Stain and Culture: CAP 중심으로

Sputum stain & culture가 lower respiratory tract infection의 진단에 흔하게 사용되고 있으나, 검사 결과의 해석이 녹록지 않다. 배양된 균이 pathogen일까? 이 균에 맞추어 약제 변경을 해야 할까? 이렇게 고민하는 이유는 respiratory system이 nonsterile site이고, expectorated sputum은 검체를 얻 는 과정에서 upper airway의 contamination 위험이 상존하여 배양된 organisms이 반드시 pathogen 이라 할 수 없기 때문이다. 그럼 어떻게 해야 하나? 차근차근 정리해보면서 경험을 쌓아가 보자.

Sterile sites는 infection이 없으면 bacterial organisms이 존재하지 않는 우리 몸의 anatomic sites를 말하며, sterile sites 검체 (blood, pleural fluid, pericardial fluid, CSF, synovial fluid, peritoneal fluid or tissue)의 Gram stain에서 발견되는 어떠한 bacteria도 significant하다고 간주해야 한다 (배양도 물론 이다. 그래서 sterile sites에서 배양된 균은 별다른 의심없이 pathogen으로 간주한다). Nonsterile sites는 colonizing organism (“normal flora”)이 존재하는 anatomic sites로 여기서 얻은 검 체는 (sputum, throat swabs, wound swabs, genital swab) 전형적으로 colonizing bacteria에 의해 contamination되므로 검체의 quality 평가가 필요하다. 이 검체에 포함된 human cells (epithelial cells & WBC)을 바탕으로 quality 평가가 이뤄지고 good quality인 것만 검체로서 의미를 갖는다. High quality sputum specimen에는 WBC가 많고 epithelial cell이 적다 (low quality는 반대 결과).

Gram stain Expectorated sputum smear 결과에서 검체의 quality를 가장 먼저 본다. WBC나 epithelial cell을 세 어 <10, 10-25, >25로 나타내는 경우가 흔하다. Low power field에서 squamous epithelial cell이 10 개 미만이면 양질의 검체이다 (PMN은 고려하지 않는 것이 추세). Group 5 (SEC<10/LPF and WBC>25/LPF)가 가장 좋은 검체고 group 6도 acceptable하다. 양질의 검체가 아니면 culture를 시행 하지 않는 병원도 많다. 양질의 검체를 얻기 위해 expectoration 전에 입안을 물로 헹구도록 하고, sputum 검사의 검체가 sputum이 아니고 upper airway secretion이 경우가 많으므로 환자를 교육하 는 것이 중요하다. 두번째로 purulent sputum의 single predominant bacterial morphology가 있는지 살핀다. Pathogen은 moderate or heavy amount로 존재하는 경우가 많다. S. pneumoniae같은 fastidious organisms인 경우 Gram stain에서 predominant organism으로 명확히 보였는데 배양에서 는 normal flora에 덮여 없는 것으로 보고될 수 있다. 모든 검체에서 good quality를 따지는 것은 아니다. 절대로 colonizer가 될 수 없는 respiratory pathogen인 경우는 도말이나 배양에서 소수만 존재하더라도 disease로 판단한다. 이 경우 검체의 quality는 의미가 없다. Mycobacterium tuberculosis, Legionella spp, Mycoplasma pneumonia, Chlamydophila pneumonia, Chlamydophila psittaci, Bacillus anthracis 등이 해당된다. (sputum smear for AFB에는 sputum grouping 결과가 없음을 상기해 보자) Atypical pneumonia의 진단에 sputum Gram stain의 유용성은 낮다.

Gram stain of Bacteria Gram stain

Morphology

Arrangement

Bacteria

Gram-positive

cocci

clusters

Staphylococcus

chains

Streptococcus, Enterococcus, Peptostreptococcus

diplococci

Streptococcus pneumoniae (pathognomonic)

Gram-negative

rod

Clostridium, Actinomyces

coccobacilli

Listeria

cocci

Moraxella, Neisseria

rod

E. coli, Klebsiella, Proteus Pseudomonas Stenotrophomonas Serratia, Enterobacter, Shigella, Salmonella, Bacteroides

coccobacilli

Hemophilus, Legionella, Bordetella

Gram-variable

Acinetobacter

Not visualized

Mycoplasma, Chlamydia

Culture Sterile sites의 specimens은 대부분의 gram-positive cocci나 gram-negative rod가 잘 자라는 blood agar (Hemophilus influenzae는 예외)나 chocolate agar (H. influenzae 위함)같은 nonselective media 에서 배양한다. 반면에 nonsterile sites의 specimens은 MacConkey (Gram-negative bacteria만 자라 고 Gram-positive bacteria는 억제) 또는 항생제가 포함되어 colonizer를 억제하는 selective media에 서 추가 배양을 한다.

Interpretation step 1. Clinical correlation이 필수다. ▪ pneumonia없이도 oropharynx나 upper airway의 normal flora가 배양되어 혼란을 야기할 수 있다. ▪ 만성 질환이나 최근 입원한 환자에게 colonizer가 배양될 수 있다. 다음은 pulmonary pathogen이 될 수 없는 organism이므로 알아두면 판단에 도움이 되겠다: Candida spp, coagulase-negative staphylococci, enterococci, gram-positive bacilli other than Nocardia, H. parainfluenzae, streptococci other than S. pneumoniae, S. pyogenes, S. agalactiae, and S. anginosus ▪ 항생제 사용 후 얻은 검체에서는 배양되지 않을 수 있다. 특히, S. pneumoniae, H. influenzae같은 fastidious pathogens인 경우가 그렇다. ▪

HAP

setting에서,

purulent

sputum에서

predominant

organism으로

배양되어도

환자에게

pneumonia의 clinical findings이 없다면 이 결과는 pneumonia보다는 tracheobronchitis를 시사한다. 이런 환자의 non-purulent specimen에서 배양된 결과는 respiratory tract infection을 의미하지 않아 항생제 사용할 필요없다. Interpretation step 2. Gram stain 결과와 correlation한다

▪ Good quality 검체에서 배양된 균이 pathogen일 가능성이 높다. 배양된 균이 있지만, 그 검체의 sputum quality가 poor하다면 배양 결과를 잊어도 된다. 앞서 얘기했듯이, 도말에서 poor quality 검 체인 경우 이 검체를 이용한 배양 자체를 reject하는 병원도 많다. Interpretation step 3. 배양 결과의 quantitation을 본다 ▪ True pathogen은 도말이나 배양에서 moderate or heavy (3+ 이상) amounts로 존재해는 경우가 대 부분이다 (amounts의 이런 표현 방법을 semiquantitative method라 함). 기타 Stain

Culture

Meaning

Multiple bacterial spp

1 or 2 aerobic spp

Presence of anaerobes

Positive

Negative

Presence of anaerobes, False (-): prior antibiotics Fastidious organism ?

Respiratory and blood cultures에서 동시에 동일한 organism이 확인된 경우, respiratory tract이 bacteremia의 source임을 강력하게 시사한다.

Streptococcus pneumoniae & Hemophilus influenzae 이 균은 fastidious pathogens으로 false negative culture가 흔하다. 즉, pathogen이지만 배양 조건이 맞지 않아 배양되지 않을 수 있다. 이들은 항생제가 한번이라도 투여된 후에 얻은 객담에서는 잘 자라지 않게 되므로 (특히 S. pneumonia) 반드시 pretreatment sputum을 얻도록 의사들이 노력해야 한다. Streptococcal urinary Ag assay가 양성이면 (응급실 내원 후 15분이면 결과 알 수 있으므로) 반드시 sputum culture를 해서 drug-resistant streptococcus pneumoniae 여부를 확인한다 (현재까지 우리나라에서는 DRSP가 문제되지는 않는다). Staphylococcus aureus & Gram negative bacilli (GNB) 이 균은 respiratory secretions에서 쉽게 자란다. 따라서, 배양 검사에서 이 균이 배양되지 않았다면 이 균이 pathogen일 가능성이 아주 낮다. 그런데, 이 균은 CAP의 rare pathogen이다. 따라서 이 균 이 배양되었다면, 특히 항생제 사용 후 검체에서, contamination인 경우가 흔하다.

negative Gram stain & culture는 아무런 의미가 없는 결과인가? 그렇지 않다. 이 또한 임상의에게 상당한 의미있는 결과이다.

S. aureus나 GNB는 respiratory secretions에서 쉽게 자라고 S. pneumoniae에 비해 항생제로 growth inhibition도 잘 되지 않는다. 따라서 적절한 검체에서S. aureus나 GNB가 배양되지 않았다면 이들이 pathogen일 가능성은 아주 낮다. 경험적 치료에 이 균을 target한 항생제가 포함되었다면 더 이상 이 균을 coverage할 필요가 없어 그 항생제는 중단할 수 있겠다.

alcoholism이나 severe COPD 환자에서 GNB or P. aeruginosa가 배양되지 않았다면, 이 pathogens의 empirical coverage 필요성이 없게 된다. alcoholism이나 severe COPD는 P. aeruginosa와 다른 GNB 의 major risk factor이기 때문이다. Necrotizing or cavitary pneumonia (특히, anaerobic aspiration의 risk가 없는 경우) 환자에서 MRSA 가 배양되지 않았다면 vancomycin을 더 이상 사용할 필요가 없다. 이 경우는 community-acquired MRSA가 강력히 의심되는 경우로, 이 때는 vancomycin을 initial empirical regimen에 포함하게 된다. 그러나 CA-MRSA인 경우 sputum이나 blood culture에서 MRSA가 배양되는 경우가 흔하다. 따라서 CA-MRSA 의심해서 vancomycin을 사용했으나 배양 음성이면 vancomycin을 중단하는 지표로 객담 배양 음성 결과를 이용할 수 있겠다.

교과서나 guideline을 보면, HCAP setting에서 pathogen 확인 위한 검체로서 expectorated sputum 은 언급하고 있지 않다 (expectorated sputum은 CAP에서 아주 중요하다). Lower respiratory tract specimen을 얻기 위해 upper airway를 bypass하여 colonizer의 contamination을 최소화하는 endotracheal aspirates, BAL, protected specimen brush를 이용하고 결과는 quantitative-culture method로 (10~ colony forming unit) report하길 권하고 있다. HCAP setting에서 pathogen을 확인하 고자 한다면, 도움되지 않는 expectorated sputum를 해서 나중에 배양 검사 해석으로 고민하지 말 고, HAP가 의심되자마자 bronchoscopy를 이용한 검사를 조기에 시행할 것을 권한다.