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Jugan Geongang Gwa Jilbyeong logoLink to Jugan Geongang Gwa Jilbyeong
. 2025 Mar 5;18(11 Suppl):39–54. doi: 10.56786/PHWR.2025.18.11suppl.4

Molecular Epidemiological Analysis of Tuberculosis Transmission in Households in Republic of Korea, 2016–2024

YoungMi Kim 1, JeongSeob Lee 1, MinJi Lee 1, Jiae Shim 2, Seongju Choi 2, Jieun Kim 2, Seong Wook Pyo 1, DongHyeok Kim 1, Jaeil Yoo 1,*
PMCID: PMC12467142  PMID: 41333080

Abstract

Objectives

Tuberculosis (TB) is an airborne infectious disease transmitted through droplets from coughing or sneezing. The risk of Mycobacterium tuberculosis complex infection is high among close contacts sharing living or working spaces with patients with TB. The Korea Disease Control and Prevention Agency conducts close contact investigations targeting household contacts to prevent TB spread through early detection and treatment. As part of these investigations, TB strain genotyping is performed to analyze the molecular epidemiological links.

Methods

From 2016 to 2024, the epidemiological information and molecular epidemiological characteristics of 20 suspected cases of household transmission involving 43 individuals were analyzed following their identification through investigations. Spoligotyping and 24-locus mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat were used for TB genotyping.

Results

Each case of suspected intrafamilial TB transmission involved 2–3 patients, including parent-child (15 cases), sibling (4 cases), and cohabitant (1 case) transmissions. At the time of index notification, 12 cases (60%) involved cohabitation, while 7 cases (35%) did not. The time difference between the index and additional case notifications ranged from 2 to 2,241 (average 291) days. The TB genotyping results confirmed molecular epidemiological links between each suspected case. Among the 20 cases, 5 cases (involving 10 individuals) presented drug-resistant TB, with 4 cases of multidrug-resistant TB and 1 of extensively drug-resistant TB. Drug resistance profiles were consistent within each case.

Conclusions

Based on the TB genotyping and contact investigations, cases of TB transmission within the household appear to have epidemiological links. To support the national TB control efforts, we plan to continue molecular epidemiological analyses of household transmission and outbreak cases.

Keywords: Tuberculosis, Household, Transmission, Molecular epidemiology


Key messages

① What is known previously?

Family members sharing living environments with patients with tuberculosis (TB) are known to be at a higher risk of TB infection.

② What new information is presented?

Genotyping of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) was performed for 20 suspected cases of household transmission between 2016 and 2024, and molecular epidemiological links between MTBC strains isolated from household members were confirmed.

③ What are implications?

For the prevention and management of TB transmission within households, MTBC genotyping and contact investigations are necessary to analyze the TB transmission routes.

Introduction

Tuberculosis (TB) is designated and managed as a second-class legal infectious disease in Republic of Korea (ROK) caused by the Mycobacterium tuberculosis (MTB) complex. As of 2022, ROK ranked second in TB incidence and fourth in mortality among the Organisation for Economic Co-operation and Development member countries [1,2]. From 39,557 cases in 2011 (78.9 per 100,000 population) to 15,640 cases in 2023 (30.6 per 100,000 population), there has been a steady decline in new cases. However, continued efforts are still needed to prevent and control TB [2].

The MTB complex is primarily transmitted through airborne droplets without a vector, and because symptoms often develop slowly, the difficulties in early recognition of TB can lead to a delayed diagnosis, making it easier to spread. The transmission of TB is known to be high, especially in congregate settings, such as homes, schools, and hospitals, where people may have frequent contact with patients with TB and share daily routines [3-5]. TB outbreaks in congregate settings can lead to large-scale epidemics, making it a significant public health concern.

In 2023, the Korea Disease Control and Prevention Agency (KDCA) conducted an epidemiologic investigation of 11,596 TB cases, in which TB testing was performed on 21,502 household contacts and 86,302 contacts in congregate settings. As a result, 200 additional patients were identified, of which 99 were family contacts (460.4 per 100,000 population), which is approximately 15 times higher than the 2023 new case rate (30.6 per 100,000 population) [6]. In addition, genetic analysis of the MTB complex isolated from the index and additional cases in families in Poland and the United Kingdom has shown high concordance rates of 90% and 75%, respectively, indicating high levels of familial transmission [7,8]. The risk and importance of managing TB outbreaks have been emphasized more in households than in other populations because households may include immunocompromised members, such as infants, the elderly, and chronically ill individuals, who live closely together for a long time in an enclosed space [7-9].

Since TB takes a long time to develop symptoms after the infection, it is difficult to analyze the route of infection among the patients, recognize outbreaks early, and differentiate between relapses and reinfections using conventional epidemiologic surveys. For this reason, molecular epidemiological analysis methods are being used worldwide to identify the infection route of MTB. The KDCA currently operates the Korean National TB Surveillance System to identify the phylogenetic links through the genetic characterization of domestic outbreaks and establish a database to provide scientific evidence for the prevention and control of MTB transmission.

This study aims to identify the molecular associations and characteristics of suspected familial transmission cases identified through TB epidemiologic surveillance from 2016 to 2024 by genotyping to serve as a basis for national TB control.

Methods

1. Study Participants and DNA Extraction

Of the 521 cases identified as clusters from 2016 to 2024, 20 cases (43 individuals) with suspected familial transmission were selected, and patient information, drug susceptibility test results, and culture strains were additionally collected via epidemiologic surveillance.

The collected strains were inactivated in a biosafety level 3 laboratory, and DNA was extracted using the Quick-DNA Fungal/Bacterial Miniprep Kit (Zymo Research) in a biosafety level 2 laboratory and used in the study.

2. Spoligotyping and 24-loci MIRU-VNTR Genotyping

Spoligotyping was performed according to the manufacturer’s instructions using a spoligotyping kit (Ocimum Biosolutions), and the results were analyzed for MTB phylogeny using the SITVIT2 (http://pasteur-guadeloupe.fr.8081/SITVIT2) and TB insight (https://tbinsight.cs.rpi.edu) databases.

In the 24-loci mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat (MIRU-VNTR) genotyping process, the amplified polymerase chain reaction (PCR) products were fragment analyzed on an ABI 3500xL DNA Analyzer (Applied Biosystems), and the copy number of each locus was determined using GeneMapper 4.0 (Applied Biosystems) based on GeneScan 1200 (Applied Biosystems) [9].

3. Analysis of Molecular Typing

The spoligotyping and MIRU-VNTR genotyping patterns were quantified in Excel spreadsheets (Microsoft) and analyzed using the BioNumerics 8.0 (Applied Maths) software. To calculate the similarity between patterns, the unweighted pair group method with arithmetic mean (UPGMA) algorithm was applied to create a dendrogram, and the TB genotypes were categorized by sequentially assigning four-digit numbers. A molecular link was determined to exist if two or more patients with TB had contact and the isolates were genotypically identical or within two alleles of each other at one locus by MIRU-VNTR genotyping analysis [10,11].

Results

1. Distribution of Tuberculosis Transmission Cases within Families

From 2016 to 2024, 20 suspected cases of family-to-family transmission were identified through TB epidemiologic surveillance, 43 patients were identified. The nationalities of these patients were 38 in ROK, 3 in Uganda, 2 in Vietnam, with 26 (60.5%) being men and 17 (39.5%) being women. The patients ranged in age from 0 to 61 years (mean, 31.7 years), with three patients under 5 years of age, one patient in the 5–12 age group, nine patients in the 13–19 age group, and 13 (30.2%) minor patients. The patients included 15 parents (34.9%), 17 children (39.5%), eight siblings (18.6%), one relative (2.3%), and two cohabitants (4.7%).

Each of the 20 suspected cases consisted of two to three patients with TB. The largest number of suspected TB transmission cases were parent-to-child with 15 cases (75%), followed by siblings with 4 cases, and cohabitants with 1 case. The living arrangements at the time of the reporting of the index patient were cohabitation in 12 cases (60%) and non-cohabitation in 7 cases (35%). The remaining case involved a family of three, in which two were cohabiting and one was living separately (Table 1).

Table 1. Epidemiologic and molecular characteristics of 43 patients, members of 20 families in household transmission in Republic of Korea.

No. Case Difference of notification date Sex Age (yr) Relationship History of TB Living arrangement Nationality TBG
1 A A1 0 M 14 Son - Cohabitation Korea TBG0338
2 A2 9 M 51 Father - Cohabitation Korea TBG0338
3 A3 38 F 19 Daughter - Cohabitation Korea TBG0338
4 B B1 0 M 51 Father - Cohabitation Korea TBG5882
5 B2 133 M 22 Son - Cohabitation Korea TBG5882
6 C C1 0 F 54 Mother - Non-cohabitation Korea TBG0084
7 C2 116 M 28 Son - Non-cohabitation Korea TBG0084
8 D D1 0 M 20 Brother - Non-cohabitation Vietnam TBG1054
9 D2 84 M 20 Brother - Non-cohabitation Vietnam TBG1054
10 E E1 0 F 27 Live together - Cohabitation Korea TBG2397
11 E2 2,241 F 30 Live together - Cohabitation Korea TBG2397
12 F F1 0 M 57 Brother O Cohabitation Korea TBG5964
13 F2 88 F 55 Sister O Cohabitation Korea TBG5965
14 G G1 0 M 29 Son - Cohabitation Korea TBG0014
15 G2 188 F 61 Mother - Cohabitation Korea TBG0014
16 H H1 0 F 20 Daughter - Cohabitation Korea TBG5916
17 H2 7 M 52 Father - Cohabitation Korea TBG5916
18 I I1 0 F 18 Daughter - Cohabitation Korea TBG0035
19 I2 6 F 50 Mother O Cohabitation Korea TBG0035
20 J J1 0 M 48 Father O Cohabitation Korea TBG0644
21 J2 14 M 14 Son - Cohabitation Korea TBG0644
22 K K1 0 M 28 Father - Non-cohabitation Korea TBG0548
23 K2 186 M 57 Son - Non-cohabitation Korea TBG0546
24 L L1 0 M 57 Father O Non-cohabitation Korea TBG5676
25 L2 15 M 25 Son - Non-cohabitation Korea TBG5676
26 M M1 0 F 18 Daughter - Non-cohabitation Korea TBG5675
27 M2 34 M 51 Father - Non-cohabitation Korea TBG5675
28 N N1 0 F 17 Daughter - Cohabitation Korea TBG2121
29 N2 8 M 49 Father - Cohabitation Korea TBG2121
30 O O1 0 M 23 Brother - Cohabitation Korea TBG0938
31 O2 29 M 21 Brother - Cohabitation Korea TBG0938
32 P P1 0 F 24 Daughter - Non-cohabitation Korea TBG0569
33 P2 484 F 55 Mother O Non-cohabitation Korea TBG0569
34 Q Q1 0 M 7 Brother - Non-cohabitation Korea TBG4550
35 Q2 7 M 4 Brother - Non-cohabitation Korea TBG4550
36 R R1 0 F 35 Mother - Cohabitation Uganda TBG4706
37 R2 2 F 0 Daughter - Cohabitation Uganda TBG4706
38 R3 2 M 0 Son - Cohabitation Uganda TBG4706
39 S S1 0 M 52 Father - Cohabitation Korea TBG1050
40 S2 1,444 M 16 Son - Cohabitation Korea TBG1050
41 T T1 0 F 18 Cousin - Non-cohabitation Korea TBG1462
42 T2 778 F 14 Daughter - Cohabitation Korea TBG1462
43 T3 778 M 53 Father - Cohabitation Korea TBG1462

TB=tuberculosis; TBG=tuberculosis genotype; M=male; female.

The difference in the date of occurrence between the index patient and the additional patients was 2 to 2,241 days, with an average of 291 days. The average difference in the reported date of occurrence for the four cases where the difference was more than 1 year between the index and additional patients was 1,236 days.

2. Genotyping Results

Lineages and clades were classified using SITVIT2 and TB insight databases to analyze the spoligotyping results. Results showed that the MTB complex identified in the 20 cases (43 patients) belonged to 4 lineages and 5 clades. The lineages and clades of MTB isolated from each suspected case of transmission were all identical. Of the 20 total cases, 18 cases (38 patients) were in the Beijing clade of the East-Asian lineage, one case (3 patients) was in an unknown clade of the Euro-American lineage, and one case (2 patients) was in the Central Asian strain (CAS) clade of the East-African-Indian (EAI) lineage. Of the 38 natives, 36 were in the Beijing clade of the East-Asian lineage, and the remaining two were in the CAS clade of the EAI lineage. Spoligotyping of the MTB complex isolated from three Ugandan nationals among the foreign nationals showed an unknown clade of the Euro-American lineage. Two Vietnamese nationals were categorized in the Beijing clade of the East-Asian lineage.

MTB in all patients was characterized by 22 different MIRU-VNTR patterns. The same pattern was seen in each of the 18 cases (39 patients), with 2 repeat differences in Mtub04 of 24-loci in case F (2 patients) and 1 repeat difference in Qub11b in case K (2 patients).

Based on the spoligotyping and MIRU-VNTR results, the genotypes were analyzed, and all patients were divided into 22 genotypes. In 18 cases, the genotypes of the patients with TB isolated from each case were confirmed to be identical. Cases F (TBG5964, TBG5965) and K (TBG0548, TBG0546), which showed differences in the MIRU-VNTR patterns, were determined to be molecularly related as they showed one or two allelic differences at a single locus in the MIRU-VNTR results (Figure 1).

Figure 1. Comparative dendrogram combining MIRU-VNTR and spoligotype results obtained from 20 family-households in Republic of Korea.

Figure 1

MIRU-VNTR=Mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat; SPO=spoligotying; TBG=tuberculosis genotype.

3. Drug Resistance Profiling

Five of the 20 cases (10 patients) were found to be resistant to one or more anti-TB drugs. Four cases (8 patients) were multidrug-resistant to isoniazid and rifampin. Case F (2 patients) was classified extensively resistant TB, because it was resistance to isoniazid and rifampin, along with quinolones (levofloxacin, moxifloxacin) and group A drugs (linezolid). Both patients had a history of TB infection. The index patient in case L and the additional patient in case P had a history of TB; however, the TB drug resistance results of the index and additional patients in all five cases, including these two cases, were consistent (Table 2).

Table 2. Data on cases of household transmission of drug-resistant.

Case TBG Date of notification History of TB Drug-resistant profile
F F1 TBG5964 20240510 O Isoniazid, Rifampin, Levofloxacin, Moxifloxacin, Ofloxacin, Linezolid
F2 TBG5965 20240805 O Isoniazid, Rifampin, Levofloxacin, Moxifloxacin, Ofloxacin, Linezolid
G G1 TBG0014 20230303 X Isoniazid, Rifampin
G2 TBG0014 20230906 X Isoniazid, Rifampin
L L1 TBG5676 20211122 O Isoniazid, Rifampin
L2 TBG5676 20211206 X Isoniazid, Rifampin
P P1 TBG0569 20200116 X Isoniazid, Rifampin
P2 TBG0569 20210513 O Isoniazid, Rifampin
S S1 TBG1050 20160608 X Isoniazid, Rifampin
S2 TBG1050 20200521 X Isoniazid, Rifampin

TBG=tuberculosis genotype; TB=tuberculosis.

Discussion

To identify the molecular association and characteristics of intrafamilial TB transmission cases in ROK, MTB isolated from 20 cases (43 patients) suspected of intrafamilial transmission from 2016 to 2024 were genotyped using spoligotyping and MIRU-VNTR.

Spoligotyping revealed that the isolated MTB bacteria belonged to the same strain and clade in each of the 20 cases (43 patients). The the Beijing clade of the East-Asian lineage, identified in 18 cases (38 patients), is the most common clade (80.5%) in ROK [12].

Genotyping confirmed that the MTB genotypes of each case were identical and that the same strain was transmitted within the families. In all 20 cases, the genotypes of each case were identical, both cohabiting and non-cohabiting families. In two cases (cases I and P), a past history of TB was identified in the additional patients. This suggests that the index patient may have been reinfected after the past infection was completely cured, or the index patient may have been infected during the past infection and then relapsed. Continued genotyping will be needed to analyze these cases.

As a result of analyzing the difference in patient reporting dates between the index patient and additional patients for each case, 17 cases were within 2 years and 3 cases were more than 2 years: 2,241 days for case E, 1,444 days for case S, and 778 days for case T. Typically, molecular epidemiological methods are applicable within 2 years from the date of onset [13]. However, a report that used MTB genotyping to determine relapse and reinfection [14] showed that in some relapsed patients, MTB with the same genotype was isolated even when the time between the first and second onset was more than 6 years. In this study, the three cases with more than 2 years between the first and second patients were determined to be transmission cases caused by MTB with the same genotype.

Internationally, countries have reported different rates of MTB genotype concordance in familial transmission cases. In South Africa, the concordance rate was only 18.7% [15], compared to high concordance rates of 90% and 75% in Poland and the United Kingdom, respectively [7,8]. These findings have been attributed to differences in the incidence of TB in each country, in which there are environments where people could easily come into contact with patients with TB [15].

The genotypes identified across all cases were different for each case. The genotype of case D (2 patients of Vietnamese nationality) was TBG1054, and a total of six cases were identified in the domestic genotype database, five of which were strains isolated from patients of Vietnamese nationality. In addition, TBG4706 in case R (comprising Ugandan nationals), was only identified in three of the cases, suggesting that TBG1054 and TBG4706 were not infected in ROK, but developed symptoms in ROK after being infected in Uganda.

In case R, the mother and her 2-month-old twin children were diagnosed almost simultaneously; congenital TB was reported to have been transmitted from the mother, who was an asymptomatic TB carrier, to her children [16].

A combined analysis of molecular epidemiological results and TB contact investigation results confirmed that cases of TB transmission within families had epidemiological links. This suggests that the prevention and management of TB within the home is vital, and the spread of TB can be effectively prevented with prompt investigation and diagnosis of contacts when a patient is infected with TB within the family. The KDCA will continue to provide data for national TB management through molecular epidemiological analyses to identify the infection routes in suspected cases of group outbreaks as well as cases of suspected intrafamilial transmission.

Acknowledgments

None.

Declarations

Ethics Statement: None.

Funding Source: None.

Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.

Author Contributions: Conceptualization: YMK, SWP, DHK, JIY. Data curation: YMK, JSL, MJL, SWP, JAS, SJC, JEK. Formal analysis: YMK, JSL, MJL, SWP. Investigation: YMK, JSL, MJL, SWP, JAS, SJC, JEK. Methodology: YMK, JSL, MJL, SWP, DHK, JIY. Supervision: DHK, JIY. Visualization: YMK, SWP. Writing – original draft: YMK, SWP. Writing – review & editing: DHK, JIY, JAS, SJC, JEK.

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Jugan Geongang Gwa Jilbyeong. 2025 Mar 5;18(11 Suppl):39–54. [Article in Korean]

가족 내 결핵 전파사례 분자역학 특성 분석, 2016–2024년

김 영미 1, 이 정섭 1, 이 민지 1, 심 지애 2, 최 성주 2, 김 지은 2, 표 성욱 1, 김 동혁 1, 유 재일 1,*

Abstract

목적

결핵은 기침이나 재채기 등 비말을 통해 공기 중으로 전파되는 감염병으로 한 공간에서 결핵환자와 생활 또는 근무하는 밀접접촉자의 감염 위험이 높은 것으로 알려져 있다. 질병관리청은 가족접촉자를 대상으로 역학조사를 수행하여 추가환자의 조기 발견과 치료를 통해 결핵 확산 방지를 위해 노력하고 있다. 또한, 역학조사의 일환으로 결핵균 유전형 분석을 통해 결핵균 간 유전학적 연관성을 분석하고 있다.

방법

2016년부터 2024년까지 결핵 역학조사를 통해 확인된 가족 내 전파 의심 20사례(43명)를 대상으로 역학정보와 분자역학 특성을 분석하였다. 결핵균 유전형 분석을 위해 spoligotyping과 24유전자좌 mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat 법을 사용하였다.

결과

가족 내 결핵 전파가 의심되는 각 사례는 2–3명의 환자로 구성되어 있었고, 부모-자녀 간 결핵 전파 의심이 15사례로 가장 많았으며, 형제-자매 간 4사례, 동거인 간 1사례 순이었다. 지표환자 발생 신고 당시의 생활 형태는 동거 12사례(60%), 비동거 7사례(35%)였다. 나머지 1사례는 3명의 가족 중 2명은 동거, 1명은 비동거 상태였다. 지표환자와 추가환자 간의 발생 신고일 차이는 2–2,241일로 평균 291일이었다. 결핵균 유전형 분석 결과, 각 의심사례 내 결핵균은 모두 분자역학적 연관성을 가지는 것으로 확인되었다. 총 20사례 중 항결핵제 내성 환자는 5사례 10명이었으며, 4사례는 다제내성결핵, 1사례는 광범위약제내성결핵으로 각 사례별 내성 현황은 동일하였다.

결론

분자역학적 분석 및 결핵 접촉자 조사 결과, 가족 내 결핵 전파사례는 서로 역학적 연관관계를 가지는 것으로 분석되었다. 향후 국가결핵관리를 위해 가족 내 전파와 더불어 집단발생 의심사례에 대한 분자역학 분석을 지속하고자 한다.

Keywords: 결핵, 가족, 전파, 분자역학


핵심요약

① 이전에 알려진 내용은?

결핵환자와 동일한 환경 내에서 일상생활을 공유하는 가족접촉자의 경우 결핵 감염 가능성이 높은 것으로 알려져 있다.

② 새로이 알게 된 내용은?

2016년부터 2024년까지 가족 내 결핵 전파로 의심되는 20사례를 대상으로 결핵균 유전형 분석을 수행한 결과, 가족 내 결핵환자에서 분리된 결핵균은 분자역학적 연관성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

③ 시사점은?

가족 내 결핵 확산 예방 및 관리를 위해 접촉자 조사와 결핵 전파경로 분석을 위한 분자역학적 특성 분석이 필요하다.

서 론

결핵은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis complex)에 감염되어 발생하는 제2급 법정 감염병으로, 2022년 기준 경제협력개발기구(Organisation for Economic Co-operation and Development) 회원국 중 우리나라는 결핵 발생률 2위, 사망률 4위를 기록하였다[1,2]. 2011년 39,557명(인구 10만 명당 78.9명)의 신환자 발생 이후, 2023년 15,640명(인구 10만 명당 30.6명) 발생으로 지속적으로 신환자가 감소되는 추세지만, 여전히 결핵예방과 관리에 지속적인 노력이 필요한 상황이다[2].

결핵균은 주로 매개체 없이 공기 중의 비말을 통해 전파되며, 증상이 서서히 진행되는 경우가 많아 조기 인지의 어려움으로 인해 진단이 늦어져 쉽게 전파될 수 있다. 특히 결핵환자와 빈번한 접촉을 하고 일상생활을 함께하는 가정이나 학교, 병원 등의 집단시설에서 결핵 전파가 높은 것으로 알려져 있고[3-5], 집단에서의 결핵환자 발생은 대규모 유행으로 이어질 수 있기에 공중보건학적으로 매우 중요하게 다뤄야 할 문제이다.

질병관리청에서는 2023년 결핵환자 11,596명을 대상으로 역학조사를 실시하였고, 가족 내 접촉자 21,502명 및 집단시설 내 접촉자 86,302명에 대한 결핵검사가 시행되었다. 그 결과, 200명의 추가환자가 발견되었으며 이 중 가족접촉자는 99명(인구 10만 명당 460.4명)으로 2023년 신환자 발생률(인구 10만 명당 30.6명)보다 약 15배 높은 것으로 나타났다[6]. 또한 폴란드 및 영국 등에서 가족 내 결핵 지표환자와 추가환자에서 분리된 결핵균의 유전학적 분석 결과, 각각 90% 및 75%의 높은 일치율을 보여 가족 내 결핵 전파가 높은 수준으로 발생하고 있음을 보여주었다[7,8]. 가족 내 결핵환자 발생은, 서로 밀폐된 공간에서 오랜 시간 동안 밀접한 생활을 공유하며 영유아, 노인, 만성질환자 등 면역력에 취약한 가족들이 있을 수 있기에, 다른 집단보다 결핵 발생의 위험성과 관리의 중요성이 더욱 강조되고 있다[7-9].

결핵은 감염 후 발병까지 긴 시간이 소요되기 때문에 통상적인 역학조사만으로는 환자 간의 감염경로 분석, 집단감염의 조기 인지, 재발 및 재감염의 감별 등의 확인에 어려움이 있다. 이러한 이유로 전 세계적으로 분자역학 분석법을 활용하여 결핵균의 감염경로를 확인하고 있으며, 질병관리청에서는 ‘결핵균 감염경로 추적감시망’을 운영하여 국내 발생 결핵균의 유전학적 특성 분석을 통한 계통학적 연관성 확인 및 데이터베이스 구축으로 결핵균의 전파 예방 및 관리를 위한 과학적 근거를 제시하고 있다.

본 조사에서는 2016년부터 2024년까지 결핵 역학조사를 통해 확인된 가족 내 전파로 의심되는 사례를 대상으로 유전형 분석을 통한 분자역학적 연관성 및 특성을 파악하여 국가결핵관리를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

방 법

1. 연구 대상 선별 및 DNA 추출

2016년부터 2024년까지 결핵 역학조사를 통해 집단발생으로 확인된 521사례 중 가족 내 전파로 의심되는 20사례(43명)를 선별하였고, 환자 정보, 항결핵제 내성 결과 및 배양 균주는 역학조사를 통해 수집하였다.

수집된 균주는 생물안전 3등급 실험실에서 불활화 과정을 거쳤고, 생물안전 2등급 실험실에서 Quick-DNA Fungal/Bacterial Miniprep Kit (Zymo Research)를 이용해 DNA를 추출하여 실험에 사용하였다.

2. Spoligotyping 및 24유전자좌 MIRU-VNTR

Spoligotyping은 spoligotyping 키트(Ocimum Biosolutions)를 사용하여 제조사의 방법으로 수행하였고, 결과는 SITVIT2 (http://pasteur-guadeloupe.fr.8081/SITVIT2) 및 TB insight (https://tbinsight.cs.rpi.edu) 데이터베이스를 활용하여 결핵균 계통을 분석하였다.

24유전자좌 mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat (MIRU-VNTR)은 증폭된 PCR 산물을 ABI 3500xL DNA Analyzer (Applied Biosystems)로 fragment 분석을 하였고, GeneMapper 4.0 (Applied Biosystems)을 이용하여 GeneScan 1200 (Applied Biosystems)을 기준으로 각 유전자좌의 반복수를 확인하였다[9].

3. 유전형 검사(Molecular Typing) 결과 분석

Spoligotyping과 MIRU-VNTR 패턴은 엑셀 스프레드시트(Microsoft)로 수치화하였고 BioNumerics 8.0 (Applied Maths) 소프트웨어를 사용하여 분석하였다. 패턴 간의 유사도를 계산하기 위해 unweighted pair group method with arithmetic mean (UPGMA) 알고리즘을 적용하여 덴드로그램을 생성했고, 결핵균 유전형(tuberculosis genotype)은 네 자리의 숫자를 순서대로 부여하여 구분하였다. 2명 이상의 결핵환자가 접촉력을 가지면서 분리 결핵균 간 유전형이 일치하거나 MIRU-VNTR 분석 결과 1개 유전자좌에서 2개 대립유전자(allele) 차이 이내인 경우에는 분자역학적 연관성이 있는 것으로 판정하였다[10,11].

결 과

1. 가족 내 결핵 전파사례의 환자 분포

2016년부터 2024년 결핵 역학조사를 통해 가족 간 전파로 의심사례는 총 20사례로, 43명의 환자가 확인되었다. 이 중 38명은 대한민국, 3명은 우간다, 2명은 베트남 국적이었으며, 남성이 26명(60.5%), 여성이 17명(39.5%)이었다. 결핵환자의 연령대는 0세에서 61세(평균 31.7세)였으며, 5세 미만 3명, 5–12세 1명, 13–19세 9명으로, 전체 미성년자는 13명(30.2%)이었다. 전체 환자 43명은 부모 15명(39.5%), 자녀 17명(39.5%), 형제∙자매 8명(18.6%), 친척 1명(2.3%), 동거인 2명(4.7%)이었다.

전체 20사례 내의 각 사례는 2–3명의 결핵환자로 구성되어 있었다. 가장 많은 결핵 전파 의심사례는 부모-자녀로 15사례(75%)였으며, 다음으로 형제-자매 4사례, 동거인 1사례 순이었다. 지표환자 발생 신고 당시의 생활 형태는 동거 12사례(60%), 비동거 7사례(35%)였다. 나머지 1사례는 3명의 가족 중 2명은 동거, 1명은 비동거 상태였다(표 1).

표 1. 국내 가족 간 전파 20사례의 환자 분포 현황.

연번 사례 신고일 차이(일) 성별 나이(세) 관계 과거력 가족형태 국적 유전형
1 A A1 0 남 14 아들 - 동거 대한민국 TBG0338
2 A2 9 남 51 아빠 - 동거 대한민국 TBG0338
3 A3 38 여 19 딸 - 동거 대한민국 TBG0338
4 B B1 0 남 51 아빠 - 동거 대한민국 TBG5882
5 B2 133 남 22 아들 - 동거 대한민국 TBG5882
6 C C1 0 여 54 엄마 - 비동거 대한민국 TBG0084
7 C2 116 남 28 아들 - 비동거 대한민국 TBG0084
8 D D1 0 남 20 형제 - 비동거 베트남 TBG1054
9 D2 84 남 20 형제 - 비동거 베트남 TBG1054
10 E E1 0 여 27 동거인 - 동거 대한민국 TBG2397
11 E2 2,241 여 30 동거인 - 동거 대한민국 TBG2397
12 F F1 0 남 57 남매 O 동거 대한민국 TBG5964
13 F2 88 여 55 남매 O 동거 대한민국 TBG5965
14 G G1 0 남 29 아들 - 동거 대한민국 TBG0014
15 G2 188 여 61 엄마 - 동거 대한민국 TBG0014
16 H H1 0 여 20 딸 - 동거 대한민국 TBG5916
17 H2 7 남 52 아빠 - 동거 대한민국 TBG5916
18 I I1 0 여 18 딸 - 동거 대한민국 TBG0035
19 I2 6 여 50 엄마 O 동거 대한민국 TBG0035
20 J J1 0 남 48 아빠 O 동거 대한민국 TBG0644
21 J2 14 남 14 아들 - 동거 대한민국 TBG0644
22 K K1 0 남 28 아빠 - 비동거 대한민국 TBG0548
23 K2 186 남 57 아들 - 비동거 대한민국 TBG0546
24 L L1 0 남 57 아빠 O 비동거 대한민국 TBG5676
25 L2 15 남 25 아들 - 비동거 대한민국 TBG5676
26 M M1 0 여 18 딸 - 비동거 대한민국 TBG5675
27 M2 34 남 51 아빠 - 비동거 대한민국 TBG5675
28 N N1 0 여 17 딸 - 동거 대한민국 TBG2121
29 N2 8 남 49 아빠 - 동거 대한민국 TBG2121
30 O O1 0 남 23 형제 - 동거 대한민국 TBG0938
31 O2 29 남 21 형제 - 동거 대한민국 TBG0938
32 P P1 0 여 24 딸 - 비동거 대한민국 TBG0569
33 P2 484 여 55 엄마 O 비동거 대한민국 TBG0569
34 Q Q1 0 남 7 형제 - 비동거 대한민국 TBG4550
35 Q2 7 남 4 형제 - 비동거 대한민국 TBG4550
36 R R1 0 여 35 엄마 - 동거 우간다 TBG4706
37 R2 2 여 0 딸 - 동거 우간다 TBG4706
38 R3 2 남 0 아들 - 동거 우간다 TBG4706
39 S S1 0 남 52 아빠 - 동거 대한민국 TBG1050
40 S2 1,444 남 16 아들 - 동거 대한민국 TBG1050
41 T T1 0 여 18 사촌 - 비동거 대한민국 TBG1462
42 T2 778 여 14 딸 - 동거 대한민국 TBG1462
43 T3 778 남 53 아빠 - 동거 대한민국 TBG1462

TBG=tuberculosis genotype.

지표환자와 추가환자 간의 발생 신고일 차이는 2–2,241일로 평균 291일이었다. 지표-추가환자 신고일 차이가 1년 이상인 4사례의 신고일 차이 평균은 1,236일이었다.

2. 유전형 검사 결과

Spoligotyping 결과 분석을 위해 SITVIT2 및 TB insight 데이터베이스를 활용하여 계통과 clade를 분류하였다. Spoligotyping 분석 결과, 전체 20사례(43명)에서 확인된 결핵균은 4개의 계통 및 5개 clade로 구분되었다. 각 전파 의심사례에서 분리된 결핵균의 계통과 clade는 모두 동일하였다. 총 20사례 중 18사례(38명)는 East-Asian 계통의 Beijing clade로 확인되었고, 1사례(3명)는 Euro-American 계통의 unknown clade, 나머지 1사례(2명)는 East-African-Indian 계통의 Central Asian Strain (CAS) clade였다. 내국인 38명 중 36명은 East-Asian 계통의 Beijing clade였으며, 나머지 2명은 East-African-Indian 계통의 CAS clade였다. 외국인 중 우간다 국적 3명에서 분리된 결핵균의 spoligotyping 분석 결과는 Euro-American 계통의 unknown clade였다. 베트남 국적 2명은 East-Asian 계통의 Beijing clade로 확인되었다.

전체 환자의 결핵균은 22종류의 MIRU-VNTR 패턴으로 구분되었다. 18사례(39명)의 결핵균은 각 사례별로 동일한 패턴이, F 사례(2명)에서는 24유전자좌 중 Mtub04에서 2 repeat, K 사례(2명)에서는 Qub11b에서 1 repeat 차이가 확인되었다.

Spoligotyping 및 MIRU-VNTR 결과를 바탕으로 유전형을 분석한 결과, 전체 환자는 22개의 유전형으로 구분되었다. 18개 사례의 경우, 각 사례에서 분리된 결핵환자들의 유전형이 일치한 것으로 확인되었다. MIRU-VNTR 패턴에서 차이를 보였던 F 사례(TBG5964, TBG5965)와 K 사례(TBG0548, TBG0546)는 MIRU-VNTR 결과에서 단일 유전자좌에서 1개 또는 2개 대립유전자 차이를 보여 분자역학적 연관성이 있는 것으로 판정하였다(그림 1).

그림 1. 국내 가족간 전파 20사례의 MIRU-VNTR과 spoligotype 조합 분석 계통도.

그림 1

MIRU-VNTR=Mycobacterial interspersed repetitive unit-variable number tandem repeat; SPO=spoligotying; TBG=tuberculosis genotype.

3. 항결핵제 내성

20사례 중 5사례(10명)에서 한 가지 이상 항결핵제에 내성이 있는 것으로 확인되었다. 4사례(8명)은 이소니아지드와 리팜핀에 내성을 보이는 다제내성결핵 환자였으며, F 사례(2명)는 이소니아지드와 리팜핀에 내성이면서 퀴놀론계 약제(레보플록사신, 목시플록사신)와 A군 약제(리네졸리드)에 내성을 보여 광범위약제내성결핵 환자로 확인되었고, 두 환자 모두 과거력이 확인되었다. L 사례의 경우 지표환자가, P 사례의 경우 추가환자가 과거력이 있었으나, 이 두 사례를 포함한 전체 5사례의 지표-추가환자의 항결핵제 내성 결과는 일치하였다(표 2).

표 2. 항결핵제 내성이 확인된 사례.

사례 유전형 발생일 과거력 약제 내성
F F1 TBG5964 20240510 O 이소니아지드, 리팜핀, 레보플록사신, 목시플록사신, 오플록사신, 리네졸리드
F2 TBG5965 20240805 O 이소니아지드, 리팜핀, 레보플록사신, 목시플록사신, 오플록사신, 리네졸리드
G G1 TBG0014 20230303 X 이소니아지드, 리팜핀
G2 TBG0014 20230906 X 이소니아지드, 리팜핀
L L1 TBG5676 20211122 O 이소니아지드, 리팜핀
L2 TBG5676 20211206 X 이소니아지드, 리팜핀
P P1 TBG0569 20200116 X 이소니아지드, 리팜핀
P2 TBG0569 20210513 O 이소니아지드, 리팜핀
S S1 TBG1050 20160608 X 이소니아지드, 리팜핀
S2 TBG1050 20200521 X 이소니아지드, 리팜핀

TBG=tuberculosis genotype.

논 의

국내 가족 내 결핵 전파사례의 분자역학적 연관성 및 특성 확인을 위해 2016년부터 2024년까지 역학조사를 통해 가족 내 전파로 의심된 20사례(43명)에서 분리된 결핵균을 대상으로 spoligotyping 및 MIRU-VNTR을 통한 결핵균 유전형을 분석하였다.

Spoligotyping 결과, 20사례(43명)에서 수집된 결핵균은 각 사례에서 모두 동일한 계통 및 clade가 확인되었다. 18사례(38명)에서 확인된 East-Asian 계통의 Beijing clade는, 국내에서 가장 흔하게 발견(80.5%)되는 계통으로 알려져 있다[12].

유전형 검사 결과 각 사례의 결핵균 유전형은 모두 일치하였고, 가족 내에서 동일한 결핵균이 전파된 것으로 확인되었다. 전체 20사례 중, 동거 및 비동거 사례 모두 유전형이 일치하였다. 본 조사 결과, 2개 사례(I 및 P 사례)에서 지표환자가 아닌 추가환자에서 과거력이 확인되었는데, 이는 과거 감염이 완전히 치료된 후 지표환자에 의해 다시 감염되었거나, 과거 감염 시 지표환자에게 감염을 일으키고 재발했을 가능성이 존재한다. 이러한 사례를 분석하기 위해서는 지속적인 유전형 검사가 필요할 것으로 사료된다.

각 사례별 지표환자와 추가환자 간 환자 신고일 차이를 분석한 결과, 17사례는 2년 이내였으며 3사례는 2년 이상으로 E 사례는 2,241일, S 사례는 1,444일, T 사례 778일이었다. 통상적으로 분자역학적 방법은 발병일 기준 2년 이내에 적용 가능한 것으로 알려져 있다[13]. 그러나 결핵균 유전형 분석을 이용해 재발과 재감염 여부를 판단한 보고[14]에 따르면 일부 재발환자에서 초회와 2차 발병 간 시차가 6년이 경과한 경우에도 동일한 유전형을 가진 결핵균이 분리되어, 본 연구에서도 초회-추가환자 간 신고일이 2년 이상으로 확인된 3가지 사례는 동일한 유전형을 가진 결핵균에 의한 전파사례로 판단하였다.

국외의 경우, 국가마다 가족 간 전파사례에서 결핵균 유전형 일치율이 상이한 것으로 보고되고 있다. 남아프리카공화국의 경우, 유전형 일치율이 18.7%에 불과하였으나[15], 폴란드 및 영국의 경우 90%, 75%의 높은 일치율을 보였다[7,8]. 이러한 결과는 각 국가의 결핵 발생률의 차이로 인하여, 지역사회 내에서 결핵환자와 쉽게 접촉할 수 있는 환경이 만들어졌기 때문으로 알려져 있다[15].

전체 사례에서 확인된 유전형은 각 사례별로 모두 다른 유형이었다. 베트남 국적 가족으로 구성된 D 사례(2명)의 유전형은 TBG1054로, 국내 유전형 데이터베이스에서 총 6건이 확인되었고, 이 중 5건이 베트남 국적의 환자에서 분리된 균주로 확인되었다. 또한 우간다 국적으로 구성된 R 사례의 TBG4706은 해당 사례의 3명에게서만 확인되어, TBG1054와 TBG4706 균주는 국내 감염이 아닌 자국 내 감염 후 우리나라에서 발병한 것으로 추정된다.

R 사례의 경우 산모와 생후 2개월의 쌍둥이 자녀가 거의 동시에 진단된 사례로, 무증상 결핵 보균자였던 산모를 통하여 쌍둥이 자녀가 감염된 선천성 결핵(congenital tuberculosis)으로 보고되었다[16].

분자역학적 분석 결과와 결핵 접촉자 조사 결과를 함께 분석한 결과, 가족 내 결핵 전파사례는 가족 간 역학적 연관관계를 가지는 것을 확인하였다. 이는 가정 내에서의 결핵의 예방 및 관리가 매우 중요하다는 것을 시사하며, 가족 내 결핵환자 발생 시 접촉자 조사 및 진단으로 결핵 전파를 효과적으로 예방할 수 있을 것으로 사료된다. 질병관리청은 가족 내 전파 의심사례와 더불어 집단발생 의심사례의 감염경로 규명을 위한 분자역학 분석으로 국가결핵관리를 위한 근거자료를 지속적으로 제공해 나갈 것이다.


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