Research on major respiratory viruses in South Korea

Abstract

호흡기감염 (Respiratory infections)은 박테리아나 바이러스에 의해 야기되는 감염성 질병을 의미하며, 상기도 감염과 하기도 감염으로 나눌 수 있다. 폐렴이나 독감 그리고 호흡기세포융합바이러스와 같은 급성 호흡기 감염은 세계에서 세번째로 사망률이 높은 질병에 속한다. 이 중에서 바이러스에 의해 야기되는 호흡기 감염 즉, 호흡기바이러스감염(Respiratory viral infections)은 크게 인플루엔자와 인플루엔자가 아닌 바이러스로 나눌 수 있으며, 인플루엔자가 아닌 바이러스에는 아데노바이러스, 보카바이러스, 코로나바이러스, 호흡기세포융합바이러스, 라이노바이러스, 파라인플루엔자바이러스와 메타뉴모바이러스가 이에 속한다. 이러한 호흡기바이러스 감염은 열, 기침, 호흡곤란 등의 다양한 임상증상을 수반하며, 심한 경우에는 흉곽함몰이 일어나기도 한다. 새로운 호흡기바이러스 감염의 증가는 인구증가, 도시화, 기후변화, 국제적인 여행과 교역 증가를 포함한 다양한 국제적인 수렴 (convergence)에 의해 야기되었으며, 호흡기바이러스감염에 의한 유행 (outbreak)은 지역과 나라마다 각각의 특정한 형태 (pattern)를 가지고 있다. 최근의 연구와 상황을 통하여 그 중요성을 고려하여 호흡기세포융합바이러스, 인플루엔자바이러스 그리고 코로나바이러스를 선정하여 더욱 깊은 연구를 수행하였다. 첫째, 4028건의 호흡기 검체에 대하여 real-time one-step RT-PCR을 수행하여 호흡기세포융합바이러스의 유행양상을 파악하였으며, 유전자염기서열분석을 통하여 각각의 유전적인 genotype을 확인하였다. 183건의 시료에서 호흡기세포융합바이러스 양성이 확인되었으며, 131건의 RSV-A subgroup에서 61건의 ON1 genotype이 확인되었고, 66건에서 NA1 genotype이, 3건에서 GA5가, 1건이 GA1이 확인되었다. RSV-B subgroup에서는 29건이 BA9 genotype이, 2건이 BA10 genotype이 확인되었다. 호흡기세포융합바이러스에서 가장 많은 임상증상은 열, 기침, 콧물, 가래였으며, 19세 이하의 소아에 대하여 다중로지스틱회귀분석을 통하여 호흡기세포융합바이러스와 임상증상간의 연관성을 알아본 결과, 기침과 쌕쌕거림이 가장 크게 관련이 있는 것으로 나타났다. 또한 호흡기세포융합바이러스와 가장 많이 중복 감염된 바이러스는 라이노바이러스 였다. 이러한 결과들은 호흡기세포융합바이러스의 분자생물학적 역학적 이해를 돕는데 공헌할 것이며, 호흡기세포융합바이러스 백신개발의 잠재 가능성을 촉진하는데도 기여할 것으로 기대된다. 둘째, 2009년과 2014년 사이에 인플루엔자의 형 (type)과 아형 (subtype)에 대하여 인구통계학적 (demographic), 임상적 (clinical) 특성을 비교함으로써 인플루엔자의 역학적인 특성을 파악하고, 2009년에 크게 유행한 A(H1N1)pdm09을 첫번째 유행으로 정하고 그 이후에 크게 발생한 시점 즉, 2010년을 두번째 유행시점으로 정하여 두 시점에 대하여 연령을 포함한 다양한 요인과 임상적인 특성에 대하여 알아보았다. 경기지역에 인플루엔자 및 호흡기바이러스 감시사업에 참여한 지역 병원에 호흡기증상이 있어서 내원한 환자 중 수집에 동의 하에 수집된 4028개의 호흡기 검체 중 920건이 인플루엔자 양성이었다. 이중에서 305건이 A(H3N2)에 속하였고, 291건이 A(H1N1)pdm09, 그리고 343건이 인플루엔자 B 타입에 속하였다. 주로 겨울에 발생하는 양상을 가지고 있었으며, 중증도가 심하다고 알려진 A(H3N2)를 기준으로 하였을 때 5-24의 연령그룹과 2009년과 2010년이 단변량분석 (univariate analysis) 에서 유의한 차이를 보였고, 다중로지스틱분석에서는 기침과 오한, 두통, 근육통과 같은 임상증상이 인플루엔자 감염환자와 강한 연관성을 가졌고 라이노바이러스가 인플루엔자와 가장 중복감염이 많은 바이러스였다. 이러한 결과들은 인플루엔자의 백신예측과 미래에 유행 가능한 인플루엔자 발생을 예측하는데 도움이 될 것으로 보인다. 셋째, 코로나바이러스에 대하여 역학적 임상적 특성에 대해 역시 4028개의 호흡기검체를 대상으로 알아보았다. 112건이 코로나바이러스에 대하여 양성이었으며, 여성의 비율이 54건으로 다소 높았다. 70건이 HCoVOC43이었으며, 14건은 HCoV-229E에 속하였고, 28건은 HCoV-NL63이었다. 대부분 겨울에 유행하는 양상을 보였으며, HCoV-OC43을 기준으로 하여 HCoV-229E와 HCoV-NL63에 대하여 연령을 포함한 다양한 요인들에 대하여 단변량분석을 수행한 결과 2009년에 해당하는 부분만이 유의한 결과를 나타냈다. 다중로지스틱회귀분석의 결과에서는 코막힘이 코로나바이러스 감염환자와 연관성이 있는 것으로 나타났고 연령과 두통이 HCoV-229E와 강한 연관성이 있었고 코로나바이러스와 중복감염이 가장 많은 바이러스는 아데노바이러스와 라이노바이러스였다. 이러한 결과들이 향후 발생할 가능성이 있는 코로나바이러스 유행에 대하여 적절한 조치를 취하는데 도움이 될 수 있다고 생각되며, 향후 분자생물학적인 분석을 코로나바이러스에 대해 추가적으로 시행하여 좀더 정확한 추이분석에 필요할 것이다. 결론적으로, 본 연구를 통하여 호흡기세포융합바이러스, 인플루엔자바이러스와 코로나바이러스를 포함한 세가지 주요 호흡기바이러스는 고유한 분자생물학적 역학적 특성을 가지고 있으며, 또한 계절적인 발생 분포와 년간 경향성 역시 바이러스마다 특정 특성을 가지고 있다는 것을 확인하였다. 또한 이러한 다양한 분석을 통하여 주요 호흡기바이러스에 영향을 미치는 주요한 인자를 확인하는 것은 향후 바이러스 발생양상 예측과 예방 그리고 백신개발에 기여할 것으로 기대된다.

Respiratory tract infections (RTIs) are caused by bacteria or viruses and are divided into upper and lower RTIs. Acute RTIs, such as pneumonia and flu, are the third leading cause of death worldwide. Viral RTIs are divided into influenza virus (IFV) and non IFV (human adenovirus [ADV], human bocavirus, human coronavirus [HCoV], human respiratory syncytial virus [RSV], human rhinovirus [hRV], parainfluenza virus, and human metapneumovirus). RTIs caused by these viruses are accompanied by various clinical symptoms, e.g., fever, severe cough, hoarseness, wheeze, tachypnea, breathlessness, respiratory distress, nasal flaring, and jugular, intercostal, and thoracic indrawings. The increased rate of emergent viral RTIs in the past 15 years is due to various factors, including the increasing human population, urbanization, changes in the interactions between human and animal populations, climate change, and increased international travel and trade. The characteristics of outbreaks of viral RTIs differ geographically. Given their importance, we analyzed three major respiratory viruses—RSV, IFV, and HCoV. First, we evaluated the molecular and clinical characteristics of RSV in South Korea from 2009 to 2014 using 4028 respiratory specimens from local hospitals in Gyeonggi Province for 6 consecutive years by real-time one-step reverse transcriptase-polymerase chain reaction and partial sequencing of the RSV glycoprotein gene. A total of 183 patients were positive for RSV. Of the 131 RSV-A specimens sequenced, 61 (43.3%) were genotype ON1, 66 (46.8%) were NA1, three (2.1%) were GA5, and one (0.7%) was genotype GA1. Of the 31 RSV-B specimens sequenced, 29 (87.9%) were genotype BA9 and two (6.1%) were BA10. The most common clinical symptoms were fever, cough, nasal discharge, and phlegm. A multiple logistic regression analysis showed that RSV infection of pediatric patients was strongly associated with cough and wheezing. The majority of respiratory viruses coinfecting with RSV was hRV. The findings enhance our understanding of the molecular and epidemiological characteristics of RSV, which will enable the development of an RSV vaccine. Second, we characterized the epidemiology of IFV in South Korea from 2009 to 2014. We compared the demographic and clinical characteristics, associated factors, and disease severity of IFV A(H1N1)pdm09, A(H3N2), and IFV B and the characteristics of the first wave in 2009 and the subsequent wave in 2010. A total of 4028 outpatients attended local hospitals with respiratory symptoms and were enrolled in KINRESS in Gyeonggi Province. Of them, 920 (22.8%) were positive for IFV, comprising 305 (33.1%) A(H3N2), 271 (29.5%), A(H1N1)pdm09, and 343 (37.3%) IFV B. IFV epidemics occur annually from November and March and at a far lower frequency during the rest of the year. According to univariate analyses using A(H3N2) as a reference, the risk ratios of 5–24 years and years 2009 and 2010 were > 1.0. A multiple logistic regression analysis showed that cough, chill, headache, and muscular pain were associated with IFV infection, and human rhinovirus comprised the majority of respiratory viruses coinfecting with IFV. These results will facilitate prediction of influenza outbreaks. Third, we assessed the epidemiological and clinical characteristics of HCoV in South Korea from 2009 to 2014 using 4028 throat and nasal swabs from children and adults with fever and various clinical symptoms. Among the 4028 cases, 112 (2.8%) were positive for HCoV, including 45 (40.2%) males and 54 (48.2%) females. Of them, 70 (62.5%) were HCoV-OC43, 14 (12.5%) were HCoV-229E, and 28 (25.0%) were HCoV-NL63. HCoV epidemics occurred mainly in winter. According to univariate analyses using HCoV-OC43 as a reference, the risk was > 1.0 in only 2009. A multiple logistic regression analysis showed that nasal obstruction was associated with HCoV infection, and age and headache with HCoV-229E infection. Moreover, the majority of respiratory viruses coinfecting with HCoV were hRV and ADV. These studies will enable prediction of HCoV outbreaks; also, further molecular analysis of HCoV is needed. In conclusion, RSV, IFV, and HCoV have different molecular and epidemiological characteristics. Moreover, RSV, IFV, and HCoV infections cause unique clinical symptoms such as fever and cough. Therefore, identification of the factors that influence respiratory viruses in South Korea is required to prevent pandemics and will assist vaccine development.