1. 바이러스 감염과 면역체계
백신을 이야기 하기 이전에, 면역체계에 대한 이해가 선행되어야 하는데, 생물체는 생물체 외부로부터 스스로를 보호하기 위한 일련의 면역체계를 가지고 있다. 이런 면역체계는 기본적으로 외부 물질, 혹은 생물체가 정말 외부로 부터 온 것인지를 판단하는 과정과 외부에서 온 물질을 파괴하는 과정으로 이루어져있고, 부가적으로 외부에서 도입된 생물체가 생성한 독성 물질을 약독화하거나, 중성화 하는 과정이 포함된다.
면역반응을 일으키는 외부 물질에는 대표적으로 박테리아(세균), 바이러스 등이 있다. 꼭 질병을 일으키는 박테리아나 바이러스가 아니더라도 가시에 피부가 찔렸을 때나 여러 경우에 외부의 미생물들이 체내에 도입되는데, 이런 경우에도 염증반응과 같은 면역반응이 활성화되어 외부 물질을 제거하고 해당 지역을 재생시킨다. 본문에서는 바이러스의 감염에 대한 경우를 특이적으로 보고자 한다.
바이러스
바이러스는 우선 세균과 구분되는 물질로, 번식능력이 없어 생물체로 분류하지는 않지만, 숙주 생물체에 감염된 경우에만 번식 등의 생명활동이 가능하다. 대부분 광학현미경으로 볼 수 없을 정도로 작아 초현미경적(ultramicroscopic) 감염원 이라고 부르기도 한다. 바이러스는 핵산과 그것을 둘러 싸고 있는 단백질로 구성되어있고, 숙주세포에 감염된 경우 숙주세포의 유전체 내에 자신의 유전체를 삽입시켜, 숙주세포에서 바이러스를 구성하는 데 필요한 물질들을 합성하게 한다. 이런 일련의 과정으로 바이러스는 숙주세포 내에서 복제를 통한 번식을 하고 숙주세포를 죽음에 이르게 하며 점차 주변의 정상세포를 감염시키게 된다.
면역체계
이런 바이러스의 침입 및 감염에 대응하는 생물체의 면역체계는 우선 병원체(항원)가 특이적으로 가지고있는 분자를 인식한다. 그리고 병원체가 특이적으로 가지고 있는 그 분자를 면역체계 내에서 활동하는 세포들로 전달, 결과적으로는 정확히 병원체 분자를 인식해 제거할 수 있도록 한다.
외부의 병원체가 체내로 들어오게되면, 면역세포들 중 APC(Antigen presenting Cell)라고 불리는 세포들에 의해 분해되어 처리되는데, 이 세포들은 항원(병원체)을 특이적으로 인식할 수 있는 표식을 자기 자신 세포 표면에 부착한다. 면역세포 중 보조 T 세포(T helper cell) 이라고 불리는 종류의 세포는 이러한 APC로부터 항원을 인식, 다양한 다른 종류의 세포로 분화한다.
보조 T 세포는 B 세포(B cell), 대식세포(macrophage), 독성 T 세포(Killer T cell)로 분화되는데, 대식세포는 항원을 삼켜 분해하여(phagocytosis) 면역반응에 참여하고, 독성 T 세포는 항원을 인식, 세포자살을 촉진시키는 효소를 항원 세포에 주입하는 방식으로 항원을 파괴한다. 이와 같이 세포 대 세포 작용을 통해 이루어지는 면역 반응을 세포성 면역이라고 칭하기도 한다. B 세포로 분화한 경우, B 세포는 다시 형질세포(Plasma cell)로 분화되어 항원을 인식해 항원 인식 부위에 부착할 수 있는 항체(Antibody)를 생성하게 되는데, 이렇게 만들어진 항체는 항원과 특이적으로 결합헤서 세포를 파괴하거나, 식균작용을 유도해 면역반응을 일으킨다. 항체에 의해 진행되는 면역반응을 체액성 면역이라고 한다.
B 세포는 위에서 얘기한 형질세포로 분화하기도 하지만, 기억 B 세포 (Memory B cell)로도 분화한다. 이 세포는 항체를 생성하진 않지만, 항체 생성 정보를 저장하고있어, 이후에 같은 항원이 들어온 경우 이를 인식, 형질세포로 분화해 빠른 시간 내에 항체를 생성해 면역체계를 작동시킬 수 있게 한다.
위 그림에서 Primary antigen challengen에서는 위에서 언급한 일련의 초기 면역반응을 수행하는데에 소요되는 시간에 의해 충분한 양의 항체가 생성되기까지 <Lag time>이 발생하지만, 이후에 동일한 항원이 체내에 들어왔을 때<Secondary antigen challenge>에는 1차면역반응으로 기억 B 세포들이 이미 존재하므로, 바로 면역체계를 작동시킬 수 있다.
2. 백신
백신, 예방주사를 접종하는 일은 특수한 항원에 대한 면역체계를 마련해 두는 것을 의미한다. 특수 처리된 항원을 체내에 주사함으로써 체내에서 해당 항원에 대한 항체 형성, 즉 기억 B 세포를 만들 수 있게 해서 질병에 대한 면역체계를 형성하도록 하는 것이다.
전통적으로 사용되는 백신으로는 병원체를 처리하는 방식에 따라 사백신, 생백신으로 구분된다. 사백신은 병원체를 죽여 만드는 백신을 의미하고, 생백신은 살아있는 병원체 바이러스, 세균을 이용하나 그 독성을 약화시켜 만들게 된다.
결국 특정 항원에 대한 1차 면역반응을 유도해서 후천면역체계를 형성한다는 점에서 백신의 동작 원리는 동일하다. 위와 같이 병원체를 죽이거나, 약독화시켜 직접 주사하는 방법 외에 1차 면역반응을 유도하는데 사용할 항원 역할의 분자를 체내에서 합성하게 하거나, 분자 자체를 주사하는 방식의 백신들이 연구-개발되고 있다. 아래는 새로 개발되고있는 바이오벡터, 핵산, 단백질 백신을 간략히 설명하였다.
바이오벡터(왼쪽 그림에서 Viral-vector) 백신은 항원으로 사용될 수 있는 단백질을 코딩하는 시퀀스를 타겟하고 있는 항원의 유전자 정보로 치환한 유전체를 다른 운반체 바이러스를 통해 전달하는 방식이다.
핵산 백신은(오른쪽 그림) 항원으로 번역될 수 있는 핵산(DNA, RNA)분자를 직접 주사하는 방식이다. 체내로 주입된 항원의 DNA 혹은 RNA 분자는 숙주세포 내에서 항원으로 인식 가능한 단백질로 번역되고, 1차 면역반응을 유도하게 된다.
마지막으로 단백질 백신이 있는데, 단백질 백신은 항원으로 쓰일 수 있는 단백질 자체를 합성해서 주입하는 방식이다. 그림에서는 두 가지 방식이 소개되고 있는데, Protein subunits 방식이 단백질을 직접 넣어주는 것을 의미하고, Virus-like particles 방식은 virus의 원래 구조에서 껍데기로 쓰이는 shell 만을 주입하는 방식이다. 이 방식은 면역반응을 유도하면서, 병원성이 없다는 점에서 안전성은 가장 높이 평가될 수 있으나 대규모의 생산이 어렵다는 단점이 있다.
References
- vaccine-safety-training.org/how-the-immune-system-works.html
- ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%B1%EC%8B%A0
- www.nature.com/articles/d41586-020-01221-y