과학자들, 여러 호흡기 병원체를 막는 범용 백신 플랫폼 개발

과학자들은 독감, COVID-19, SARS, 세균을 포함한 여러 호흡기 병원체로부터 생쥐를 보호한 비강 백신을 개발했으며, 이는 질병 예방에 대한 근본적으로 다른 접근을 보여준다. 이 백신은 4주 동안 비강 스프레이 4회 용량으로 투여됐고, 면역 후 최대 6개월까지 지속되는 보호 효과를 보였다.

이 백신에는 면역계의 여러 측면을 자극하도록 설계된 물질의 칵테일이 들어 있다. 연구진이 생쥐에 처치를 한 뒤 병원체에 노출시켰을 때, 면역 후 1개월, 3개월, 그리고 일부 경우에는 최대 6개월까지 생쥐는 SARS-CoV-2, 초기 SARS 병원체, 또 다른 코로나바이러스뿐 아니라 다른 병원체들에 대해서도 보호됐다. 백신은 폐에서 미세한 면역 구조의 형성을 유도했는데, 이는 생쥐의 몸이 감염과 지속적으로 싸울 수 있는 요새 같은 역할을 했다.

이 백신 플랫폼에는 면역계의 내부 소통 네트워크의 일부인 체내 수용체에 결합해 이를 활성화할 수 있는 분자들이 포함돼 있다. 또한 달걀에 존재하는 단백질인 ovalbumin이라는 무해한 항원도 들어 있다. 이 두 요소가 함께 작용한 결과 선천 면역계와 적응 면역계가 모두 활성화된다.

전통적 백신은 특정 병원체에 신속히 반응하도록 면역계를 준비시키는 방식으로 작동하며, 적응 면역 반응에 의존한다. 선천 면역계는 감염성 인자에 노출된 뒤 매우 빠르게 작동해 신속하지만 덜 특이적인 반응을 만든다. 이는 보통 며칠 뒤 약해지는데, 그 사이 적응 면역계가 해당 병원체에 더 맞춤화된 반응을 구축할 기회를 갖는다.

적응 면역 반응의 일부로 동원된 T 세포는 보통이라면 이미 약해졌을 선천 면역 반응을 오랫동안 유지시키는 역할을 한다. 2023년 연구진은 BCG 백신이 오래 지속되는 선천 및 적응 면역 반응을 모두 유도할 수 있기 때문에 TB 이외의 질병에 대해서도 보호 효과를 제공할 수 있음을 보여준 연구를 발표했다.

연구진은 팬데믹 기간 결핵에 대한 BCG 백신을 접종한 사람들이 COVID-19에 대해 추가적인 보호를 받는다는 점을 관찰했다. 이는 해당 주사가 다른 여러 질병도 어느 정도 예방한다는 수십 년간의 관찰과도 맞아떨어졌다. 백신 자체의 성공률은 엇갈리지만, BCG는 특정 병원체에 국한되지 않는 선천 면역계를 활성화해 다양한 감염에 대해 광범위하지만 낮은 수준의 보호를 제공한다.

한편 Harvard University의 Wyss Institute, Dana-Farber Cancer Institute, 그리고 협력 기관들로 구성된 다학제 팀은 백신이자 보강제(adjuvant)로 기능하는 DoriVac이라는 DNA origami 나노기술 플랫폼을 이용한 다른 접근을 탐구했다. 이들의 실험에서 DoriVac 백신은 SARS-CoV-2, HIV, Ebola 등을 포함한 여러 바이러스의 스파이크 단백질 내에서 보존된 펩타이드 영역(HR2)을 표적으로 했다.

생쥐에서 SARS-CoV-2 HR2 버전의 백신은 항원 특이적 항체 반응(체액성 면역)과 T 세포 반응(세포성 면역)을 포함한 강한 면역 활성화를 유발했다. 연구진은 또한 인간 면역계를 모사하는 고도화된 전임상 시스템을 사용해 백신을 평가했다. Wyss Institute의 미세유체(microfluidic) human Organ Chip 기술을 이용해 in vitro 인간 림프절 모델을 만들었고, 이 시스템 안에서 SARS-CoV-2 HR2 백신은 인간 세포에서도 강한 항원 특이적 면역 반응을 만들어냈다.

지질 나노입자(lipid nanoparticles)로 전달되는 SARS-CoV-2 mRNA 백신과의 직접 비교에서, 동일한 스파이크 단백질 변이를 탑재한 DoriVac 백신은 인간 면역계를 유사하게 강하게 활성화했다. 그러나 DNA origami 백신은 더 안정적이었고 보관과 제조가 더 쉬운 것으로 나타났다. 이 결과는 Nature Biomedical Engineering에 게재됐다.

이 백신 설계는 DNA로 만들어진 작은 자가조립 정사각형 나노구조에 기반한다. 구조의 한쪽 면에는 나노미터 단위로 정교하게 최적화된 간격으로 배열된 보강제 분자들이 전시된다. 반대쪽 면에는 종양이나 병원체에서 유래한 펩타이드 또는 단백질 같은 선택된 항원이 제시된다. 종양을 가진 생쥐를 대상으로 한 이전 연구에서 DoriVac 백신은 DNA origami 구조가 없는 버전보다 더 강한 면역 반응을 생성했다.

인간에서는 코, 목, 그리고 더 깊은 폐에 서로 다른 구조가 존재한다. 이러한 유형의 백신 접종이 인간에서도 유사한 구조를 유도할 수 있는지는 시험이 필요하다. 이러한 결과를 바탕으로 한 다음 단계는 추가 시험이 될 것이다. 인간과 생쥐는 유사점이 있지만, 적용에 더 가까이 다가가려는 노력을 좌절시킬 수 있을 정도로 많은 면에서 다르다.

COVID-19 팬데믹은 메신저 RNA(mRNA) 백신을 전 세계 보건의 중심 무대로 끌어올렸다. 임상시험(clinical trial)을 마친 뒤 첫 COVID-19 mRNA 백신은 2020년 12월 8일 접종됐다. 이후 모델링 연구는 이 백신들이 사용 첫해에만 COVID-19로 인한 사망을 최소 14.4 million 명 예방한 것으로 추정했다. 현재 인플루엔자 바이러스, Respiratory Syncytial Virus(RSV), HIV, Zika, Epstein-Barr virus, 그리고 결핵균을 표적으로 하는 백신에 대한 임상시험이 진행 중이다.

COVID-19 mRNA 백신이 생성하는 면역 보호는 개인에 따라 크게 다를 수 있으며, 보호 효과는 시간이 지나면서 감소하는 경향이 있다. 또한 SARS-CoV-2 바이러스가 지속적으로 진화해 면역 방어를 부분적으로 회피할 수 있는 새로운 변이를 만들어내기 때문에 과제는 더 커진다. 그 결과 COVID-19 백신은 종종 주기적 업데이트가 필요하다. 이러한 백신의 제조는 복잡하고 비용이 많이 들 수 있으며, 과학자들이 전달에 사용되는 지질 나노입자 내부에 포장되는 mRNA 분자의 수를 제한적으로만 제어할 수 있다는 문제도 있다. 또한 이 백신들은 냉장 보관이 필요하며, 때로는 의도치 않은 표적 외(off-target) 효과를 일으킬 수도 있다.