바이오인

백신 전달 기술과 개발 현황

서울대학교 약학대학 이재우, 김동윤, 변준호, 오유경

1. 개요와 현황

세계를 휩쓸고 있는 코로나19(COVID-19) 감염증으로 인류 역사상 유례없는 사회적 거리 두기 시대를 살아가는 요즈음, 백신에 대한 관심이 그 어느 때보다 뜨겁다. 백신의 역사는 1796년 영국의 한 외과의사 에드워드 제너(1749~ 1823)의 천연두 백신 개발로 시작되었다. 그 이후 생명과학의 발전으로 인해 다양한 감염 질환들에 대한 백신이 개발되었고, 그 결과 매년 수많은 생명이 감염병들로부터 보호받고 있다. 백신을 통해 예방 가능한 감염 질환들이 다양한 만큼 백신 플랫폼의 종류도 다각화되었고, 그에 따른 백신 전달 기술도 지속적으로 개발되고 있다.

1.1. 백신 플랫폼의 종류

가. 전체 병원체 백신(Whole virus/bacteria vaccine) 플랫폼

전통적 의미의 백신은 약독화 생백신(live attenuated vaccine)과 불활화 백신(inactivated vaccine)으로 구분할 수 있다. 약독화 생백신이란 바이러스나 박테리아 같은 병원체 전체의 독성을 살아있는 상태로 약화시킨 것이다.

반면, 불활화 백신은 병원체 전체를 화학적 또는 열 처리 등으로 죽이거나 생물학적 활성을 제거한 백신이다. 전체 병원체를 사용한 백신들은 체내에서 병원체 전체가 항원으로 작용하여 병원체에 선택적인 항체의 생성을 유도한다.

약독화 생백신(live attenuated vaccine)은 병원성을 약화시킨 살아있는 병원체를 인체에 투여한다. 병원성이 약화된 병원체는 여전히 성장 및 복제 가능한 상태이지만 질병을 유발하지는 않으며, 가벼운 증상을 혹은 제한된 감염을 통해 질병에 대한 면역성을 가지게 한다. 인체 내로 투여된 약독화 생백신은 자연 감염과 유사한 메커니즘을 가지고 있어 면역반응이 상대적으로 강력하고, 지속적으로 면역반응을 유도하며 황열병, 홍역, 천연두, 수두, 볼거리, 결핵(BCG) 등에 대한 백신 접종 전략으로 사용되고 있다. 약독화 생백신은 불활화 백신에 비하여 인체 내에서 면역을 유도하는 효과가 높으나 살아있는 병원체를 사용한다는 점에서 다시 독성을 회복할 수 있는 잠재력이 있으므로 안전성면에서는 불활화 백신에 비하여 상대적 위험도가 높다.

불활화 백신(inactivated vaccine)은 열, 화학처리 또는 방사선 조사 등을 통해 병원체의 유전물질을 파괴하여 증식이 불가능하도록 제조한 백신이다. 약독화 생백신과 달리 병원체가 투여된 인체 내에서 성장하거나 증식하지 않기 때문에 백신 자체에 의한 감염 질환 발병에 대한 위험도는 낮지만, 상대적으로 낮은 면역반응을 유도하고 지속시간이 짧아 백신 접종에 따른 면역 효과가 낮은 편이다. 면역 유도능을 증강시키기 위해서 여러 번 백신을 투여하여 백신의 효과를 증진시키는 것도 하나의 방법이다. 현재 중국에서 불활화 백신 형태로 코로나19 백신이 임상적으로 사용되고 있다. 이 외에도 소아마비, 계절성 인플루엔자, A형 간염 등의 예방목적으로 불활화 백신이 임상적으로 사용되고 있다.

나. 단백질 백신(subunit vaccine) 플랫폼

생명공학 분야에서 단백질 정제 기술의 발달로 병원체 전체를 사용하기 보다는 병원체로부터 항원으로 작용하는 단백질 부분만을 정제하여 인체에 투여하는 단백질 항원 백신(subunit vaccine) 플랫폼이 개발되었다.

병원체 전부를 이용하는 약독화 생백신이나 불활화 백신과 달리 단백질 항원 백신은 병원체의 특정 단백질 항원, 또는 항원 기능을 가지는 펩타이드와 다당류 등으로 구성된다. 단백질 백신의 주요성분인 병원체의 단백질은 인체 내에서 병원체의 항원으로 인식되고 단백질 조각은 면역세포 표면에서 주조직적합성복합체(major histocompatibility complex II)와 같이 제시되어 단백질 항원에 특이적인 항체의 형성을 유도하는 체액성 면역을 증강시키게 된다. 체액성 면역을 통해 학습된 면역세포들은 병원체의 특정 단백질 조각을 기억하여 다시 들어오는 동일 병원체에 대하여 저항성을 가지는 항체를 지속적으로 생성할 수 있다.

단백질 백신은 병원체 전체를 사용하는 것이 아니고 특정한 단백질 한 종류만 사용하는 것으로서 장점과 단점이 같이 존재한다. 장점으로는 단백질 항원만을 사용하므로 병원체 전체를 사용하는 생백신에 비하여 감염질환의 예기지 않은 발병의 부작용 문제에서 자유로운 것이다. 또한, 유전자 재조합 기술을 이용하여 대량 생산 공정을 안정적으로 유지할 수 있다. 단점으로는 병원체의 단백질 단일 항원에 의해 유도되는 면역반응이 약하며, 항원의 변이가 일어날 경우 단백질 합성, 분리, 정제 공정을 모두 새로 진행해야 하는 문제가 있다.

단백질 백신 분야에서는 백신 자체의 미약한 면역 유도능력을 보완하기 위해 다양한 면역증강제(adjuvant)와 제형화 연구가 병행되고 있다. 단백질 백신의 경우 나노 구조체인 바이러스와 유사한 형태로 제조할 경우, 백신의 면역 효능이 높아지므로 항원 단백질을 바이러스와 유사한 형태 및 크기의 나노입자로 만드는 기술도 연구되고 있다. B형 간염 백신 및 자궁경부암 예방목적으로 사용되는 인유두종 바이러스 유사입자(human papillomavirus- like particle) 백신이 단백질 항원 백신으로 임상적으로 사용되는 대표적 사례이다.

코로나19 예방 목적으로 단백질 백신 플랫폼이 연구되고 있으며, 미국 노바백스의 NVX-CoV2373(임상 3상)이 대표적인 선두주자이다. 국내에서는 SK 바이오사이언스에서 코로나19의 원인 바이러스인 SARS-CoV-2 표면의 스파이크 단백질을 항원으로 활용하여 백신을 개발하고 있으며, 현재 임상 1상을 진행 중이다.