바이오인

핵심내용

- 감염성 질환의 항바이러스 백신 효능을 극대화 -

□ 국내 연구진이 점막을 이용해 백신을 효과적으로 전달함으로써 백신의 효능을 높이는 비주사형 점막백신 전달기술을 개발했다.

□ 바이러스의 체내 침입관문인 점막에 대한 효과적인 백신에 응용될 것으로 기대되며, 특히 비강(鼻腔)에 분무하는 방식으로 주사형 접종방식에 대한 거부감을 피할 수 있어 접종률 향상에도 기여할 전망이다.

 o 충남대학교 임용택 교수팀(임 교수, 노영욱 박사, 홍지현 연구원)과 한국생명공학연구원 부하령 박사팀(부 박사, 심상무 박사)이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 독일화학회가 발간하는 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)지 6월 14일자 온라인판에 게재되었다.

 o 한편 이번 연구는 상위 5% 이내 논문에만 수여하는 VIP(Very Important Paper)에 선정되는 한편 7월호 연구 하이라이트로도 소개될 예정이다.

□ 점막은 바이러스가 침입하면서 처음 통과하는 곳으로 점막면역을 강화하는 것이 감염성 질환에 대한 예방법이 될 수 있어 백신의 전달과 면역반응 유도를 도울 항원보강제를 개발하는 것이 관건이었다. 점막의 생체방어기작으로 인해 백신을 전달하는데 어려움이 있었기 때문이다.

□ 연구팀은 생체친화적인 천연고분자, 폴리감마글루탐산*을 이용하여 면역세포가 모여 있는 점막 내로 백신을 효과적으로 전달할 수 있는 항원전달용 나노마이셀**을 만들었다.

   * 폴리감마글루탐산 (Poly-gamma-Glutamic Acid, 약칭 γ-PGA) : 청국장의 발효과정에서 만들어지는 점액성 물질의 주성분으로 식용 아미노산의 한 종류인 글루탐산이 길게 연결된 음이온성 폴리머
   ** 나노마이셀(nanomicelle) : 친수성 화학구조와 소수성 화학구조를 갖는 고분자 물질이 자기 조립된 나노크기의 복합체로 주로 약물전달체 등으로 이용된다.

 o 직경 20nm 크기의 나노마이셀은 점막 투과성과 부착력이 뛰어나 비강에 분무하는 방식으로도 점막 내로 효과적으로 전달된다.

 o 실제 생쥐에 바이러스 항원만 주입한 경우 6시간 내에 사라졌지만, 나노마이셀과 함께 주입된 항원은 12시간이 지나도 비강에 남아 있었다.

   - 투과성과 부착력은 나노마이셀 표면으로 노출되는 폴리감마글루탐산의 특정 기능기(카르복실기)가 점막의 단백질과 달라붙기 때문이다. 여기에 점막 상피세포의 세포막과 결합하는 기능기(아민기)를 추가하여 점막 세포와의 결합력도 높였다.

□ 한편 연구팀은 나노마이셀이 면역세포의 활성화에도 영향을 미쳐 항원보강제 없이도 면역반응을 유도할 수 있다고 설명했다.

  o 생쥐에 인플루엔자 항원이 들어있는 나노마이셀을 분무한 결과 점막 면역반응으로 분비되는 면역물질의 항체가**가 27~28배 이상 높아졌다.

   * 항체가(antibody titer) : 특정 항원에 대응하는 항체의 역가로 백신 및 혈액제제와 같은 의약품의 활성을 측정한 값. 수치가 높을수록 백신효과가 높음을 의미

□ 임용택 교수와 부하령 박사는“이번 연구를 통해 개발한 분무형 점막 백신은 점막 주위로 항원을 효과적으로 전달하는 한편 면역세포의 활성화를 돕는 항원보강제 기능까지 맡아 백신의 효과를 높일 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

 인플루엔자 (influenza) 는 전염성이 강한 급성호흡기 감염증으로 건강인에게는 일상생활이나 업무상의 차질을 일으키고, 노인과 만성질환자 등의 고위험군에서는 치명적인 합병증을 일으켜 막대한 사회적 손실을 유발하는 질환이다.

 인플루엔자는 항원변이(소변이, 대변이)를 일으켜 매년 유행하거나 10~40년 주기로 전세계적인 대유행을 일으킬 수 있기 때문에 국제적 감시를 통한 대비가 필요한 공중보건학적으로 중요한 질환이다. 2009년에 신종인플루엔자 A(H1N1) 바이러스가 발병했으며, 미국의 세계보건기구에서는 21세기 들어 처음으로 인플루엔자 대유행을 선언했으며, 이에 따라 신종인플루엔자의 백신생산이 긴급하게 필요했으나, 신종인플루엔자 바이러스 백신의 역가가 예상했던 것보다 낮아 신종인플루엔자에 대응하기에 충분한 것이 아니었다.

 이러한 상황에서 대유행 인플루엔자처럼 인류가 면역력을 갖고 있지 않은 신종바이러스의 공격과 생물테러 위협의 가능성에 대항할 수 있도록 감염에 대한 백신효능을 높여주고 안전성이 검증된 새로운 어쥬번트 (Adjuvant, 항원보강제)와 예방백신 개발에 관심을 모으고 있다.

 점막은 전염성 병원체, 특히 인플루엔자와 같은 바이러스가 체내에 침입하는 과정에서 통과해야하는 곳이다. 따라서 점막백신은 점막 표면에 병원체 특이적인 분비형 IgA 항체는 생성함으로써 점막 면역을 강화하는 것이 감염성 질환을 막는 가장 효과적인 방법이다. 때문에 안전하고 효과적인 점막 어쥬번트의 개발을 통한 백신 점막 면역 효과 증진 및 시스템 면역반응 효과를 유도하는 것이 필요하다.

 2. 연구내용

 본 연구팀에서는 점막 투과 및 점막 부착 특성을 가지는 생체친화적인 고분자 나노마이셀을 개발하고 나노마이셀이 점막내로 바이러스 항원을 효과적으로 전달함으로써 항원 특이적인 점막 면역을 유도할 수 있음을 확인하였다. 이 고분자 나노마이셀은 생체 친화성 고분자 물질의 주사슬에 존재하는 카르복실기에 친유성 물질 중 하나인 콜레스테롤을 도입함으로써, 수용액상에서 자기조립 특성에 의해 제조하였으며, 이 과정에서 인플루엔자 바이러스 항원이 나노마이셀에 로딩 될 수 있도록 하였다. 고분자 나노마이셀의 표면에 도입된 카르복실기는 점막 부착성과 점막 투과성을 높여주고 점막상피세포 당단백질에 존재하는 시알릭산의 카르복실기와 이온 결합 할 수 있는 아민기를 도입하여 점막상피세포의 부착성을 높여주었다. 결과적으로 바이러스 항원을 점막조직내로 효과적으로 전달함으로써 백신 어쥬번트 없이 점막 면역반응을 유도하였다. 이 고분자 나노마이셀의 점막 접착성 및 항원 전달체의 특성은 SPECT/CT 영상과 면역조직형광영상 기법을 통하여 확인하였다. SPECT/CT 영상에서 나노마이셀과 항원단백질을 주입한 경우 12시간이 지나도 비강내에 남아있는 반면, 항원단백질만 주입한 경우는 6시간내에 사라지는 것을 확인하였으며, 면역조직형광영상에서 나노마이셀과 항원단백질을 주입한 경우, 항원이 비강 점막조직내로 효과적으로 전달됨을 확인하였다

 인플루엔자 항원단백질이 봉입된 생체친화적인 고분자 나노마이셀은 in vivo 에서 바이러스 항원을 면역 세포에 더 많은 양을 전달할 수 있었고, 인플루엔자 항원 특이적인 분비형 IgA 항체 (점막 면역반응)와  IgG (시스템 면역반응)의 역가 (titer)가 27~28배 이상 증가되었다. 또한, 혈구응집반응 억제 (hemagglutination inhinition, HI) 역가가  4배 이상 증가함이 확인되었다. 항원 특이적인 항체의 생성 (체액성 면역, humoral immune response) 뿐 아니라 인플루엔자 바이러스 특이적인 세포성 면역 (cellular immune response)이 3배 이상 증가되었음을 확인하였고, 인플루엔자 바이러스의 감염 (10×LD50)에 대해 100%의 생존율을 나타내었다.

3. 기대효과

 이 연구 결과는 백신 어쥬번트 없이도 효과적으로 점막 면역반응을 유도함으로써, 점막을 통하는 감염성 질환의 예방 백신 효과와 안전성이 검증되었음을 나타내었고 앞으로 HIV, pandemic Influenza, Herpes virus 등 백신개발에 어려움이 있는 다양한 감염성 질환에 대한 백신으로 다양하게 응용될 것으로 기대되는 결과이다.

사 진 설 명

그림 1. 고분자 나노마이셀 기반 점막면역 백신의 개념도
고분자 나노마이셀의 표면 카르복실기는 점막 부착/투과성을 높여주고 아민기는 점막상피세포의 부착성을 높여주어 항원을 점막조직내로 효과적으로 전달해 강력한 점막 면역반응이 유도된다.

그림 2. 인플루엔자 바이러스에 대한 백신의 효능
(a) 백신 접종 후 혈중 IgG항체 역가, (b) 백신 접종 후 비강 점액중 분비형 IgA 항체 역가, (c) T 세포의 인터페론 (IFN-γ) 생성 능력 및 (d) 혈구응집억제반응결과와, 백신 접종 후 신종인플루엔자(H1N1) 바이러스 감염에 따른 체중변화(e)와 생존률(f) 측정결과.

용 어 설 명

1. Angewandte Chemie 誌
 ○ 응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

2. 백신 (Vaccine)
 ○ 생체 면역기능을 유발하는 항원을 포함한 생물학적 제제로서, 감염증을 예방하기 위해 생체에 투여하여 그 감염증에 저항, 면역성이 생기게  하는 의약품을 말한다.

3. 항원보강제 (Adjuvant)
 ○ 백신의 능력을 강화해 강력하고 지속적인 보호 면역반응을 유도함으로써 더욱 효과적인 백신을 만들기 위해 사용되는 성분이다.
 ○ 최근까지 백신 연구, 개발은 거의 전적으로 항원에만 초점을 맞춰왔지만 이제는 항원보강제 역시 백신에 의한 면역반응에 상당한 기여를 할 수 있다는 것이 널리 알려져 있다.
 ○ 현재까지 상용화된 백신 항원보강제는 Alum (FDA 승인)와 MF59및 AS04 (유럽 승인) 뿐이며 최근 새로운 연구가 진행 중이다.

4. 인플루엔자 (Influenza)
 ○ 인플루엔자(Influenza, 유행성감기, 문화어: 돌림형감기)는 오소믹소바이러스와의 인플루엔자 바이러스가 유발하는 전염성이 강한 급성호흡기 감염증으로 보통 독감(毒感, flu)이라고 부른다.

5. 나노마이셀 (Nanomicelle)
 ○ 친수성 화학구조와 소수성 화학구조를 가지는 생체친화성 고분자 물질이 모여서 용액 상에서 자기 조립된 나노크기의 구조적 특성을 나타내는 나노복합체이다.
 ○ 일반적으로 나노마이셀의 표면은 친수성을 띠는 반면, 내부에는 소수성  구조가 모여 있어 전체적으로 안정화된 구조를 유지해 친수성 항원 단백질이나 소수성 약물을 봉입하여 생체내로 전달할 수 있다.