바이오인

코로나바이러스 변이에 의한 폐 면역반응 규명

 영장류 감염모델에서 델타 및 오미크론 변이주에 의한 폐 미세구조 면역반응을 공간전사체 분석 통해 직접 확인

 감염조직의 실제 면역반응에 기반한 신‧변종 감염병 면역기전 연구에 활용 기대

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 국가영장류센터 홍정주 박사 연구팀이 코로나바이러스 변이주로 인한 폐 미세구조의 국소 면역반응을 최초로 규명하는 데 성공하였다고 밝혔다.

ㅇ 이를 통해 향후 코로나바이러스와 같은 신‧변종 감염병의 면역기전 연구에 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)의 원인체인 SARS-CoV-2 바이러스는 2019년 처음 출현한 이후로 알파, 베타, 델타, 오미크론 등 여러 차례 변이주가 출현하였고, 변이주가 유행하면 감염경로나 병변에 관한 관심은 높았지만, 변이주 감염에 의한 면역반응의 변화에 관한 연구는 미비했다.

ㅇ 가장 최근의 변이주인 오미크론은 이전과 비교하면 상부 호흡기관인 기관지에서 더 잘 증식하는 반면, 폐의 실질조직인 폐포(허파꽈리)에서는 증식력이 떨어지는 것으로 밝혀졌으며, 이로 인해 폐에서 바이러스에 의해 유도되는 염증성 사이토카인이 낮아져 임상 증상이 감소하는 것으로 알려졌다.

□ 그러나 이 같은 사실들은 환자의 비강 샘플 또는 폐를 부검하여 만든 샘플을 통해 확인한 결과로, 전반적인 염증반응을 반영할 순 있지만, 바이러스 감염 부위의 면역반응을 직접 확인한 것과는 다소의 차이가 있을 수 있다.

ㅇ 특히, 코로나바이러스는 폐에서 균일하게 분포하지 않기 때문에 감염 부위를 직접 확인하지 않으면 면역반응의 변화를 확인하기가 더욱 어려운 것이 사실이다.

□ 연구팀은 영장류 감염모델을 이용하여 폐 내의 폐포, 세기관지, 혈관 세 부위의 코로나바이러스 델타와 오미크론 변이주에 대한 반응을 직접 관찰하였다.

ㅇ 그 결과 텔타와 오미크론 변이주에 감염된 폐 모두에서는 염증, 사이토카인, 보체, 세포 손상, 세포증식, 세포 분화 경로에 관여하는 유전자가 증가하였으며, 바이러스 숙주 반응 경로의 유전자 대부분이 모든 미세조직구조에서 공통으로 발현된다는 사실을 밝혀내었다.

□ 다만, 델타 변이주에 감염된 경우, 세기관지에서 면역반응이나 세포 손상과 관련한 일부 유전자들이 오미크론 변이주에 의한 감염에 비해 높게 발현된다는 것을 공간전사체 분석을 통해 확인하였다.

□ 또한, 세 부위의 미세구조에서 세포 구성을 분석한 결과 델타와 오미크론 변이주에 감염된 폐 모두에서 대식세포, 수지상 세포, B세포, T세포, NK세포와 같은 면역 관련 세포들이 침윤된 것을 발견하였다.

□ 이는 코로나바이러스의 계속된 변이에도 병리학적 측면에서의 면역반응의 차이는 크게 다르지 않다는 것으로, 기존 면역을 억제하는 치료 전략이 앞으로의 새로운 변이에도 유효할 수 있다는 의미이다.

□ 연구책임자인 홍정주 박사는 “사람과 계통학적으로 가장 가까운 영장류를 활용하여 코로나바이러스 변이주에 의한 폐 내 국소 면역반응을 분자적 수준에서 규명한 것으로, 변이주 별로 면역 관련 유전자 발현이 질병의 경과에 영향을 미칠 가능성을 제시하였다.”라며,

ㅇ “후속 연구를 통해 향후 나타날 변이주나 신변종 감염병에 의한 감염의 진단 및 치료전략 개발에 기여하고, 식약처와 같은 승인기관에 전임상 데이터로도 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

□ 한편 해당 연구팀은 지난 2020년 세계 4번째로 코로나19 영장류 감염모델 제작에 성공하며 코로나19 백신과 치료제 개발물질에 대한 전임상 시험을 지원한 바 있다.

ㅇ SK바이오사이언스, 셀트리온을 비롯한 13건의 백신·치료제 후보물질에 대한 효능평가를 수행하여 우리나라 백신‧치료제 주권확보에 이바지하였다.

□ 이번 연구는 6월 29일 발행된 바이러스 분야 유수 저널인 Journal of Medical Virology 최신 호에 표지논문으로 게재되었으며, (논문명 : Comparative spatial transcriptomic profiling of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 Delta and Omicron variants infections in the lungs of cynomolgus macaques / 교신저자 : 홍정주 박사 / 제1저자 : 오태환 박사)

ㅇ 과기정통부 국가전임상지원체계구축사업, 생명연 주요사업, 질병관리청 연구용역사업의 지원으로 수행되었다.

연구결과 개요

□ 연구배경

○ 코로나바이러스감염증-19의 원인체인 SARS-CoV-2는 백신과 치료제의 개발에도 불구하고 지속적으로 전파력을 높이며 변이해왔다. 세계보건기구(WHO)는 우려 변이종으로 알파, 베타, 감마, 델타, 오미크론을 지정한 바 있다.

○ 최근의 변이주인 오미크론은 기존의 변이주들보다 병원성이 더 낮다고 알려져 있는데, 실제로 변이주에 의한 면역반응에 변화가 있는지는 잘 알려지지 않았다.

○ 코로나바이러스는 폐내에서 균일하지 않게 분포하기때문에 직접적으로 바이러스 감염되는 부위에서 변이주에 따른 국소면역반응을 규명할 필요성이 부각되고 있다.

□ 연구내용

○ 연구팀은 델타와 오미크론 변이주가 감염된 폐포, 세관지, 혈관에서 염증, 사이토카인, 보체, 세포손상, 세포증식, 세포분화 경로에 관여하는 유전자의 상향 조절을 확인하였다.

○ 본 연구팀은 폐 미세구조에 따라 상향 조절되는 유전자에 차이가 있는 것을 확인하였는데 특히, 세기관지에서 사이토카인과 세포손상 반응에 관여하는 유전자가 델타와 오미크론 감염에 따라 차등 발현하는 것을 확인하였다.

○ 코로나바이러스가 변이되며 상당한 항원 변화가 있었음에도 불구하고 변이주에 의해 유도되는 면역반응 메커니즘은 비교적 일관적이였으며 세기관지 부위에서 제한적으로 유전자 발현이 다르게 관찰되었다.

□ 연구성과의 의미

○ 코로나바이러스 변이주에 의한 국소면역반응 규명

- 본 연구는 폐 미세구조에서 델타와 오미크론 변이주에 대한 국소면역반응과 관련한 연구로 향후 신·변종 감염병의 면역기전 연구에 대한 기초자료를 제공하고 그에 따른 진단 및 치료전략의 개발에 활용될 것으로 기대된다.

연구 결과 문답

용어설명

1. 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)

◦ 코로나바이러스감염증-19의 원인체로 단일 가닥 RNA바이러스이며, 인간에게 전염성이 있고 주로 호흡기 증상을 일으킴

2. 코로나바이러스 변이주

◦ 코로나바이러스는 전파력이 증가하는 방향으로 변이를 거듭해왔으며 WHO에서 우려 변이주로 알파, 베타, 감마, 델타, 오미크론을 지정하였음

3. 폐 미세구조

◦ 폐를 구성하는 세 가지 미세조직으로 상피세포로 구성되어있는 허파꽈리(페포)와 세기관지, 그리고 내피세포로 이루어진 혈관이 있음

4. 국소면역반응

◦ 신체의 면역반응은 크게 전신면역반응과 국소면역반응으로 구성되며 코로나바이러스의 주요 감염부위인 폐에서의 국소면역반응이 질병의 경과에 중요한 것으로 여겨짐

5. 공간전사체분석

◦ 생체 조직에 특이적인 유전자 탐침자를 붙인 후 염기서열 분석을 통해 전체 유전자 발현을 정량하는 분석법

그림설명

그림 1. 코로나바이러스 변이주에 의한 국소면역반응 규명

Journal of Medical Virology 표지논문 선정(95권, 2023.6.29.)

그림 2. 코로나바이러스에 감염된 원숭이 폐 조직에서의 공간전사체 분석 모식도

원숭이의 폐 조직 절편에 특이적인 유전자 프로브를 이용한 조직 내 교잡법과 조직 형태 마커를 이용한 면역조직 염색을 실시한 후, 관심 영역을 선정하여 형광 노출 자외선 투사로 수득한 유전자에 대하여 최종적으로 염기서열을 분석하고 정량화하였다.

그림 3. 폐 미세구조에서 델타와 오미크론 감염에 대한 공간전사체 분석 개요

조직 형태 마커를 통해 시각화된 폐 조직 절편(사진 전체)에서 선정한 폐 미세구조 중 세기관지(흰색 영역)에서 대조군, 델타 감염군, 오미크론 감염군에 대하여 공간전사체 분석을 시행

이를 통해 염증, 세포 손상, 세포 분화와 관련된 유전자가 발현되는 것을 확인하였고, 각각의 유전자 수치가 델타와 오미크론 감염군에서 대조군에 비해 높게 나타남

그림 3. 폐 미세구조(세기관지)에서 델타와 오미크론 감염에 대한 비교 공간전사체분석 결과

델타 또는 오미크론에 감염된 세기관지 모두 대부분의 숙주반응 유전자 경로에서 비슷한 발현을 보임(위 왼쪽). 그러나 일부 면역반응 및 세포손상 유전자가 델타와 오미크론에서 다르게 발현함(위 오른쪽).

또한, 미세구조를 구성하는 세포 비율에서 델타와 오미크론 감염의 경우 대식세포가 공통으로 대조군에 비해 높게 측정되었지만, 섬유아세포와 조절 T세포의 비율이 오미크론 감염의 경우 특히 높은 것을 확인함.