점막 뚫고 백신 들어간다면?
[인터뷰] 임용택 충남대 분석과학기술대학원 교수
최근 전염성이 강한 급성호흡기 질환으로 고통 받는 사람들이 증가하고 있다. 특히 몇 년 전에는 전염성이 강한 인플루엔자(influenza)로 인해 건강한 사람조차 일상생활과 업무상 차질이 발생하면서 막대한 사회적 손실이 유발되기도 했다.
인플루엔자는 항원이 변이를 일으키며 발생하는 질환으로, 매년 유행하거나 10~40년을 주기로 전 세계적인 대유행을 일으킬 수 있기 때문에 국제적 감시를 통한 대비가 필요한 요주의 질환으로 분류된다.
지난 2009년 신종인플루엔자 A(H1N1) 바이러스가 발병했을 당시에도, 세계보건기구에서는 21세기에 들어 처음으로 인플루엔자 대유행을 선언했을 정도였다. 많은 사람들의 목숨을 앗아갈 정도로 치명적인 인플루엔자는 발생 초기 백신생산이 매우 긴급한 사회문제로 대두됐다.
점막으로 바로 침투하는 백신
인류가 아직 면역력을 키우지 못한 신종바이러스의 공격은 매우 위협적이다. 또한 생물테러의 위협 가능성이 있기 때문에 감염에 효과적으로 대응할 수 있는 백신 효능을 높이는 것이 중요하다.
최근에는 신종 바이러스에 대한 백신 효능을 높여주는 어쥬번트(Adjuvant, 항원보강제)와 예방 백신을 개발하는 데 많은 연구자들이 매진하고 있다. 새로운 백신을 만드는 것에 신종 백신을 만드는 것과, 백신이 더욱 활발하게 기능할 수 있도록 이를 돕는 항원보강제에 대한 연구가 깊어지고 있는 것이다.
특히 백신이 가장 효과적으로 전달될 수 있는 것은 바로 점막을 통하는 길이다. 현재 우리가 사용하는 백신은 주사를 통해 혈액에 주입하는 방식이다. 바이러스가 침투하는 경로인 점막의 통로를 이용하면 근본적으로 감염을 저지할 수 있기 때문이다.
하지만 점막은 전염성 병원체, 즉 인플루엔자와 같은 바이러스가 체내에 침입하는 과정에서 통과하는 곳이다. 이는 역설적으로 병원체가 침입하지 못하도록 치열한 방어체계가 구축되는 곳임을 의미하기도 한다. 점막을 통해 백신을 전달하려면 방어체계를 뚫어야 하므로 연구가 매우 어려운 상황이었다.
이런 가운데 국내 연구진이 점막을 이용해 백신을 전달함으로써 백신의 효능을 높이는 비주사형 점막백신 기술을 개발해 주목을 받고 있다. ‘비주사형’ 백신인 만큼 코에 분무하는 방식으로 백신 접종이 이뤄진다.
임용택 충남대학교 교수팀의 연구는 그 결과를 인정받아 독일화학회가 발간하는 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지 온라인 판에 게재됐다.
“이번 연구는 점막을 통해 백신을 전달하는 비주사형 점막백신 개발에 관련된 내용입니다. 점막을 통해 백신을 전달하는 게 중요한 이유는 이러한 경로가 바이러스가 투입되는 길이기 때문이에요. 바이러스가 투입되지 못하도록 많은 방어선이 구축돼 있는 곳이라는 의미이기도 하죠.
점막에는 많은 면역세포가 집중돼 있어요. 때문에 이 부분의 면역력만을 강화시키면 감염질환에 대해서는 확실히 예방하고 치료할 수 있는 것이죠. 하지만 연구가 쉽지는 않았습니다. 바이러스를 막기 위해 체계적인 방어선이 구축된 점막을 뚫는다는 것이 쉬운 일이 아니니까요.”
이번 연구는 ‘뿌리는’ 방식의 백신으로 더욱 조명을 받았다. 그러나 연구의 본질은 주사를 주입하느냐 아니냐보다 점막의 면역을 높이는 데 무게중심이 실려 있다. 혈관으로 백신을 주입할 때는 혈관을 통해 백신이 이동하지만, 점막을 통할 경우 면역체계가 응집한 곳에 바로 영향을 미치므로 보다 근본적인 면역체계 강화가 가능한 것이다.
“주위에서도 코에 뿌리는 백신 많이 접할 수 있지 않습니까. 하지만 기존의 것은 간단한 염증질환에 사용되는 경우가 대부분입니다. 우리 팀의 연구는 전염성이 강한 감염성 질환을 대상으로 하는 것입니다.
전 세계적으로 전염성이 강한 감염성 질환에 대한 백신 문제는 상당히 큰 이슈입니다. 그럼에도 불구하고 지금까지 불가능했던 이유는 몸의 방어체계를 뚫기기 쉽지 않았기 때문이에요. 그리고 점막에 대한 생물학적 메커니즘이 어떤 물질로 이뤄져 있는지 최근에서 밝혀지기도 했고요.”
임용택 교수팀은 생체친화적인 천연고분자와 폴리감마글루탐산을 이용해 면역세포가 모여 있는 점막 내로 백신을 전달할 수 있는 항원전달용 나노마이셀을 만들었다. 폴리감마글루탐산은 청국장의 발효과정에서 만들어지는 점액성 물질의 주성분이다.
직경 20나노미터 크기의 나노마이셀은 점막 투과성과 부착력이 뛰어나 코에 분무하는 방식으로도 점막 안쪽으로 전달된다.
임 교수팀이 실제 생쥐러 실험한 결과, 바이러스 항원만 주입한 때는 6시간 내에 사라졌지만 나노마이셀과 함께 주입된 항원은 12시간이 지나도 비강에 남아 있었다. 나노마이셀은 나노크기의 복합체이며 주로 약물을 전달하는 약물전달체 등으로 이용된다. 때문에 항원의 효과가 더욱 오래 지속될 수 있었다.
“투과성과 부착력이 높은 이유는 나노마이셀 표면으로 노출되는 폴리감마글루탐산의 특정 기능기가 점막의 단백질과 달라붙기 때문입니다. 여기에 점막 상피세포의 세포막과 결합하는 기능기를 추가해 점막 세포와의 결합력을 높일 수 있었죠.”
빠르게 통과하고 강력히 부착하도록
투과성과 부착력은 이번 연구가 성공하는 데 가장 주요하게 작용한 기능이다.
“사실 점막을 통과한다는 게 굉장히 어려운 일입니다. 그만큼 우리 몸의 바이러스 저항체계가 매우 치밀하게 이뤄져 있다는 것이죠. 항원이 점막을 통과하기 위해서는 세 가지 조건을 충족해야 합니다.
먼저 점액질에 잘 달라붙어야 해요. 우리 몸의 점액질은 고정돼 있는 게 아니라 일정한 시간 간격을 두고 계속 변화하거든요. 새롭게 생성되면서 세포를 새것으로 완전히 교체하는 거죠. 그 때 항원이 함께 쓸려가기 때문에 점막 부착성이 좋아야 하는 것이 가장 먼저 충족해야 하는 조건입니다.
그 다음으로는 빠르게 통과가 돼야 합니다. 잘 통과하려면 크기가 작을수록 유리하겠죠. 세포가 바뀌기 전에 투과하는 것이 중요하고요, 점막층에 들어갔다 해도 상피세포라는 마지막 관문이 남습니다.
상피세포 밑에는 혈관 등 우리 몸의 생체기관이 있습니다. 여기를 통과하기 위해 사이즈를 작게 했을 뿐 아니라 양이온성으로 물질을 바꿔줬습니다. 기본적으로 세포는 음이온, 네거티브(negative) 거든요. 나노 사이즈 물질이 세포로 잘 들어갈 수 있게 양이온성으로 표면을 바꿔줬습니다.”
임용택 교수팀이 가장 처음 개발하고자 한 것은 백신이 아닌 먹는 항암제였다. 주사를 맞는 것보다 경구용으로 제작한다면 사용자 입장에서 훨씬 편할 것이라는 생각에서였다.
“먹는 항암제 개발이 주된 이유였지만 사실 쉽지 않습니다. 혈액으로 항암제를 주입하면 약 60~70퍼센트 이상 항암효과가 있지만 경구용은 흡수율이 1~2퍼센트도 안 되기 때문입니다. 체내 대장의 점막에서 이를 다 막아버립니다. 그래서 어쩔 수 없이 주사제를 사용하는 것이고요. 저희 연구팀은 아직도 경구용에 대한 연구를 진행 중에 있습니다.”
임 교수는 또 나노마이셀이 면역세포 활성화에도 영향을 미쳐 항원보강제 없이도 면역반응을 유도할 수 있다고 설명하면서, 생쥐에 인플루엔자 항원이 들어있는 나노마이셀을 분무한 결과 점막 면역반응으로 분비되는 면역물질 항체가가 약 27~28배 높아졌다고 언급했다.
항체가란 특정 항원에 대응하는 항체의 역가로, 백신 혹은 혈액제제와 같은 의약품의 활성을 측정한 값이다. 수치가 높을수록 백신의 효과가 높다는 것을 의미한다.
“현재도 개발 중에 있는 것이 변종 바이러스 각각에 구애를 받지 않고 모든 바이러스에 적용이 가능한 백신을 만드는 것입니다. 이를 유니버설 백신이라고 하죠. 바이러스가 공통적으로 갖고 있는 성분을 이용하는 것입니다. 바이러스가 변이가 된다 하더라도 분명 공통적으로 갖고 있는 부분이 있거든요.
우리 연구팀은 백신 어쥬번트, 즉 항원보강제를 개발했습니다. 이것은 항암제의 면역력을 증폭시켜주는 것으로, 유니버설 백신은 증폭이 되지 않지만 어쥬번트를 이용할 경우 공통부분의 면역력 증폭이 가능합니다.”
임 교수는 앞으로 면역력을 증강시킬 수 있는 나노전달체와 항원보강제를 이용해 더욱 다양한 백신 기술을 개발할 것이라고 전했다. 앞으로 점막을 통과하는 백신이 유용한 기능을 발휘할 것을 기대해 본다.
인플루엔자는 항원이 변이를 일으키며 발생하는 질환으로, 매년 유행하거나 10~40년을 주기로 전 세계적인 대유행을 일으킬 수 있기 때문에 국제적 감시를 통한 대비가 필요한 요주의 질환으로 분류된다.
지난 2009년 신종인플루엔자 A(H1N1) 바이러스가 발병했을 당시에도, 세계보건기구에서는 21세기에 들어 처음으로 인플루엔자 대유행을 선언했을 정도였다. 많은 사람들의 목숨을 앗아갈 정도로 치명적인 인플루엔자는 발생 초기 백신생산이 매우 긴급한 사회문제로 대두됐다.
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| ▲ 임용택 충남대학교 분석과학기술대학원 교수 ⓒScienceTimes |
점막으로 바로 침투하는 백신
인류가 아직 면역력을 키우지 못한 신종바이러스의 공격은 매우 위협적이다. 또한 생물테러의 위협 가능성이 있기 때문에 감염에 효과적으로 대응할 수 있는 백신 효능을 높이는 것이 중요하다.
최근에는 신종 바이러스에 대한 백신 효능을 높여주는 어쥬번트(Adjuvant, 항원보강제)와 예방 백신을 개발하는 데 많은 연구자들이 매진하고 있다. 새로운 백신을 만드는 것에 신종 백신을 만드는 것과, 백신이 더욱 활발하게 기능할 수 있도록 이를 돕는 항원보강제에 대한 연구가 깊어지고 있는 것이다.
특히 백신이 가장 효과적으로 전달될 수 있는 것은 바로 점막을 통하는 길이다. 현재 우리가 사용하는 백신은 주사를 통해 혈액에 주입하는 방식이다. 바이러스가 침투하는 경로인 점막의 통로를 이용하면 근본적으로 감염을 저지할 수 있기 때문이다.
하지만 점막은 전염성 병원체, 즉 인플루엔자와 같은 바이러스가 체내에 침입하는 과정에서 통과하는 곳이다. 이는 역설적으로 병원체가 침입하지 못하도록 치열한 방어체계가 구축되는 곳임을 의미하기도 한다. 점막을 통해 백신을 전달하려면 방어체계를 뚫어야 하므로 연구가 매우 어려운 상황이었다.
이런 가운데 국내 연구진이 점막을 이용해 백신을 전달함으로써 백신의 효능을 높이는 비주사형 점막백신 기술을 개발해 주목을 받고 있다. ‘비주사형’ 백신인 만큼 코에 분무하는 방식으로 백신 접종이 이뤄진다.
임용택 충남대학교 교수팀의 연구는 그 결과를 인정받아 독일화학회가 발간하는 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지 온라인 판에 게재됐다.
“이번 연구는 점막을 통해 백신을 전달하는 비주사형 점막백신 개발에 관련된 내용입니다. 점막을 통해 백신을 전달하는 게 중요한 이유는 이러한 경로가 바이러스가 투입되는 길이기 때문이에요. 바이러스가 투입되지 못하도록 많은 방어선이 구축돼 있는 곳이라는 의미이기도 하죠.
점막에는 많은 면역세포가 집중돼 있어요. 때문에 이 부분의 면역력만을 강화시키면 감염질환에 대해서는 확실히 예방하고 치료할 수 있는 것이죠. 하지만 연구가 쉽지는 않았습니다. 바이러스를 막기 위해 체계적인 방어선이 구축된 점막을 뚫는다는 것이 쉬운 일이 아니니까요.”
이번 연구는 ‘뿌리는’ 방식의 백신으로 더욱 조명을 받았다. 그러나 연구의 본질은 주사를 주입하느냐 아니냐보다 점막의 면역을 높이는 데 무게중심이 실려 있다. 혈관으로 백신을 주입할 때는 혈관을 통해 백신이 이동하지만, 점막을 통할 경우 면역체계가 응집한 곳에 바로 영향을 미치므로 보다 근본적인 면역체계 강화가 가능한 것이다.
“주위에서도 코에 뿌리는 백신 많이 접할 수 있지 않습니까. 하지만 기존의 것은 간단한 염증질환에 사용되는 경우가 대부분입니다. 우리 팀의 연구는 전염성이 강한 감염성 질환을 대상으로 하는 것입니다.
전 세계적으로 전염성이 강한 감염성 질환에 대한 백신 문제는 상당히 큰 이슈입니다. 그럼에도 불구하고 지금까지 불가능했던 이유는 몸의 방어체계를 뚫기기 쉽지 않았기 때문이에요. 그리고 점막에 대한 생물학적 메커니즘이 어떤 물질로 이뤄져 있는지 최근에서 밝혀지기도 했고요.”
임용택 교수팀은 생체친화적인 천연고분자와 폴리감마글루탐산을 이용해 면역세포가 모여 있는 점막 내로 백신을 전달할 수 있는 항원전달용 나노마이셀을 만들었다. 폴리감마글루탐산은 청국장의 발효과정에서 만들어지는 점액성 물질의 주성분이다.
직경 20나노미터 크기의 나노마이셀은 점막 투과성과 부착력이 뛰어나 코에 분무하는 방식으로도 점막 안쪽으로 전달된다.
임 교수팀이 실제 생쥐러 실험한 결과, 바이러스 항원만 주입한 때는 6시간 내에 사라졌지만 나노마이셀과 함께 주입된 항원은 12시간이 지나도 비강에 남아 있었다. 나노마이셀은 나노크기의 복합체이며 주로 약물을 전달하는 약물전달체 등으로 이용된다. 때문에 항원의 효과가 더욱 오래 지속될 수 있었다.
“투과성과 부착력이 높은 이유는 나노마이셀 표면으로 노출되는 폴리감마글루탐산의 특정 기능기가 점막의 단백질과 달라붙기 때문입니다. 여기에 점막 상피세포의 세포막과 결합하는 기능기를 추가해 점막 세포와의 결합력을 높일 수 있었죠.”
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| ▲ 고분자 나노마이셀 기반 점막면역 백신의 개념도 ⓒ한국연구재단 |
빠르게 통과하고 강력히 부착하도록
투과성과 부착력은 이번 연구가 성공하는 데 가장 주요하게 작용한 기능이다.
“사실 점막을 통과한다는 게 굉장히 어려운 일입니다. 그만큼 우리 몸의 바이러스 저항체계가 매우 치밀하게 이뤄져 있다는 것이죠. 항원이 점막을 통과하기 위해서는 세 가지 조건을 충족해야 합니다.
먼저 점액질에 잘 달라붙어야 해요. 우리 몸의 점액질은 고정돼 있는 게 아니라 일정한 시간 간격을 두고 계속 변화하거든요. 새롭게 생성되면서 세포를 새것으로 완전히 교체하는 거죠. 그 때 항원이 함께 쓸려가기 때문에 점막 부착성이 좋아야 하는 것이 가장 먼저 충족해야 하는 조건입니다.
그 다음으로는 빠르게 통과가 돼야 합니다. 잘 통과하려면 크기가 작을수록 유리하겠죠. 세포가 바뀌기 전에 투과하는 것이 중요하고요, 점막층에 들어갔다 해도 상피세포라는 마지막 관문이 남습니다.
상피세포 밑에는 혈관 등 우리 몸의 생체기관이 있습니다. 여기를 통과하기 위해 사이즈를 작게 했을 뿐 아니라 양이온성으로 물질을 바꿔줬습니다. 기본적으로 세포는 음이온, 네거티브(negative) 거든요. 나노 사이즈 물질이 세포로 잘 들어갈 수 있게 양이온성으로 표면을 바꿔줬습니다.”
임용택 교수팀이 가장 처음 개발하고자 한 것은 백신이 아닌 먹는 항암제였다. 주사를 맞는 것보다 경구용으로 제작한다면 사용자 입장에서 훨씬 편할 것이라는 생각에서였다.
“먹는 항암제 개발이 주된 이유였지만 사실 쉽지 않습니다. 혈액으로 항암제를 주입하면 약 60~70퍼센트 이상 항암효과가 있지만 경구용은 흡수율이 1~2퍼센트도 안 되기 때문입니다. 체내 대장의 점막에서 이를 다 막아버립니다. 그래서 어쩔 수 없이 주사제를 사용하는 것이고요. 저희 연구팀은 아직도 경구용에 대한 연구를 진행 중에 있습니다.”
임 교수는 또 나노마이셀이 면역세포 활성화에도 영향을 미쳐 항원보강제 없이도 면역반응을 유도할 수 있다고 설명하면서, 생쥐에 인플루엔자 항원이 들어있는 나노마이셀을 분무한 결과 점막 면역반응으로 분비되는 면역물질 항체가가 약 27~28배 높아졌다고 언급했다.
항체가란 특정 항원에 대응하는 항체의 역가로, 백신 혹은 혈액제제와 같은 의약품의 활성을 측정한 값이다. 수치가 높을수록 백신의 효과가 높다는 것을 의미한다.
“현재도 개발 중에 있는 것이 변종 바이러스 각각에 구애를 받지 않고 모든 바이러스에 적용이 가능한 백신을 만드는 것입니다. 이를 유니버설 백신이라고 하죠. 바이러스가 공통적으로 갖고 있는 성분을 이용하는 것입니다. 바이러스가 변이가 된다 하더라도 분명 공통적으로 갖고 있는 부분이 있거든요.
우리 연구팀은 백신 어쥬번트, 즉 항원보강제를 개발했습니다. 이것은 항암제의 면역력을 증폭시켜주는 것으로, 유니버설 백신은 증폭이 되지 않지만 어쥬번트를 이용할 경우 공통부분의 면역력 증폭이 가능합니다.”
임 교수는 앞으로 면역력을 증강시킬 수 있는 나노전달체와 항원보강제를 이용해 더욱 다양한 백신 기술을 개발할 것이라고 전했다. 앞으로 점막을 통과하는 백신이 유용한 기능을 발휘할 것을 기대해 본다.
 저작권자 2013.07.09 ⓒ ScienceTimes |
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