백신

백신은 인간을 비롯한 동물에 특정 질병 혹은 병원체에 대한 후천성 면역을 부여하는 의약품이다. 백신은 주로 질병을 일으키는 미생물 병원체의 항원인식부위와 유사한 구조를 가지지만, 병원체와는 달리 병원성이 없다. 백신을 접종 받으면 우리 몸의 면역 체계가 활성화되고, 이를 통해 미래에 침범하게 될 병원체에 대해 우리 몸이 빠르게 대처할 수 있게 된다. 현재 다양한 병원체에 대한 다양한 종류의 백신이 개발되어있다. 선진국에서는 광범위한 예방접종을 통해 집단 면역이 형성되고, 이를 통해 천연두와 같은 특정 질병은 사실상 지구 상에서 사라지기에 이르렀다.

목차

15세기 경에 이미 중국에서는 천연두 환자의 피부 상처 딱지를 가루로 만들어서 이를 코로 흡입하는 방식(천연두 접종)으로 천연두에 대한 면역력을 획득한 경우가 있었다. 이를 통해서 약한 천연두 증상이 나타나기는 하지만 증상이 심각하지는 않았고, 2주에서 4주정도 후에는 완전히 회복되었다고 전해진다.

1세대 백신 개발은 우두를 이용해서 천연두를 치료하는 방법을 제안한 사람으로 잘 알려진 에드워드 제너(Edward Jenner)에 의해 이루어졌다. 에드워드 제너는 소를 키우는 사람들이 인간에게는 약한 증상만 일으키는 우두에 노출되면서 오히려 천연두에 걸리지 않는다는 점에 주목하여, 천연두를 예방하기위해 우두를 접종하였고 이것이 효과가 있다는 점을 증명하였다. 이는 우두가 천연두와 유사한 항원결정부위를 가지지만 인간에게는 독성이 미약하기에 가능한 것이라 할 수 있다. 이런 방식의 천연두 예방법(vaccination, 소를 뜻하는 라틴어 vacca에서 유래)은 천연두 접종보다 훨씬 안전하기에 천연두 예방에 많은 영향을 끼쳤다.

2세대 백신 개발은 1880년대에 루이 파스퇴르(Louis Paster)에 의해 이루어졌다. 파스퇴르는 광견병 백신, 콜레라 백신 등을 개발하였다. 또한 이때까지만 해도 독성이 없는 병원체를 통한 질병 예방 방법을 백신이라 부르지 않았었지만, 파스퇴르가 제너의 천연두 예방법을 기리기 위해서 자신이 개발한 광견병 예방법을 백신이라 부르게 되었고, 이것이 백신이라는 이름의 유래이다.

그 후 소아마비, 인플루엔자, 홍역, 파상풍, 디프테리아 등 다양한 전염성 질병에 대한 백신이 개발되었고, 이를 통해 많은 질병들의 발병률이 큰 폭으로 감소했다. 가령 미국에서 소아마비의 경우, 1988년도에는 35만명이었던 감염자가 2015년의 경우 74명으로 큰 폭으로 감소했다.

우리 몸의 면역 반응은 크게 선천성 면역과 후천성 면역으로 구분된다. 그 중 후천성 면역은 여러 특징을 갖는데, 그중 하나가 면역 기억이다. 후천성 면역의 기억은 이전에 인체에 침범했던 병원체의 정보를 기억하여, 미래에 같은 병원체에 감염되면 이에 대해 더 빠르고 강한 면역반응을 유도할 수 있게 해준다. 이러한 기억 작용은 기억 T 림프구와 기억B림프구에 의해서 일어나며, 백신은 이런 기억 작용을 이용해서 질병을 예방할 수 있다. 백신 접종을 통해 병원성은 없지만, 특정 병원체에 대한 항원을 인체에 주입하면 우리 몸에서는 가벼운 증상, 혹은 질병에 대한 증상 없이도 병원체에 대한 기억 림프구들을 생성할 수 있게 된다. 이러한 기억 림프구는 백신 종류에 따라 다르지만, 홍역 백신 같은 경우에는 평생 동안 그 기억을 유지할 수 있다.(그림)

그림. 백신의 원리에 대해 간단히 설명한 그림이다(출처:위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Vaccine#/media/File:Vaccine.png)

백신의 기본 원리는 질병을 일으키는 병원체를 배양하여, 죽이거나 약독화하여 병원성을 최대한 낮춘 상태에서 비병원성 항원을 주입하는 것이 기초적인 원리이다. 최근에는 클로닝을 비롯한 유전공학 기술이 발달하여 다른 방법으로 비병원성 항원을 생성할 수 있게 되었다.

사백신(inactivated vaccine): 사백신은 배양한 병원체를 죽이되, 항원의 특성을 그대로 유지하여 만든 백신이다. 소아마비, 콜레라, 인플루엔자 백신 등이 이에 속한다.

약독화/생백신(attenuated vaccine): 병원체를 죽이지는 않지만, 약독화 된 상태로 주입하여 병을 일으키지 않게 해주는 백신이다. 볼거리, 홍역, 장티푸스 백신 등이 이에 속한다.

톡소이드 백신(toxoid vaccine): 병원체 자체가 아니라 질병을 일으키는 원인 물질인 독소를 비활성화시켜서 만든 백신이다. 비활성화된 독소를 톡소이드라고 하며, 파상풍, 디프테리아 백신이 이에 속한다.

이종 백신(heterotypic vaccine): 목표 병원체와 유사하지만 병원성이 낮은 병원체를 이용한 백신이다. 제너가 우두를 이용해서 만든 천연두 백신이 이에 속한다.

아단위 백신(subunit vaccine): 병원체 중 항원으로 인식되는 항원결정부위에 해당하는 부분만을 따로 추출해서 만든 백신이다. 이 아단위 입자들은 병원성을 갖지는 않지만, 면역체계를 활성화시켜 기억 림프구를 만들 수 있기 때문에 안전성이 매우 높다. 하지만 단점으로는 모든 병원체가 이런 면역체계를 활성화시킬 수 있는 아단위 입자를 만드는 것은 아니다. 이 경우에는 항원을 파쇄해서 쓰는 방법이 있을 수 있지만, 에볼라 바이러스 같은 경우 아주 극소량의 병원체만으로도 치명적인 질병을 일으킬 수 있기 때문에 문제가 될 수도 있다. 1세대 B형 간염 백신이 이에 속한다.

재조합 백신 (recombinant vaccine): 재조합 백신은 병원체의 유전자 정보를 이용하여 병원체의 항원결정부위만을 따로 생산하여 이를 주입하는 백신이다. 유전자 재조합 기술을 이용하고, 항원결정부위 외에 다른 병원체의 성분은 전혀 포함될 수 없기에 100% 안전하다. 다만 개발이 어렵다는 단점이 있다. 2세대 B형 간염 백신이 이에 속한다.

치료용 백신 (therapeutic vaccine): 치료용 백신은 환자의 현재 면역계를 활성화하여 현재 가지고 있는 질병을 치료하고 더 나아가 그 질병에 대해 면역력을 갖추게 해 주는 백신이다. 일부 감염병에 대한 백신도 치료 효과를 갖는다. 파상풍 백신과 광견병 백신은 원인균에 감염되어도 빠른 시간 내에 백신을 접종받으면 치료될 수 있다. 이는 원인균이 특정 질병을 일으키는데 어느 정도 시간이 필요하기 때문에, 질병을 일으키기 전에 우리 몸이 그 병원체에 대한 면역력을 획득하여 일종의 사후 예방이 일어나게 된다. 역사적으로 루이 파스퇴르 (Loius Pasteur)가 1885년에 광견병 개에게 물린 9살 소년 조제프 메스테르 (Joseph Meister)에게 최초의 광견병 백신을 접종하여 광견병에 걸리지 않게 해주었다. 최근에는 감염병에 대한 예방 목적이 아닌, 암 등의 질병을 위한 치료용 백신도 개발되고 있다. 환자의 백혈구를 환자의 혈액으로부터 분리하고, 이를 특정 질병을 일으키는 항원과 배양하여 환자의 백혈구가 그 항원에 대한 면역 반응을 일으킬 수 있게 만든다. 그리고 배양된 백혈구를 환자에 주입하여 환자의 면역계와 면역력을 이용하여 그 질병을 치료하고 면역력을 갖도록 하는 시도를 하고 있다. 2010년에 처음으로 Dendreon 사의 Provenge가 미국 FDA에 승인된 치료용 백신을 개발하여, 전립선암을 치료하는데 시도하고 있다. 치료용 백신은 특정 질병에 대해 특이성이 높고, 재발률을 낮춰주며, 그로 인해 질병을 치료하는데 필요한 기타 약제의 사용을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

핵산 백신 (nucleic acid vaccine): 특정 항원 혹은 항원 결정 부위를 암호화하는 핵산을 주입하는 백신이다. mRNA 백신, DNA 백신, 바이러스 백신이 있다.

(1) mRNA 백신 (messenger RNA vaccine): mRNA 백신의 경우 mRNA를 지질나노입자 (lipid nanoparticle, LNP)로 둘러쌓아서 이를 근육주사한다. 이렇게 되면 우리 몸의 세포는 mRNA가 암호화하는 항원 단백질을 생산하게 된다. 이로 인해 우리 몸은 면역 기억 작용을 통해 항원 더 나아가 병원체에 대해 면역력을 획득할 수 있게 된다. mRNA는 지질나노입자에서 분리되고 나면 우리 몸에서 비교적 빠르게 분해되기 때문에 mRNA에 암호화된 항원단백질은 일시적으로만 생산되고, 안정성이 높은 것으로 평가된다. RNA 백신을 개발하는 데에는 RNA 안정성의 증대, 투입된 RNA에 대한 세포 내 선천면역반응의 극복 등을 위한 기술이 필요하다. 화이자 & 바이오엔테크 (Pfizer & BioNTech)에서 개발한 코미나티주 (Comirnaty Inj., 통칭 화이자 백신), 모더나 (Moderna) 에서 개발한 mRNA-1273 (통칭 모더나 백신) 등이 COVID-19에 대한 mRNA 백신이다.

(2) DNA 백신 (DNA vaccine) : DNA 백신은 항원단백질을 암호화하는 DNA를 플라스미드의 형태로 우리 몸에 주입하여 우리 몸이 항원 단백질에 대한 면역력을 갖게 해주는 백신이다. DNA는 mRNA와 달리 구조가 비교적 안정하기에 우리 몸에서 잘 분해되지않으며 그로 인해 DNA에 암호화된 항원 단백질이 꾸준히 생산될 수 있다. DNA 백신을 개발하는 데에는 이의 세포 핵내로의 전달 기술, 사람 세포에서 낮은 전사 효율을 증대시키는 기술, mRNA에 비해 훨씬 많은 양의 DNA를 접종해야 하는 문제 등이 있으며, DNA가 세포에 삽입되면서 다른 예기치 못한 부작용이 나타날 수도 있다.

(3) 바이러스 백신 (virus vaccine): 바이러스 백신은 항원 단백질을 암호화하는 DNA를 바이러스라는 전달체를 통해서 우리 몸에 전달하는 방식을 사용한다. 우리 몸이 면역력을 획득함에 있어서DNA 백신과 그 원리가 유사하다. 단점으로는 이 백신을 주입 받으면, 우리 몸이 항원 단백질뿐만 아니라 바이러스 전달체에 대한 면역력도 획득하기 때문에 같은 바이러스 전달체를 활용한 다른 항원 단백질을 사용하는 백신에 대해 효과를 장담할 수 없다. COVID-19 백신으로 존슨앤드존슨 (Johnson and Johnson) 산하의 얀센 파마슈티카 (Janssen Pharmaceutica)에서 개발한 Ad26.COV2-S (통칭 얀센 백신)은 인간 아데노바이러스 (Adenovirus)를 바이러스 전달체로 사용했다. 영국 옥스퍼드 대학교 (Oxford University)와 아스트라제네카 (Astrazeneca)서 공동개발한 AZD1222 (통칭 아스트라제네카 백신)은 침팬지의 아데노바이러스를 전달체로 사용하였다.

기억 T 림프구, 기억 B 림프구, 에드워드 제너, 루이 파스퇴르, 항원 결정 부위

Clem A. S. (2011). Fundamentals of vaccine immunology. Journal of global infectious diseases, 3(1). 73-8.

Abbas, A. K. (2015). Cellular and Molecular Immunology (8^th edition). Philadelphia: Elsevier Saunders.