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[2021 겨울호] 1-무엇을 넣는가? : 백신의 작용 원리

  • 남현동
  • 2022-02-18 07:00:36

2021 WINTER 기획특집 1

무엇을 넣는가? : 백신의 작용 원리

With Corona


지난 2019년 겨울 전 세계를 강타한 코로나19, 당시 2021년 이내로 종식될 것으로 예상되었던 것과는 달리
아직 일상은 팬데믹(Pandemic) 이전으로 돌아가지 못하고 있습니다.
이러한 코로나19 범유행 상황에서 유례없는 속도로 백신이 개발되고 보급되었는데요!
코로나바이러스의 감염 시 치명도가 높지 않게 나타난다는 점과 백신 접종률이 점차 높아지고 있다는 점 때문에,
세계적으로 코로나19의 완전 종식을 목표로 하지 않고 위드 코로나(With Corona)라는 정책을 시행하는 국가들이 생겨나기도 했습니다.
위드 코로나가 진행되기 위해 필수적인 백신은 어떠한 원리로 작용하고 접종될까요?
그리고 거시적으로 보았을 때, 감염병은 어떻게 퍼지고 사라지는 것일까요?



위드 코로나
여러분은 백신을 접종하셨나요? 접종하셨다면, 어떤 종류의 백신을 접종하셨나요?
현재 우리나라에서 코로나19 백신으로 사용할 수 있는 종류가 정해져 있기 때문에,
백신을 접종하기 전에 각 백신이 어떤 원리로 우리 몸의 면역을 활성화하는지, 부작용은 없는지에 대해 꼼꼼히 찾아보셨을 텐데요.
하지만 꾸준히 들려오는 백신 부작용 사례에 여전히 많은 사람이 두려움에 떨고 있습니다.
부작용에 대한 걱정과 불신에 대해 정확히 짚고 넘어가기 위해
초기 백신부터 현재 사용되고 있는 백신까지, 다양한 백신의 작용 원리를 알아보며 백신의 효과에 대해 알아보겠습니다!

면역의 의미 및 원리

면역은 화학 물질이나 바이러스 등 면역 반응을 일으키는 항원에 대해서 방어하는 현상을 뜻하며, 크게 태어나면서부터 지니고 있는 선천성 면역과 백신 등을 통해 과거에 침입한 항원에 대해 생성되는 후천성 면역으로 나뉩니다. 선천성 면역은 대부분 비특이적 방어작용으로, 피부나 점막에서 염증 반응이 일어나는 것과 같이 병원체의 종류를 구분하지 않고 일차적으로 일어나는 방어작용입니다. 하지만 선천적 면역으로는 해결되지 않는 질병도 많아졌기에, 죽거나 약해진 항원을 체내에 주입하여 일부 바이러스에 특이적으로 반응할 수 있는 항체와 기억세포를 미리 형성시켜줄 필요가 있습니다. 먼저, 인위적으로 항원을 주입하면 T 림프구와 B 림프구가 활성화되고, 활성화된 B 림프구가 형질 세포로 분화해서 항체를 생성하는 1차 면역 반응이 일어납니다. 이후, 약 2~3주 정도의 시간이 지난 후에는 실제로 병에 걸려 항원이 다시 침입해도 기억 T 세포와 기억 B 세포에 의해서 항체가 생성되는 데 걸리는 시간이 훨씬 짧아지고, 생성되는 양도 더 많아지는 2차 면역 반응이 일어나게 됩니다.


항원과 항체

이러한 면역 반응을 일으키는 백신에 대해서 한 번 자세히 알아볼까요?

백신의 시초, 불활화 백신

백신은 감염이 있기 전 인위적으로 병원성을 약하게 만들거나(약독화) 병원성을 제거한(불활화) 병원체를 체내에 인위적으로 주입하여 체내 면역체계를 활성화하는 물질을 뜻합니다. 약독화 백신은 병원균이 살아있는 생백신에 해당하기 때문에 가벼운 증상이나 제한된 감염을 일으킬 수도 있습니다. 그 부분에 있어서, 병원체의 생명 활동을 완전히 중단시키는 불활화 백신이 더욱 안전하죠. 병원체를 죽일 때는 보통 포르말린이라는 약품을 사용하는데, 포르말린을 이용해서 단백질 내부 또는 단백질 간의 가교결합Cross-linkage[각주1]을 만들어서 단백질의 기능을 완전히 상실시키는 과정을 거칩니다. 하지만, 이 과정은 병원체의 모든 단백질을 불활성화시킬 수 있기 때문에, 체내에서는 감염을 일으키는 특정 병원체를 인식하지 못하게 됩니다. 즉, 기능을 잃은 모든 단백질에 대해 항체를 유도하기 때문에 면역 반응이 일어나야 하는 곳에 집중되지 않는다는 단점이 있습니다. 최근에는 코로나19를 예방하기 위해 이러한 단점을 극복한 다양한 백신들이 개발되고 있고, 그 종류는 크게 앞서 말했던 불활화 백신을 포함해서 6종류가 있습니다. 이 중에서 많이 사용되는 백신인 바이러스 벡터 백신과 mRNA 백신, 그리고 재조합 백신이 각각 체내에서 어떻게 작용하는지 한 번 알아보겠습니다.

관심있는 학생들은 백신의 종류와 작용 원리에 대해 공식적으로 설명해주는 CDC 사이트에 들어가 보시는 것을 추천합니다!

CDC: Centers for Disease Control and Prevention

한계를 극복한 백신들


COVID-19 백신의 종류
먼저, 바이러스 벡터 백신은 코로나바이러스의 스파이크 단백질을 형성하는 DNA를, 인체에 무해하면서 인간 세포에 감염이 가능한 다른 바이러스 주형에 넣어 근육 세포에 주입합니다. 이후, 체내에서는 코로나바이러스의 표면 항원 단백질인 스파이크 단백질을 합성하며 특이적 면역 반응을 유도하게 됩니다. 단순히 약독화 백신이나 불활화 백신처럼 병원체를 그대로 주입하는 것이 아니라, DNA가 체내에서 복제할 수 없는 벡터 바이러스를 통해서 몸속에 들어간 후 유전자 전사, 번역 과정을 거쳐서 해당 표면 항원 단백질을 만들어내는 것이기 때문에, 보다 안정적이고 효과적으로 항체를 형성할 수 있습니다. 아스트라제네카의 AZD1222가 바이러스 벡터의 형태를 이용한 대표적인 백신입니다.

mRNA 백신은 말 그대로 RNA에 스파이크 단백질을 형성하는 유전자를 담은 후, 지질나노입자를 운반체로 하여 근육에 주사하는 백신을 말합니다. mRNA는 매우 불안정한 물질이기 때문에 백신으로 사용하기 위해서 여러 단계의 처리가 필요한데요. 먼저, 외부에서 유래된 mRNA가 인체에 들어갔을 때 선천성 면역이 일어나는 것을 막아야 하므로 스파이크 유전자 부분과 비번역부위인 UTR에 있는 유라실 염기(U)를 대신해서 화학 구조가 조금 다른 m1ΨN1-Methylpseudouridine을 붙입니다. 그림 4에서도 볼 수 있듯이 5’-cap과 poly(A) tail 부분은 그대로 유지한 채 스파이크 단백질 유전자 서열의 U를 모두 m1Ψ로 치환했습니다. 이는 RNA 2차 구조와의 상호작용을 변화시키고, RNA 면역 수용체와의 상호작용을 변화시킴으로써 ‘면역 회피’ 과정을 일으키게 되는 것입니다.


유라실 염기와 m1Ψ


m1Ψ이 삽입된 mRNA
두 번째로는 지질나노입자를 사용하는 것입니다. 보통 지질나노입자는 인지질과 이온화 지질을 세포막과 융합해서 만들어낸 것으로 콜레스테롤과 폴리에틸렌 글라이콜PEG이 포함된 물질입니다. 콜레스테롤은 입자의 모양을 유지하고 RNA가 세포질로 이동하게 도와주며, 폴리에틸렌 글라이콜은 지질나노입자의 친수성을 높여 체내에 오래 머무를 수 있도록 도와줍니다. 그래서 mRNA를 담은 지질나노입자는 운반체의 역할을 잘 수행할 수 있죠. 이러한 mRNA 백신의 형태를 이용한 백신은 화이자와 비이오앤테크의 BNT162, 그리고 모더나의 mRNA-1273이 있습니다.

마지막으로, 재조합 백신은 유전자 재조합 기술을 이용해 합성된 항원 단백질만을 체내에 직접 주입하여 면역 반응을 유도하는 방법으로 작동합니다. 재조합 백신에서 가장 중요한 것이 면역증강제를 사용하는 것인데요. 합성 항원 단백질만을 이용하면 안전성은 보장되지만 면역 반응이 낮기 때문에, 면역 활성을 높여주기 위해서 이를 사용합니다. 지금까지 개발된 면역증강제는 ‘Alum’과 ‘Saponin’ 등이 있으며, 이러한 보조제와 합성 항원 단백질을 함께 주입하여 적은 양의 항원 단백질로 원하는 면역 반응을 얻어낼 수 있는 것이 재조합 백신을 처방하는 방법입니다. 재조합 방식으로 만들어진 백신은 Novavax의 NVX-CoV2373 백신이며, 이 백신은 Matrix-M이라고 불리는 물질을 면역증강제로 사용합니다.


지금까지 면역의 생성 원리와 여러 가지 백신의 작용 기작에 대해서 살펴보았습니다.
일반적으로는 재조합 백신이 가장 안전하다고 알려져 있지만, 현재 우리나라에서는 mRNA 백신을 많이 사용하고 있습니다.
이는 mRNA의 변형이 편리하다는 점과 백신을 제조하기 쉽다는 점, 그리고 mRNA가 불안정한 물질이기에 체내에 오래 머물지 못해서 안전하다는 점 등의 이유 때문입니다.
그렇다면 이렇게 제조된 백신을 통해 가장 효과적으로 면역 반응을 끌어내기 위해서는 어떻게 해야 할까요?
백신과 관련된 또 하나의 중요한 기술인, 백신을 체내에 투여하는 방법에 대해서 알아봅시다!



[각주]
[1] 사슬모양 고분자의 사슬 사이를 화학결합에 의하여 서로 연결시킨 것으로, 흔히 다리결합이라고도 부른다.

[참고문헌]
1. Kellie D. Nance and Jordan L, Meier, 「Modifications in an Emergency: The Role of N1-Methylpseudouridine in COVID-19 Vaccines」, 『ACS Cent.Sci』 7(2021.04.06.), 748~756 p.
2. 김주원 외 2인, 『백신 플랫폼 기술(Vaccine Platform Technologies)』, KISTEP, 2021, 7~14쪽.
3. 조규봉, 「mRNA 백신의 화학적 원리와 구조」, 『과학과기술』 2021년 7월호, 62~65 쪽.
4. 이나경, 「백신기반기술로서의 면역증강제」, 『한국분자·세포생물학회 뉴스지』 2015년 5월호, https://www.ksmcb.or.kr/webzine/webzine.html


기획특집 ② - 어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법 편으로 이어집니다.

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