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[2021 겨울호] 2-어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법

  • 최건우
  • 2022-02-18 07:00:56

2021 WINTER 기획특집 2

어떻게 넣는가? : 백신의 접종 방법

With Corona


체내에서 바이러스의 침입에 대해 면역 반응을 일으킬 수 있도록 백신을 만들었다면,
이를 어떻게 몸속에 있는 면역 세포에 전달할지 정하는 것도 중요한 문제입니다.
백신을 비롯한 다양한 약물을 체내로 도입하는 과정은 입을 통해 섭취하는 경구 투여부터 주사나 연고의 형태까지 다양한데요.
백신은 이 중에서 주사를 통해 접종받게 됩니다. 하지만 주사기를 이용하여 약물을 주입하는 방법도 한 가지만 있는 것은 아닙니다.
다양한 약물은 체내로 어떤 방법을 통해 전달되는 걸까요? 또 약물을 전달하기 위한 방법으로 개발된 신기술에는 어떤 것들이 있을까요?

백신이 도입되는 위치는 어디인가

백신을 비롯한 모든 약물의 목적은 표적으로 하는 세포나 조직, 기관에 도달하여 그 기능을 수행하는 데에 있습니다. 이러한 점에서, 원하는 약물을 개발 과정에서 설계한 위치로 적절히 전달하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있습니다. 백신과 백신으로부터 만들어진 바이러스 단백질은 면역 작용을 일으킬 수 있는 세포와 만나야 하기 때문에, 백신 접종의 부위로는 혈관이 발달해 있거나 수술 없이 외부에서 접근 가능한 영역이 적절합니다. 따라서 백신과 약물은 이 두 가지 조건을 만족하는 피부 계통Integumentary System근육 계통Muscular System에 도입되게 됩니다.

피부 계통은 외부와 맞닿아있는 우리 몸의 가장 바깥 부분을 둘러싸는 시스템을 말합니다. 피부 계통은 크게 표피, 진피, 그리고 피하 조직으로 나뉩니다. 이 중에서 가장 외부에 위치하는 표피는 신체 부위에 따라 4개 또는 5개의 층으로 이루어져 있습니다. 표피의 가장 바깥을 이루고 있는 층은 각질층Stratum Corneum입니다. 각질층의 세포들은 케라틴화된 죽은 세포들로 이루어져 있고, 밀착 연접Tight Junction[각주1]에 의해 세포 사이의 틈이 거의 없어 물이 이 층을 통과하지 못하도록 합니다. 또한 300Da[각주2] 이상의 물질들은 이 층을 통과할 수 없어 대부분의 약물이 연고 형태로 전달될 수 없는 이유가 되기도 합니다. 표피의 아래에는 진피가 존재합니다. 진피는 두 개의 영역으로 나뉘는데, 표피와 인접한 유두층Papillary Layer에는 모세혈관이 있고, 그 아래에 있는 망상층Reticular Layer에는 더 큰 혈관과 림프관이 있어 면역 세포들이 효과적으로 접근할 수 있습니다. 마지막으로 피하 조직은 표피와 진피를 내부의 계통과 연결하는 연결 조직Connective Tissue의 일종으로 모세혈관과 성긴 결합 조직Loose Connective Tissue으로 이루어져 있습니다.


표피와 진피, 피하 조직으로 구성되는 피부 계통에 대해 더 자세한 내용을 공부하고 싶다면?

피부 계통의 해부와 생리 알아보기

근육 계통골격근Skeletal Muscle, 평활근Smooth Muscle, 심장근Cardiac Muscle으로 구성된 기관계를 의미하는데, 주사를 통해 약물이 전달되는 경우는 일반적으로 골격근을 대상으로 합니다. 근육에는 여러 개의 근섬유다발근외막에 의해 묶여 존재하고, 근섬유다발에는 다시 여러 개의 근섬유(근육 세포)가 근육다발막에 의해 묶여 존재합니다. 이때 근육은 다량의 ATP를 사용하여 수축 작용을 통해 물리적인 힘을 내는 기관이기 때문에 충분한 에너지원을 공급받을 필요가 있습니다. 따라서 각 근섬유다발에는 혈관이 발달해 있어, 각 근섬유에 에너지원을 전달합니다. 특히 자주 사용하는 큰 근육일수록 해당 근육으로 향하는 혈관이 발달하게 되고, 결과적으로 좋은 혈관성Vascularity을 가지게 됩니다. 이렇게 근육에 백신이 전달되면, 전달된 백신은 근육 세포로 이동하여 바이러스 단백질을 만들어내게 됩니다.

피부 계통과 근육 계통의 구조

백신의 접종 방법

현재 백신 대부분은 주사기를 이용해 체내로 도입됩니다. 이때 백신을 넣는 주사기의 각도가 채혈할 때나 링거를 맞을 때와는 달리 거의 수직에 가깝다는 점을 알고 계셨나요? 주사기를 이용해 약물을 전달하는 방식은 그 각도와 접종 위치에 따라 피내주사, 진피주사, 정맥주사, 피하주사, 근육주사로 나뉘게 됩니다. 이 중에서 백신의 접종에 사용되는 방법으로는 혈관이 발달한 위치에 접종하는 방법인 피하주사근육주사가 있고, 특히 근육주사를 주로 사용합니다. 피하주사SC, Subcutaneous Injection바늘을 45° 기울여 피하 조직에 약물을 주입하는 방법으로, 주로 팔의 옆면이나 복부, 허벅지의 전면부에 주사하게 됩니다. 피하 조직에는 혈관이 존재하기는 하나, 모세혈관의 형태로 비교적 적게 분포하기 때문에 약물과 단백질을 온몸에 빠르게 전달하지는 못합니다. 대신 주입된 약물을 지속해서 전달할 수 있어, 적은 용량을 지속적으로 전달해야 하는 백신이나 여러 호르몬 주사에 주로 사용됩니다.

근육주사IM, Intramuscular Injection혈관이 발달해있는 근육 조직에 약물과 백신을 전달하는 방법입니다. 근육 계통은 피부 계통의 아래에 존재하기 때문에 바늘과 피부가 이루는 각도를 거의 90°에 가깝게 하여 접종하게 됩니다. 국내에서는 코로나바이러스 백신으로 mRNA 백신이나 바이러스 벡터 백신을 주로 사용하는데, 이 백신들은 근육 세포에 바이러스의 유전 정보가 들어가게 되어 바이러스 단백질을 합성합니다. 합성된 단백질에 면역 세포들이 쉽게 접근하기 위해서는 혈관성이 좋은 근육들이 유리합니다. 따라서 대부분 팔 근육에서 큰 근육 중 하나인 삼각근Deltoid에 접종하고, 삼각근의 두께가 얇아 접종이 어려운 유아에 대해서는 허벅지에 있는 대퇴사두근Quadriceps에 접종하기도 합니다.
각도와 위치에 따른 접종 방법

근육주사는 현재 코로나바이러스 백신을 접종하는 가장 대중적인 방법입니다.

근육주사 더 알아보기

약물 접종의 신기술, 마이크로니들


현재까지는 주사기를 이용해 백신을 비롯한 약물을 체내로 도입하는 것이 일반적이지만, 머지않은 미래에는 주사기 없이도 백신을 맞을 수 있을 것으로 예상하는데요. 바로 마이크로니들Microneedle 기술이 발전하고 있기 때문입니다. 앞서 이야기했던 것처럼, 300Da 이상의 수용성 물질은 각질층에 의해 피부를 통과하지 못했습니다. 마이크로니들은 초소형의 바늘이 각질층에 물질이 전달될 수 있도록 하는 구멍을 형성하여 이 구멍을 통해 다양한 물질을 전달합니다. 마이크로니들은 약물을 전달하는 과정에서 각질층은 뚫지만, 신경이나 혈관을 건드리지 않기 때문에 아프지 않고 출혈도 없다는 장점이 있습니다.

최초의 마이크로니들은 실리콘으로 만들어진 것이었는데, 현재는 스테인리스 스틸, 덱스트린, 유리나 세라믹, 그 외의 다양한 다량체Polymer들이 마이크로니들의 제작에 사용됩니다. 약물은 다양한 방식으로 마이크로니들에 결합할 수 있습니다. 아래 그림의 A와 같이 가시와 같은 구조를 이용해 각질층에 구멍을 형성한 후 따로 약물을 포함한 패치를 붙이는 방식부터 바늘 구조 자체를 약물 성분으로 만드는 방법(C), 바늘의 표면에 약물을 코팅하는 방법(B)이나 마이크로니들에 의해 형성된 통로로 약물을 전달하는 방법(D)처럼 말이죠. 최근에는 여러 방법을 통해 마이크로니들을 이용한 백신 접종에 관한 연구가 이뤄지고 있다고 하니 주사기가 아닌 마이크로니들로 백신을 접종하게 되는 일이 멀지 않았을지도 모르겠습니다!
마이크로니들이 약물을 전달하는 방식


지금까지 백신이 만들어지고 체내에 도입되어 면역이 형성되는 과정을 알아보았습니다.
사회가 바이러스로부터 완전히 안전해지기 위해서는 어떤 조건들이 필요할까요?
또 긴 시간 동안 우리를 힘들게 한 코로나바이러스와 같은 병원체는 어떻게 확산되고 종식될까요?



[각주]
[1] 특정 단백질에 의해 인접한 세포들이 강하게 결합하는 방법
[2] 달톤. 원자나 분자에서 사용되는 질량의 표준 단위

[참고문헌]
1. Fundamentals of Anatomy & Physiology (written by Martini & Nath, 10th ed., Pearson International Edition), 2015.
2. Heine, A., Juranek, S. & Brossart, P. Clinical and immunological effects of mRNA vaccines in malignant diseases. Mol Cancer 20, 52 (2021). https://doi.org/10.1186 /s12943-021-01339-1
3. Takuo Yuki, Aya Komiya, et al, Impaired tight junctions obstruct stratum corneum formation by altering polar lipid and profilaggrin processing, Journal of Dermatological Science, Volume 69, Issue 2, 2013, p148-158.
4. Skowronski DM, De Serres G. Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine. N Engl J Med. 2021 Apr 22;384(16):1576-1577. doi: 10.1056/NEJMc2036242. Epub 2021 Feb 17. PMID: 33596348.
5. National Center for Biotechnology Information (NCBI)[Internet]. Bethesda (MD): National Library of Medicine (US), National Center for Biotechnology Information; [1988] – [cited 2021 Dec 2]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK556121/#article 23707.s3
6. https://korean.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/vaccines/different-vaccines/mrna.html
7. Michael E., Pichichero, Understanding messenger RNA and other SARS-CoV-2 vaccines, MDedge Hematology and Oncology, December 14, 2020, https://www.mdedge.com/ hematology-oncology/article/233491/coronavirus-updates/understanding-messenger rna-and-other-sars
8. Kim, H., Park, H. & Lee, S.J. Effective method for drug injection into subcutaneous tissue. Sci Rep 7, 9613 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-10110-w
9. Ryan F. Donnelly, Thakur Raghu Raj Singh & A. David Woolfson (2010) Microneedle based drug delivery systems: Microfabrication, drug delivery, and safety, Drug Delivery, 17:4, 187-207, DOI: 10.3109/10717541003667798
10. Mark R Prausnitz, Microneedles for transdermal drug delivery, Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 56, Issue 5, 2004 Mar 27th, pp. 581-587.


기획특집 ③ - 어떻게 막는가? : 백신과 집단 면역 편으로 이어집니다.

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