[스켑틱 아티클]News&Issues 코로나19 백신 개발의 기본 원리와 현주소


스켑틱24 과학, 인종의 경계를 묻다


코로나19 백신 개발의 기본 원리와 현주소 

-문성실 미생물학자





코로나19 바이러스 사스코로나바이러스-2의 구조 현재 개발 중인 백신 중 많은 수가 

바이러스의 구조 중 스파이크 단백질을 항원으로 활용하고자 한다.



‘전염병 대비 혁신 연합Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, CEPI’은 2017년 다보스 포럼에서 미래의 전염병에 대응하기 위해 출범하였다. 이번 코로나19 팬데믹 상황에서 CEPI가 초반에 지원한 백신 개발의 종류는 크게 세 가지였다. DNA 백신, mRNA 백신 그리고 인체에 감염될 때 작용하는 바이러스의 특정 단백질만을 발현시키는 분자 클램프 백신이었다. 이 세 백신은 생백신이나 사백신처럼 백신주를 필요로 하지 않고 바이러스의 염기서열 정보만을 이용해 빠른 시간 안에 백신을 개발할 수 있다는 장점이 있다. 후에 CEPI는 아데노바이러스 벡터를 이용한 백신 등의 개발을 추가로 더 지원했으며, WHO의 발표에 따르면 10월 29일 기준, 전통적인 방식의 사백신을 포함해 다양한 플랫폼을 기반으로 한 약 200개 이상의 백신이 개발 중에 있다. 


mRNA 백신


가장 최근 개발된 플랫폼인 mRNA 백신은 항원이 아닌 항원에 대한 유전 정보, 즉 mRNA를 체내에 주입시켜 인체 세포 안에서 항원이 발현되는 원리를 이용한 백신이다. 즉 사스코로나바이러스-2가 세포 내 감염 시 세포와 접촉하는 역할을 하는 스파이크 단백질의 mRNA를 만들거나 자가 복제할 수 있는 RNA를 인공적으로 합성해 백신으로 만든다. 이 경우 RNA가 불안정하기 때문에 안전하게 세포 내로 운반시킬 수 있는 지질 나노 입자 안에 RNA를 집어넣어서 백신을 만든다. 현재 가장 많이 논의되고 있는 모더나와 바이오엔텍-화이자의 백신이 이에 해당한다. 이 기술의 가장 큰 장점은 바이러스 배양 과정 없이 mRNA를 시험관에서 합성으로 만들 수 있다는 것이다. 그러나 mRNA와 지질 나노 입자의 특성상 보관 및 유통을 위해서 냉동이나 초저온 냉동 시설이 필요하며, 근육 주사 형태로 투여되기 때문에 점막 면역(코로나19 바이러스가 침투하는 핵심 경로인 기도 점막 표면에서 IgA를 분비해 병원체 침입을 방어하는 면역 반응)을 유도할 가능성이 낮다는 단점이 있다.



mRNA 백신과 DNA 백신 두 백신은 바이러스의 유전 정보를 이용한다는 점에서 

빠른 시간 안에 백신을 개발할 수 있다는 장점이 있다. 


DNA 백신


DNA 백신은 박테리아에서 대규모로 생산할 수 있는 플라스미드 DNA를 기반으로 한다. 즉 플라스미드에 사스코로나바이러스-2의 단백질을 암호화하는 유전자를 집어넣어 체내에서 항원이 발현되도록 하는 방법이다. 이 백신의 큰 장점은 DNA의 높은 안전성과 박테리아를 통해 대규모 생산이 가능하다는 것이다. 대표적으로 이노비오의 백신이 있다. DNA 백신의 경우는 면역원성이 낮아 이를 높이기 위해 전기 천공기나 제트 주사기를 이용해 세포에 일시적으로 구멍을 만들어 백신을 주입한다.


바이러스 벡터 백신 


바이러스 벡터 백신 이 백신 유형은 유전 물질을 세포에 전달되기 위해 

분자생물학에서 널리 활용되는 도구인 바이러스 벡터를 활용한다.


인체에 영향을 거의 미치지 않는 바이러스들의 감염 경로를 이용해 바이러스 벡터(유전 물질을 세포에 전달하기 위해 사용하는 수송 도구로 인체에 무해한 바이러스가 활용되는데 이를 바이러스 벡터라 한다) 안에 사스코로나바이러스-2의 유전자를 삽입하는 백신은 크게 세 가지로 복제 불능 벡터 백신, 복제 가능 벡터 백신 그리고 비활성 바이러스 벡터로 나뉜다.


먼저 복제 불능 벡터 백신은 바이러스 벡터의 복제 유전자를 일부 삭제하기 때문에 체내에서 복제되지 않는다. 백신의 벡터로는 아데노바이러스, 백시니아바이러스, 파라인플루엔자바이러스, 센다이바이러스 등이 사용된다. 이들은 근육 주사를 통해 체내로 주입되고 세포 내에서 사스코로나바이러스-2의 스파이크 단백질을 발현한다. 이러한 백신의 장점은 B세포와 T세포의 반응이 모두 유도된다는 것이다. 하지만 벡터 바이러스에 대한 면역 때문에 한 번에 면역 유도가 잘 되지 않으면 2차 접종 때 다른 벡터 백신이 필요할 수 있다는 단점이 있다. 대표적으로 침팬지 아데노바이러스를 기반으로 하는 옥스퍼드대학교와 아스트라제네카의 AZD1222 백신이 있다.


다음으로 복제 가능 벡터 백신은 약독화시킨 바이러스 벡터를 통해 사스코로나바이러스-2의 스파이크 단백질 발현을 유도하는 방식이다. 인간에게 질병을 일으키지 않는 동물 바이러스를 벡터로 이용하고 복제 불능 벡터와 달리 체내에서 어느 정도 복제가 가능하다. 이런 특징 때문에 이 유형의 백신은 벡터 바이러스가 복제되면서 강력한 선천성 면역 반응을 유도하고, 그중 몇몇 백신은 점막을 통해 접종할 수 있어 다른 백신에서 유도하기 힘든 점막 면역도 유도할 수 있다.


마지막으로 비활성 바이러스 벡터 백신은 바이러스 벡터 표면에 사스코로나바이러스-2의 스파이크 단백질을 발현시킨 후 벡터를 비활성화 시킨 백신이다. 바이러스 벡터가 안전하고 재조합 단백질처럼 항원의 양을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 현재 전임상 단계에 있다.

 


재조합 단백질 백신과 비활성 백신 재조합 단백질 백신은 사스코로나바이러스-2를 구성하는 단백질을 직접 이용해 항원으로 이용한다. 

그림의 왼쪽은 스파이크 단백질로 전체나 그 부분을 합성해서 백신을 만든다. 

비활성 백신은 전통적인 사백신으로 사스코로나바이러스-2를 화학적으로 비활성화해 항원으로 이용한다. 



재조합 단백질 백신


재조합 단백질 백신은 스파이크 단백질을 발현시킨 백신, 스파이크 단백질 중 세포 수용체와 결합하는 부분의 단백질을 발현시킨 백신, 사스코로나바이러스-2의 외피 단백질을 발현시킨 VLP(바이러스 유사 입자virus-like particle) 백신으로 나눌 수 있다. 이런 재조합 단백질 백신은 박테리아, 효모, 식물, 곤충과 포유류의 세포에서 모두 발현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 항원력이 낮을 수 있어 면역 증강제를 사용해야 한다. 재조합 단백질 백신 중 노바백스의 백신이 CEPI와 미국 정부에서 지원을 받아 영국에서 1만 5천 명을 대상으로 임상 3상에 들어갔다. 그 외에도 중국, 쿠바, 러시아, 영국, 오스트리아 등의 백신 회사가 재조합 단백질 백신으로 임상 1상을 진행하고 있다.



비활성 백신(사백신)


전통적인 방법이라고 할 수 있는 비활성 백신은 세포에서 사스코로나바이러스-2를 배양하고 화학적 방법으로 바이러스를 비활성화해 항원으로 이용하는 방식이다. 어려운 기술 없이도 쉽게 백신을 생산할 수 있으나 바이러스 배양을 위해 생물 안전성 레벨3(BSL-3)의 생산 시설이 요구된다는 단점이 있다. 바이러스 전체가 항원 역할을 하기 때문에 바이러스의 스파이크 단백질뿐만 아니라 여러 다른 단백질에 대한 종합적인 면역이 유도될 수 있는 장점이 있다. 중국의 시노팜의 코로나19 비활성 백신은 현재 아랍에미리트에서 제한적으로 승인되었다. 중국의 또 다른 회사인 시노백도 임상 3상을 진행 중이며 지난 7월에 긴급 승인을 받아 의료 종사자, 항만 검사관, 공무원 등 위험도가 높은 직업군에 제한적으로 사용하고 있다.

 




문성실

한국에서 감염 면역학을 전공하고 현재는 미국에서 바이러스 백신 개발 연구를 하는 미생물학자이다. 이로운넷 칼럼 ‘과학하는 여자들의 글로벌 이야기’에 해외 여성 과학자 의 이야기를 쓰고 있으며, 재미 여성 과학자 협회 임원으로 활동 중에 있다.

 

이 글은 문성실 박사의 스켑틱 24호 기고문 '코로나19 백신은 어떻게 만들어지는가'에서 부분 발췌한 글입니다.


 

스켑틱 24호 과학 인종의 경계를 묻다