코로나19 항체 및 백신 연구: 마우스 모델의 역할
코로나19 상황은 여전히 심각한 상황이지만, 7월 이후 SARS-CoV-2 중화항체 및 SARS-CoV-2 백신의 2상 임상시험에서 많은 성과가 이루어졌습니다. 전 세계 과학자들의 노력으로 인해 코로나19 대응을 위한 연구가 지속적으로 진전되고 있음을 시사합니다.
본문에서는 중화항체 설계 및 SARS-CoV-2 백신 개발 진행 상황에 관한 자주 묻는 질문들을 다룹니다. 중화항체 연구란 무엇을 의미하는가? SARS-CoV-2 백신의 현재 진행 상황은 어떠한가? 동물 모델을 통해 백신의 안전성과 효능을 어떻게 검증할 수 있는가?
1. 중화항체 연구
바이러스가 인간 숙주에 침입할 경우, 몸은 바이러스의 손상을 줄이고 세포 침입을 방지하기 위해 외부 수용체와 상호작용하는 바이러스를 중화시키기 위해 해당 항체를 생성합니다.
일반적으로 코로나19와 같은 A군 감염병 연구는 생물안전등급 3 랩에서 수행되어야 합니다. 그러나 바이러스학자들은 허위바이러스(pseudovirus)가 바이러스 중화항체(NAb) 및 백신 연구에 매우 유용할 수 있음을 발견했습니다. 허위바이러스는 전파 능력이 없기 때문에 실제 바이러스 연구와 비교해 실험 환경이 덜 엄격합니다. 허위바이러스 연구에는 생물안전등급 2 시설이 충분합니다.
허위 코로나바이러스의 중화항체 연구는 2004년의 중증 급성 호흡기 증후군(SARS) 유행 시기로 거슬러 올라갑니다. 2004년 SARS의 급격한 유행은 전 세계적 공포를 초래했지만, 위기는 몇 달 안에 사그라들었습니다. SARS 위기가 빠르게 종식되면서 많은 연구 프로젝트가 자금 지원이 중단되며 취소되었습니다. 그러나 이러한 연구들 중 많은 부분이 현재 SARS-CoV-2 연구에 중요한 참고자료를 제공했으며, 백신 및 치료 전략 개발의 기반을 마련했습니다.
한 가지 중요한 사례는 런던 대학교 Robin A. Weiss 교수 연구팀이 발표한 논문 “Pseudotypes를 이용한 SARS 코로나바이러스에 대한 중화항체 반응의 종단적 분석”입니다. 이 논문은 SARS-CoV 스파이크 단백질 S가 중화항체(NAbs)의 주요 표적이며, 역전사바이러스 S 관련 허위바이러스를 구성함으로써 SARS-CoV에 대한 중화항체를 성공적으로 제조할 수 있음을 밝혔습니다. 이 항체는 환자에서 SARS-S 단백질에 대해 중화 효과가 있음을 확인했습니다. 이 연구는 자연 감염 시 중화항체(NAbs)의 강도 평가 및 백신의 전임상 평가에 매우 중요한 의미를 지닙니다. 동시에 마우스 및 헤밍 모델에서 수행된 전임상 연구는 중화항체(NAbs)가 살아있는 바이러스 침입을 상당히 저지할 수 있음을 확인했습니다. 이러한 발견은 NAb 약물이 인간이 바이러스 감염에 저항하는 데 도움이 될 수 있음을 시사하며, SARS-S 단백질에 대한 NAb의 구체적 적용을 뒷받침하는 데이터를 제공합니다.
또 다른 최근 사례는 2020년 3월 중국 의학과학원 병원성 미생물학연구소가 네이처 커뮤니케이션즈에 발표한 논문입니다. 이 연구에서는 허위바이러스 시스템을 사용하여 SARS-CoV-2-S 단백질이 세포 침입 시 나타내는 특성을 성공적으로 식별하고, SARS-CoV-2와 SARS-CoV 간의 면역 교차 반응성을 규명했습니다. 렌티바이러스 SARS-CoV-2-S 허위바이러스 시스템을 사용한 이 연구는 Huh7, Vero81, LLCMK2, Calu3 등 세포가 이 허위바이러스 시스템에 감염되기 쉬운 것을 확인했습니다. 또한 바이러스가 ACE2 수용체에 결합한 후 세포 내로 침입하는 경로를 상세히 설명했습니다. SARS-S 단백질은 전형적인 1형 바이러스 융합 단백질로, 바이러스 S 단백질의 S1 및 S2 서브유닛 사이의 단백질 분해를 통해 융합 능력을 활성화해야 합니다. 바이러스 주형 및 세포 유형에 따라 SARS-S 단백질은 퓨린(furin), 트립신(trypsin), 카테프신(cathepsin), 막경계 세린 단백질분해효소 2(TMPRSS-2), TMPRSS-4 또는 인간 기도 트립신 유사 단백질분해효소(HAT)와 같은 하나 이상의 숙주 단백질분해효소에 의해 절단될 수 있습니다. 이러한 단백질분해효소가 표적 세포에 존재하는지 여부는 코로나바이러스가 세포막을 통해 침입할지 또는 엔도사이토시스를 통해 침입할지를 결정하는 주요 요인입니다.
(Xiuyuan Ou et al. 2020)
또한, 용해성 hACE2 흐름세포분석 및 경쟁 억제 실험 분석을 통해 이 연구는 SARS-CoV-2 및 SARS-CoV의 S 단백질이 모두 hACE2를 바이러스 결합 수용체로 사용함을 입증했습니다.
코로나바이러스 S 단백질은 바이러스의 병원성, 조직 침범성 및 숙주 범위를 결정하는 핵심 요소로, 중화항체 및 백신 설계의 주요 표적이 되었습니다.
(Xiuyuan Ou et al. 2020)
(Yunlong Cao et al. 2020)
60명의 회복된 코로나19 환자에 대한 고속 단세포 RNA/VDJ 시퀀싱(scRNA/VDJ-seq)을 통해 IgG1+ 항원 결합 클론타입 8,558개를 식별하고, 14개의 효과적인 SARS-CoV-2 중화항체를 발견했습니다. SARS-CoV-2 및 SARS-COV-2 VSV 허위바이러스 시스템을 활용한 추가 검증 결과, 가장 효과적인 중화항체는 BD-368-2였으며, hACE2 전사형 마우스에 SARS-COV-2 감염 후 강력한 치료 및 예방 효과를 보였습니다.
동시에, 이 연구는 생물정보학 분석 방법을 사용하여 단일클론 항체(mAb)의 CDR3H 구조를 예측했습니다. 실험적 검증 결과, SARS-CoV 중화항체 m396과 매우 유사한 CDR3H 구조를 가진 mAb는 SARS-CoV-2에 대해 매우 높은 중화 효과를 보였습니다.
(Yunlong Cao et al. 2020)
(Zhe Lv et al. 2020)
2. SARS-CoV-2 백신 개발 진행 상황
2020년 7월 21일 기준, 전 세계적으로 25개의 새로운 코로나바이러스 백신이 임상시험 중이며, 그 중 최소 4개는 3상 임상시험에 진입했습니다.
백신 및 예방접종 개요
백신은 인위적으로 비활성화된 병원성 미생물의 생물학적 제제로, 감염을 일으키지 않지만 면역 반응을 유도하여 특정 감염병에 대해 능동적 획득 면역을 제공합니다. 인공 면역 유도는 덜 위험한 형태의 바이러스 항원을 투여함으로써 질병의 전반적인 사망률을 감소시키는 것을 목표로 합니다. 전통적인 인공 면역은 능동 면역과 수동 면역으로 나뉩니다. 능동 면역 백신은 비활성화 백신, 약화 백신, 독소 백신으로 세분화됩니다. 수동 면역은 혈장 또는 혈청 투여, 인간 면역글로불린 제제, 사이토카인 제제, 단일클론 항체(MAb) 제제 등을 통해 이루어집니다. 두 가지 면역 방식 모두 신체의 면역력을 강화하여 질병 저항력을 높이고 전염병 발생을 줄이는 데 기여합니다.
과학기술의 발전은 백신 제조 방법에 많은 혁신을 가져왔습니다. 제조 방법에 따라 백신 유형은 서브유닛 백신, 결합 백신, 합성 펩타이드 백신, 유전자공학 백신(예: 재조합 항원, 재조합 벡터, DNA-RNA, 전사형 식물 백신) 등으로 구분됩니다.
2020년 7월 기준 코로나19 백신 최신 정보
2020년 7월 14일, 미국 모더나(Moderna)가 개발한 후보 백신 mRNA-1273이 새로운 논문에서 유망한 결과를 발표했습니다. 100mg 용량에서 인간 신체 내에서 더 나은 중화항체 반응과 상대적으로 가벼운 부작용을 동반한 Th1 CD4 치환 세포 면역 반응을 유도할 수 있었습니다. 현재 임상시험 진행 중입니다.
2020년 7월 20일, 옥스포드 대학교 천웨이 학술원 및 군의학과학원 팀이 개발한 아데노바이러스 벡터 백신 ChAdOx1 nCoV-19(AZD1222)의 2상 임상 결과가 발표되었습니다. 이 연구는 코로나19용 아데노바이러스 Ad5 벡터 후보 백신의 면역원성과 안전성 프로파일을 평가하고, 후속 연구를 위한 적절한 용량을 확인했습니다. ChAdOx1 nCoV-19는 체액 면역 및 세포 면역 반응을 모두 유도했습니다. 이러한 결과는 현재 진행 중인 3상 프로그램에서 이 후보 백신의 대규모 평가를 지지합니다.
또한 7월 20일, 독일의 바이오엔테크(BioNTech)와 미국의 여러 기관은 preprint 사이트 medRxiv에 mRNA 백신 BNT162b1의 1/2상 임상시험 결과를 발표했습니다. 이 연구는 지질 나노입자로 처리된 mRNA 백신이 연구 대상자의 세포 면역 반응과 체액 면역 반응을 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이 회사들이 평가한 BNT162 RNA 백신 후보 3개 중 BNT162b2와 BNT162b1이 비교적 안전하고 효과적임이 확인되었습니다. 결국 7월 27일, 피제르(Pfizer)와 바이오엔테크는 전임상 및 임상 연구의 종합 데이터, 면역 반응 및 내약성 파라미터를 기반으로 BNT162b2를 2/3상 임상시험으로 진행할 후보로 선정했습니다.
항체 의존성 증강(ADE) 이해하기
이러한 결과들이 빠르게 발표된 것은 과학기술의 빠른 발전을 반영합니다. 그러나 백신의 안전성과 효과성을 평가하는 과정에서 항체 의존성 증강(ADE)의 잠재적 영향을 반드시 고려해야 합니다.
그렇다면 ADE란 무엇인가요? 1964년 하크스 등은 곤충 매개 바이러스 연구에서 "항체 의존성 감염 증강" 가설을 제기했습니다. ADE는 낮은 농도의 면역혈청에서 바이러스 복제가 억제되지 않고 오히려 촉진되는 형태로 나타납니다. 이는 딱정벌레열 및 딱정벌레쇼크증후군에서도 관찰됩니다. 딱정벌레 하위형에 감염된 사람은 다른 하위형 바이러스를 효과적으로 중화하지 못하는 면역 반응을 유도하여, 바이러스가 면역 억제를 회피하면서 더 심각한 감염을 초래합니다. 코로나19에서도 이러한 현상이 발생할 수 있다는 우려가 있습니다.
a. 항체 매개 중화 과정에서, 수용체 결합 도메인(RBD) 및 바이러스 스파이크 단백질의 다른 도메인에 결합하는 중화항체는 바이러스가 ACE2 수용체에 부착하는 것을 방지합니다.
b. 항체 의존성 증강(ADE) 감염 과정에서, 저질, 저량, 중화 능력이 없는 항체는 항원 결합 도메인(Fab)을 통해 바이러스에 결합합니다. 단핵구 또는 대식세포에 발현된 Fc 수용체(FcR)가 항체의 Fc 도메인에 결합하여 바이러스 침입 및 이후 감염을 촉진합니다.
c. 항체 매개 면역 증강 과정에서, 저질의 비중화 항체가 바이러스에 결합합니다. Fc 도메인이 수용체에 결합하면 FcR이 신호를 유도하고, 프로염증 사이토카인은 증가하고 항염증 사이토카인은 감소합니다. 면역 복합체와 바이러스 RNA는 TLR3, TLR7 또는 TLR8을 통해 신호를 전달하여 숙주 세포를 활성화시켜 면역병리 현상을 유도합니다.
코로나바이러스의 항체 의존성 증강(ADE) 위험성
연구에 따르면 SARS-CoV 감염 시 바이러스가 다양한 면역세포(단핵구, 대식세포, B세포 포함)에 발현된 Fc 수용체(FcR)에 결합함으로써 ADE가 발생합니다. 기존의 SARS-CoV 특이적 항체는 FcR 발현 세포로 바이러스의 침입을 촉진할 수 있습니다. 실제로 ADE를 통한 대식세포 감염은 효과적인 바이러스 복제 및 배출을 유도하지 않습니다. 반면, 바이러스 항체 면역 복합체의 내포는 FcRs를 통해 골수세포의 활성화를 유도하여 염증과 조직 손상을 유도합니다. 이 경로를 통해 침입한 바이러스는 패턴 인식 수용체 TLR3, TLR7 및 TLR8에 결합할 수 있습니다. ADE 작용을 통해 대식세포 및 단핵구는 SARS-CoV 바이러스에 더 높은 감염률을 보일 수 있으며, TNF 및 IL-6 생성이 증가합니다. 따라서 백신 개발 과정에서는 가능한 ADE 효과를 반드시 고려해야 합니다. 이 현상을 최대한 피하기 위한 방법은 백신 적용 전 모델 동물에서 안전성을 검증하는 것입니다.
3. 동물 모델을 통한 백신 안전성 평가 응용
임상 전 생체 내 안전성 및 효과성 평가는 약물 및 백신 개발의 필수적인 부분이며, 인간 연구로 넘어가기 전 적절한 동물 모델을 사용한 검증이 필요합니다.
생물학 과학의 발전 과정에서 모델 동물은 해마부터 효모, 선충, 마우스에 이르기까지 긴 여정을 거쳐 현재 인간 생리 및 병리학에 대한 통찰을 제공할 수 있는 수준에 도달했습니다. 마우스 유전체는 인간과 90% 유사하며 현대 기술로 쉽게 조작할 수 있기 때문에, 마우스는 인간 질병 연구에 가장 널리 사용되는 동물 모델이 되었습니다.
코로나19 유행은 인간화된 ACE2를 가진 마우스, 즉 SARS-CoV-2 S 단백질과 결합하여 감염을 유도하는 숙주 수용체에 대한 큰 관심을 불러일으켰습니다. 전통적인 전사형 및 정밀 유전자 수정 기법을 통해 ACE2 유전자 수정 마우스가 개발되어 집중적으로 번식되어 빠른 연구 결과를 지원하고 있습니다. 최근 몇 달 동안 다양한 유전자 수정 전략을 사용한 마우스 모델이 점차 완성되었으며, 코로나19 팬데믹과 싸우는 연구자들에게 희망적인 소식을 전달하고 있습니다.
2020년 7월 기준 ACE2 마우스 모델 결과
6월, 조진춘 교수팀은 아데노바이러스 벡터(AAV) 방법을 사용하여 SARS-CoV-2 연구용 ACE2 마우스 모델을 개발했습니다. 실험 검증 결과, 이 방법으로 제작된 마우스 모델은 효과적인 중화항체(NAbs)를 생성할 수 있었으며, 백신 및 약물 평가에 매우 중요한 의미를 지닙니다. 동시에 워싱턴 대학교 의과대학은 AdV-hACE2 마우스 모델을 사용하여 매우 효과적인 중화항체(NAbs)를 제조했습니다.
7월, 백신 연구의 진전이 연이어 보고되었습니다. 미국 모더나(Moderna)가 개발한 mRNA-1273과 독일의 여러 기관과 함께 개발한 나노입자 mRNA 백신이 중요한 진전을 이루었습니다. 이 백신들은 신체 내 면역 반응을 유도하고 중화항체를 생성하며, 수용 가능한 안전성 프로파일을 보였습니다. 천웨이 교수 및 옥스포드 대학교가 개발한 아데노바이러스 벡터 백신 ChAdOx1 nCoV-19도 2020년 7월에 유망한 결과를 보였습니다.
이러한 연구들은 모델 동물의 광범위한 응용을 가능하게 하는 수많은 지속적인 연구들 중 일부에 불과합니다. 코로나19 팬데믹을 통해 사람들은 바이러스에 대해 더 깊이 이해하기 시작했습니다. 과학기술의 발전을 통해 글로벌 의료보건은 새로운 단계에 진입하게 되었으며, 사람들은 생명의 상호연결성에 대해 더 체계적으로 이해하게 될 것입니다.
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