인간 코로나바이러스 전염병 연구에서 마우스 모델의 적용

2020년 3월 11일, 세계보건기구(WHO)에서는 신종 코로나바이러스 집단감염을 팬데믹(pandemic)으로 선언하였다. 전염병이 확산되면서 세계 각국이 바이러스와의 전쟁에 뛰어들고 있다. 인간 코로나바이러스(hCoV)와 숙주 분자 사이의 상호 작용 메커니즘을 깊이 연구하고, 바이러스 발병 과정을 찾아 임상 치료, 백신과 약물 개발을 지도하는 것은 매우 중요한 의미를 가질 것이다.

인간 코로나바이러스 전염병을 연구하기 위한 마우스 모델의 적용은 어떤 의미와 이점을 가지고 있는가?

SARS-CoV, SARS-CoV-2 및 MERS-CoV 세 가지 hCoVs로 인한 질병의 임상적 표현은 모두 심각한 급성 호흡기 질환의 증상을 나타낸다. 이런 종류의 질병을 효과적으로 연구하기 위해, 마우스 모델은 초기 감염 후 유사한 병리학적 변화를 보여야 하며, 인간처럼 심각한 호흡기 질환도 나타날 수 있다.

마우스 모델은 원가가 비교적 낮고 사육이 쉬우며 번식이 빠르다는 점과 새끼 수가 많다는 장점이 있다. 그러나, 마우스와 인간 사이에 일정한 종의 차이가 존재하여, 일부 인간 바이러스가 마우스를 직접 감염시킬 수 없거나, 바이러스가 마우스 체내에서 복제될 수 있지만 뚜렷한 증상을 유발하기는 어렵다. 근교계 마우스의 유전적 배경은 일치성을 가지며, 이를 바탕으로 마우스의 유전자를 편집하고 개조하여 wild type 마우스의 단점을 어느 정도 극복할 수 있다. 이는 숙주의 특정 유전자가 바이러스 발병 과정에서 작용하는지 연구하며 백신 및 약물의 안전성과 효과를 평가하는 데 도움이 된다.

마우스 모델을 사용하여 SARS-CoV 감염의 병원성을 연구하는 데 어떤 전략과 방법이 있는가?

구축 전략과 방법에 따르면 현재 SARS-CoV 감염 마우스 모델은 주로 세 가지 유형으로 나뉜다.

1) 인간 SARS-CoV 바이러스로 근교계 마우스를 직접 감염시킨다.

연구사례: 노인의 SARS-CoV 감염을 시뮬레이션 하는 데 더 적합한 마우스 모델을 탐색하기 위해, 12-14월의 BALB/c, C57BL/6, 129S6 근교계 wild type 마우스를 이용하여 실험을 진행한 연구가 있었다. 이 연구는 서로 다른 숙주의 유전적, 연령적 특성이 SARS-CoV 감염의 병원성에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

2) 유전자 편집 기술을 사용하여 마우스의 특정 유전자를 Knock-Out하거나, 인간 숙주 세포 바이러스 결합 수용체(예: ACE2)를 마우스에 이식한다.

연구사례: hACE2 마우스 모델의 구축 전략과 관련하여, 현재는 일반적으로 상이한 조직 특이적 또는 광범위하게 발현된 프로모터와 hACE2 유전자에 의해 구축된 발현 벡터를 사용하여 원핵주입 방법으로 무작위로 삽입된 유전자 변형 마우스를 획득한다. 이러한 ACE2 Humanized 마우스 모델을 사용한 연구 결과는 hACE2의 발현 수준이 질병의 심각 정도와 직접 관련이 있다는 것을 보여준다. 또한, 이러한 마우스 모델은 모두 호흡기 상피 세포 감염을 나타냈지만, SARS-CoV 감염 모델에서 마우스가 뇌염을 일으켜 사망한 것으로 밝혀졌다.

3) 야생형 SARS-CoV 바이러스를 마우스의 체내에 반복적으로 적응시켜 병을 일으키는 더 강한 mouse-adapted 바이러스를 얻어 뚜렷한 임상표형을 유발할 수 있는 바이러스 감염마우스 모델을 만든다.

연구사례: 연구진은 wild type 마우스가 뚜렷한 임상 증상(예: 체중 감소 등)을 보일 때까지 SARS-CoV 임상 균주를 BALB/c 마우스(6주령)의 비강에 15회 반복하여 접종하였다. 상이한 계대로부터 얻은 적응 치사 바이러스 균주의 비교를 통해, 바이러스에 의해 유발된 심각한 호흡기 감염의 변화와 그의 단백질의 특정 돌연변이 사이의 상관관계를 분석하는 데 도움이 되며, 바이러스와 숙주 사이에서 특이성 SARS-CoV 단백질 적응성 돌연변이의 역할에 대한 추가 연구를 위한 편의성을 제공한다.

마우스 모델을 사용하여 SARS-CoV-2에 의한 코로나바이러스감염증-19을 연구하는 방법은 무엇인가?

핵산 및 아미노산 서열을 비교 분석한 결과, SARS-CoV-2가 SARS-CoV 와 유사성이 매우 높은 것으로 보여 주었다(각각 약 80% 및 76%). SARS-CoV-2가 또한 세포 표면 ACE2 수용체를 통해 숙주와의 상호 작용을 일으켜 SARS-CoV 감염과 유사한 심각한 급성호흡곤란증후군과 같은 임상 증상을 유발한다. 따라서 SARS-CoV 관련 동물 모델의 제작 전략은 오늘날의 SARS-CoV-2에 중요한 기준적인 의미가 있다. 여기서 주의해야 할 점은, 이미 보도된 유전자 편집 기술에 의해 제작된 SARS-CoV 감염 질환의 마우스 모델은 모두 해당 프로모터를 사용하여 hACE2 유전자를 무작위로 삽입하여 구현되었다는 점이다. 이것은 아마도 이러한 유형의 마우스에서 나타나는 설명할 수 없는 증상(예를 들어 심각한 신경계 손상 증상이 마우스 감염 사망의 원인이 된다.)과 관련이 있을 것이다. 또한 심각한 사이토카인 폭풍(예를 들어 IL-6이 현저히 높아지는 등)으로 인한 다기관 기능 부전도 COVID-19 치사의 주요 원인일 수 있다는 견해도 있다. 따라서 인간 바이러스 감염성 질병의 임상적 특징을 더 잘 반영할 수 있는 적절한 마우스 모델 제작 전략을 선택하는 것이 매우 중요하다.