작년 이맘 때는 사스(SARS, Severe Acute Respiratory Syndrome, 중증 급성 호흡기 증후군)로 인하여 온세상이 시끄러웠습니다. 김치의 영향 때문인지 정확히 밝혀지지 않았지만 다행히 한국은 사스로 인한 사망자가 발생하지 않은 채 사스의 위기를 넘어가는 동안 중국과 동남아 국가들은 한동안 어수선한 분위기에서 공포에 떨어야했습니다.
이 와중에 3년마다 한 번씩 개최되는 생화학과 분자생물학 분야의 가장 큰 모임이라 할 수 있는 국제 생화학회(19th IUBMB)가 취소되기도 했습니다. 개최 예정지인 캐나다 토론토에 사스가 유행한 까닭에 조직위원회에서 학회 창설 54년만에 취소라는 극단의 조치를 취하게 된 것입니다. 관련 연구자들이 모여서 해결책을 마련해야 할 학회가 취소되다니 참으로 황당한 일이 아닐 수 없었습니다.
한편 세계 보건 기구(WHO, World Health Organization)에서는 사스 발발 직후부터 대책 마련에 들어갔고, 작년 11월에는 세계 보건 기구에서 발간한 사스에 관한 역학 보고서를 발행하기도 했습니다. 국립보건원 전염병 정보망(http://dis.mohw.go.kr/sars_index.asp)에서 번역한 내용을 보실 수 있습니다.
그런데 보고서에는 각 나라에서 발생한 환자를 대상으로 여러 가지 질병 양상에 대한 역학적 조사 결과가 잘 나와 있지만 해결책은 제시되지 않았습니다. 작년 11월 현재 치료법을 알아내지 못했기 때문입니다. 다행히 올해는 사스 의심환자 발생이 극히 적어서 조용히 봄을 보내고 있지만 언제라도 사스가 다시 유행할 가능성이 있으며, 유행을 한다면 대책없이 대증요법이나 시도하면서 자연적으로 낫기만을 기다려야 한다는 것입니다. 그러던 차에 최근에 흥미있는 기사를 한가지 접하게 되었습니다.
<4월 1일자 AP-연합통신 기사>
미국 국립알레르기-전염병연구소(NIAID) 백신연구실장 개리 네이블 박사는 과학전문지 '네이처' 최신호에 발표한 연구보고서에서 사스 DNA 백신 두 가지를 만들어 쥐들에 주입한 결과 모두 면역효과가 있음이 확인되었다고 밝혔다.
네이블 박사는 DNA의 양이 서로 다른 두 가지 사스 백신을 만들어 각각 두 그룹의 쥐들에 6주에 걸쳐 3번씩 주입했다. 효과를 비교하기 위해 또 한 그룹의 쥐들엔 효력이 없는 백신을 주사했다.
그로부터 30일 후 3개 그룹의 쥐들에 모두 사스 바이러스가 투입되었다. 이틀이지나자 비교그룹 쥐들의 폐에서는 많은 사스 바이러스들이 발견된 반면 DNA 백신을 주입한 두 그룹의 쥐들은 사스 바이러스가 전혀 없거나 있어도 바이러스 분자의 수가 비교그룹 쥐들에 비해 100만분의 1밖에 되지 않았다.
네이블 박사는 샌디에이고에 있는 바이칼(Vical) 제약회사가 이 DNA 백신을 순화시켜 임상시험에 쓸 수 있는 형태로 만들고 있다면서 식품의약국(FDA)의 승인을 받아 금년말 쯤에는 1상 임상시험이 시작될 수 있을 것이라고 밝혔다.
위 기사에서 “DNA 백신”과 “1상 임상시험”이라는 용어에 관심을 가져 주시기 바랍니다. 무슨 항암제를 개발했다거나 무슨 특별한 치료제를 발견했다는 보도는 심심치 않게 접할 수 있지만 그 약을 당장 구입할 수 있다는 이야기는 상대적으로 접하기가 어렵습니다. 왜냐 하면 적어도 수년이 소요되는 1상부터 3상까지 진행되는 임상시험중에 효과가 없는 것으로 판명되는 경우도 많고, 주가 상승이나 연구비 마련 등의 목적으로 기초실험 결과를 과장하는 경우도 있기 때문입니다. 즉 새로 개발한 사스용 DNA 백신도 실제로 사용되기까지는 앞으로 많은 절차를 거쳐야 합니다.
그런데 위 기사에서 인용한 논문은 <Cell>, <Science>와 더불어 세계최고 수준의 잡지라 할 수 있는 <Nature>에 실린 것이므로 논문 내용이 당장 사스 해결에 도움을 주지는 못할 지라도 중요한 내용임에는 틀림없을 것이라 생각할 수 있습니다. 여기서는 백신에 대한 소개와 함께 비교적 최신 개념이라 할 수 있는 DNA 백신에 대한 이야기를 하고자 합니다.
백신의 정의와 종류
백신이란 사람이나 동물에서 병원체에 의하여 발생하는 질병을 예방 또는 치료하기 위하여 병원체 자체나 병원체의 일부 또는 병원체가 가지고 있거나 대사 과정에 배출되는 독소를 적당한 방법으로 처리하여 병원성을 없애거나 아주 미약하게 만든 제품을 가리키는 용어입니다. 인두법을 비롯한 원시적 의미의 백신이 사용된 것은 수천년 전으로 거슬러 올라갈 수 있으나 본격적으로 백신이 인류에게 도움을 주기 시작한 것은 18세기 말, 영국의 제너(Edward Jenner, 1749~1823)가 두창(천연두) 예방을 위한 종두법을 발견하면서부터입니다.
19세기 중반 프랑스의 파스퇴르(Louis Pasteur, 1812~1895)는 닭 콜레라와 탄저병, 광견병을 예방할 수 있는 백신을 차례로 제조하여 이후 다른 전염성 질병에 대한 백신이 개발될 수 있는 길을 터 주었습니다. 파스퇴르는 자신이 고안한 예방법에 사용한 약독화된 균을 백신(vaccine)이라 하고, 백신을 사용하여 질병을 예방하는 방법을 예방접종(vaccination)이라 하였습니다. 백신의 어원은 라틴어로 암소를 의미하는 vacca에서 유래한 것으로 제너가 처음 암소를 이용한 것을 감안하여 파스퇴르가 붙인 이름입니다.
백신은 근육이나 피하에 접종하는 것이 대부분이지만 소아마비용 백신과 같이 입으로 투여하는 것도 있고, 비강으로 접종하는 것도 있습니다. 파스퇴르가 시험에 사용했던 백신은 병원체를 사멸시켜 그 병원성을 없앤 불활화백신(inactivated or killed vaccine)이었습니다. 생(균)백신의 상대적인 의미로 사(균)백신이라고도 하며, 백신 제조시 포르말린 등의 약품을 이용하여 병원성 미생물을 죽여서 얻습니다. 불활화 백신은 안전성이 높아서 백신 접종의 부작용으로 발병하는 경우가 적지만 생산비가 많이 들고, 효과가 상대적으로 미약하며, 면역지속기간이 생백신보다 짧다는 단점이 있습니다.
불활화백신과 상대적인 개념으로 순화백신(attenuated vaccine)이 있다. 이것은 살아있는 병원체를 조직이나, 계란, 배지 등에서 장기간 계대배양하여 독성을 없애거나 아주 미약하게 하여 만든 것입니다. 생백신이라고도 하며, 병원체의 병원성을 약화시켰다는 뜻에서 약독화백신이라고도 합니다. 제조비용이 적게 들고, 생백신보다 면역효과가 좋다는 장점이 있으나 안전성이 낮은 것이 단점입니다.
그 후에 개발된 톡소이드(toxoid)는 병원체의 대사과정에 생성되거나 병원체 자체가 가지고 있는 독소(toxin)를 가열하거나 포르말린 등의 약품을 처리한 것입니다. 독성은 파괴되지만 독소가 지닌 특이한 면역원성은 그대로 지니게 있게 함으로써 인체에는 해를 주지 않고, 인체의 방어기전에 의해 면역 효과를 지니게 하는 것입니다.
또, 병원체를 구성하는 성분 중 면역기능을 일으킬 수 있는 항원성분만을 추출하여 제조한 백신을 특이항원 추출백신(subunit vaccine)이라 합니다. 이것은 숙주가 방어에 필요한 항원부위에 대해서만 면역기능을 가질 수 있게 하므로 부작용을 가장 작게 할 수 있으나 제조비용이 많이 드는 것이 단점입니다.
최근에는 위의 방법들을 혼합하여 제조한 백신도 개발되고 있으며 DNA 백신, 암백신과 같이 최신 과학기술을 이용한 백신제조법이 전세계적으로 많이 연구되고 있고, 또 전염성 질병 이외의 질병도 백신을 이용하여 해결하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있습니다.
백신에 관한 최근 연구들
1999년 7월 8일자 네이쳐에는 쥐를 이용한 실험에서 백신을 이용하여 알츠하이머 병(Alzheimer's disease)에 의한 치매를 치료할 수 있다는 논문이 게재되었습니다. 전염성 병원체와 무관한 알츠하이머병을 백신으로 해결할 수 있다니 대단한 발견이 아닐 수 없습니다. 이 연구에 따르면 노인성 치매와 관련이 있는 것으로 알려진 아밀로이드 전구단백질(amyloid precursor protein, APP)을 합성할 수 있는 유전자를 실험용 쥐에 도입하고, 태어난 지 얼마 안 된 유전자조작 쥐에 아밀로이드 펩타이드를 주입하여 면역반응을 유발시킨 다음 성장할 때까지 기다리며 계속 관찰한 결과 실험용 쥐는 아밀로이드 펩타이드에 특이성을 지닌 항체를 만들어내기 시작했으며, 이 쥐의 뇌에서는 노인성 치매 환자에서 볼 수 있는 플라크가 전혀 형성되지 않았다고 합니다. 또한 이미 플라크가 생긴 쥐에 같은 방법으로 백신을 주입한 결과 플라크 형성이 중단되었음은 물론 일부 감소되는 현상까지 나타났다는 내용이었습니다.
실험 동물과 인체의 반응이 일치하는 것은 아니므로 이 연구만으로 인류가 노인성 치매에서 해방될 수 있다는 것은 아니지만 아직 정확한 질병발생 기전도 모르는 상태에서 치료의 희망이 보인다는 점은 분명한 사실이며, 새로 연구된 치료법이 백신과 같은 원리를 이용했다는 점에서 백신이 병원체에만 적용되는 것이 아니라는 새로운 사실이 발견되었다고 해야 할 것입니다.
또한 에이즈 백신 연구에도 서광이 비춰지고 있다. 인체 면역결핍 바이러스는 변이를 일으키는 부위가 많으므로 백신 제조시 어느 부분을 표적으로 정할 것인지가 아주 어려웠으나, 과학자들은 인체 면역결핍 바이러스 구조 중에서 안정된 구조를 가진 부분을 찾아내는데 성공했고, 이를 표적으로 한 백신 개발이 조만간 개발될 것이라는 희망 있는 결과들이 보고되고 있으며, 인체의 유전자중에서 인체 면역결핍 바이러스의 침입을 막는데 결정적인 역할을 한다고 알려진 유전자를 찾아내어 이 유전자를 백신으로 개발하려는 연구도 서서히 결실을 거두고 있으므로 빠른 시일 내에 에이즈 백신이 등장할 것이라는 기대를 하게 됩니다.
실제로 포항공대의 성영철 교수도 에이즈 치료를 위한 DNA 백신인 GX-12를 개발하여 침팬지에서 좋은 결과를 얻었음은 물론 우크라이나에서 임상 실험을 실시하였다는 내용이 2002년 2월에 보도되기도 했습니다.
이외에도 당뇨병을 비롯하여 여러 가지 질병에 대한 백신 연구가 계속되고 있고, 또 앞날에 희망을 가지게 하는 연구 결과들이 속속 보고되고 있습니다.
백신으로 암을 해결해?
백신은 병원체에 대한 저항성을 강하게 하기 위하여 면역반응을 이용한 방법중의 하나인데 최근에 와서 암과 같은 특정 질환에 대하여 효과를 지질 수 있는 연구들이 행해지고 있습니다.
암 백신에 대한 개념을 처음 고안했던 이는 콜리(William B. Coley)라는 미국인이었습니다. 콜리는 1890년대에 급성 세균성 감염이 발생한 암 환자에서 종양의 크기가 줄어든다는 사실을 발견하였습니다. 콜리는 살아 있는 세균을 암 환자에게 주입한 결과 환자가 회복되는 것을 볼 수 있었고, 자신이 고안한 몇 가지 세균을 혼합하여 넣어주는 방법으로 암 환자들을 치료할 수 있는 안전하고도 효과적인 방법을 고안했지만 이 방법은 명확한 기전을 설명할 수 없었으므로 널리 알려지지 못한 채 잊혀져 갔습니다. 오랜 세월이 흐른 후 1953년에 그의 딸(Helen Coley Nauts)은 후원자들의 도움을 받아 암의 면역치료법을 정립하기 위한 연구소(Cancer Research Institute, CRI)를 설립하였고, CRI는 면역반응을 이용한 암 연구의 개척자적인 역할을 하게 되었습니다.
암 치료를 위해 면역요법을 연구했던 학자들의 첫 목표는 인체 내에서 T세포의 면역 능력을 향상시켜 암에 대한 저항력을 극대화하는 것이었습니다. 이를 위해 이 기능을 향상시킬 수 있는 물질을 외부에서 투여해주는 방법 등을 사용해 왔으나 최근에는 비특이적 면역을 향상시키는 것 외에 특정 질환에 대한 특이 면역을 향상시키는 방법도 시도되고 있습니다. 즉 암의 경우 종류에 따라 암과 관련된 항원(tumor-associated antigen)을 분비하므로 혈액 속에서 이를 검출할 수 있는데 이 항원에 대한 항체를 주입해 주는 방법입니다.
암에 대한 면역치료가 발전하면서 최근에는 암백신이라는 개념이 정립되어 암이 발생하기 전에 미리 백신과 같은 원리로 제조한 특정 물질을 주입시켜 주어 암발생을 억제하는 방법이 고안되고 있습니다. 현재 암백신 연구의 표적은 면역체계에 관련된 세포의 기능을 활성화하는 방법으로서 T세포 기능을 활성화하는 기전, B세포 기능을 활성화하는 기전, 신경세포인 수상돌기 세포(dendritic cell)의 기능을 활성화하는 기전 등이 연구되고 있으며, 여러 연구자와 벤처회사들이 암백신의 상용화를 통한 암으로부터의 해방을 외치며 암백신 연구에 적극 뛰어들고 있습니다.
아직까지 동물실험이 끝난 단계이거나 수술 후 재발방지를 위한 제한적인 목적으로 인체에 투여되는 경우가 있을 뿐이지만 앞으로 암백신에 대한 연구가 더 활성화되어 많은 결과를 얻을 수 있게 된다면 30년 전에는 전혀 생각지도 못했던 방법으로 암을 해결할 수 있는 방법이 생겨날 지도 모를 일입니다.
신개념의 DNA 백신
분자생물학의 발전에 의해 DNA로부터 전해진 유전정보에 의해 단백질이 합성된다는 사실이 알려지고, 단백질 합성 능력을 지닌 운반체(벡터, vector)에 대한 연구가 진행되면서 최근에는 DNA만을 백신으로 사용하려는 연구가 행해지고 있습니다. 제너의 종두법 이후 지금까지 200년이 넘는 기간동안 백신 제조방법이 개선되어 왔으나, 이제는 병원체를 이용하여 백신을 제조하는 대신 유전정보를 가진 DNA만을 인체에 주입한 후 이 DNA로부터 면역기능을 유발할 수 있는 단백질이 만들어져서 인체를 보호한다는 생각이 그 바탕에 있습니다.
유전자(gene) 백신, 또는 핵산(nucleic acid) 백신이라고도 하는 DNA 백신은 동물을 대상으로 한 실험에서 근육에 주사한 DNA가 숙주세포 속으로 들어가서 단백질을 합성한다는 결과를 보여 주었습니다. 이렇게 생산된 단백질은 지속적으로 숙주에서 면역반응을 자극시킬 수 있으며, 따라서 백신과 같은 효과를 보이게 되므로 DNA 백신은 새로운 개념의 백신으로 각광을 받게 되었습니다.
DNA 백신의 최대 장점은 기존의 백신보다는 안전하다는 것입니다. (그러나 바이러스 감염 등에서 볼 수 있듯이 외부에서 들어온 DNA가 숙주의 유전체 속으로 삽입될 가능성이 있으며, 이 경우에도 안전하다는 확증은 없습니다.) 또한 DNA 백신은 제조하기 쉽고, 저장, 운반, 보존하기가 간편하다는 점도 큰 매력의 하나입니다. DNA는 아주 안정된 물질로 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 “백신 운반 및 보관체계에 헛점이 발견되었다”는 식의 보도는 사라지게 될 것으로 기대됩니다. 또 하나의 장점은 기존의 백신들이 주로 항체에 의한 면역 반응을 유도하는 것과 달리 DNA 백신은 바이러스가 세포내에 감염되는 원리를 흉내냄으로써 세포가 매개하는 면역 반응을 유도할 수 있다는 것입니다.
이와 같은 장점이 있음에도 불구하고 아직 DNA 백신이 일반화되지 못하고 있는 것은 DNA가 동물세포 내에서 완벽히 안전하다고 할 수는 없기 때문입니다. 좋은 실험 결과를 얻었다 하더라도 인체에 적용시키기 위해서는 더 많은 연구가 이루어져야 하고, 특히 안전성에 대한 연구가 더 강화되어야 합니다.
DNA 백신의 상용화에는 아직 많은 난관이 있는 것이 사실이지만 최근의 학문발전상과 짧은 연구기간을 감안한다면 앞으로 DNA 백신은 인류의 건강증진을 위해 계속 연구되고 발전되어야 할 가능성과 기대를 한 몸에 받고 있습니다.
사스 해결을 위한 DNA 백신
사스는 2003년 한 해를 강타한 호흡기 질환으로 아직 치료법은 개발되지 못했지만 코로나바이러스가 원인이라는 사실은 이미 밝혀져 있습니다. 숙주가 없으면 생존하지 못하는 까닭에 바이러스를 완전한 생물체가 아니라 생물체와 무생물체의 중간단계로 보기도 하는데 어쨌거나 바이러스는 가장 하등 생물임에 틀림없습니다. 문제는 바이러스 치료제가 마땅치 않다는 것입니다.
물론 최근 20년 사이에 바이러스를 해결할 수 있는 치료제들이 많이 개발되기는 했습니다만 코로나바이러스도 적당한 바이러스제가 없는 바이러스중 하나입니다. 그래서 세계의 연구자들은 이를 해결하기 위하여 여러 가지 방법을 시도하였고, DNA 백신을 이용한 방법이 치료 가능성을 보여준 것입니다.
네이블 연구팀은 사스를 일으키는 코로나바이러스의 플라즈미드(염색체 바깥에 존재하는 DNA로 자체 복제 가능함)에 존재하는 스파이크(spike, S) 부위의 글리코프로테인(단백질 성분이 대부분이고 탄수화물이 조금 결합되어 있는 구조) 부분을 인식할 수 있는 DNA 백신을 제조하여 실험용 생쥐에 투여함으로써 면역 기능을 담당하는 T 세포와 항체를 만들어낼 수 있음을 보여 주었습니다. 따라서 DNA 백신을 투여받은 생쥐의 혈액에서 항체가 높아졌고, CD4 및 CD8 세초가 증가되어 DNA 백신을 투여받지 않은 생쥐와 비교할 때 바이러스 증식이 현저하게 억제됨을 보여 주었습니다.
그런데 사실은 이보다 3개월 앞서서 중국의 연구팀도 비슷한 연구결과를 발표한 바 있습니다. 상하이의 군사의과대학교(The Second Military Medical University)의 키종티안이 이끄는 연구팀이 지난 1월에 이미 사스를 일으키는 코로나바이러스의 S 부위를 인식하는 DNA 백신이 생쥐에서 효과를 지닌다는 사실을 ABB(Acta Biochim Biophys)에 발표한 것입니다. 가능성을 먼저 보여 준 것은 중국의 연구팀이었지만 항체 증가만 보여주었을 뿐 자세한 면역 증가 기전을 보여 주지 못해서인지 외신 회사들의 관심을 크게 불러 일으키지 못해서 늦게 발표된 미국 연구팀의 업적이 더 널리 알려졌다고 볼 수 있습니다.
올해도 그 수가 아주 작기는 하지만 사스 환자 발생 보고가 이어지고 있으며, 빠른 시일 내에 사스를 해결할 수 있는 방법이 개발되기를 기대합니다.
*필자는 생명과학 연구자로 <역사, 문화, 사회 속의 의학과 과학 이야기> 카페(http://cafe.naver.com/socialmedicine.cafe)를 운영하고 있습니다.
