코로나19의 영향력은 연령에 따라 다르게 나타난다. 65세 이상 고령 감염자는 젊은 층에 비해 바이러스에 감염 시 중증도와 사망률이 현저하게 높게 나타나고 있다. 이러한 현상은 통계적으로 보고되어 잘 알려져 있다. 다만 이는 가설일 뿐, 실험적으로 입증되지는 않았다.

기초과학연구원(IBS) 한국바이러스기초연구소 신변종바이러스연구센터 최영기 센터장(충북대 의과대학 교수) 연구팀은 고연령 코로나19 감염자의 중증도와 전파율이 저연령 감염자 보다 높다는 사실을 동물실험으로 입증했다. 이로써 고령층에게 특히 필요한 중증도 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.

연구진은 코로나19 바이러스에 감염시킨 동물모델 페렛을 3개 연령 그룹(6개월 이하, 1년 이상 2년 이하, 3년 이상)으로 나누어 병원성을 비교하였다. 분석 결과 저연령 페렛은 병원성과 증식성이 낮아 밀접 접촉한 다른 동물로의 전파원이 되지 못했다. 반면 고연령 페렛은 증식성이 높아 다른 동물로의 전파율이 매우 높음을 확인했다. 폐에서 바이러스 RNA 양성 세포가 다수 검출되고 중증 폐병변이 나타나는 등 중증도 또한 높았다.

정확한 원인 파악을 위해 RNA 염기서열분석(RNA sequencing) 기법으로 감염된 폐 조직의 유전자 발현 양상을 분석했다. 그러자 저연령 페렛에서는 빠른 면역 반응 후 조직재생을 위한 다양한 유전자 발현이 증가했다. 하지만 고연령 페렛에서는 감염 초기부터 염증성 사이토카인(케모카인, 제 I형 인터페론 등) 발현이 현저히 증가하고 면역세포(대식세포, 자연살해세포 등)가 과활성되어 심각한 염증을 유도했다.

이는 중증을 겪거나 사망한 코로나19 환자에서 나타나는 면역학적 변화와 매우 유사함을 각 실험 결과의 비교분석을 통해 확인하였다. 특히 중증 환자와 고연령 페렛의 유전체를 비교분석한 결과, 감염 초기 제 I형 인터페론과 M1 대식세포의 과활성이 고령층에서 중증 질환을 일으키는 요인임을 밝혔다. 또한 고령층은 어린이와 청소년에 비해 바이러스 전파율과 병원성이 모두 높게 나타난다는 사실도 입증했다.

최영기 센터장은 “숙주 연령에 따라 코로나19 바이러스의 병원성과 전파율이 큰 차이가 있음을 실험을 통해 최초로 증명했다”며, 이러한 결과는“중증 및 고령환자에서의 맞춤형 코로나19 치료제 개발을 앞당길 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 1월 10일 게재되었다.
 

연 구 추 가 설 명

논문/저널/저자

Age-dependent pathogenic characteristics of SARS-CoV-2 infection in ferrets / Nature communications (2022) /
Young-Il Kim, Kwang-Min Yu, June-Young Koh, Eun-Ha Kim,Se-Mi Kim, Eun Ji Kim, Mark Anthony B. Casel, Rare Rollon, Seung-Gyu Jang, Min-Suk Song, Su-Jin Park, Hye Won Jeong, Eung-Gook Kim, Ok-Jun Lee, Yong-Dae Kim, Younho Choi, Shin-Ae Lee, Youn Jung Choi, Su-Hyung Park, Jae U. Jung, Young Ki Choi

연구내용 보충설명
 
페렛은 인체와 호흡기 구조가 유사하고 인체에서 나타나는 임상 증상(발열, 재채기, 콧물, 활동성 저하 등) 관찰에 유용할 뿐만 아니라, 인플루엔자 바이러스(Influenza virus), 중증열성혈소판감소증 바이러스(SFTSV)에 감수성을 가지는 동물 모델이다. 선행 연구에서 페렛이 SARS-CoV-2에도 감염되며, 비강 내 바이러스 증식 및 전파가 진행됨이 입증됨에 따라 인체 감염을 재현할 수 있는 동물모델로 사용되고 있다.
페렛을 연령에 따라 세그룹으로 나누어 SARS-CoV-2를 감염시킨 결과, 고연령 페렛의 비강, 폐 및 직장(Rectal)에서 저연령 페렛보다 높은 바이러스의 역가가 더 오랜 기간 배출되었고, 감염에 의한 중화항체 생성율 또한 더 높게 확인되었다.
연령별 SARS-CoV-2 증식성을 비교하고자, 감염된 폐조직을 이용하여 SARS-CoV-2에 감염된 세포에서 바이러스 RNA를 표지하여 시각화할 수 있는 기법인 RNAscope를 수행하였다.
저연령 페렛의 폐에서는 감염 후 3일 및 5일째에 바이러스 RNA 양성세포가 감소해 있었다. 반면 성인 및 고연령의 페렛의 경우 감염 후 5일째에도 바이러스 RNA 양성세포가 다수 관찰되었으며, 염증세포의 침윤 양상 또한 보다 높게 관찰되었다.
연령별로 SARS-CoV-2 감염도의 차이가 나타나는 요인을 입증하기 위해 정상 페렛을 연령별로 나눈 뒤 SARS-CoV-2 감염의 수용체인 ACE2를 RNAscope 기법으로 확인했다. 그 결과 ACE2 수용체의 발현 양상이 연령에 따라 유의미하게 달라지지 않았다. 즉, ACE2 수용체는 연령별 SARS-CoV-2 감염도 차이를 발생시키는 요인이 아님을 확인한 것이다.
나아가 연령별 면역 반응을 알아보고자 SARS-CoV-2에 감염된 각 연령대의 페렛의 폐에서 RNA sequencing 후 차등적으로 발현된 유전자(DEG)를 식별하였다. 다수의 ISG(IFI44L, ISG15, ISG20, IFIT1, IFIT2, MX1, MX2, OAS1, OAS3 및 OASL), 케모카인(CXCL11), 및 인터페론 조절 전사 인자(IRF7)는 연령에 관계없이 SARS-CoV-2 감염 2일째(초기)인 모든 페렛에서 상향 조절되었다.
특히 감염초기 고연령의 페렛에서 특이적으로 상향조절된 DEG에는 염증 반응과 관련된 유전자 (C4A, BATF2, CCL3 및 CXCL10)가 포함되어 있었다.
감염 후기 (감염 후 5일째)에는 다양한 ISG(IFI6, IFIT1, OAS1, OAS3 및 OASL)와 선천성 면역 관련 유전자(CLEC4G, RSAD2 및 TRIM22)가 모든 SARS-CoV-2에 감염된 페렛에서 일반적으로 상향 조절되었다.
유전자 세트 농축 분석(GSEA) 결과, 감염된 연령별 페렛의 DEG는 감염 후 2일째에 항바이러스성 선천성 면역 반응과 관련된 유전자 세트로 매우 풍부했다. 이러한 면역 활성화 기능은 특히 고연령의 페렛에서 감염 후 5일째에도 유지되었다.
이와 대조적으로 조직 리모델링 관련 유전자 세트는 감염 후 5일째에 저연령 페렛에서 고도로 농축되었으며, 이는 손상된 폐 조직 상피의 회복과 밀접하게 연관될 수 있음을 확인하였다.

유전자 세트 변이 분석(GSVA)을 통해 B 세포 반응 및 T 세포 반응과 관련된 유전자가 감염 후 2일째에 고연령의 페렛에서 우세하게 풍부하다는 것을 확인하였다. 이는 경증 환자보다 중증 COVID-19 환자에서 더 강한 항체 및 T 세포 반응을 보인 최근 임상 연구와 일치하였다.
특히 제 I형 인터페론 반응 및 활성화된 M1 대식세포와 관련된 유전자 세트는 SARS-CoV-2 감염의 초기에 고령 페렛에서 풍부함을 확인하였다.
종합적으로, 고연령의 페렛은 저연령 페렛에 비해 훨씬 높은 바이러스 부하와 심각한 폐 병리를 보였다. 이러한 차이는 제 I형 인터페론 반응 향상과 M1 대식세포 활성뿐만 아니라 과염증 반응과 밀접하게 연관됐음을 입증하였다.

연구 이야기

[어려웠던 점]
모든 실험은 생물안전3등급 연구시설(BSL-3)에서만 가능했다. 이는 고도의 집중력을 필요로 하며, 안전을 최우선으로 해야 하기에 여러 제약이 있었다. 페렛과 같은 중동물을 이용한 바이러스 감염실험 및 중화항체 테스트, 감염한 동물에서의 조직 수집, RNA추출 등 까다롭고 복잡한 과정을 거쳐 본 성과를 얻을 수 있었다. 한편 생후 3년 이상의 고연령 페렛을 통계적 유의성을 확인할 수 있는 만큼의 마리수를 확보해야 하는 과제도 있었다.

[성과 차별점]
그동안 고연령의 COVID-19 환자에서 높은 병원성 및 중증이 나타나는 현상은 통계적 연구 결과 및 가설로만 이해됐지만, 본 성과에서는 실험을 통해 정확한 병인기전을 증명하였다. SARS-CoV-2 확산 시 어린이 및 청소년은 가벼운 임상증상을 보이며, 바이러스를 전파시킬 가능성이 낮지만 성인 및 노인에서 높은 바이러스 전파율과 병원성을 나타낸다는 사실을 입증하였다. 페럿 동물모델이 SARS-CoV-2의 메커니즘 규명 연구에 매우 유용하게 사용될 수 있음을 시사하였다.

[향후 연구계획]
페렛 동물모델은 바이러스 연구에 있어서 매우 유용한 인체감염 모델이기에 SARS-CoV-2뿐만 아니라 향후 발생할 수 있는 다양한 병원체에 대한 감수성 확인 및 병인기전을 연구하고자 한다. 또한 SARS-CoV-2의 다양한 변이주의 병원성·전파력 등의 특성을 규명함과 더불어 백신 및 치료제의 효능평가 연구를 수행하고자 한다.

[그림1]  코로나19바이러스에 감염된 연령대별 페렛 동물모델 폐의 염증양상 및 바이러스 RNA 검출량 비교
(a) 코로나19바이러스에 감염된 페렛 폐 조직의 염증 정도의 비교를 위해 염증세포의 침윤정도를 기준으로 0~4 등급으로 점수를 부여함.
(b-h) 감염된 폐 조직에서 코로나19바이러스 RNA (Spike 유전자)를 검출 (노란색 화살표). 정상 페렛의 폐 (b)에서는 검출되지 않는 바이러스 RNA 양성세포가 고령 페렛일수록 다수 검출되는 양상을 보임 (G1: 6개월령 이하, G2: 1년 이상 2년이하, G3: 3년 이상).

[그림 2] 코로나19바이러스에 감염된 연령별 페렛의 정상 페렛으로의 바이러스 전파 특성 분석
(a) 코로나19에 감염된 연령별 (G1: 6개월령 이하, G2: 1년이상 2년이하, G3: 3년이상) 페렛의 정상 페렛으로의 바이러스 전파양상을 분석함. G2와 G3의 페렛과 접촉한지 3일째에 바이러스가 전파되어 높은 역가로 증식하였으나, 어린 그룹인 G1에서는 낮은 역가를 보이며 접촉 7일째에는 바이러스가 검출되지 않음.
(b, c) 연령별 감염 페렛과 접촉한 정상 페렛의 바이러스 감염 12일째에 항체생성 여부를 측정함. G2와 G3와 접촉시킨 페렛에서는 중화항체가 생성되었지만, G1과 접촉시킨 페렛에서는 중화항체가 생성되지 않음.