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코로나19 mRNA 백신 면역반응 조절 과정 밝혀
Bio통신원(질병관리청)
- 등록2024.09.02
- 조회1530
질병관리청(청장 지영미) 국립보건연구원(원장 박현영)은 mRNA 백신의 접종 부위에서 초기 면역증강 효과를 유도하는 메커니즘을 발견하고, 해당 연구 결과를 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications(IF=14.7)) 저널에 2024년 8월 27일 게재했다고 밝혔다.
이번 연구는 국립보건연구원 공공백신개발지원센터 감염병백신연구과(과장 김도근)와 한국과학기술원 박종은 교수 연구팀이 공동으로 수행한 연구로 실험용 쥐(마우스)에 코로나19 mRNA 백신을 투여한 후, 단일세포 전사체 분석* 기술을 활용하여 mRNA 백신의 초기 면역반응을 규명하여 발표한 것이다.
* 단일세포 전사체 분석: 세포 한 개 단위에서 수집한 전사체(유전체에서 전사되는 RNA 총체) 데이터를 분석하여 각 세포 내 유전자 발현도를 측정할 수 있는 최신 분석 기법
mRNA 백신은 mRNA 분자와 이를 둘러싼 지질나노입자(Lipid nano particle, LNP)로 구성된다. mRNA는 항원 단백질을 합성할 수 있는 유전정보를 담고 있고, 지질나노입자는 mRNA를 보호하여 우리 몸의 세포 안으로 넣어주는 이동장치 역할을 한다.
최근 연구에 따르면 지질나노입자는 단순히 mRNA의 운반체 역할만 하는 것이 아니라 지질나노입자 자체만으로도 강한 면역증강제*(adjuvant) 역할을 하는 것이 보고되었다.
* 면역증강제: 백신에 대한 면역반응을 증가시키거나 조절하는 물질
그림1. mRNA 백신 접종 부위의 초기 면역반응 모식도 (Biorender.com으로 제작) [사진=질병관리청]
mRNA 백신의 근육접종 시, 접종부위에서 백신의 구성물질인 지질나노입자에 의해 염증성 사이토카인과 케모카인들의 발현량이 증가하고, 주입된 mRNA 분자에 의해 섬유아세포에서 인터페론 베타의 발현량이 증가하여 이동성 수지상 세포에서 인터페론 자극 유전자들의 활성화를 유도하고, 항원 특이적 세포성 면역 반응을 향상시킴.
본 연구에서는 마우스 동물모델에 코로나19 mRNA 백신 접종 후, 주사부위의 근육조직으로부터 세포를 분리하여 접종 부위에서 일어나는 지질나노입자 및 mRNA 분자에 의한 초기 유전자 발현 양상을 단일세포 전사체 분석법을 통해 분석하였다.
본 연구를 통해, 주사부위에서 지질나노입자로 인해 염증성 사이토카인과 케모카인 유전자 발현이 증가되어 초기 면역증강 효과가 유도되는 것을 확인하였고, 주입된 mRNA 분자는 인터페론 베타 유전자 발현을 통해 접종부위 및 림프절의 이동성 수지상세포(migratory dendritic cells)의 활성화를 돕고, 백신에 의한 세포성 면역반응을 증진시키는 것으로 확인되었다.
이번 연구는 mRNA 분자와 지질나노입자 자체에 의해 활성화 되는 초기 면역반응 경로 및 작용 메커니즘에 대한 통찰을 얻는데 기여했다는 점에서 의미가 크다.
감염병백신연구과 김도근 과장은 “앞으로 mRNA 백신 성분인 mRNA와 지질나노입자 조절을 통해 초기 면역반응을 제어함으로써 T세포 반응을 활성화시키면서 과도한 면역반응을 낮추는 mRNA 백신을 지속적으로 개발하고자 한다.” 라고 밝혔다.
지영미 질병관리청장은 “mRNA 백신 기전에 대한 연구를 바탕으로 향후 mRNA 플랫폼의 환자맞춤형 치료제 백신 등 다양한 활용 및 효과적인 차세대 백신기술 상용화가 이루어질수 있도록 힘쓰겠다.”라고 밝혔다.
저널명
Nature Communications (IF 14.7)
저자
김성룡, 전지향, 김명환, 이예지, 황윤호, 박명선, 이성한, 이태영, 이정아, 김유미, 김도근, 이혁진, 김유진, 김빛내리, 박종은, 여진아
* (공동 제1저자) 김성룡(한국과학기술원), 전지향(국립보건연구원)
* (공동 교신저자) 여진아 (국립보건연구원), 박종은(한국과학기술원)
□ 연구의 배경 및 필요성
○ 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)는 2019년 말에 출현하여 전 세계적으로 코로나19 대유행을 일으켰음.
○ mRNA 백신은 코로나19 백신개발에 혁명을 일으키며 효과적인 예방제가 되었지만, 그 효능의 기초가 되는 면역학적 기전은 자세히 알려지지 않았음.
○ 본 연구에서는 지질나노입자(LNP) 또는 mRNA 백신(mRNA+LNP) 접종 후 단일세포 전사체 분석을 수행하여 백신 접종부위에서 mRNA 백신 각 성분인 지질나노입자 및 mRNA의 초기 면역반응을 조사하였음.
□ 연구방법
○ 코로나19 mRNA 백신을 실험동물에 근육접종하여 여러 시점(접종 후 2/16/40시간)에서 단일세포 전사체분석(single cell RNA-sequencing)을 수행함.
○ 접종 부위에서 mRNA 백신이 투입되는 세포를 구별하고, 대조군(PBS 접종군)과 비교하여 발현량이 증가되는 유전자(DEG: differential expressed gene)를 세포타입별로 분석하여 중요 유전자 군을 선별함.
mRNA 백신접종 동물의 단일세포 전사체 연구방법 [사진=질병관리청]
□ 연구결과
○ mRNA 백신 근육접종 16시간 후, 지질나노입자만으로도 강한 면역반응이 유도되며, 접종부위의 섬유아세포*에 mRNA 백신 투입량이 현저히 높게 나타나는 것을 확인하였고, 이에 따른 인터페론* 베타의 발현이 증가하는 것을 확인함.
* 섬유아세포: 세포외기질과 콜라겐을 합성하는 세포의 일종으로, 동물 조직의 구조적 골격을 생성하고 동물의 결합 조직에 중요한 세포
* 인터페론: 항바이러스성 면역 물질 중 하나로 선천성 면역 세포(T세포, B세포, 대식세포 등) 활성을 증가시켜 면역 체계를 강화하는 역할
○ mRNA 백신 접종 16시간 후, 인터페론 베타에 의해 접종 부위와 배수림프절*(draining lymphnode)의 이동성 수지상세포* 집단에서 제1형 인터페론과 관련된 유전자 발현이 증가됨을 확인함.
* 배수림프절: 감염 또는 주사 부위로부터 가장 가까운 림프절로 면역작용을 하는 림프구를 만들어 신체를 방어하는 역할을 함.
* 수지상세포: 외래 항원을 처리하여 면역계의 다른 세포를 위해 표면에 표시하는 항원전달 제시세포
○ 전사체 실험 결과를 토대로 마우스 모델에 인터페론 베타를 추가 또는 차단하였을 때 각각 백신에 의한 면역원성이 향상됨과 감소됨을 확인함으로써 mRNA 백신 기능에 대한 인터페론 베타의 면역학적 역할을 최초로 규명함.
mRNA백신 접종 부위 단일세포 전사체 연구결과 [사진=질병관리청]
□ 결론 및 기대효과
○ 이번 연구는 코로나19 mRNA 백신 접종 부위에서의 단일세포 전사체 분석을 통해 mRNA 백신 초기 면역반응의 메커니즘을 규명함.
○ mRNA 백신의 구성요소인 지질나노입자의 강한 면역증강 역할을 규명하였고, 접종부위 섬유아세포에 mRNA 백신이 과량 투입된 후, mRNA 성분에 의해 인터페론 베타가 유도되어 T세포 면역활성을 돕는 기전을 새롭게 밝힘.
○ 이번 연구성과는 mRNA 백신이 일으키는 면역반응과 관련된 유전자들의 기능을 이해하고 향후 효과적인 mRNA 백신을 개발하는데 새로운 연구방향을 제시할 전망임.
mRNA 백신 기술은 코로나19 팬데믹을 거치며 짧은 시간 내에 전 세계적으로 그 가치를 입증했으며, 감염병 대응뿐만 아니라 암백신과 같은 치료 전략으로도 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 좀 더 안전하고 효과적인 백신 개발을 위해서는 mRNA 백신의 초기 면역학적 메커니즘의 깊은 이해가 매우 중요하다.
출처: 질병관리청
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