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COVID-19 예방백신의 종류와 특성

코로나19 파헤치기(4)

2019년 12월 시작된 COVID-19가 단기간에 전 세계 1억5000만여 명을 감염시키고 300만 명을 사망에 이르게 했다. 1년이 지난 현재도 진행 중으로, WHO는 최소 17개국에서 COVID-19 변이 바이러스가 발견됐다고 밝히기도 했다. 이에 본지는 중앙약사심의위원인 김영진 박사를 통해 코로나19와 관련한 유용한 지식들을 중심으로 1.COVID-19의 과거와 현재 2.감염자의 병리생태 3.감염자의 치료와 대증요법 4.예방백신의 종류와 특성 등에 대한 칼럼을 4회에 걸쳐 연재한다.<편집자주>

 

지금까지 WHO의 승인을 얻은 COVID-19 백신은 모두 5종이었으나 이번에 중국의 ‘시노팜’이 추가되면서 6종으로 늘었다. 지난해 11월 미국 ‘화이자’와 독일 ‘바이오앤테크’의 코로나19 백신이 가장 먼저 승인을 받았고, 올해 2월 15일 ‘아스트라제네카’ 백신이, 3월 12일 존슨앤드존슨의 자회사 ‘얀센’ 백신이, 그리고 모더나는 올해 4월 30일 각각 긴급사용 승인을 받았다.


현재 미국과 유럽 등 주요국에서 승인이 난 백신의 종류는 두 가지다. 첫째는 메신저 리보핵산(mRNA) 방식인 미국의 ‘화이자’, ‘모더나’ 백신과 둘째로 바이러스벡터 방식으로써 다국적 제약사 ‘아스트라제네카(AZ)’와 미국 ‘얀센’이 개발한 백신이다.


얀센 및 AZ백신은 모두 ‘바이러스벡터(Virus vector) 백신’으로써 COVID-19 항원유전자를 아데노바이러스(Adenovirus)와 같은 다른 바이러스에 넣어 이 바이러스를 전달체로 사용, 인체에 투여해 면역반응을 유도한다. 즉 독감을 일으키는 아데노바이러스에서 독성과 감염력을 제거하고 ‘코로나DNA’ 형질의 mRNA를 집어넣어 백신을 만든다. AZ는 ‘침팬지유래 아데노바이러스’를, 얀센은 ‘사람유래 아데노바이러스’를 사용한다. 이들은 접종 후 인체가 면역반응을 일으킬 때 코로나항체뿐만 아니라 아데노바이러스항체도 함께 생기는 ‘복합항체’ 발현으로 2중 내성이 생겨 여러 번 반복투여는 어렵다. 또한 아데노바이러스 항체에 의한 여러 이상반응을 유발할 수 있다. 이러한 이상반응은 발열, 피로, 두통, 근육통, 오한, 설사, 주사부위 국소통증, 아나필락시스 쇼크, 희귀혈전증 등이다. AZ를 비롯한 거의 모든 바이러스벡터 방식 백신은 mRNA백신에 비해 ‘이상반응으로 약물치료의 필요’ 가능성이 9.5배나 더 높다고 한다.


‘사람유래 아데노바이러스’를 이용한 또 다른 백신으로는 러시아의 ‘스푸트니크V’가 있다. ‘스푸트니크V’의 정식명칭은 ‘Gam-COVID-Vac(Гам-КОВИД-Вак)’이다. ‘스푸트니크V’는 러시아 보건부 산하 ‘가말레야 국립 전염병·미생물학센터’에서 개발했는데 이는 기존의 ‘메르스 (MERS)백신’을 개량한 것으로써 21일 간격으로 2회 접종한다.


중국의 ‘시노백[코로나백(CoronaVac)]‘ 백신은 약화시키거나 죽은 상태의 COVID-19 바이러스를 사용하는 ’불활성화 방식‘으로 중국 국영제약사 ’시노백(Sinovac)‘에서 생산한다. 중국은 작년 7월 ’시노백 백신‘을 긴급 승인했지만 100% 예방율을 보였다는 중국정부의 주장과는 달리 브라질에서는 예방 비율이 불과 50%에 그쳤다는 충격적인 결과가 나왔다.


다른 중국백신 ’시노팜(BBIBP-CorV)‘은 비서구권에서 개발된 코로나19 백신 가운데 WHO의 승인을 얻은 첫 번째 백신이다. ’시노팜 백신‘은 중국 국영제약사인 중국생물기술집단(CNBG) 산하 베이징생물제품연구소(Beijing Bio-Institute of Biological Products)에서 생산하는 불활화(Inactivated) 백신이다. 불활화 백신은 독성을 약화시킨 바이러스를 인체에 주입해 항체를 생성하는 방식으로 인플루엔자(독감) 등에도 사용되는 전통적 백신제조법이다. WHO는 시노팜 백신의 임상데이터를 참고하여 18세 이상에게 3~4주 간격으로 2회 접종하라고 권고했다. 백신효능은 79%로 mRNA 백신인 화이자(95%)나 모더나(94%) 보다는 예방효과가 낮다.


1961년에 DNA단백질 생성메커니즘을 연구하던 과학자들에 의해 mRNA(messenger RNA; 전령 리보핵산)의 존재가 처음으로 규명되었고 1976년 헝가리의 대학생 ‘카탈린 카리코’는 mRNA를 바이러스 퇴치에 사용하려는 연구를 시작하였다. 그리고 1980년대에 이르러 유전자증폭기술(PCR)이 개발돼 DNA서열로부터 인공적으로 mRNA를 복제할 수 있게 되었다.


RNA는 리보핵산이라 불리며 DNA(디옥시리보핵산)와 함께 대표적인 유전물질이다. DNA가 우리 몸 유전정보를 담고 있는 설계도 개념이라면 RNA는 DNA로부터 필요한 유전정보를 전달받아 유전자 단백질을 생산하는 역할을 한다. 면역세포들은 인위적으로 만들어진 mRNA가 들어오면 바이러스에 감염된 상황으로 인식하고 바이러스의 스파이크단백질에 대한 중화항체를 만들어낸다. mRNA 백신은 바이러스의 항원유전자를 mRNA 형태로 주입해 체내에서 항원단백질을 생성하도록 함으로써 면역반응을 유도하는 방식이며 변이바이러스에 대해서도 RNA염기서열만 조금 바꾸어 신속하게 중화항체를 유도할 수 있는 백신플랫폼 기술이다.


백신에 적용되는 mRNA는 자연적인 mRNA를 모방하여 만든 일종의 인공 RNA이다. mRNA 백신이 성공적으로 작동하려면 두 가지가 중요하다. 첫째는 자연적인 mRNA와 구조나 성질이 매우 유사해야 한다. 그래야 진짜 바이러스의 mRNA인 것처럼 인체세포를 속일 수 있기 때문이다. 둘째는 과다한 면역반응이 일어나지 않도록 해야 한다. 만일 세포가 백신의 mRNA를 침입자로 인식해 과다한 면역반응을 일으키면 유용한 항원단백질의 생산에 차질이 발생한다.


mRNA는 외부환경에 노출되자마자 쉽게 변형되는 단점이 있다. 변형이 일어나면 ‘인공적으로 만들어진 가짜 바이러스유전자’인 mRNA를 세포 안으로 전달할 수가 없다. 이를 보완하기 위해 mRNA 겉을 얇게 감싸줘서 세포 안까지 안전하게 들어갈 수 있게 하기 위한 일종의 ‘약물전달체’로 ‘LNP(lipid nanoparticle)’가 개발됐다. LNP는 입자내부의 유전정보를 담고 있는 mRNA을 보호하여 인체세포 안으로 넣어주는 일종의 이동장치이다. 지질성분인 LNP는외부 온도에 매우 불안정해 극저온 보관이 필수적이라는 단점이 있다. 화이자와 모더나 백신보관을 위해서 콜드체인(저온 유통체계)이 필요한 것도 바로 LNP를 보호하기 위해서이다.


 
  

mRNA백신 생산과정은 위의 그림과 같다. 즉,
1. DNA주형 탬플릿에서 인위적으로 추출한 바이러스의 스파이크유전자를 시험관전사 방법으로 증식시켜 COVID-19바이러스 mRNA 대량생산.


2. 생산된 mRNA는 염기의 조합으로 유전정보를 담은 수천 개의 핵산이 끈처럼 연결되어 외부환경에 매우 불안정하므로 하나하나를 지질나노입자(LNP)로 둘러쌈. 이 LNP입자의 크기는 지름 100nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 정도로 바이러스와 비슷한 크기이다.


3. LNP 포장이 완료된 mRNA 입자는 활성을 더욱 높여 세포내 전달을 촉진시킬 목적으로 지질과 폴리에틸렌 글라이콜 입자로 5‘말단 캡을 씌워(5’Capping) 완성한다. 이 5’-캡은 RNA말단에 위치하며 유전자 생산을 돕고 과잉된 면역반응을 방지한다.


현재 우리나라의 mRNA 관련업체 중 식약처로부터 COVID-19백신 임상승인을 받은 기업은 아직 없지만 ‘에스티팜’과 ‘아이진’, 그리고 ‘진원생명과학’이 mRNA개발 선두주자인 것으로 알려졌다. 국내최초로 임상시험용 mRNA를 생산해 수출하는 ‘에스티팜’은 최근 스위스 ‘제네반트(Genevant Science)’로부터 ‘LNP 약물전달체’ 특허를 한국, 일본 등 아시아 12개국에 사용할 수 있는 권리를 획득했다. 현재 ‘화이자’와 ‘모더나’도 ‘제네반트’의 기술을 특허계약해 백신을 제조하고 있다. ‘아이진’은 면역증강제로 개발된 ‘양이온성 리포솜’을 mRNA 전달체로 개량해 사용할 계획이다. 한편 ‘진원생명과학’의 미국 자회사 ‘VGXI’는 유전자 치료제의 핵심원료인 ‘플라스미드(Plasmid) DNA’를 현지에서 생산하고 있다고 한다.