2009년 신종인플루엔자(H1N1)부터 2013년 살인진 드기, 2014년 서아프리카 에볼라 바이러스, 2015년 메 르스까지, 최근 들어 발생한 수많은 유행성 감염병은 사회적으로 큰 혼란을 야기했으며 사람들에게‘바이러 스’ 와‘감염’ 에 대한 공포심을 유발하고 있다. 이러한 공포심은 대유행 감염을 소재로 했던 영화‘감기’ 를 많 은 사람들에게 떠올리게 하며 개봉한지 한 참 후인 메 르스가 터진 시기에 유명 포털사이트에서 상위 검색어 에 오르게 하였고‘건국대학교 폐렴 사건’ 에서는‘인 수공통전염병’ 일지도 모른다는 우려의 목소리로서 모 습을 나타내었다. 이처럼 현재는 감염병의 전성시대라 고 불릴 만큼 먹이사슬의 최정점에 있는 인간을 위협 하고 있다.
여기서 우리가 주목해야할 점은 최근 나타난 신종 감 염병이 어디서부터 유래 되었는가 이다. 2002년에 박 쥐에서 사향 고양이로 전파된 후, 사람으로 넘어와 전 세계적으로 8,000명이 넘는 감염자와 770여 명의 사 망자가 발생한 SARS 바이러스, 조류로부터 유래된 신 종 인플루엔자 H1N1 바이러스, 낙타로부터 유래된 메
르스(Fig. 1), 모기에 의한 일본뇌염, 웨스트나일 바이 러스, 그리고 최근 1만 명 이상의 사망자를 발생시키며 공포에 빠지게 한 에볼라 바이러스 까지, 최근 새로 발 생하고 있는 신종 바이러스들은 대부분 동물로부터 유 래된 인수 공통 바이러스들이다. 새로 나타난‘변종’ 들 의 시대인 것이다.
그렇다면 이러한‘변종’ 들은 왜 갑자기 나타나기 시 작하게 된 것인가? 먼저 그 원인으로 환경 파괴를 꼽을 수 있다. 무차별적으로 이루어진 자연파괴 및 난개발 로 인해, 동물들의 터전이 사라지면서, 사람과 동물과 의 접촉이 증가하게 되었고, 지구온난화에 의한 기온 의 변화에 따라 생태계에 교란이 생김으로써, 한 지역 에 존재하지 않았던 동물들이 다른 지역으로 이동하면 서 그와 관련된 바이러스가 퍼지게 된 것이다. 대표적 인 예로 박쥐의 서식지 파괴로 인한 박쥐의 이동으로 부터 발생한 사스 바이러스와 최근 이상 기온으로 유 럽에 발생하게 된 황열 및 웨스트나일 바이러스를 들 수 있다. 다른 원인으로 교통의 발달로 인한 이동의 자 유와 교류의 증가는 전 세계적인 전파를 가능하게 하
신종바이러스성 감염병 출현과 항바이러스제 개발전략
나운성, 송대섭
고려대학교 약학대학 전임상학교실
특집
여 변종을 더 잘 생기게 할 수 있는 조건을 만들어 줬 다. 또한 축산업의 산업화에 따라 수많은 동물들이 시 장에 모일 수 있게 된 환경 역시 이러한 변종의 발생에 크게 기여하고 있다.
신종바이러스성 감염병 치료제 개발 현황과 한계점
항바이러스제제는 감염 환자에게 처방함으로서 환자 를 치료하는 것뿐만 아니라 감염병의 추가 확산을 막을 수 있기 때문에 백신과 더불어 질병 통제에 있어 중요 한 역할을 수행한다. 또한 증세를 완화시키고 노약자나 기저질환을 가진 환자에서 2차 감염을 억제 할 수 있으 며, 감염 초기 처치시 사망률을 낮추고 입원기간을 줄 일 수 있다. 인플루엔자 항바이러스제제는 현재까지 대 표적으로 5가지 치료제가 등록되어 있다. 미국 FDA는 2015~2016년 인플루엔자 발생기 동안, 인플루엔자 A, B형의 neuraminidase를 억제하는 경구용 oseltamivir
(Tamiflu
�)와 흡입용 zanamivir (Relenza
�), 정맥주 사용 peramivir (Rapivab
�)를 권장하고 있다. 현재까 지 oseltamivir, zanamivir, peramivir에 저항력을 가진 인플루엔자는 출현빈도가 낮은 상태이나 인플루 엔자 A형 치료에만 쓰이던 adamantanes 계열의 amantadine, rimantadine 저항성 계절형 H3N2와 판데믹 H1N1이 출현하였고, 이로 인해 이 제제들은 더 이상 권장하고 있지 않다(Fig. 2). 인플루엔자처럼 변 이 양상이 빠른 바이러스의 경우 개발된 치료제들에 대 한 저항성 인플루엔자가 출현할 수 있기 때문에 변이에 대비한 범용성 치료제 개발이 필요하다.
1)최근 에볼라 바이러스에 감염된 미국인 환자를 성공 적으로 치료했다고 알려진 ZMapp(지맵)은 3종류의 단 일클론항체의 조합으로 일종의 항체 칵테일로써 혈청 주입 요법과도 원리가 비슷하다. Mapp Biophar- maceutical 바이오제약사에 의해 개발되어, 3종의 에 볼라 바이러스 표면 당단백질 특이적 단클론 항체의 조
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Fig. 1 약물유해사례의 정의 모식도
자료원:http://virologydownunder.blogspot.com.au/2015/11/updating-animal-to-do-list.html
합(m1H3, m2G4, m4G7의 각테일)을 이용하여 감염 24시간 이내에 성공적으로 치료하였다. 노출 후 치료 (post-exposure treatment)와 10주 및 13주 후의 2 차 치명적 노출(second lethal exposure)에도 강력한
면역 반응을 보이는 등, 영장류 실험에서 100%의 완치 율을 보였고
2)7명의 환자들에게 투여되었으며, 최초로 투여된 미국인 환자 2명의 경우, 증상이 호전되었으며 이후 완치되었다. 그러나 이 약을 투여받고도 사망한 Fig. 2 항 인플루엔자 제제 적용 기전
Fig. 3 담배잎에서 자외선을 비추면 형광색으로 표시되는 표지 단백질
자료원: Icon Genetics
환자(스페인 신부, 라이베리아 환자)가 있어 효과를 100% 확신할 수는 없는 상황이다. 또한 이 약은 그 안 전성 및 유효성을 판정하는 임상 시험을 실시한 바 없 어 미국 국립보건원도 이 약의 임상시험을 서두를 것이 라고 한다.
지맵은 마우스 유래 항체를 담뱃잎에 접목하는 식으 로 생산하기 때문에 생산은 담배회사인 Reynolds American(레이놀즈 아메리칸)에서 담당한다. 해당 항 체를 코딩하는 유전자를 분리하고, 이어서 인간화하는 (humanization) 단계 동안, 해당 유전자의 일정 부분 을 인간 단백질을 코딩하는 부분으로 대체한다. 이어서 상업적 규모로 인간화 단클론 항체를 생산하는 시스템 을 만들기 위해, magnICON (ICON genetics) 바이러 스 벡터를 사용하여, 급속 항체제조 공정 후 식물에서 항체를 추출하여 정제한다. 따라서 수주간에 걸쳐 담뱃 잎을 성장시킨 후, 담뱃잎에서 치료 단백질을 수확 및 정제에 많은 시간이 소요되어 대량 생산의 한계점을 지 닌다.
또 다른 에볼라 바이러스 치료제로서 favipiravir 개 발을 기대해 볼 수 있다. 본래 이 약물은 일본에서 개발 한 인플루엔자 바이러스 치료제로 현재 임상 3상이 진 행 중에 있으나, 에볼라 감염 마우스에서 항바이러스 효능이 있음이 밝혀졌다. Favipiravir는 RNA 바이러 스의 RNA polymerase를 선택적으로 억제하기 때문 에 다양한 RNA 바이러스에 적용이 가능하다.
3)이번 에볼라 발생 사태에서도, 한명의 환자에게 투여 후 완 쾌하였으며, 현재 이 약물은 에볼라 발생을 대비하여 세계보건기구에 공급되고 있다.
이 외에도, 임상적으로 효능 확인이 된 3가지 ion channel blocker가 발표되었다. Amiodarone, dronedarone, verapamil 등이 filovirus의 endosome 과정이나 calcium signaling을 효과적으로 방해하여 바이러스의 세포내 침입을 방해하는 것으로 보고되었 다.
4)위 세가지 제제는 항부정맥 제제로서, 공통적으로 3차 아민(amine)을 갖고 있는 특징이 있는데 이것이 filovirus 증식 억제에 관여하는 것으로 판단된다. 이 제제들은 경구 투여용으로 인체 안전성을 이미 확보하 였기 때문에 쉽게 적용이 가능하며 에볼라 확산과 사망 률 감소에 또 다른 에볼라 대응 방법으로 생각된다.
MERS 치료제 개발에서는, 후보 제제선발 연구를 통
해 미국 FDA에 허가된 348개 약물 중 chloroquine, chlorpromazine, loperamide, lopinavir 등이 3~8uM에서 EC50 (50% effective concentration)를 나타내어 MERS-CoV 억제능을 가지고 있음이 밝혀 졌다.
4)이들 제제는 SARS에 대해서도 바이러스 증식 을 억제하는 것으로 알려져 있다. 이 뿐만 아니라 다양 한 구조와 pharmaceutical class를 지닌 27 화합물 등도 MERS와 SARS 모두에 효과가 있는 것을 밝혀졌 는데, anisomycin은 3nM에서 EC50를 보였고 ima- tinib mesylate (Gleevec)는 17uM의 EC50를 보였 다.
5)현재 MERS-CoV를 치료하기 위해 ribavirin과 함 께 interferon-α 2b를 적용하는데, 이는 세포실험적으 로 interferon-α 2b의 효능이 ribavirin에 의해 크게 향상되었기 때문이다.
6)Resus macaque 모델에서의 메르스 감염 치료실험에도 마찬가지로 ribavirin과 interferon-α 2b 복합 치료가 감염을 억제하고 약한 폐 렴 증세로 방어한다는 방사선 결과를 토대로 수립되었 고, 인공적으로 메르스 감염 후 8시간 후 치료를 시작 하여 전신 또는 국소 proinflammatory marker와 바 이러스 copy를 측정 한 것으로 토대로 한 결과이다.
7)하지만 현장에서의 감염환자의 경우 감염 후 1주일후 치료가 시작되거나 기저질환을 갖고 있는 경우가 많다.
또한 치료에 따른 바이러스 배출 감소나 치료 성과를 확인하는데 실험적 접근의 제한이 있기 때문에 상기 치 료방법의 논란의 여지는 분명 남아있으며 beta-coro- na virus에 속하는 MERS-CoV의 바이러스 dynam- ics에 대한 연구가 이루어지지 않아 바이러스의 잠복 기, 감염성 배출 역가 등 기초적인 정보가 밝혀져야 한 다(Fig. 4).
바이러스성 감염병 백신개발 필요성
바이러스 감염병 대응의 최선의 방법으로 백신개발 을 꼽을 수 있으며 많은 제약사들에 의해 연구되어지며 전 세계가 함께 백신개발에 기대를 모으고 있다. 백신 은 의심할 여지없이 가장 효과적인 감염병 예방 수단으 로서 이환율과 사망률을 낮출 수 있다. 국내에 큰 피해 를 입힌 MERS 역시 백신과 치료제가 부재하였기 때문 에 일어난 재난이었다. 최근 미국 Novavax사가 개발
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한 MERS 백신은 숙주세포와 결합하는 바이러스 표면 단백질인 spike protein을 재조합 나노기술을 이용하 여 virus-like particle로 제작되었고 이와 함께 백신 효능을 증강시키는 Matrix-M™ 아쥬번트로 구성되었 다. 개발 백신이 시장에 적용되기까지는 많은 임상실험 이 남아있으며, 백신 적용 대상을 수립하기 위한 MERS -CoV의 발생, 전파 역학에 대해 연구하여 MERS 백 신 적용 대상을 명확히 하여야 할 필요가 있다.
에볼라백신 연구는 90년대까지 기니아픽 동물모델에 서 약독화 생백신 후보주 뿐만 재조합 단백질 백신조차 도 제대로 효과를 보이지 않았다. 약독화 생백신주나 재조합단백질 형태의 백신은 다른 여러 종류의 병원체 에 대해 효과적이었으나 에볼라바이러스에 대해서는 20년 넘게 큰 진전을 보이지 않고 있다. 또한, 다른 바 이러스에 비해 치사율이 높고 위험성이 매우 큰 에볼라 바이러스의 특성을 고려한다면, 초기의 비리온(virion) 형태 등을 통한 생독 백신주의 개발은 잠재적인 위험성 을 배재할 수 없으므로 성공적인 생독 백신을 개발한다 고 해도 허가나 사용에 제한이 많을 것으로 생각된다.
90년대 후반부터 2000년대 초반까지 에볼라바이러 스에 대한 백신 후보물질로 유전자를 직접 주입하여 면 역력을 증가시키는 DNA 백신형태의 개발이 꾸준하게
추진되어 왔고, DNA 운반체(vector)에 에볼라바이러 스의 주요 유전자 등을 삽입하여 이를 DNA 백신 후보 물질로 기니아픽과 마우스에 접종하여 상당히 우수한 방어능력을 보이는 결과를 보였다
DNA 백신이 마우스 등 설치류에서는 좋은 방어능을
보이나 인간이나 영장류 동물에서는 효능이 낮아 이를
개선하기 위한 면역증강 방법으로 다른 조합의 바이러
스 벡터를 사용하여 인간과 영장류 동물 등 호스트의
면역반응을 보다 강하게 유도해보고자 하였는데, 플라
스미드 대신 폭시바이러스 벡터(poxivirus vector)를
운반체로 사용한 경우에는 30배 이상의 세포면역
(cellular immunity) 증강 효과가 나타났으며, 안전성
강화를 위해 증식기능을 무력화시킨 아데노바이러스
벡터(adenovirus vector)을 운반체로 사용한 경우 원
숭이에서 세포면역과 체액면역(humoral immunity)
이 대폭 증강되어 치사량 이상의 에볼라바이러스에 감
염된 원숭이를 효과적으로 방어하는 결과를 처음으로
얻어냈다.
8)이후로 좀 더 다양한 실험을 통해 2006년
에볼라바이러스와 마버그바이러스의 유전자를 동시에
포함하는 vesicular stomatitis virus (VSV) 벡터를
이용한 백신 시험이 인간을 대상으로 시도되어 백신접
종에 의한 일정한 면역력 유도효과를 얻은 바 있다.
9)Fig. 4 MERS-CoV 감염 dynamics 연구를 위한 낙타숙주 인공감염 연구 모식도
이후 현재까지 아데노벡터타입, VSV 벡터타입 등 몇 가지 DNA백신제형이 초기 임상실험에 들어가 있다 (Table 1).
인플루엔자 백신은 최근 몇 년동안 가장 활발히 연구 되고 상품화 되었다. 적어도 4개 백신 회사들(GSK, Green Cross, Novatis, Sanofi Pasteur)에서 불활화 백신이 개발되었고 CSL, MedImmune, Serum Institute of India 등에서 2009년 판데믹 H1N1 인플 루엔자 바이러스에 한정된 백신이 개발되어 사용되었 다. 인플루엔자 바이러스 추적 감시 체계를 통해 매년 2종의 인플루엔자 아형 선택하고 백신을 제작하고 있 지만 항원형이 불일치하는 경우를 피할 수 없다. 특히 인플루엔자 B형에 대한 예측은 어려움점이 많기 때문 에 4가(quadrivalent) 백신을 제작하여 2종의 B형 인 플루엔자를 포함시키고 있다. 최근, 헤마글루티닌 표면 단백질과 Matrix 2 (M2) 단백질을 타겟 항원으로 판 데믹 및 계절 인플루엔자에 광범위하게 방어할 수 있는 범용 백신의 개발도 진행되고 있다. 헤마글루티닌의 머
리부분은 숙주 세포에 결합하는 부위로서 변이가 쉽게 일어나는 반면 줄기에 해당하는 HA2 단백질은 보존적 염기서열을 가지기 때문에 범용 백신으로 활용이 가능 하다. 이뿐만 아니라 nucleoprotein과 matrix 타겟으 로 한 백신은 효과적으로 T 세포 면역반응을 일으켜 다 양한 아형에 대해 교차 방어를 발휘할 수 있다(Table 2).
전망
바이러스 감염병 원인체들은 빠르게 변이하고 있어 선제적인 예측 모델 연구를 통해 급변하는 바이러스의 변이 패턴 및 출현 속도를 따라 잡아야하며 이를 통해 사전에 치료제 및 백신을 구축해 놓아야 한다. 그동안 의 치료제 개발 연구를 통해, 아무리 작은 크기의 바이 러스라 해도 그것이 지니고있는 타겟 부위를 목표로, 바이러스의 부착 및 DNA, RNA 합성, 바이러스 pro- tease, 바이러스 배출 기능의 neuraminidase 억제 등
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백신명 타입 작용기전 시험 제조사
Table 1. 에볼라 백신 개발 현황
CAd3-ZEBOV Genetically engineered Chimp Adenovirus type 3
Expressed the GP of Zaire and
Sudan Species of Ebola Virus Phase I GlaxoSmithKline (UK)
VSV-ZEBOV Genetically modified vesicular
stomatitis virus Express Ebola GP Phase I National Microbiology Laboratory (Canada)
분류 개발회사 개발단계
Table 2. 신규 제조기술을 이용한 인플루엔자 백신 개발 현황
H1N1 pandemic influenza vaccine
(whole virion, Vero Cell-derived, inactivated) Baxter Healthcare Corporation 임상 2상 종료 Inactivated seasonal influenza vaccine
(split virus, Vero cell-derived) Baxter Healthcare Corporation 임상 3상 종료
Cell-derived influenza vaccine Novartis 임상 4상 예정
Influenza Vaccine, recombinant hemagglutinin Protein Sciences Corporation 임상 3상 종료
Plant-Made H5 VLP Influenza Vaccine Medicago 임상 2상 중
(자료원: 데이터모니터, clinicaltrial.gov)
