1. 개요
해당 질병이나 전염병을 일으키는 항원[1]을 배양시킨 후에, 죽었거나 죽기 직전의 상태로 만들어서(약독화) 주입하는 것이 가장 기초적인 백신의 원리이다. 최근에는 분자 생물학을 이용한 유전공학 기술이 발달함에 따라 점점 발전된 백신도 개발되고 있다.2. 기존의 방식의 백신
1960년대 이전에 개발된 기존의 방식의 백신들로, 지금도 여전히 널리 사용되고 있다.2.1. 불활성화 백신 (Inactivated Vaccine)
배양한 병원체를 죽이고, 항원의 특성을 그대로 유지하여 만든 백신. 사백신이라고도 한다. 소아마비(주사용), 장티푸스(주사용), 인플루엔자, 콜레라 백신 등 대한민국에서 사용되고 있는 대부분의 백신은 이쪽에 해당된다.2.2. 약독화 백신 (Attenuated Vaccine)
병원체를 죽이지는 않고, 대신 약독화 된 상태로 주입하는 백신. 생백신이라고도 한다. 접종 횟수가 사백신에 비해 월등히 적은 것이 특징이다. 결핵, 소아마비(경구용), 볼거리/홍역/풍진, 일본뇌염[2], 로타바이러스, 수두, 대상포진, 장티푸스(경구용), 황열 백신 등이 이에 속한다.2.3. 톡소이드 백신 (Toxoid Vaccine)
병원체가 아닌 질병을 일으키는 독성 물질인 독소를 비활성화시켜서 만든 백신. 파상풍/디프테리아/백일해 백신이 이에 속한다.2.4. 이종백신 (Heterotypic 또는 Heterologous Vaccine)
목표 병원체와 유사하지만 병원성이 낮은 병원체를 이용한 백신. 제너가 우두를 이용해서 만든 천연두 백신이 이에 속한다. 사실상 백신의 시초. 일종의 생백신으로 보고 같이 분류하기도 한다.3. 새로운 방식의 백신
1960년대 이후로부터 연구된 백신으로, 기존의 백신에 비해 특장점을 가지고 있어 점차 기존의 백신을 대체해가고 있다. [3]3.1. 아단위백신 (Subunit Vaccine)
혈장 백신이라고도 한다. 병원체 중 항원으로 인식되는 조각[4]에 해당하는 부분만을 따로 취해 만든 백신. 이 아단위 입자들은 면역 체계를 활성화시키지만 비감염성이기 때문에 안전성이 매우 높다. 간편하게 얘기하자면 사백신의 병원체에서 항원으로 인식하는 부분만 추출한 백신이라고 할 수 있다. 때문에 기존의 사백신보다 부작용의 위험이 더욱 적다. 대표적으로는 1세대 B형 간염 백신이 있다.초창기 아단위백신은 인간 혈액에서 추출한 입자를 써서 안전성 문제가 제기되기도 했다. 발전된 정제법이 등장해 문제가 없는 듯 했지만, 더 큰 문제는 모든 병원체가 이런 조각을 만들어 내지 않는다는 것. 물론 이 경우는 그냥 항원을 파쇄해서 쓰는 등 다른 방법들을 사용할 수 있다.
3.2. 재조합백신 (Recombinant Vaccine)
합성항원, 유전자 재조합 백신이라고도 한다.위의 아단위백신은 장점이 많으나, 치명적인 단점이 존재한다. 가령 에볼라에 대한 백신을 만든다고 가정하면[5], 파쇄의 안전성을 보장할 수 없다. 이런 병원체는 너무나도 감염성이 강하기 때문에 극소수의 병원체로도 감염이 가능하기 때문.[6] 이 경우에는, 병원체의 DNA가 가지고 있는 항원 결정기의 정보를 이용해 그 부분만 따로 생산해낸다. 이 과정에서 유전자 재조합 기술이 사용되기 때문에 재조합 백신이란 명칭이 붙었다.
간단히 말하자면 아단위백신은 항원결정기만 병원체에서 추출하는 것이고, 재조합백신은 항원결정기를 아예 새로 만들어내는 것이다. 때문에 극히 드물지만 문제점이 여전히 존재하는 아단위백신과는 다르게,[7] 병원체를 유전자 단위로 쪼개 필요한 부분만 재생산하는 재조합 백신은 100% 안전하다. 단백질 자체를 쓰기 때문에 mRNA 백신보다 변이에 덜 취약하다. 다만, 개발하기 힘든 것이 유일한 단점. 2세대 B형 간염, 인유두종 바이러스 백신과 코로나19 백신으로 노바백스의 NVX-CoV2373이 여기에 해당하며 SK바이오사이언스에서 개발하고 있는 GBP510도 이 방식으로 출시될 예정이다.
3.3. 바이러스 벡터 백신 (viral vector)
유전자를 세포에 전달하는 운반체인 벡터[8]에 치료유전자를 삽입시켜서 만드는 백신. 바이러스성 벡터로는 주로 아데노바이러스와 레트로바이러스가 이용된다. 폴리머나 리포솜 등 비바이러스성 벡터도 있기는 하지만 유전자를 전달하기 쉬운 바이러스성 벡터를 많이 사용한다.2019년 승인된 에볼라 출혈열 백신이 이 방법으로 처음 개발되었다.
3.3.1. 비 복제 바이러스 벡터 백신 (Non-replicating viral vector)
유전자가 전달된 세포에서 새로운 바이러스 입자를 만들지 않고 백신 항원만을 생산하는 백신. 아스트라제네카의 AZD1222, 존슨앤드존슨의 Ad26.COV2-S, 가말레야 연구소의 스푸트니크 V가 이 방식으로 만들어졌으며, 모두 코로나19 백신이다. mRNA 백신보다 희귀 혈전 발생률이 더 높다는 단점이 있다.3.3.2. 복제 바이러스 벡터 백신 (replicating viral vector)
유전자가 전달된 세포에서 새로운 바이러스 입자를 만들어서 백신 항원을 생산하는 세포를 감염시키는 백신.3.4. 핵산 백신
3.4.1. mRNA 백신 (Messenger RNA Vaccine)
2020년 화이자 사의 코로나바이러스감염증-19 백신인 BNT162가 최초다. 바이러스 유전 정보를 세포질 안으로 전달하는 유전물질 특성을 활용해 개발되었으며, 면역체계가 항체를 형성할 수 있도록 하는 역할의 단백질이나 바이러스를 따로 배양할 필요가 없다. 따라서 개발 속도가 빠르다. 일례로 아직 상용화가 되지도 않은 상황에서 모더나는 코로나바이러스감염증-19의 게놈 서열을 받고 단 이틀 만에 백신 디자인을 끝냈다고 한다. 이번 코로나 바이러스 백신 개발기간이 이렇게 획기적으로 줄어든 것은 단지 상황의 심각성과 정치적인 문제 그리고 경제적인 문제로 인한 게 아니라 애초에 mRNA백신의 특성인 것. 이 백신이 상용화되면 인류는 말 그대로 종두법에 이어 바이러스와의 전쟁에서 이길 수 있는 또 하나의 엄청난 무기를 갖게 된다.기존의 백신은 우리 몸에 약화된 병원체를 주입하여[9] 항체라는 전투부대가 병에 대한 정보를 얻어 잘 싸울 수 있도록 만든다. 하지만 이 방식은 병원균을 얼마나 약하게 할지, 얼마나 주입해야할지 고려해야하고 배양에 시간이 걸려 후술할 mRNA방식에 비해 비용이 많이 들고 개발이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한, 병원체에 대한 고유치 (Eigenvalue) 외에도 불필요한 노이즈 (Noise) 정보까지 항원 결정기에 포함되므로 변이된 병원체에 대해서 효과가 떨어진다.[10]
반면 mRNA 방식은 쉽게 말해 그냥 항체에게 적에 대한 설명서[11]를 알려주는 것이어서 기존 백신에 비해 개발 기간과 비용 면에서 압도적인 우위를 가진다. 또한, 표적 병원체에 대해서 최소한의 항원 결정기만을 유도하므로 mRNA 백신이 유도한 항체는 변이에 대해서 어느정도 저항성을 유지할 수 있다.[12] 이로 인해 감기 같은 변이가 잦은 바이러스에 단기간 대응이 가능한 것이다.
하지만, mRNA는 구조가 불안정하여 일정 온도 이상에서는 변형되므로, 초저온 유통 및 보관 환경, 즉 콜드체인이 반드시 필요하다.[13] 콜드체인을 구축하는 것은 비용이 많이 들고 접근성이 떨어지기 때문에 개발도상국 뿐만 아니라 선진국의 경우에도 열악한 지역은 백신에 대한 접근성이 제한된다. 다행히 최근에는 -25˚C~-15˚C에서 2주간 보관돼도 상관없다는 연구 결과가 나왔다. 그러나 이럴 경우 보관기간이 짧아져 단시간에 최대한 모두 접종해야한다.
mRNA 백신은 DNA 백신과는 달리 세포핵의 DNA를 건들지는 않지만 구조가 매우 취약하기 때문에 주위 환경에 따라 가지고 있는 정보가 흐트러져 부작용을 초래할 수 있고, 구조가 약한 mRNA를 보호하기 위해 mRNA 백신에 포함되어 있는 지질나노입자(LNP)에 의해 알레르기가 유발될 수 있다.
또, BNT162 백신 접종 후 사망하는 사례가 계속 나오기 시작했는데, 특히 노르웨이에서 발생한 사고의 경우 부검한 사람 중 13명이 백신 관련 원인일 가능성이 있다고 노르웨이의약청이 발표한 것이다. 대부분 80대 이상의 고령자였는데, 건강한 사람의 경우 가볍게 지나갈 수 있는 경미한 부작용이 고령자에게는 치명적일 수 있다는 것이다.#
2020년 12월부터 mRNA기반의 백신을 중점으로 접종을 본격화한 이스라엘은 2021년 2월에 전체 인구의 1회 이상 접종률 56%의 결과를 토대로 60대 이상 고령층에 대한 예방률이 99.9%라는 잠정결과가 나왔다. #
3.4.2. DNA 백신 (DNA Vaccine)
세균 또는 바이러스 항원 중에서 항원결정기에 해당되는 유전 정보를 mRNA가 아니라 DNA의 형태로 만든 백신이다. 이를 주사해 근육세포 내에서 전사 및 번역 과정을 통해 항원을 형성하여 면역반응을 유도한다는 점에서는 mRNA 백신과 유사하다. 근육세포는 특이하게도 DNA 백신의 DNA를 자신의 유전자처럼 사용한다. 그래서 근육세포는 해당 DNA를 받아들여 자신의 게놈에 넣고 작동시킨다. 이 과정에서 전사-번역을 통해 항원이 형성되고, 면역 반응이 유도된다.이러한 DNA 백신의 특성 때문에 한 번에 여러 종류의 세균/바이러스에 대해 면역반응을 유도할 수 있다. 즉, DNA 백신은 필요 시에 여러 병원체의 유전자를 섞어서 넣어줄 수 있으며, 넣어준 유전자의 모든 병원체에 대해 면역 반응이 유도된다. 즉, 변이 발생 시 대응력이 좋다.
또 DNA의 특성상 mRNA에 비해 굉장히 안정적이어서 백신은 위의 mRNA 백신과 달리 상온에서도 수개월 이상 보관이 가능하다는 장점이 있다. 대부분의 백신이 아무리 보관온도 상한이 높아도 냉장보관인 것을 감안하면 보관성이 끝판왕급이다. 그래서 콜드체인이 열악한 개도국(특히 아프리카 등 열대 지방)에서도 보관 및 접근성이 높다. 단점으로는, 접종에 일반 주사기를 사용할 수 없고 전기 충격기나 입자총과 같은 특별한 기구를 사용해야 한다. 예를 들어 제넥신에서 개발하여 임상시험 중인 GX-19N 코로나19 백신은 전압 80V의 전기천공기로 주사한다.[14][15]
DNA 백신은 mRNA 백신에 비해 비교적 구조가 튼튼한 DNA 본체를 그대로 사용하기 때문에 변형에서 오는 부작용의 우려는 비교적 작지만, 우리 몸속 세포핵에 다른 유전자 형질을 주입하기 때문에 이 과정에서 부작용 우려가 있다.
인도의 Zydus Cadila는 자사가 개발한 DNA백신 ZyCov-D의 긴급 승인을 인도 보건 당국에 신청했다. 이 백신은 고속 분사 패치를 이용해 접종하며, 제조 후 3개월 간 25도의 환경에서 보관할 수 있고, 2-8도의 환경에선 준영구 보관이 가능하다. 만일 이 백신이 긴급 승인된다면, 세계 최초로 임상 사용된 DNA 백신으로 기록된다. 8월 21일, 인도 의약품 당국은 이 백신의 긴급 사용을 승인했다. 이것으로, 인도가 세계 최초로 상용된 DNA 백신을 개발한 국가로 기록되게 되었다.
[1] 간단히 말해서 세균 또는 바이러스다.[2] 불활성화 백신과 약독화 백신이 공존하며, 국내에서는 불활성화 백신이 주로 사용된다.[3] 부작용의 위험이 더 적다거나, 개발을 기존보다 훨씬 빠르게 할 수 있다거나, 한 번의 접종으로 여러가지의 면역반응을 유도할 수 있는 등의 장점 등이 있다.[4] 정확히 말하자면 항원 결정기.[5] 물론 에볼라는 기존의 백신 개발방식이 통하지 않는다. 대신 항원 결정기의 정보를 갖고 있는 DNA를 다른 바이러스에 넣어 인체에 투여해, 인체 내에서 에볼라바이러스의 항원이 생성되도록 하는 방식을 적용하여(이를 바이러스 벡터 백신이라 부른다) 백신 개발에 성공하였다.[6] 어떤 병원체가 체내로 침입할 때, 단 하나의 병원체 때문에 감염이 되는 경우는 없다고 봐도 무방하다. 병원체의 종류마다 인간을 감염시키기 위해 필요한 최소한으로 요구하는 병원체의 기준이 다르다.[7] 항원결정기를 추출하는 과정에서 감염성이 있는 병원체의 일부가 딸려올 수 있다.[8] 우리가 알고 있는 벡터와 어원이 같다. '물건을 싣고 나르는 자'라는 의미.[9] 부작용이 생기지 않을 만큼 약화시킴[10] 이를 근거로 시노팜 백신이 변이에 취약한 이유가 충분히 설명된다.[11] 어떻게 생겼는지, 특성은 무엇인지 그리고 주의할 게 무엇인지를[12] mRNA 백신에 포함된 유전 정보가 짧고 정보로써의 가치가 높은 염기 서열만이 존재할 수록 변이에 대한 항체 역가가 완만히 감소한다.[13] 일례로 화이자에서 개발한 BNT162의 경우 -70˚C의 초저온에서 보관해야 한다.[14] 전압 80V는 대략 시끈가오리(전기가오리; 30~80V)가 내는 전압 정도. 처음에는 120V 전기천공기 주사 방식으로 개발했으나, 후보물질을 바꾸면서 전압 80V의 휴대형 전기천공기 주사 방식으로 바꿨다.[15] 80V 전기천공기라고 하니 거부감이나 아플 것을 두려워하는 경우도 있으나, 아주 잠깐 따끔한 정도이다.