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탄저백신 개발 동향
  • 작성일2009-11-13
  • 최종수정일2012-08-25
  • 담당부서감염병감시과
  • 연락처043-719-7173

 

 탄저백신 개발 동향

Trends in development of Anthrax Vaccine


     
(주)녹십자종합연구소        
질병관리본부 국립보건연구원 감염병센터 병원체방어연구과     
 


Ⅰ. 들어가는 말
  탄저(Anthrax)는 그람양성의 포자 형성균인 탄저균(Bacillus anthracis)에 의해 발병되는 인수 공통 전염성질환으로 그리스어의 석탄(coal)이란 뜻을 가진 anthrakis에서 유래되었다. 탄저에 대한 가장   오래된 기록으로는 BC 5,000년경 이집트와 메소포타미아 시대의 기록물에 소의 탄저감염에 대한 언급이 있고, BC 300년 경 히포크라테스도 이 질병에 대한 기록을 남기고 있는 것으로 보아 탄저는 인류 역사상 매우 오래된 전염병임을 알 수 있다.
  탄저균은 1876년 Robert Koch가 탄저로 죽은 동물의 혈액에서 최초로 분리하였고, 1877년 Louis Pasteur는 탄저균을 순수 분리하여 배양 후 동물에 다시 주사하여 탄저병의 원인균임을 밝혔다. 탄저 예방을 위한 백신으로는 1881년 Louis Pasteur가 개발한 가축용 약독화 생백신과 1954년 여과된 무세포배양액으로 구성된 사람용 백신이 개발되어 사용되다가 1970년 이를 개선한 무세포 백신이 일부   국가에서 사용되고 있다. 이에 본 글에서는 탄저균의 병원성에 대한 일반적인 내용과 현재까지의 탄저 백신 개발 동향 및 국내 탄저 백신 개발 현황 등을 소개하고자 한다.


  

Ⅱ. 몸 말

  탄저균(Bacillus anthracis)은 운동성이 없고, 협막을 가지며, 환경조건이 나빠지면 균체 중앙이나   가장자리에 1 × 1.5㎛의 포자를 형성하지만 살아있는 숙주에서는 포자를 형성하지 않는 그람양성 간균으로 크기는 1-1.5㎛ × 3-5㎛ 정도이다(Figure 1). 포자를 형성한 탄저균은 토양이나 동물성 제품에서 수년간 생존할 수 있는데 포자는 8-45℃, pH 5-9일 때 산소, 망간 이온 및 적당량의 영양성분 존재  하에 생성된다. 포자는 온도, pH, 건조, 살균제 등에 저항력이 강해 5% 페놀에서는 5일간 생존하지만 10% 포름알데히드에서는 15분, 110℃의 습열(moist heat)에서는 5분이면 사멸한다. 협막(polypeptide capsule : poly-gamma-O-glutamic acid)은 병원성 탄저균으로부터 생체 내 또는 혈청 및 HCO3-  함유 배지에서 배양할 때 생성된다. 탄저균의 독소는 대수 생장기 동안에 생성되며 (비)병원성 탄저균에서도 생성되지만, 탄저균의 병독성은 협막과 독소의 상호작용에 의해 결정된다.
                                  
  탄저는 주로 소, 말, 양 등과 같은 초식동물에서 1차적으로 발생하며, 사람은 감염동물과의 접촉이나 동물제품을 섭취함으로써 2차 감염되는 경우가 대부분으로 사람간 감염은 일어나지 않는 것으로 알려져 있다. 주로 목축업자, 수의사, 동물제품의 제조업에 종사하는 사람에서 탄저 감염이 보고되고 있으며,  감염경로에 따라 피부탄저, 호흡기탄저, 장탄저로 구분된다[1].
피부탄저(cutaneous anthrax)는 감염동물이나 오염된 배설물의 취급 시 피부의 상처를 통해 감염되며, 자연발생하는 탄저의 95%가 피부탄저이다. 잠복기는 1-7일 정도이며, 발병 초기에는 감염된 피부에  구진(papule)이 발생하고 수포가 형성된 후 병변이 전신으로 펴져 주로 손, 얼굴, 목 등 사지말단에   발병하고 수포가 궤양으로 발전한다.  시간이 지남에 따라 궤양은 검은 가피로 변하고 더욱 크게 번진다. 치료하면 사망자는 거의 발생하지 않지만 치료하지 않을 경우의 사망률은 24% 정도이다.
  호흡기탄저(inhalational anthrax)는 호흡기를 통해 8,000-60,000 CFU 정도의 포자를 흡입하여 발생한다. 잠복기는 1-6일이며 포자가 폐의 대식세포(macrophage)를 통해 림프절에 전달된 다음에 영양세포로 발아하고 증식하여 독소를 생성하기 시작한다. 초기에는 감기와 유사한 증상을 보이며 피로감,   근육통, 기침 등이 나타나고 후기에는 심한 호흡곤란, 청색증, 저산소증, 객혈, 쇼크, 뇌염 등으로 인한 호흡곤란으로 1-2일 후에 사망한다. 호흡기탄저는 흔한 질병은 아니나 발생 시 사망률이 거의 100%로 치명적이어서 생물무기로의 높은 가능성이 여기에서 기인한다.
  장탄저(gastrointestinal anthrax)는 비교적 드물게 일어나며 집단발생을 제외하고는 인지가 어렵다. 오염된 고기를 섭식함으로써 발병하게 되며, 2-5일 정도의 잠복기를 거쳐 심한 복통, 토혈, 전신장기의 출혈, 복수, 설사 등의 증상을 보이는데 적절한 치료를 하여도 사망률이 25-60% 정도이다.
  탄저균은 생물학적 테러나 실제 전투 상황에서 생물무기로 악용될 가능성이 가장 높은 병원체 중   하나이다. 그 이유는 탄저균이 일반적으로 토양에서 포자상태로 존재하고 있기 때문에 미생물에 대한 지식이 있는 사람이면 누구나 탄저균을 분리, 배양하여 포자를 얻을 수 있고, 공기 중 살포를 통해 흡입탄저를 유도하여 높은 살상력으로 심각한 타격을 줄 수 있기 때문이다. 2001년 9·11 테러 이후 미국 전역에서는 우편물을 통한 탄저테러가 발생하여 22명이 감염되고 5명이 사망하였다[2].
  우편으로 배달된 2g의 탄저포자에는 2.0×1011-2.2×1012 CFU의 포자가 함유되는데 사람의 LD50은 균주에 따라 다르지만 2.5×103-5.5×104 CFU 정도이므로 충분한 살상 능력을 가지고 있었음을 알 수 있다. 탄저 배양액 1리터에서 1.0×1011-1.0×1014 CFU의 포자를 만들 수 있으므로 강력한 상살력을 가진 생물무기를 얼마나 쉽게 만들 수 있는지 예상할 수 있다[3].
  탄저균의 병원성은 pXO1(174 kbp)과 pXO2(95 kbp)라는 두 개의 플라스미드 상에 암호화되어 있다. pXO1 플라스미드에는 두 종류의 독소인 치사독소(lethal toxin ; LT)와 부종독소(edema toxin ; ET)를 구성하는 3종류의 단백질의 유전암호가 있다[4]. 이들 3종류의 단백질은 치사인자(lethal factor, 87 kDa), 방어항원(protective antigen, 83 kDa), 부종인자(edema factor, 89 kDa)로 이루어지며 탄저균의 대수 증식기 동안에 생산된다. 이러한 독소 외에 탄저균의 병원성 인자로서 세포에서 대식세포의 탐식작용을 방해하는 poly-D-glutamic acid capsule이 있으며 이것은 95kbp의 pXO2 플라스미드에 암호화되어 있다. 외독소를 구성하고 있는 3종류의 단백질인 방어항원, 치사인자, 부종인자는 독립적으로는  독성을 나타내지 못하나 치사인자와 방어항원이 결합하면 치사독소로 작용하여 rat 등의 동물을 치사시키며 부종인자와 방어항원이 결합하여 부종독소로서의 활성을 나타내어 감염동물에 부종과 같은 탄저 특유의 증상과 징후를 나타내게 된다(Figure 2).
                                  
  부종인자는 cAMP(cyclic AMP)의 비정상적인 생산을 촉매하는 adenylate cyclase로써 수분과 이온의 이동이 변화되어 탄저 특유의 부종 증세를 나타나게 된다. 세포 내의 cAMP 농도가 너무 높으면 숙주세포에 치명적이지는 않지만 세포 증식이 억제된다. 부종인자는 중성구(neutrophile)의 기능에 손상을 주는 것으로 알려져 있으며 이로 인해 탄저 감염에 있어 염증작용의 활성화를 방해하는 역할을 하는 것으로 보고되어 있다.
  치사인자는 칼슘 의존형 혹은 아연 의존형 metalloenzyme endopeptidase로 알려져 있다. 최근에 Duesbery 등(1998)에 의하면 치사인자가 mitogen-activated protein kinase kinase(MAPKK) 1과   2의 두 아미노기를 절단하고 인산기를 결합시켜 다른 분자의 활성을 조절하는 일련의 과정들을 방해하게 된다고 한다[6]. 이러한 신호전달과정은 세포의 증식, 성숙과 관련이 있다고 하나 아직까지 치사인자의 정확한 작용기전은 알려지지 않고 있다. 마우스나 세포배양 모델을 기초로 하면 대식세포가 치사독소의 주된 목표이다. 치사독소에 민감한 대식세포의 초기 반응으로 tumor necrosis factor와 인터루킨-I의 과도한 합성이 일어나며, 이러한 사이토카인(cytokine)의 방출이 패혈증으로 인한 쇼크에 의해 사망하게 되는 탄저에 의한 사망에 기인하는 것으로 알려져 있다[7].
  최초의 사람용 탄저 백신은 러시아(구 소련)와 미국, 영국에서 개발되었고 이후 중국과 이스라엘에서도 개발되었다. 러시아에서 개발한 탄저 백신은 중국에서 개발한 백신과 같이 약독화한 포자를 이용한   생백신의 형태로 항원 성분만을 이용한 성분 백신보다 유효성이 높은 것으로 알려져 있지만 부작용이 매우 높은 것으로 보고되고 있다. 영국과 미국에서 개발된 백신은 pXO2 플라스미드가 결여된 변이주의 배양액을 정제하여 사용한 성분 백신인데 방어항원 이외에 다른 독소성분인 부종인자와 치사인자가   미량 섞여있어 비교적 높은 부작용 발생을 보이고 있다.
  1970년대 미국에서 승인받은 Anthrax Vaccine Absorbed(AVA) 백신은 현재 Emergent Biosolution사에서 생산하여 BioThraxⓇ 라는 상품명으로 판매되고 있다. 1998년 3월까지 약 9백만 도스가 생산되었고 걸프전에 참전한 병사들을 비롯하여 주한 미군에도 접종된 백신이다. AVA는 pOX2 플라스미드가 없어 독소는 분비하나 협막을 생산하지 않는 비병원성 탄저균인 B. anthracis V770-NR-R의 배양액을 aluminum hydroxide 등으로 흡착하여 제조하고 있으며, 방어항원을 주성분으로 하여 제조조건에 따라 치사인자, 부종인자 등 기타 기능이 알려지지 않은 성분이 미량 포함되는 것으로 알려져 있다.   비록 이 백신은 충분한 효능을 지닌 것으로 보고되고 있지만 이 백신의 생산용 균주가 포자를 생성할 수 있고 3가지 독소를 모두 생산할 수 있는 균주이며 생산 공정(lot)에 따라 방어항원 생산수준이 달라질 수 있다. 그리고 활성이 불분명한 방어항원의 단백효소 분획 성분들이 섞여있을 수 있고, 치사인자, 부종인자 등 기타 세균의 생성물들이 포함되는 등의 문제점이 있다.
  처음 백신을 접종한 뒤 2, 4주, 6, 12, 18개월째 등 총 18개월 동안 6차례 연속하여 피하주사를 실시하고 지속적으로 면역력을 유지하기 위해서는 매년 재접종이 필요하다고 한다[8]. 이외에도 종종 통증이나 부종을 수반하는 국소적인 부작용의 우려가 있고, 동물실험 결과 모든 병원성 탄저균에 대해서  동일하게 방어력을 가지지는 못하였으며 약독화한 포자를 이용한 백신보다 효능이 떨어지는 것으로   보고되기도 하였다. 최근 미국은 AVIP(anthrax vaccine immunization program) Health Care Provider’s Briefing(2009년 9월 9일자)을 통해 AVA의 접종주기를 0, 1, 6, 12, 18개월 등 연속 5회 접종으로 조정하였고 접종 방법 또한 피하주사에서 근육주사로 전환한다고 밝혔다.
  Anthrax vaccine precipitated(AVP) 백신은 영국의 Health Protection Agency에서 개발되어 1979년에 승인을 받았다. pOX2 플라스미드가 없어 독소는 분비하나 협막을 생산하지 않는 비병원성 탄저균인 B. anthracis 34F2의 배양액을 aluminum hydroxide 등으로 흡착하여 제조된 백신으로 6개월 간격으로 총 3회 근육내 접종하고 매년 1회 추가 접종을 한다.
  기존 백신의 안정성 문제와 부작용이 알려지면서 안정성과 효능이 뛰어나고 부작용이 없어야 하며  주사 횟수는 최소한으로 하되 면역효과가 지속될 수 있는 차세대 탄저 백신 개발의 필요성이 강력히  부각되었다. 차세대 탄저 백신은 유전자재조합 기술을 도입하여 탄저균에 감염된 사람이나 동물에서  유효한 면역 반응을 보이는 방어항원을 표적으로 하여 개발되고 있다[9].
  재조합 방어항원을 주성분으로 한 탄저 백신은 미국의 Emergent Biosolution사와 PharmAthene사에서 선도적으로 개발 중에 있다. 두 회사의 백신은 모두 유전자재조합 성분 백신으로 생산균주는 각각 Bacillus anthracis와 Escherichia coli이다. Emergent Biosolution사에서 개발 중인 탄저 백신(rPA102)은 미국 Vaxgen사에서 개발하여 임상 1상까지 진행한 것으로, 이전에 문제가 되었던 안정성(stability)을 제조법(formulation) 변경으로 해결하여 현재 임상 2상을 완료하였고 PharmAthene사의 탄저 백신(Sparvax) 역시 임상 2상을 완료하였다.
  우리나라에서 개발 중인 탄저 백신도 Emergent Biosolution사와 PharmAthene사와 같이 재조합   방어항원을 주성분으로 하여 질병관리본부와 녹십자가 공동개발 중이다. 질병관리본부는 1997년 탄저 백신 개발연구를 시작하여 1998년에는 백신 후보물질 및 생산균주를 자체 개발하였고, 이후 녹십자와 공동연구를 추진하여 2008년 10월 임상 1상 시험계획을 승인받아 임상 1상 시험을 완료하였다.
  우리나라 탄저백신 개발은 Bacillus brevis 47-5Q를 숙주로 사용하는데 이는 B. brevis 47-5에서 유래된 uracil 요구 돌연변이주로서 야생주(wild type)인 47-5에 비해 형질 전환율이 높고 플라스미드가 보다 안정적으로 유지되는 것으로 보고되고 있다. 또 배양여액에서 단백질분해효소(protease)의   활성이 거의 없으며 일반 배지 상에서 자랄 때는 포자상태로 되지 않는다. 벡터로 사용되는 pNU212는 5개의 촉진자(pro-motor)와 2개의 리보좀 결합부위(ribosome binding site)가 있어 강력한 발현시스템을 가지며, 생산량이 작은 다른 단백질의 발현에 매우 유용하므로 선택하였다[10].
  탄저 백신의 최종 완제품은 백신주의 종배양, 본 배양을 거쳐 얻은 발효액을 제균 과정과 일련의 정제공정을 거쳐 95% 이상의 순도를 갖는 방어항원만 순수분리한 후 면역증강제인 Aluminumhydroxide에 흡착하여 생산하였다. 생산된 방어항원은 in vitro 환경에서 실험을 통하여 탄저균이 생산하고 있는 방어항원과의 동질성을 확인하였다.
  탄저 백신의 유효성은 방어항원을 실험동물에 접종한 후 치사량의 병원성 탄저포자로 공격하여 확인하였다. 백신을 투여하지 않은 대조군의 모든 실험동물은 3-4일안에 모두 폐사하였으나 예방접종을   실시한 실험동물은 100% 생존하였고, 면역 후 12개월 이상 면역반응이 유지됨을 확인하였다. 제조한 탄저백신의 물리화학적, 면역학적, 생물학적 특징의 보존성을 확인하기 위해 안정성시험을 실시한 결과, 2-8℃의 보관온도에서 24개월 동안 안정성이 유지됨을 확인하였다. 또한 2008년 10월 30일 식품의약품안전청으로부터 탄저 백신 임상 1상 시험계획을 승인받아 건강한 사람을 대상으로 임상 1상 시험을 실시하여 2009년 6월 완료하였고 현재 임상 2상에 사용할 백신을 생산 중에 있으며 시험허가를 위한 자료를 준비 중이다.


Ⅲ. 맺는 말


  1972년 국제사회는 살상용 미생물과 독소의 개발을 금지하는 생물무기금지 협약을 맺었지만 세계  강대국들인 미국, 러시아, 일본, 중국 등은 이미 많은 생물무기를 개발하여 실전에 사용할 수 있도록  비축한 것으로 예견된다. 탄저는 어느 곳의 토양에서도 쉽게 분리되어 생물무기로 쓰일 가능성이 제일 높으며, 9·11 테러에서도 보았듯이 치사율이 매우 높기 때문에 군인뿐 아니라 민간인에 대한 생물테러 등 유사시를 대비한 백신의 비축이 필수적이다. 미국에서는 총 5억 도스의 탄저 백신을 비축하는 프로그램을 진행 중이며 외국에 파견되는 군인에 대해서는 백신 접종이 필수이므로 국가적인 대비체계를  잘 갖추고 있다고 할 수 있다. 우리나라도 빠른 시일 내에 탄저 백신 개발을 완료하고 백신 비축 프로그램을 준비하는 것이 필요하겠다.

Ⅳ. 참고문헌

 1. Brey, R. N. 2005. Molecular basis for improved anthrax vaccines. Adv Drug Delivery Rev 57: 266-1292.
 2. Centers for Disease Control and Prevention. 2001. Update:investigation of bio-terrorism- related inhalational anthrax-Connecticut, 2001. MMWR. 50:
     1077-1079.
 3. Inglesby, T. V., T. O'Toole, et al. 2002. Anthrax as a biological weapon, 2002: updated recommendations for management. JAMA. 287: 2236-52.
 4. Leppla, S. H. 1988. Production and purification of anthrax toxin. Methods Enzymol 165: 103-116.
 5. Prince, A. S. 2003. The host response to anthrax lethal toxin: unexpected observations. J Clin Invest 112(5): 656-8.
 6. Duesbery, N. S., C. P. Webb, et al. 1998. Proteolytic inactivation of MAP-kinase-kinase by anthrax lethal factor. Science. 280:734-737.
 7. Dixon. T. C., M. Meselson, J. Guillenmin, P. C. Hanna. 1999.Anthrax. N Engl J Med. 341: 815-826.
 8. Friedlander, A. M., P. R. Pittman, et al. 1999. Anthrax vaccine:evidence for safety and efficacy against inhalational anthrax.JAMA 282: 2104-6.
 9. Gorse, G. J., W. Keitel, et al. 2006. Immunogenicity and tolerance of ascending doses of a recombinant protective antigen (rPA102) anthrax vaccine:
     a randomized, doubleblinded, controlled, multicenter trial. Vaccine 24: 5950-9.
 10. Rhie, G. E., Y. M. Park, et al. 2005. Expression and secretion of the protective antigen of Bacillus anthracis in Bacillus brevis. FEMS Immunol Med
       Microbiol 45: 331-9.

 
 

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