Abstract

Advances in the development of biomarkers to evaluate the protective efficacy of tuberculosis vaccine

Lee Young-Ran, Jeong Hye-Sook, Shin Eunkyung, Yun Jinseung, Yoo Jung Sik, and Chung Gyung Tae
Division of Vaccine Research, Center for Infectious Disease Research, KNIH, KCDC

Background: One of the most effective interventions for tuberculosis is immunization with Bacille-Calmette-Guerin (BCG) vaccine, which is the only licensed vaccine against tuberculosis. However, its protective efficacy against M. tuberculosis infection in adults is limited. Thus, the development of a new vaccine is urgently needed. Currently, there are no validated biomarker targets for the evaluation of new tuberculosis vaccine candidates.
Current status: Biomarkers can help in developing new tuberculosis vaccine candidates by identifying immune mechanisms and accurately assessing the immunogenicity and protective efficacy of a vaccine in multiple ways. Understanding the interplay among the host immune response, vaccine candidate, and M. tuberculosis infection may provide a platform for the identification of suitable biomarkers.
Future perspective: In this article, we review current methods for evaluating the efficacy of tuberculosis vaccine and biomarkers used by global tuberculosis research teams and consider using these evaluation methods and biomarkers for assessing the efficacy of the tuberculosis vaccine in Korea.

Keywords: Biomarkers, Tuberculosis, Vaccine efficacy, Host immune response, Vaccine candidate


들어가는 말

결핵은 Mycobacterium tuberculosis complex에 의한 만성 감염성 질환으로 전 세계 인구의 3분의 1인 약 20억 명이 체내에 결핵균을 보유한 잠복감염상태로 추정되고 있다. 전 세계적으로 매년 약 1,000만 명의 새로운 환자가 발생하고 있고, 약 180만 명이 결핵으로 사망하여 감염성 질환 중 독감을 포함한 호흡기 감염질환에 이어서 두 번째로 높은 사망원인이다. 우리나라의 경우, 2000년 이후 매년 3만 5천여 명의 결핵환자가 지속적으로 발생해왔고, 2011년 새로운 환자 발생이 최고조를 이루다가 2012년부터 2017년까지 연평균 5.1% 감소 추세를 보이고 있다. 특히, 우리나라는 경제협력개발기구(OECD) 국가 중 결핵 발생률과 사망률이 매년 1위(발생률 77%, 사망률 5.2% (2015년 기준))를 차지하고 있어 결핵 관리는 여전히 해결해야 할 중요한 보건정책이다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)는 결핵 퇴치를 위하여 2030년까지 결핵 발생률을 2015년 대비 80%, 사망률은 90%까지 감소시키는 것을 목표로 결핵환자 관리부터 새로운 치료제 및 차세대 결핵백신 개발 분야까지 다양한 전략을 추진 중에 있다[1].
새로운 결핵백신 개발 전략의 일환으로 2012년에 Tuberculosis Vaccine Initiative(TBVI)와 에어라스(Aeras) 글로벌 결핵백신재단을 중심으로 글로벌 결핵백신 컨소시엄을 구성하여 차세대 결핵백신 연구개발 계획을 수립하였으며, 결핵백신 개발을 위한 R&D 중점분야로 다양한 백신 플랫폼 및 항원에 대한 연구, 비임상 평가 모델의 표준화, 임상시험 등 다양한 분야의 기술 확보와 함께 백신 방어면역 평가를 위한 바이오마커 개발의 중요성을 강조하였다[2]. 이중 바이오마커(Biomarker) 연구는 결핵퇴치에 필요한 새로운 백신 개발에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 과거의 바이오마커는 질병이나 숙주의 면역 감수성 지표로써 정확한 진단법 개발과 치료 효과 확인을 위한 지표로만 여겨졌으나, 최근에는 백신 개발을 위한 항원 발굴 또는 백신의 방어 효능 지표로써 중요성이 대두되고 있다. 최근 몇 년 동안 TBVI를 포함한 국내·외 결핵 전문가는 다양한 코호트 연구를 통해서 바이오마커 개발 연구 분야에서 주목할 만한 결과를 도출하였고 이러한 결과는 결핵퇴치를 위해 도움이 되는 다양한 방법 중 하나가 될 것이다.
이 글에서는 BCG 백신 뿐 아니라 새로운 결핵백신의 예방효과를 반영하는 바이오마커 발굴 및 백신의 유효성 평가법 개발을 위한 국내·외의 연구 동향을 소개하고자 한다.


몸 말

1. 결핵백신 개발에 있어 바이오마커의 역할

결핵을 예방하기 위하여 우형결핵균(Mycobacterium bovis)에서 유래한 BCG(Mycobacterium bovis Bacille-Calmette-Guerin) 백신이 유일하게 사용되고 있으나, BCG 백신은 나라나 인종에 따라 백신 효능이 매우 다양하게 보고되고 있으며, 영유아에서 다발하는 수막염이나 속립성 결핵 등을 예방할 수 있지만, 청소년이나 성인의 폐결핵 예방효과가 제한적이고 면역결핍환자 등에서는 BCG로 인한 임파선 병변이나 사망사례 등이 보고된 바 있다. 이러한 BCG의 한계를 대체하거나 보완하기 위해서 전 세계적으로 결핵균의 감염 예방, 재발 방지 및 치료기간 감소를 위한 차세대 결핵백신이 활발히 연구되고 있다[2]. 그러나 2013년 임상2상 시험으로 가장 앞서나간 결핵 예방백신 MVA85A가 남아프리카 공화국에서 3,000여 명의 영유아를 대상으로 수행한 임상시험에서 백신 효과를 검증하는 데 실패하는 등 아직 개발에 성공한 백신은 없다. 이러한 대규모 임상시험 실패의 경험에서 백신 방어효능 평가를 위한 새로운 바이오마커 발굴의 중요함을 확인하게 되었다[3]. 최근 글로벌 결핵백신 파이프라인을 살펴보면 2013년도 에어라스에서 개발된 DAR 901을 제외하고는 새로운 후보물질이 보이지 않는데 이는 백신의 효능을 정확하게 평가할 수 있는 바이오마커의 부재 때문이라는 의견이 제기되었다[4].
백신 개발에 있어서 효과적인 바이오마커는 임상시험단계 뿐 아니라 초기 기초 연구단계 또는 비임상 단계 백신 후보물질의 발굴에 있어서 매우 중요한 역할을 한다(Figure 1). 바이오마커는 백신개발 초기단계에는 백신의 면역원성 및 잠재적 효능을 입증하고, 임상시험을 위한 성공 가능성 평가 및 우선순위를 선정하는 역할을 할 수 있다. 효과적인 바이오마커는 사람을 대상으로 하는 대규모 효능시험에 소요되는 시간, 임상연구 규모 및 연구비를 절감할 수 있고, 새로운 백신의 접종 용량, 방법 및 접종 스케쥴 등 최적화를 위한 평가법으로 활용될 수 있다.


2. 바이오마커 : 면역인자 및 면역세포

BCG 결핵백신의 주요한 면역반응으로 CD4+ Th1 T 세포에 의해 분비되는 IFN-γ가 결핵균 방어에 중요한 것으로 알려져 왔다(Figure 2). 하지만 최근 임상시험 결과 IFN-γ 생산을 잘 유도함에도 불구하고 결핵균 방어에는 실패하는 사례들이 보고됨에 따라 새로운 바이오마커에 대한 필요성이 제기되고 있다.
최근 결핵백신 효능 연구에서 보고된 새로운 바이오마커는 다음과 같다. 첫째, CD4+ Th17 면역반응과 관련 사이토카인들이다. CD4+ Th17 관련 면역반응은 CD4+ Th1 면역반응과 함께 결핵균의 성장을 저해하는데 중요한 역할을 하며 CD4+ Th 17 세포가 분비하는 사이토카인인 IL-17A, IL-17F, IL-22, IL-19, IL-27이 결핵에 대한 방어 면역과 염증반응을 유도하는데 중요한 요소로 밝혀져 이 발현량을 면역학적 분석법과 real-time quantitative PCR(RT-qPCR)법으로 측정하여 백신의 효능 예측에 사용할 수 있음을 보고하였다[5].
둘째, memory T 세포이다. Memory T 세포는 결핵과 같은 병원균 제어를 포함한 다양한 T 세포의 적응면역 메카니즘에 관여를 한다. 결핵백신 또는 결핵균 감염에 따라 T 세포가 memory T 세포로 단계적으로 변하게 되고, 각각의 단계에서 변화하는 다양한 세포표면 분자 마커 및 유전체 발현을 분석함으로써 백신의 효능을 예측할 수 있다[6].
셋째, γδ T 세포이다. 선천면역에서 중요한 역할을 하고 일반적인 염증반응 지표로 알려져 있는 γδ T 세포는 BCG 백신에 의해 IFN-γ 분비, 세포용해 활성 및 결핵균 성장 저해를 유도하여 결핵을 방어하는 데에 중요한 역할을 한다는 연구결과가 보고된 바 있다[7].
넷째, 다기능 T 세포(polyfunctional T cells)이다. 과거에 결핵백신의 효능평가 시 IFN-γ가 주된 결핵균 방어효능 지표로 여겨지고 있었으나, MVA85A의 임상시험에서와 같이 결핵 방어능에서 상이한 결과가 종종 보고되고 있다. 따라서 최근에는 실험동물을 이용한 연구뿐만 아니라 다양한 백신 후보물질의 임상시험에서 IFN-γ, IL-2와 TNF-α를 복합적으로 생산하는 다기능 T 세포와 결핵균 감염 방어능의 상관관계 분석을 통해 백신의 효능을 예측하고 있다[8].

3. 바이오마커 발굴을 위한 새로운 전략

최근 결핵에 대한 다양한 바이오마커 발굴을 위해 활동성 결핵 환자의 객담, 혈액, 조직, 소변 등의 검체를 사용해서 small RNAs, 결핵균 유래 단백질, 사이토카인, 엑소좀(exosome)에 관한 연구들이 추진 중에 있다. 이중 혈액 및 PBMC(peripheral blood mononuclear cells)를 이용한 유전자 발현 패턴 분석을 통한 바이오마커 발굴 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근, 아프리카 지역에서 수행된 결핵백신의 임상 코호트 연구 결과에서는 결핵 발병을 예측할 수 있는 4개의 특정 유전자군(GAS6, SEPT4, BLK, CD1C)을 발굴하여 바이오마커로써의 가능성을 보고한 바 있다[9]. 또한 다른 연구에서는 결핵균 감염에서 가장 중요한 방어 역할을 하는 CD4+ T 세포와 감염된 대식세포와의 상호작용에서 CD4+ T 세포의 분화가 miRNA에 의해 정교하게 조절되므로 miRNA가 바이오마커로 제시되기도 한다[10]. 이외 바이오마커는 아니지만 결핵균의 초기 진단용으로 사용되고 있는 MGIT(mycobacterium growth indicator tube)를 이용한 결핵균 증식 억제능력 분석법(mycobacterium growth inhibition assay, MGIA)이 결핵균에 대한 방어효능을 예측하는 새로운 접근법으로 활용되고 있다. 영국에서 수행된 BCG 백신에 대한 영유아 대상의 임상시험에서 백신 효과를 확인하기 위해 BCG 백신 접종 유무에 따른 그룹별 혈액세포(whole blood cells)에 결핵균을 반응시킨 후, 혈액세포의 결핵균 증식 억제능력을 분석한 결과 BCG 접종 그룹에서 결핵균 증식이 억제되는 것을 확인하였다[11].


맺는 말

현재까지 개발된 백신 중 항체 유도형 백신의 경우에는 방어 효능 평가 방법 및 효능 범위에 대한 확립이 용이하여 WHO 등의 기관을 통해 표준화된 지표들이 제시되어 있다. 하지만 결핵백신의 경우, 최근까지도 IFN-γ가 주된 방어효능 지표로 여겨지고 있었으나, 2013년도에 BCG 대체 결핵백신으로 개발된 MVA85A의 경우 IFN-γ는 잘 유도하지만 임상시험에서 결핵 방어능에 대한 효능이 미비하게 보고되어 백신의 효능 평가를 위한 새로운 지표 개발과 결핵백신의 결핵균 방어기전에 대한 연구 필요성이 대두되었다. 또한, 현재까지 보고된 바이오마커들이 국가나 인종별로 각기 다른 반응을 나타낼 수 있으므로 글로벌 수준에서 통용되는 유용한 바이오마커 발굴 및 표준화 연구는 여러 국가가 연계하여 추진할 필요가 있다.
최근 우리나라에서도 국립보건연구원을 비롯한 다양한 연구기관에서 다양한 플랫폼을 이용한 결핵백신 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Figure 3). 뿐만 아니라 결핵백신의 효능평가를 위한 바이오마커 연구도 결핵백신 이니셔티브의 TBVAC2020 프로젝트 등의 글로벌 컨소시엄을 통해 활발한 국제협력 연구가 진행되고 있다. 다양한 연구결과를 토대로 면역 메카니즘을 고찰하고 백신 후보물질의 효능을 분석한다면 비임상 단계 또는 임상 초기 단계에서 유망한 백신 후보물질을 선택하는데 큰 도움이 될 것이다.


참고문헌

1. World Health Organization [WHO]. 2016. Global Tuberculosis Report 2016.
2. Voss G., et al. Progress and challenges in TB vaccine development. F1000Research. 2018;7:199.
3. Tameris MD., et al. Safety and efficacy of MVA85A, a new tuberculosis vaccine, in infants previously vaccinated with BCG: a randomised, placebo-controlled phase 2b trial. Lancet. 2013;381:1021-1028.
4. Fletcher HA and Dockrell HM. Human biomarkers: can they help us to develop a new tuberculosis vaccine? Future Microbiol. 2016;11(6):781-787.
5. Waters WR., et al. Interleukin-17A as a biomarker for bovine tuberculosis. Clinical and Vaccine Immunology. 2016;23(2):168-180.
6. Kaech SM and Cui W. Tranional control of effector and memory CD8+ T cell differentiation. Nature Reviews Immunology. 2012;12(11):749-761.
7. Spencer CT., et al. Only a subset of phosphoantigen-responsive γδ2 T Cells mediate protective tuberculosis immunity. Journal of Immunology. 2008;181:4471-4484.
8. Lewinsohn DA., et al. Polyfunctional CD4+ T cells as targets for tuberculosis vaccination. Frontier in Immunology. 2017;8:1262.
9. Suliman S., et al. Four-gene pan-African blood signature predicts progression to tuberculosis. Am J Respir Crit Care Med. 2018 (Epub)
10. Ueberberg B., et al. Are microRNAs suitable biomarkers of immunity to tuberculosis? Molecular and Cellular Pediatrics. 2014;1:8.
11. Smith SG., et al. Polyfunctional CD4 T-cells correlate with in vitro mycobacterial growth inhibition following Mycobacterium bovis BCG-vaccination of infants. Vaccine. 2016;34:5298-5305.
12. Berry MP., et al. System approaches to studying the iuumne response in tuberculosis. Current Opinion in Immunology. 2013;25:579-587.