백신 면역보조제의 개발 동향
Trends in development of vaccine adjuvants

질병관리본부 국립보건연구원 감염병센터 병원체방어연구과       
세종대학교 생명공학과        

Ⅰ. 들어가는 말
  백신은 병원균 감염에 대한 방어를 목적으로 항원에 대한 면역반응을 생성하도록 하기 위해 사용되는 의약품으로서 최근 개발되고 있는 백신들은 주로 재조합 단백질(recombinant protein)을 항원으로 사용하고 있다. 재조합 단백질은 사균 백신이나 약독화 생백신에 비하여 부작용이 적고 안전하지만 면역원성이 낮으므로 감염 방어에 충분한 면역력을 생성하기 위해 면역보조제를 함께 사용한다.
  면역보조제는 그 스스로는 특이적인 항원-항체 면역반응을 가지지 않으면서 백신 항원에 대한 면역 반응을 자극시켜 증강된 면역력을 유도할 수 있는 일종의 백신 첨가제로서 라틴어로 ‘돕다’ 또는 ‘강화하다’라는 뜻을 가진 ‘adjuvare'에서 유래되었다. 1926년에 디프테리아 톡소이드 백신의 면역보조제로 개발된 알루미늄염은 현재 가장 널리 사용되는 면역보조제로서 지난 80여 년 동안 사람 백신에 거의 독점적으로 사용되고 있다. 알루미늄염 이후 세균의 성분을 이용하거나 식물의 성분 및 지질 입자(리포좀, liposome)를 이용한 면역보조제가 개발되기 시작하였고, 다양한 병원균에 대한 방어효능을 가진 백신 개발을 위해 새로운 기능을 가진 면역보조제가 필요한 상황이다.
  이 글에서는 현재 백신에 사용되고 있는 면역보조제와 국내·외의 면역보조제 개발 현황을 소개하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말

  면역보조제는 작용기전에 따라 크게 항원의 전달체, 면역증강제, 면역반응을 자극하는 동시에 항원에 대한 매트릭스로서 작용하는 것 등의 세 가지 종류로 구별된다. 면역보조제를 효과적으로 사용하면 (1)재조합 항원의 면역원성을 증가시키고, (2)항원 투여량을 줄이거나 면역화 횟수를 줄일 수 있으며, (3)면역력이 약한 유아와 노인에게서 면역원성을 향상시키는 등의 다양한 효과를 얻을 수 있다. 그러나  이러한 면역보조제의 유용성에도 불구하고 아직까지 사람백신에 사용할 수 있도록 허가를 받은 면역  보조제가 많지 않은데 이는 면역보조제로 선택되기 위해서 고려해야 할 사항들이 많기 때문이다. 이상적인 면역보조제의 조건은 안전성과 내약성이 우수하고, 제조방법이 간단하며 비용이 저렴해야 한다는 점이다. 또한 체내 반감기가 길고 생분해가 가능해야 하며 면역보조제 자체에 대해서는 면역반응을   유발하지 않아야 한다. 특히 이 중에서도 면역보조제의 안전성 문제가 가장 중요시 된다.
  현재 유럽 및 미국에서 승인을 받아 백신에 사용되고 있는 면역보조제로는 알루미늄염, MF59, AS03, AS04 등이 있다(Table 1). 알루미늄염은 주로 Al(OH)3 또는 AlPO4 형태로 사용되는데 일반적으로  단백질 항원을 흡착하여 천천히 방출함으로서 면역증강효과를 나타내는 것으로 생각되었다. 그러나   최근에 알루미늄염이 수지상세포(dendritic cell)를 활성화시키고 interleukin(IL)-1β와 IL-18과 같은  사이토카인 분비를 촉진시키는 것으로 알려졌다. 알루미늄염은 여러 백신에 널리 사용되며 매우 안전한 것으로 생각되고 있지만 알러지 반응을 유발하고 신경독성도 있는 것으로 추정되고 있다. 또한 항체가매개된 체액성 면역반응은 강하게 유도하나 세포성 면역반응은 거의 유도하지 못하며, 동결보존이 불가능하다는 단점이 있다.

  Novartis사의 MF59와 GSK사의 AS03은 oil-in-water(o/w) emulsion(유상액) 형태의 면역보조제로 모두 스쿠알렌(squalene)을 기본 성분으로 한다. o/w emulsion 면역보조제는 항원제시세포(antigen-presenting cell)를 활성화시켜 항원흡수와 사이토카인 분비를 촉진시키고, 케모카인 수용체(chemokine receptor)의 발현을 증가시켜 항원제시세포들의 이동을 증가시킨다. MF59와 AS03은 2009년 유행한 신종인플루엔자에 대한 백신에서 항원의 면역원성을 증가시키고 사용 항원량을 감소  시킬 목적으로 사용되었으며 임상시험에서 항체생성률과 교차방어효능을 증가시키는 효과가 있음이   확인되었다. 스쿠알렌 이외에 사람에게 사용할 수 있는 자연에서 만들어지는 유제를 활용하여 다양한 emulsion 면역보조제가 개발되고 있으나 과도한 면역반응 및 독성으로 인해 실용화의 어려움이 있다. 리포좀, 면역자극 복합체, 바이러스 유사입자 등 미립자 전달체들도 면역보조제로 개발되고 있는데 보통 이들은 항원을 캡슐화하여 백신전달체 및 보조제로 개발되고 있다. 특히 리포좀에 대한 연구가 활발한데 리포좀은 항원을 캡슐화하는 동시에 백신 전달과 면역보조제로 활동할 수 있는 지질층을 구성하는 합성 구체로서, 지질층의 수, 전하, 구성 및 제조방법에 따라 그 활성이 달라진다. 리포좀은 단백질과 다당류 항원에 대해 체액성 면역과 세포성 면역을 증강시킨다. 그러나 제조상의 어려움이나, 안정성 등으로   사용이 제한되고 있고 특히 면역반응을 높이는 보조제로서의 역할보다 항원전달체에 더 가까우므로   강력한 면역활성작용을 위해 면역자극성분을 추가할 필요가 있다. 현재 GSK 회사는 리포좀에 monophosphoryl lipid A(MPL)를 넣은 면역보조제 AS01B를 개발하고, 이를 결핵과 말라리아 질환의 백신에 면역보조제로 적용하고자 개발하고 있다.

  박테리아 유래 물질들은 뛰어난 면역자극활성이 있어 면역보조제로서의 개발 가능성이 높다. 이들은 면역세포들이 병원균을 인식하는 시스템인 toll-like receptor(TLR)에 작용하여 내재성 면역과 후천성 면역반응을 활성화시키며 이러한 성질을 이용하여 monophosphoryl lipid A(MPL), muramyl dipeptide(MDP), 박테리아 DNA 내의 CpG motif를 포함하고 있는 CpG oligonucleotide(ODN) 등이 면역보조제로 개발되고 있다(Table 2). monophosphoryl lipid A(MPL)은 Salmonella minnesota 균주의 비독성 lipopolysaccharide(LPS) 유도체로서 항원제시세포들의 TLR4에 작용하여 세포성 면역반응 유도에 중요한 강력한 T helper type 1(Th1) 반응을 유도한다. monophosphoryl lipid A(MPL)는 HBV, influenza, HSV, 말라리아 백신의 면역보조제로 개발되고 있으며, Th2 면역반응을 억제함으로 알러지 치료제에 대한 면역보조제로도 개발되어 유럽에서 승인받아 사용되고 있다. GSK사에서는 monophosphoryl lipid A(MPL)와 알루미늄염을 혼합새로운 면역보조제 시스템인 AS04를 개발하여 Hepatitis B virus(HBV) 백신과 human papilloma virus(HPV) 백신에 사용하였다. AS04를 면역보조제로 하는 HPV 백신인 Cervarix?는 임상시험에서 알루미늄염을 사용한 Merck사의 Gardasil?에 비해   항체역가가 3.7배 높고 memory B cell(기억 B 세포) 반응도 더 우수한 것으로 나타났다. 역시 monophosphoryl lipid A(MPL)을 기본성분으로 하는 면역보조제 시스템인 AS01B와 AS02A는 말라  리아, 결핵, leshimania 백신에 적용되어 임상시험 단계에 있다.

  박테리아 unmethylated CpG motif를 포함한 DNA가 숙주에서 면역활성을 유도하는 사실을 이용하여 개발된 면역보조제인 CpG ODN은 TLR9에 작용하여 수지상세포(dendritic cell; DC)를 활성화시키고 사이토카인 분비를 촉진하여 강한 Th1 면역반응과 cytotoxic T lymphocyte(CTL) 반응을 유도한다. CpG ODN은 예방백신보다는 주로 치료용 백신이나 암과 알러지 치료제의 보조제로 개발되고 있다.   그러나 CpG ODN은 생체 내에서 불안정해 반감기가 짧으므로 CpG phosphodiester 결합을 phosphothioate 형태로 치환하거나 cationic peptide와 복합체를 만드는 등의 안정성을 증가시키는   연구가 진행되고 있다. Intercell 회사에서 개발하고 있는 IC31은 ODN과 항균작용이 있는 펩타이드가 혼합된 면역보조제 시스템으로 항원제시세포의 TLR9에 작용하여 활성화시키고 항원흡수를 촉진한다. IC31은 결핵과 인플루엔자 질환 등의 백신에 적용되어 임상시험 단계에 있다.
  한편 본 연구진은 국내기업과 공동으로 TLR4 길항제(agonist)인 CIA05를 이용하여 새로운 면역보조제 시스템을 개발하였다. CIA05는 E. coli 유래 비독성 LPS 유도체로서 TLR4에 작용하며, 사람 수지상 세포와 monocyte 활성화 효능이 monophosphoryl lipid A(MPL)보다 10배 가량 높은 것으로 나타났다. CIA05는 알루미늄 염을 면역보조제로 사용한 Merck사의 HPV 백신인 Gardasil?과 병용 투여하였을 때 백신항원에 대한 항체 생성능뿐만 아니라 interferon-gamma 분비 활성과 같은 세포성 면역반응을 크게 향상시키는 효과를 나타내었다. CIA05를 알루미늄염과 혼합한 면역보조제 시스템인 CIA06은 탄저균의 protective antigen을 항원으로 하는 탄저백신의 면역원성과 중화항체 효능을 증가시켜 면역유도시간의 단축과 항원사용량 감소효과를 보였다. 또한, HPV L1 VLP에 적용하였을 때 항체 면역반응뿐만 아니라 세포성 면역반응 활성을 증가시켜 HPV 백신의 면역보조제로서 개발되고 있으며, 현재 백신 면역보조제로서 비임상시험이 진행되고 있다. 한편, CIA05를 TLR9 agonist인 CIA02와 혼합한 면역보조제 시스템인 CIA07은 HBsAg를 항원으로 하는 HBV 백신과 influenza subunit 백신에 면역보조제로 사용하였을 때 Th1과 Th2 반응을 모두 증가시켜 바이러스 백신의 면역보조제로서 사용가능함을 나타냈다. CIA07은 in vitro에서 내재성(innate) 면역반응의 유도활성이 높고 마우스 방광암 모델에서 종양세포 억제효과가 매우 우수하며, 마우스와 기니픽에서의 급성독성시험에서도 안전성이 확인되어 세포성 면역활성이 필요한 백신의 면역보조제로서 개발 가능성이 기대되고 있다.

Ⅲ. 맺는 말

    최근 재조합 단백질을 항원으로 한 백신의 사용 및 개발이 증가함에 따라 안전하고 효과적인 면역  보조제의 필요성이 증대되고 있다. 그러나 지난 몇 십 년간 면역보조제에 관한 활발한 연구가 이루어졌음에도 불구하고 여전히 80년 전 처음 활성이 밝혀진 알루미늄염을 기초로 한 면역보조제에 상당부분 의지하고 있으며, 그 이유는 신규 면역보조제로서 승인을 받을 만한 안전성과 내약성을 모두 갖춘 효과적인 면역보조제를 개발하기 어렵기 때문이다. 현재 사용되고 있지만 효과가 미흡한 백신의 효능을   증진시키거나 개발이 어려운 감염성 질환에 대한 예방백신을 개발하기 위해서는 해당 병원균의 감염  예방에 필요한 면역활성을 유도하는 면역보조제의 개발이 매우 중요하다. 국내에서도 여러 연구기관에서 다양한 형태의 면역보조제를 개발하는 연구가 진행되고 있으나 까지 상용화된 경우는 없는 실정이다. 국내 백신연구 분야의 국제적 경쟁력을 향상시키고 국민건강 및 복지를 증진시키는 차원에서 민·관의 협력을 모아 국가 정책을 수립하고 해당분야 연구를 증진시키는 것이 필요하다.

Ⅳ. 참고문헌

 1. Aguilar, J. C., Rodrguez, E. G. 2007. Vaccine adjuvants revisited. Vaccine 25:3752-62.
 2. Cho,  Y. J., Ahn, B. Y., Lee,  N. G., et al. 2006. A combination of E. coli DNA fragments and modified lipopolysaccharides as a cancer immunotherapy.
     Vaccine 24:5862-71.
 3. Han, J. E., Kim, H. K., Park, S. A., et al. 2009. A nontoxic derivative of lipopolysaccharide increases immune responses to Gardasil HPV vaccine in mice.
     Int Immunopharmacol 10:169-76.
 4. Giannini, S. L., Hanon, E., Moris, P., et al. 2006. Enhanced humoral and memory B cellular immunity using HPV16/18 L1 VLP vaccine formulated with the
     MPL/aluminium salt combination (AS04) compared to aluminium salt only. Vaccine 24:5937-49.
 5. Mbow, M. L., De Gregorio, E., Valiante, N. M., et al. 2010. New adjuvants for human vaccines. Curr Opin Immunol 22:411-6.
 6. Sokolovska, A., Hem, S. L., HogenEsch, H. 2007. Activation of dendritic cells and induction of CD4+ T cell differentiation by aluminum-containing
     adjuvants. Vaccine 25:4575-85.
 7. Song, E. S., Park, S. A., Kim, S. H., et al. 2007. Adjuvant effect of CIA07, a combination of Escherichia coli DNA fragments and modified
     lipopolysaccharides, on the immune response to hepatitis B virus surface antigen. FEMS Immunol Med Microbiol 51:496-504.
 8. Vollmer, J., Krieg, A. M. 2009. Immunotherapeutic applications of CpG oligodeoxynucleotide TLR9 agonists. Adv Drug Deliv Rev 61:195-204.