Ⅰ. 들어가는 말


   야토균(Francisella tularensis)은 야토병을 일으키는 원인병원체로서, 그램염색에 대해 음성을 띄며 세포내에서 증식하는 작은 세균이다. 이 중 Type A로 분류되는 tularensis 아종은 10CFU 이하에서도 감염과 심각한 병증을 일으킬 수 있는 고위험성 병원체이다[1]. 이러한 위험성 때문에 야토병은 감염병예방 및 관리에 관한 법률상 제4군 법정감염병으로 지정되어 있으며 생물테러감염병으로 분류하고 있다.
야토균은 크게 4가지 아종으로 분류할 수 있는데(Table 1) tularensis 아종, holarctica 아종, mediasiatica 아종, novicida 아종의 4가지이며, 이중 tularensis 아종이 치사율이 매우 높은 type A로, 상대적으로 감염 시 병증의 심각도가 약한 holarctica 아종이 type B로 불리고 있고 mediasiatica 아종은 병증도 약할 뿐만 아니라 중앙아시아를 중심으로 환자들이 보고되어서 아직 많은 연구가 진행되지 않은 아종이다. 마지막으로 novicida 아종은 사람에선 병증을 일으키지 않는 것으로 알려져 있어, 야토균의 미생물학적 특징을 연구하기 위한 모델 시스템으로 많이 사용되고 있으며, 일부에선 생물안전 3 수준(Biosafety Level, BL3) 실험시설 없이 백신을 연구하는 모델로 사용되고 있다.



최근의 생물정보학적 연구 결과에서는 novicida 아종이 다른 아종들과 많은 상이점을 보여서 F. tularensis의 아종(F. tularensis subspecies novicida) 대신 아예 F. novicida종으로 독립시켜서 분류하는 것이 권고되고 있기도 하다. 4가지 아종 중에서 주로 tularensis 아종과 holarctica 아종에 의한 인체감염시 야토병(tularemia, rabbit fever)의 병증을 일으키는데, 일반적인 임상증상은 심한 오열, 발열, 부종과 감기몸살과 같은 증상을 보이며, 발생하는 증상의 종류는 감염 경로 및 감염량에 따라 다르다. 적절한 항생제 치료를 받지 못할 경우에는 사망에 이를 수 있다. 감염경로는 호흡기 및 구강을 통해 들어오기도 하지만 자연적으로 가장 많이 발생하는 경우는 주로 토끼를 주요 숙주로 하는 진드기(tick)에 물려 피부를 통해 감염되는 것이다. 세균이 공기 중에 부유하여 호흡기 감염을 일으키는 경우는 보고된 바가 없어서 사람 간에 전염이 이루어지기는 어려운 것으로 생각되나 감염된 환자의 근거리에서 기침 등에 의해 구강에서 튀어나오는 타액 방울 등이 직접 비강이나 구강으로 들어와서 감염되기도 하므로 사람 간 전염이 전혀 불가능한 것만은 아니다. 야토균은 일반적으로 감염 후 대식세포의 식균 작용으로 파고좀(phargosome) 내부로 들어가게 되지만(Figure 1), 많은 수의 감염된 야토균들이 대식세포에 의해서 완전히 사멸되지 못하고, 세포 안에서 증식한 다음 충분히 늘어난 세균들이 새로운 주변 세포들을 감염시키기 위해 세포를 터뜨리고 나와서 병증을 진행시키는 것으로 알려져 있다[2].
야토균과 야토병의 발견은 동서양 의학사에서 서로 다른 내용을 주장하고 있는데, 오래된 기록으로는 B.C. 17세기 가나안 지방에서의 대유행과 B.C. 14세기 지중해지역 및 서남아시아에서의 대유행이 기록되어 있으며 최근에는 미국의 동북부의 해안가 섬인 마사의 빈야드(Martha's vineyeard)에서 2000년 5월부터 10월까지 다수의 환자가 발생하여 미국 보건당국의 집중적인 연구지원의 시작점이 되기도 하였다. 동양에서는 일본에서 1700년대 말에 이미 "야토비토(Yatobito)"라는 이름의 동물매개 전염병이 기록되어 있으며, 이에 대한 치료의 기록도 발견되고 있다. 일반적인 미생물학 교과서는 1911년 미국의 캘리포니아주 튤라레 카운티(Tulare County)에서 처음 토끼를 비롯한 야생동물에서 발생하는 전염병으로 발견되어 야토병의 영어 이름인 튤라레미아라는 병명으로 알려지게 되었으며, 처음으로 발견하고 평생을 야토연구에 매진한 Edward Francis 박사의 이름과 합쳐서 야토균의 학명이 프란시셀라 튤라렌시스라고 불리게 되었는데, 세균의 분리 및 동정은 야토병 발견 이듬해에 G.W. McCoy 박사에 의해 이루어졌다. 이후로 야토병은 북미에선 주로 type A에 의한 감염병이, 유럽에서는 type B에 의한 감염병이 해마다 보고되고 있으며, 중앙아시아에서는 type B에 의한 감염과 mediasiatica 아종에 의한 감염 모두가 최근까지도 보고되고 있다.



높은 감염률과 치사율을 나타내는 type A주는 자연 발생적인 유행의 위험성보다는 생물학전의 무기나 생물테러 가능 병원체로서의 가능성이 높다. 구 소련이 2차 세계대전 때부터 야토균을 생물무기로 개발하였고, 생물무기 개발자인 Kenneth Alibek에 의해 만들어진 야토균 무기가 독일군에게 실제 사용되기도 하였다. 이후로 미국은 1950년대부터 아칸소주의 파인블러프(Pine Bluff, Akansas)지역에서 소련의 무기화에 대응하기 위하여 생물무기로서의 야토균 특성 및 백신과 치료법 등의 연구를 지속하고 있다. 현재도 구 소련의 영향권에 있었던 동구권 국가들은 야토균의 무기화 연구 능력이 있을 것으로 생각되며, 서방국가들에서는 미국, 캐나다, 영국, 독일, 스웨덴 등에서 오랜기간 동안 야토균 연구를 지속해오고 있다. 이러한 야토균에 의한 생물테러를 대비하는 방법으로는 유사시 백신을 접종하는 것이 가장 효과적일 것이나 야토병 백신은 아직까지 공식적으로 승인받을 수 있을 만큼 안전성과 효능을 인정받은 제형이 개발되지 못한 실정이다.





Ⅱ. 몸 말

   생물무기로서의 야토균의 가능성이 인지되어진 1940년대부터 야토병 백신의 개발은 꾸준히 시도되었다. 어떤 병원체든지 백신을 개발하는 방식은 유사하며, 야토균에 대한 백신도 다른 병원체들에 대한 백신 개발과정처럼 사백신(killed vaccine)과 생백신(live attenuated vaccine) 등 균체백신(whole vaccine)의 개발과 분할백신(split vaccine) 및 재조합백신(recombinant vaccine) 등의 면역원의 단위백신(subunit vaccine) 형태 등으로 다양하게 개발이 시도되어 왔다. 그 중 사백신은 가열하여 죽인세균이나 포르말린 처리로 죽인 세균 등 시도된 대부분의 제형이 모두 방어효능에 관한 우수한 결과를 얻지 못하여 현재까지는 개발될 가능성이 크지 않은 것으로 생각된다. 야토균 백신연구의 초기에 Foshay 등이 개발하고자 했던 사백신은 산 추출법(acid extraction)으로 세균을 죽인 후, 페놀에 저장한 형태의 것으로 상대적으로 매우 안전한 편이어서 미국 오하이오에서 1933년과 1941년에 수천 명을 대상으로 접종을 실시하기도 했으나, 제한된 임상 규모와 당시의 부족한 정보 등으로 인해 효과에 대한 명확한 결과를 얻지 못하였다. 이 Foshay의 사백신은 동물 실험에서도 병증을 예방하는 방어력에서 병독성이 높은 균주에 대해서는 그렇게 효과적이지 못하였지만 공식적으로 연구자들 사이에서 인정되는 최초의 야토백신 연구였다[3]. 그 후 야토 생백신 연구로 약독화 균주가 소련에서 개발되어서 현재까지 가장 대표적인 야토백신 후보균주로 알려져 있으며 비공식적으로는 연구자등 일부에서 사용이 되기도 한다. 백신주 형태이므로 안전성을 강화하기 위해 병원성을 낮춰 약독화시키는데 이 과정으로 인해 저하되는 면역력 유도 효능을 다시금 극대화하기 위하여 병원성은 낮으면서도 면역원성은 큰 돌연변이주의 개발이 현재까지 지속적으로 연구되고 있으며 이러한 생백신주의 개발이 야토백신의 주된 연구목표이다. 최근에는 선진국인 미국, 캐나다, 스웨덴 등에서 백신의 효능을 유지하면서도 안전성의 문제를 근본적으로 보장하는 재조합 백신연구도 진행 중에 있다[1].
이처럼 수십년동안 백신 개발 연구가 진행되었어도 아직 공식적으로 허가된 백신이 없는 야토백신의 개발 역사와 최근의 연구현황에 대하여 제형별로 알아보자.


1. 생백신(Live attenuated vaccine)
   Foshay의 생백신 이후 방어효능을 논할 수 있을 만한 야토병 백신개발 연구는 1950년대 구 소련에서 처음 시도되었다. 소련의 과학자들은 야토병 야생균주를 반복적으로 다양한 조건하에서 계대배양하여 상대적으로 병원성이 낮은 콜로니들을 골라내는 작업을 통하여 holarctica 아종의 약독화 생백신 균주(live attenuated vaccine strain, LVS)를 분리했다. 이 LVS 균주를 기반으로 1960-1970년대에 미국 정부기관들이 야토병에 대한 백신을 개발하여 상당히 좋은 예방능력을 보이기도 했다. 마우스를 동물모델로 하여 LVS를 접종한 후 야토균을 감염시킨 백신 효능시험 결과들은 실제로 type A와 type B 균주 모두에 대하여 상당한 방어능력을 보였으며, 미국육군의학연구소(U.S. Army Medical Research Institute of Infectious Diseases, USAMRIID)에서는 실험실 연구자들의 감염을 막기 위하여 연구원들에게 LVS 백신주를 접종하기도 했다[4]. 그럼에도 야토균의 생백신 균주인 LVS는 고위험병원체의 생백신 형태가 갖는 안전성의 문제로 일반인에 적용할 야토병 백신으로서는 한계를 갖고 있다. LVS 백신은 살아있는 세균을 약독화시켜서 사용하는 생백신으로 치사율이 높은 고위험병원체인 야토균을, 페렴을 전혀 일으키지 않을 만큼 완벽하게 약독화시켜서 무해성을 검증한다는 것이 간단한 문제는 아니기 때문이다. 더불어 야생주를 계대배양하여 얻은 약독화 균주인 LVS는 생백신으로서의 작용기전이 충분히 밝혀지지 않은 상태이고, 자연 상태에서 많은 데이터가 없는 이러한 변이주의 병원성 또한 검증하고 논의하는데 한계가 있으므로 위험성을 완전히 배제하는 것이 쉽지는 않다. 그러므로 자연적 균주변이를 통한 고위험병원체의 생백신 개발방식은 건강한 일반인에게 접종하기에는 효능보다 더 중요한 요소인 안전성에 대한 우려를 불식시키기 어려우며, 이러한 문제로 인해 LVS를 이용한 생백신 제형은 제법 우수한 효능을 보임에도 아직도 미국 FDA(Food and Drug Administration)가 공식적으로 허가를 내주지 않고 있다.
최근에는 유전공학적 기법의 눈부신 발전을 토대로 단일 유전자에 대해서만 돌연변이를 만들어서 약독화 과정을 보다 정교하고 분석적으로 수행하는 연구들이 많이 시도되고 있다(Table 2). 야토균의 병원성에 중요한 역할을 하는 요소인 독성요인(virulence factor)에 직접 관여하는 유전자들을 제거하거나 변형시켜서 발현되지 못하게 하는 등의 방법으로 새로운 생백신 균주 후보들을 다양하게 만들어서 시험해보고 있다. 야토균 연구 분야에서 가장 앞선 연구기관들인 스웨덴의 웁살라대학교 의과대학이나 미국의 국립보건연구원 로키마운틴 연구소등에서는 효능과 안전성이 모두 강화된 100여종의 돌연변이 세균들을 생백신 후보주들로 개발하여 연구 중이나, 아직은 안전성과 효능이 동시에 완벽하게 입증된 생백신주는 보고되지 않고 있다. 이러한 시도는 대부분 야토균의 병원성 유전자군(Francisella Pathogenic Islands, FPI)의 유전자들을 변형시키거나 제거한 균주들로, 세균의 외막형성에 관여하는 Omp 유전자나 세포 내에서 세균이 증식할 때 전사조절을 담당하는 Mgl AB, Pmr A등을 변형시킨 것 등이다(Table 2). 캐나다의 국립과학연구소(National Research Council), 미국 텍사스대학교 의과대학 등에서는 이러한 균주들 중 안전성이 높은 것을 몇 가지 혼합하여 백신을 개발하는 연구도 수행하고 있다. 이 외에도 새로운 생백신 연구의 시도로 tularensis 아종을 직접 사용하여 효능 강화하거나, holarctica 아종에 비해 병원성이 전혀 없거나 최소한 거의 없는 것으로 알려진 novicida 아종의 항원 유사부분을 변형시킨 균주를 개발하여 생백신으로 사용하는 방법에 대해서도 연구 중이다[5].



Francisella의 novicida 아종을 사용하는 경우도 holarctica 아종과 마찬가지로 FPI의 병원성 유전자나 전사인자를 조절하는 Mgl AB, Tul4 등을 변형시킨 돌연변이주를 만들어서 백신주로서의 효능과 안전성을 시험해보는 것이 일반적인 추세인데, 상대적으로 우수한 안전성에 비해서 효능에 있어서는 아직까지 두드러지게 우수한 균주가 발견되지 않고 있다. 이처럼 다양하게 연구되고 있는 생백신 후보주들은 LVS를 제외하고는 아직은 모두 마우스 동물모델 수준에서의 방어능만 연구되고 있으며, 인체를 대상으로 한 임상시험에 들어간 후보주들이 많지 않은 실정이다.
한편으로 상당수의 연구자들은, 현재까지 시도되고 있는 다양한 생백신 균주의 연구 결과로 볼 때, 안전성을 확실하게 확보할 수 있는 돌연변이를 제조할 수만 있다면 다른 아종들의 균주를 사용하는 것 보다는 tularensis 아종(Schu S4 등의 type A 균주)을 이용한 약독화 생백신의 개발이 가장 가능성이 큰 생백신 제형일 것으로 생각하고 있다[6]. 실제로 holarctica 아종에 속하는 LVS를 사용하였을 때의 면역반응이 type A 균주를 감염시켰을 때의 면역반응과 많이 다른 양상을 보이는 것으로 분석되었고, 특히 호흡기를 통해 감염되는 야토균이 일으키는 숙주 내의 반응은 매우 차이가 큰 결과를 보여, 유전적 배경이 다른 약독화 균주보다는 동일한 아종의 균주를 기반으로 백신을 개발하는 것이 궁극적으로 적합한 목표일 것으로 고려되고 있다.



2. 성분백신(Component vaccine)
   초기의 야토균 성분 백신 연구는 야토균 표면의 방어능을 갖는 단백질(Protective protein)이나 다당류 등의 성분을 찾아서 백신을 개발해보려는 것으로, 그램음성세균의 대표적인 독성인자인 lipopolysaccharide(LPS)가 야토균에서도 존재하며 가장 가능성이 큰 성분백신의 후보물질로 연구되었다. Foshay의 사백신 형태의 백신연구도 이후로 다양한 분할백신 형태로 연구되었으나, 좋은 결과가 보고된 것은 없다. 세포 수준의 연구에서 LVS를 접종한 동물이나 인체에서 T 세포를 자극하는 단백질 성분들이 다수 발견되었는데, 이러한 물질들을 부스트(boost)할 수 있는 분할 백신성분의 연구결과에서 생체 수준에서의 방어능은 LVS를 접종한 경우보다 오히려 낮은 결과를 보였으며[7], LPS를 비롯한 다른 항원성 성분들도 동물실험 결과에서 상대적으로 병원성이 낮은 균주에 대해서는 어느 정도의 방어능을 보이는 반면, type A 균주에 대해서는 주목할 만한 백신효능을 보이지 않았다[8].
그럼에도 불구하고 여전히 GroEL, KatG, Tul4 등 다양한 lipoprotein 항원들을 이용하여 백신으로서의 가능성에 대한 연구가 지속되고 있지만, Foshay의 백신설험으로부터 시작된 지금까지의 성분백신의 실패는 결국 야토균의 면역반응을 위해서는 세포면역을 포함한 복합적인 면역반응을 유도할 수 있는 두 개 이상의 다중 항원이 인식되어야 할 것이라는 가정을 제시하고 있으며, 이러한 이유로 최근에는 LVS 생백신 균주와 표면항원으로 작용하는 LPS 성분을 복합적으로 사용한 백신 접종의 방법도 연구되고 있다[9](Table 3).



3. 최근의 새로운 연구 방향
   야토균 백신 개발연구에 최근 새로이 추가된 경향은 기존의 생백신 균주개발을 위한 돌연변이주 연구 및 분할백신 성분의 연구에서 좀 더 발전된 형태로서, 재조합백신 및 방어면역을 유도할 수 있는 다당류와 단백질을 결합시킨 접합백신(conjugate vaccine), 리포좀이나 바이러스 유사입자(virus-like particle, VLP)를 이용한 나노전달체형 백신 등에 관한 연구가 수행되고 있다. 이러한 백신 형태는 일단 안전성 면에서 기존의 연구되고 있던 생백신 제형보다 훨씬 우수할 수 있을 것으로 기대되며, 또한 면역원성에서 효능증대가 쉽지 않았던 균주들 간의 항원 부분만을 혼합하여 보다 다양한 면역반응 유도시험을 해볼 수 있을 것으로 생각된다.
또한 기존의 항체 기반 백신연구에 세포면역을 기반으로 하는 T세포 면역반응을 고려한 연구를 추가하여, 백신 효능 증대를 위한 면역반응을 보다 구체적으로 유도하고자 하는 시도들이 다양하게 진행되고 있다.




Ⅲ. 맺는 말

야토균은 병리학적 특성상 인체에 심각한 정도의 증상을 유발하는 세균인데 반하여, 자연 상태에서의 발병이 거의 없는 국내 사정상 임상 분야에서 진단이나 치료의 경험이 매우 드문 만큼 생물테러 등 인위적인 감염을 통해 국가적 위기상황을 초래할 수 있는 대표적인 병원체이다. 더구나 10개의 세균만으로도 감염 후 사망까지 유발할 수 있는 고위험성 특징은 진단이 적시에 이루어지기 힘든 상황에서 치료제의 투여를 적시에 하기 어려울 가능성이 매우 크므로, 일단 상황이 발생하면 예방을 위한 백신의 투여가 가장 효과적인 대비책이 될 것이다. 탄저나 페스트등 다른 고위험성 병원체와 마찬가지로 신속한 방어효능을 가진 예방백신의 개발이 무척 중요한 감염병임에도 우리나라는 물론이고 전 세계적으로도 공식적으로 효능이 입증되고 허가된 백신이 없는 상황에서 국내의 백신 개발 및 비축의 필요성은 공공성을 띄는 백신 중에서는 최우선적으로 다룰만한 것이라고 할 수 있다. 물론 긴급 상황에서는 부분적으로 효능이 입증된 LVS나 LPS를 사용하는 것을 고려해 볼 수도 있을 것이나, 백신의 가장 기본 개념인 “안전성과 확실한 효능”이라는 측면에서는 완벽하게 약독화된 생백신이 되었건, 재조합백신이나 분할백신의 제형이 되었건 위험을 감수하지 않고도 안심하고 대책을 제시할 수 있는 백신의 개발은 야토균의 위험성을 고려할 때 국가적으로 갖추어야할 필수적인 대응수단의 핵심일 것이며, 미국을 비롯한 감염병 연구의 선진국들의 수준을 따라갈 수 있는 개발 및 비축 능력이 요구된다고 할 수 있다.
이후로 국립보건연구원의 발전적인 백신연구개발 능력을 바탕으로 아직은 전 세계 어디에서도 구할 수 없는, 안전하게 사용가능한 야토병 백신이 국내에서 개발되는 것을 기대해 본다.





IV. 참고문헌

1. Pechous RD, McCarthy TR, Zahrt TC. 2009. Working toward the future: insights inth Francisella tularensis pathogenesis and vaccine development. Microbiology and molecular biology reviews, 73(4):684-711
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3. Foshay, L., W. H. Hesselbrock, H. J. Wittenberg, and A. H. Rodenberg. 1942. Vaccine prophylaxis against tularemia in man. Am. J. Public Health Nations Health 32:1131-1145.
4. Centers for Disease Control and Prevention. 1998. Summary of notifiable diseases, United States, 1997. MMWR Morb. Mortal. Wkly. Rep. 46:71-80.
5. Shen, H., W. Chen, and J. W. Conlan. 2004. Mice sublethally infected with Francisella novicida U112 develop only marginal protective immunity against systemic or aerosol challenge with virulent type A or B strains of F. tularensis. Microb. Pathog. 37:107-110.
6. Wu, T. H., J. A. Hutt, K. A. Garrison, L. S. Berliba, Y. Zhou, and C. R. Lyons. 2005. Intranasal vaccination induces protective immunity against intranasal infection with virulent Francisella tularensis biovar A. Infect. Immun. 73:2644-2654.
7. Golovliov, I., M. Ericsson, L. Akerblom, G. Sandstrom, A. Tarnvik, and A. Sjostedt. 1995. Adjuvanticity of ISCOMs incorporating a T cell-reactive lipoprotein of the facultative intracellular pathogen Francisella tularensis. Vaccine 13:261-267.
8. Thomas, R. M., R. W. Titball, P. C. Oyston, K. Griffin, E. Waters, P. G. Hitchen, S. L. Michell, I. D. Grice, J. C. Wilson, and J. L. Prior. 2007. The immunologically distinct O antigens from Francisella tularensis subspecies tularensis and Francisella novicida are both virulence determinants and protective antigens. Infect. Immun. 75:371-378.
9. Bakshi, C. S., M. Malik, M. Mahawar, G. S. Kirimanjeswara, K. R. Hazlett, L. E. Palmer, M. B. Furie, R. Singh, J. A. Melendez, T. J. Sellati, and D. W. Metzger. 2008. An improved vaccine for prevention of respiratory tularemia caused by Francisella tularensis SchuS4 strain. Vaccine 26:5276-5288.