Abstract


Trends in vaccine and therapeutic researches for henipaviruses

Lee Hansaem, Lee Joo-Yeon
Division of Emerging Infectious Disease & Vector Research, Center for Infectious Diseases Research, KNIH, KCDC

Background: Henipaviruses, including Hendra and Nipah viruses, are newly emerging viruses belonging to the family paramyxovidae viruses. Since their outbreaks in the 1990s, henipaviruses have gained recognition as emerging causes of zoonotic infections due to their high pathogenicity, lethality, and ability to infect a broad range of mammalian species. Although no cases have been reported in Korea until now, these viruses have the potential to cause massive economic losses and threaten public health. Therefore, we introduce the status of diagnosis, vaccines and therapeutic researches of henipaviruses to understand and prepare disease control measures.
Current status: Many studies have been conducted on the development of diagnostic techniques, including real-time polymerase chain reaction and serological tests for henipaviruses. We need to prepare the guideline and laboratory diagnostic systems for the rapid detection of unexpected imported cases. Currently, there are no approved effective prophylactic or therapeutic treatments for henipavirus infections. Recently, many animal experiments have indicated that potential vaccines against henipaviruses include subunit vaccines using viral glycoprotein (G), recombinant viruses bearing glycoproteins and fusion proteins of henipaviruses. Among them, a recombinant Hendra viral G protein has been approved as a vaccine for horses in Australia. In addition, much efforts have been exerted in development of anti-henipavirus therapeutics. We describe several potent therapeutic agents for treating henipavirus infections in animals. It was found out that a human monoclonal antibody, m102.4 has been identified in Australia as a safe and effective therapeutic molecule for reducing the severity of heniphavirus infections.
Future Perspective: There is an urgent need to conduct researches on diagnostics, vaccination, and therapeutics for henipavirus infections internationally. Therefore, governments, multilateral institutions, and other organizations should cooperate, prepare and address cases of imported heniphavirus infections.

Keywords: Henipavirus, Vaccines, Therapeutic, Zoonotic infection, Public health


  들어가는 말


헨니파 바이러스(Henipavirus)는 헨드라 바이러스(Hendravirus, HeV)와 니파바이러스(Nipahvirus, NiV)를 지칭한다. 이 두 바이러스는 모두 Paramyxoviridae에 속하며, 18.2 kb 크기의 negative-strand RNA를 유전자로 갖고 있다. 이 유전자는 nucleocapisd (N), phosphoprotein (P), matrix (M), fusion (F), attachment glycoprotein (G), large polymerase (L)로 구성되어 있다(Figure 1). 다른 paramyxovirus와 비교 시 전장 유전자 크기가 긴 편이며, 특히 P 유전자가 더 길며, RNA splicing에 의해 P 단백질 외에 V, C, W 단백질을 발현한다[2, 5]. P, V, C, W 단백질의 경우, N-말단 부분 아미노산은 동일하나 C-말단 부분이 다르다.
헨니파 바이러스는 인수공통 바이러스로, 대부분 열매를 먹는 과일 박쥐(Fruit bats 2종, Pteropus alecto, Pteropus poliocephalus)에 의해서 전파되며, 감염 초기에는 감기 증세를 보이지만, 심각해지면 중증 폐렴과 치명적인 뇌염으로 사망까지 이를 수 있는 질환이다. 다른 Paramixoviridae 바이러스와 같이, 헨니파 바이러스는 부착단백질(attachment glycoprotein, G)과 융합단백질(Fusion protein, F)이 숙주 세포의 수용체(receptor)에 부착됨으로써 감염되는데, 특히 G 단백질은 세포의 ephrin-B2, -B3 수용체에 부착된다고 알려져 있다.
HeV는 1994년 호주 Brisbane에서 처음 발견되어 감염된 말은 치사율 75.0%[1], 말과 접촉한 사람에서는 57.1%(4/7)의 치사율을 보이고 있다. 다행히 감염된 개체 수는 많지 않지만, 호주에서 매년 지속적으로 발생하고 있다(Figure 2A, Table 1). 중국과 아프리카에서 서식하는 박쥐에서도 헨니파 바이러스가 존재함이 밝혀졌지만, 사람에게 감염시켰다는 사례보고는 없었다[1, 2].
NiV는 1998년 말레이시아에서 첫 감염이 보고되었고, 특히 돼지와 사람에게 감염되었다. 1999년 말레이시아에서는 265명의 감염자와 105명의 사망자가 발생할 정도로 치사율이 높았다(Figure 2B, Table 2). 이후 방글라데시에서는 과일 박쥐에게 오염된 대추야자 수액 섭취에 의한 인체 감염을 비롯하여 2001년부터 매년 20명 이하 규모로 꾸준히 발생하고 있으며, 방글라데시 유행의 치명률은 74.3%(101/136) 이상으로 보고되고 있다.
이처럼 치명률이 높은 인수공통감염병을 유발하는 헨니파 바이러스에 대해 이 원고에서는 국내·외 진단, 백신 및 치료제 개발 연구 동향을 조사하여 질병에 대한 이해를 높이고, 해외 유입에 대비하여 조기 감지 및 특성 분석에 필요한 정보를 제공하고자 한다. 


  몸 말

헨니파 바이러스의 높은 치사율로 인해 생물안전등급 기준은 국내에서 KCDC Biosafety level (BSL) 4등급이며, 미국 질병관리센터(CDC) 및 세계보건기구(WHO)기준도 BSL 4등급이다. WHO 헨니파 바이러스 진단 알고리즘 및 진단 가이드라인은 없지만, 관련 진단법은 꾸준히 연구 개발되고 있다.
가장 많이 사용되는 헨니파 바이러스 진단법으로는 실시간 역전사 유전자 분석법(Real-time RT-PCR)을 이용한 진단(Table 3), 그리고 혈청을 이용한 중화항체시험(Serum Neutralization Test, SNT) 및 효소면역정량법(Enzyme Linked Immunosorbent Assay, ELISA)들이 있다. 최근에는 미세구슬(bead) 타입의 Luminex를 이용한 혈청 진단법이 헨니파 바이러스 연구 선두그룹인 Linfa Wang박사팀에 의해 개발되고 있다. 뿐만 아니라, BSL4 실험실이 없는 경우, 헨니파 바이러스의 막 단백질(Glycoprotein, fusion protein)을 발현시킨 vesicular stomatitis virus (VSV) 또는 lentivirus 기반 슈도바이러스(pseudovirus)를 이용한 중화항체시험법이 제시되고 있다[2].
실시간 유전자 분석법의 경우, 초기 호흡기 검체, 소변, 혈액, 척수액 등에서 신속히 바이러스 유전자를 검출할 수 있지만, 회복기 환자에게서는 검출이 안 되는 경우가 있다. 반면 혈청학적 방법은 감염 후 10일 이상 지나야 측정 가능하기에 초기 진단에는 불리하지만, 오랜 기간 후에도 헨니파 바이러스에 대한 항체를 생산하는 메모리 B세포가 남아있어 역학 조사 및 회복기 환자에게서도 진단 검증이 가능하다.
그 외에도 유전자 염기서열 분석, 차세대 염기서열 분석(Next-generation sequencing, NGS), 전통적인 유전자 증폭 분석법(PCR), 바이러스 동정법, 면역조직염색법(Immunohistochemistry, IHC), 전자현미경 관찰이 있다.
국내 유입에 대비하여 질병관리본부 국립보건연구원 감염병연구센터 신종감염병‧매개체연구과에서는 최근까지 보고된 여러 헨니파 바이러스를 검출하는 실시간 유전자 분석법을 비교 평가 중이며, 혈청학적 진단을 위한 항원, 항체, 슈도바이러스 등 표준품 개발을 통해 국내 미발생 감염병인 헨니파 바이러스에 대한 진단법을 개발 중이다.
현재까지 사람에 대한 헨니파 바이러스 백신 및 치료제는 없다. 다만, 호주에서 2015년 호주 농약 및 동물약품관리청(Australian Pesticides and Veterinary Medicines Authority, APVMA)에서 말(horse)에 대한 HeV 백신(EquiVacⓇ Hendra virus, Pfizer)을 승인하였다(Figure 3). 이 HeV 백신은 재조합 HeV G 단백질을 이용한 subunit 백신제이다. 이처럼 HeV 외에 NiV의 G 단백질을 이용한 subunit 백신과 다클론 또는 단클론 중화 항체 백신이 연구 개발 중이다. 그 외에도 약독화된 홍역바이러스(Measles virus), 유행성이하선염바이러스(Mumps virus), 재조합 백시니아 바이러스(Vaccinia virus), 아데노부속바이러스 (Adeno-associated virus, AAV), canarypox 바이러스에 분자생물학 기술을 응용하여 헨니파 바이러스의 G나 F 단백질이 발현되도록 만든 재조합 바이러스를 동물에 적용한 결과, 우수한 백신효과가 확인된 연구가 보고된 바 있다(Table 4)[5].
헨니파 바이러스는 자연계 또는 인위적인 감염 시 넓은 범위의 숙주 감수성(tropism)을 가지고 있다. 이 바이러스들은 말, 돼지, 고양이, 개, 햄스터, 기니픽, 원숭이, 사람에게 치명적이다. 인체 내에서도 ephrin-B2, -B3 수용체 분포에 따라 뇌와 폐 조직에 주로 감염되어 급성호흡기질환과 중추신경계에 염증을 일으킨다. 헨니파 바이러스가 인체 면역체계에 의해 제거되기도 하지만, 감염 된지 몇 달 또는 11년 후에도, 니파바이러스에 의한 뇌염이 재발된 사례가 방글라데시에서 보고된 바 있다. 이렇게 오랜 기간 동안 중추신경계에서 다시 바이러스 복제가 일어나게 된 원인 기전은 아직 알려지지 않았다. 그러므로 완전한 바이러스 제거 및 치료를 위해 헨니파 바이러스 치료제 개발은 꼭 필요하다.
아직 사람을 대상으로 승인된 헨니파 바이러스 치료제는 없다. 대신, RNA나 DNA 바이러스 복제를 막는 Ribavirin이 1998년도 말레이시아 NiV 치명률을 36%로 낮춘다고 보고된 바 있다[7]. 말라리아 약제인 chloroquine도 in vitro 실험상 NiV 증식을 억제하였으나 임상 효과는 명확히 밝혀지지 않고 있다. 면역조절인자인 인터페론 치료제가 햄스터에서 NiV 감염을 감소시킨다고 알려져 있다. 즉, 헨니파 바이러스의 P/C/V/W 단백질이 세포의 항바이러스 성분인 인터페론 발현을 억제하는데, 이 때 인터페론을 처리하면 6마리의 햄스터 중 5마리가 생존했다는 보고가 있다[7]. 이처럼 헨니파 바이러스 감염과 치사에 효능을 갖는 기존 약제가 보고되고 있으나, 더 효과적이며 안전한 치료제 개발이 필요하다.
이에 국외에서는 헨니파 바이러스가 세포 수용체에 부착되어 감염되는 기전을 막기 위해 헨니파 바이러스의 절편화된 재조합 G 단백질(soluble G protein), 절편화된 재조합 ephrin-B2 또는 –B3 (soluble ephrin-B2, -B3 protein), 다클론/단클론 중화항체를 개발하고 있다. 또한, 헨니파 바이러스의 F 단백질이 세포와 융합하는 기전을 억제하는 펩타이드나 quinolone 계통과 같은 소분자 물질 등이 발굴되기도 하였다[6]. 그러나 재조합 ephrine-B2나 -B3의 경우, 세포 내 EphB2, B3, B4 수용체 시그널링에 영향을 주어 부작용이 우려되고 있다. 다클론이나 단클론 중화 항체의 경우, 감염 전에 투여하면 예방적인 효과도 가지며, 펩타이드에 비해 안정성이 뛰어나 반감기가 길다. 하지만, 헨니파 바이러스의 중요 병리 현상인 중추신경 감염을 막기 위해서는 뇌의 blood-brain barrier (BBB)를 투과할 수 있는 치료제가 유리한데, 고분자인 항체들이나 단백질들은 이 BBB를 투과하기 힘들다. BBB란 뇌의 항상성(homeostasis)을 유지하기 위한 물리적인 장벽인데, 500 Da 이하의 펩타이드나 소분자 치료 물질인 경우, BBB 투과가 가능하다. 실제 헨니파 바이러스에 감염된 환자의 뇌 척수액에 바이러스가 존재하면 생존률이 낮아진다는 보고가 있다[6]. 이에 항체나 단백질을 이용한 치료제의 경우, 아직 뇌로 바이러스가 감염되지 않은 환자에게 적합할 것이고, 펩타이드나 소분자 치료 물질인 경우, 뇌염 중증 환자에게 적용 가능할 것이다.
이 외에도 헨니파 바이러스에 관련된 기초 및 역학 연구들은 호주 Commomwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), 미국 질병관리센터 (Centers for Diseases Control and Prevention, CDC), 미국 University of Texas Medical Branch (UTMB), 미국 Uniformed Services University (USUHS), 미국 National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), 말레이시아 University of Malaya, 싱가포르의 Duke NUS university, 프랑스 French National Institute of Health and Medical Research (Institut national de la santé’t de la recherche médicale, INSERM), 방글라데시 International Center for Diarrheal Disease Research (ICDDR), 독일 Marberg University, 영국의 University of Cambridge에서 활발히 수행 중이다.
여러 헨니파 바이러스 치료제들이 햄스터나 원숭이 동물 실험에서는 효과가 입증되었지만, 아직 임상 실험에 적용된 사례는 없다. 미국 USUHS와 UTMB, NIAID에서 연구 개발한 인간 단클론항체 m102.4는 HeV G 단백질을 중화할 수 있는 항체로 소동물 실험과 African green 원숭이 실험에서 예방 및 치료 효과를 보여주었다. 이 항체의 경우, HeV G 단백질이 수용체인 ephrin과 닿는 헤드 도메인 부분에 부착되어 바이러스의 세포내 유입을 방해함으로 HeV 뿐만 아니라 NiV에서도 효과적으로 중화함을 원숭이 실험에서 확인되었다(Figure 4)[7]. 2010년 5월 호주 North of Brisbane에서 HeV에 감염된 말과 접촉한 HeV 의심 환자 2명을 대상으로 질병이 진행되기 전에 이 m102.4 항체를 투여한 결과 더 이상 진행되지 않고 HeV 또한 검출되지 않은 사례가 있다. 이를 근거로 2010년 호주 Queensland 정부에 m102.4 항체를 발현시키는 세포주가 제공되어 HeV에 노출된 위험군에 m102.4 항체로 치료할 수 있는 계기가 되었고, 2012년에도 HeV에 노출된 무증상 의심환자에게 투여된 적이 있다[7].


  맺는 말


헨니파 바이러스의 경우, 2015년 및 2017년 WHO에서 전 세계 국가에서 우선적으로 연구해야 할 위험 감염 병원체들 중 하나로 선정되었다[8]. 헨니파 바이러스 감염증 등 신종감염병이 전 세계가 적극 대응해야 하는 보건안보의 문제로 인식되면서 백신, 치료제 및 진단 개발을 위한 연구가 중요하다고 인식되고 있다. 2017년 7월 21일에 WHO, Bill & Melinda Gates 재단, World bank 등이 공동 참여한 Coalition for Epidemic Preparedness Innovations (CEPI)는 WHO 신종 감염연구 blueprint에 의거해서 NiV 백신, 치료제, 진단 등 기능을 향상시킬 수 연구 방안을 발표하였다[9].
헨니파 바이러스는 현재 국내에 유입된 바가 없고, 발생했던 해당 국가에서도 환자가 많지 않아 국내에서 발생할 가능성은 적다. 또한, 헨니파 바이러스를 옮기는 주요 매개체인 과일 박쥐는 아시아, 오세아니아, 아프리카 지역에 널리 서식하지만, 우리나라에는 서식하고 있지 않아서 국내에서 자체적으로 발생할 가능성도 매우 희박하다. 하지만, 호주에서는 HeV, 방글라데시에서는 NiV가 꾸준히 매년 20명 이하의 환자가 발생하고 있어 해외 유입에 의한 환자 발생 가능성을 배제할 수 없다. 특히, 초기 증상이 감기와 유사하여 다른 질병으로 인지될 가능성 또한 높아서 헨니파 바이러스 확인 진단 체계 구축이 필요하다. 또한, 헨니파 바이러스는 인수공통 감염 바이러스로써 사람에게 노출되기 전 미리 가축이나 동물에게 백신을 적용하여 인체 감염을 사전 차단할 수 있는 원-헬스(One-health) 차원에서의 농림축산식품부, 환경부 등 다부처 및 의료인들 간의 협업이 요구된다.
헨니파바이러스 백신 및 치료제 개발 시 임상 결과가 나오기 위해서는 수년간의 연구가 필요하지만, 2014년 서아프리카를 강타해 28,637명의 환자와 11,315명의 사망자를 초래한 에볼라 바이러스의 경우 WHO 조건부 허락으로 긴급히 에볼라 감염 환자에게 투여되었던 단클론항체 ZMapp(미국 Mapp biopharmaceuticals)의 사례나 HeV 노출 위험군(의료인, 가축 종사자 등)에게 호주에서 허가된 m102.4 항체 사례처럼 국가 차원에서 헨니파 바이러스 유입 대응 준비가 필요하다. 현재 질병관리본부와 국립보건연구원에서는 신종감염병 진단 기술 구축 및 신종감염병연구를 위하여 자원 확보 등 국제협력을 진행 중이다.
특히 헨니파 바이러스, 에볼라 바이러스처럼 치사율이 높은 고위험 병원체 등급의 연구는 질병관리본부가 보유한 BSL 4등급 실험실에서만 가능하기에 국가가 주도적으로 신변종 바이러스 유입에 대비하여 공중 보건 위기 대응 연구를 적극 추진하여야 한다. 


  참고문헌

1. World Health Organization. Nipah Virus Infection. Geneva: WHO; 2016. Available from: http://who.int/csr/disease/nipah/en.
2. Benhur Lee, Paul A. Rota (Edit.) Henipavirus, Current Topics in Microbiology and Immunology. 2012;359, eBook.
3. Jackie Pallister, Deborah Middleton, Christopher C. Broder, and Lin-Fa Woang, Henipavirus Vaccine Development. Journal of Bioterrism & Biodefense. 2011;S1:005.
4. King, A.M.Q., et al. Virus Taxonomy: Ninth Report of International Committee on Taxonomy of Viruses. Elsevier Academic Press. 2011:675
5. Christopher C. Broder, Dawn L. Weir, Peter A. Reid. Hendra virus and Nipah virus animal vaccines. Vaccine. 2016;34:3525-34
6. Frederic Vigant and Benhur Lee. Hendra and Nipah Infection: Pathology, Models and Potent Therapies. Infect Disord Drug Targets. 2011;11(3):315-36.
7. Christopher C. Broder et al. A treatment for and vaccine against the deadly Hendra and Nipah viruses. Antiviral Research. 2013;100:8-13.
8. Waleed M. Sweileh. Global research trends of World Health Organization’s top eight emerging pathogens. Globalization and Health. 2017;13, No. 9.
9. www.who.int/blue-print/priority-diseases/key-action/nipah/en.