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단일세포 전사체를 이용한 mRNA 백신의 초기 면역반응 분석
작성자
김성룡 (한국과학기술원), 전지향 (질병관리청), 박종은 (한국과학기술원), 여진아 (질병작성일자
2024-12-17조회수
439단일세포 전사체를 이용한 mRNA 백신의 초기 면역반응 분석
Innate immune responses against mRNA vaccine promote cellular immunity through IFN-β at the injection site
Nature Communications 15, 7226 (2024)
김성룡 : 한국과학기술원 의과학대학원 (srkim727@kaist.ac.kr)
전지향 : 질병관리청 국립보건연구원 감염병백신연구과 (wjswlgid716@korea.kr)
박종은 : 한국과학기술원 의과학대학원 (jp24@kaist.ac.kr)
여진아 : 질병관리청 국립보건연구원 감염병백신연구과 (jinahyeo@korea.kr)
연구배경
지난 Covid-19 팬데믹 시기 도입된 mRNA 백신은, 여러 임상연구들을 통해 임상적 효능을 입증하였다([1,2]). mRNA 백신은 항체에 대한 정보를 담고 있는 mRNA와 이들을 감싸고 있는 지질나노입자(lipid nanoparticle)인 LNP로 구성되어 있으며, 접종 시 숙주에서 강력한 항원 특이적 항체 형성 및 기억 T 세포 형성을 유도하여 바이러스 감염으로부터 피접종자들을 보호할 수 있는 것으로 알려져 있다([3]). 항원에 특이적으로 반응하는 적응면역반응(adaptive immune response)은 일반적으로 적절한 선천면역반응(innate immune response)의 선행을 필요로 한다. 선천면역반응은 바이러스 등 면역원(immunogen)에 대한 신체 조직의 즉각적 반응이며, 선천면역반응으로 인한 면역체계의 활성화는 노출된 항원에 대한 적응면역반응의 형성을 유도할 수 있다. mRNA 백신의 선천면역반응과 관련하여, 1형 인터페론(interferon) 반응을 포함한 강력한 항바이러스성 선천면역반응이 혈액과 림프절에서 접종 하루 뒤 강력하게 일어나는 것이 최근 보고된 바 있다[4,5]. 그러나 mRNA 백신의 근육 내 접종이 어떻게 림프절과 혈액의 선천면역반응을 유도할 수 있는지, 그리고 mRNA 백신 접종 부위에서는 구체적으로 어떠한 반응이 일어나는지에 대해서는 보고된 바가 없었다. 따라서 본 연구에서는 단일세포 전사체 분석 기법을 이용하여 mRNA 백신 접종부위에서의 단일세포 전사체 분석을 진행하였으며, 특히 선천면역반응이 어떻게 시작될 수 있는지에 대한 이해를 목표로 삼고 연구를 시작하게 되었다.
연구결과
1. mRNA 백신 접종 부위 반응에 대한 단일세포 전사체 아틀라스 제작
그림1. mRNA 백신 접종부위 반응에 대한 전사체 아틀라스
mRNA 백신 접종 부위에서 일어나는 세포의 전사체적 특성을 전반적으로 파악하기 위해 본 연구에서는 단일세포 전사체 데이터 분석을 주로 사용하였다. Balb/c 마우스의 대퇴사두근에 mRNA 백신을 접종한 뒤 2시간, 16시간, 40시간 후에 접종 부위를 샘플링하여 단일세포 전사체 데이터를 생산하였으며 (그림 1a), mRNA 백신 접종에 대한 대조군으로는 단순 LNP 접종 (mRNA를 포함하지 않은) 및 단순 생리식염수인 PBS (phosphate-buffered saline) 접종 그룹을 설정하여 비교 분석을 진행하였다. 접종 부위인 대퇴사두근 단일세포 전사체 데이터 분석 결과, 약 22 개의 서로 다른 세포 유형이 발견되는 것을 확인하였다 (그림 1b). 이는 근육 조직에 대해 만들어진 가장 정교한 세포 아틀라스 중 하나로, 각 세포들의 백신에 대한 반응을 비교 분석하여 각 세포들의 기여 방식을 알아낼 수 있었다.
2. mRNA 백신 접종 부위의 각 세포군 별 전사체 변화 패턴 비교
mRNA 백신 접종에 대한 세포 전사체적 반응은 접종 부위 조직 내 다양한 세포 유형에서 각각 일어나는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 전사체적 반응은 접종 후 16 시간 즈음하여 최고치에 다다르는 것을 확인할 수 있었다 (그림 2a). 서로 다른 세포 유형에서 일어나는 전사체적 변화의 공통점 및 차이점을 분석하기 위해 주요성분분석(Principal component analysis: PCA)을 활용하였으며, 그 결과 크게 두 가지의 주요 세포 반응 유형이 mRNA 백신 접종 부위에서 일어나는 것을 확인할 수 있었다 (그림 2b). 첫 번째 주성분 반응축(PC1)은 섬유아세포(fibroblast), 혈관내피세포(endothelial cell) 등 조직의 기질을 이루는 세포에서 주로 관찰되는 반응이며, LNP 접종만으로도 유도되고 다양한 염증성 사이토카인(cytokine)의 발현과 깊은 연관이 있다는 특성을 보였다 (그림 2c). 두 번째 반응축 (PC2)은 성숙 수지상세포(mature dendritic cell)에서 가장 크게 일어나는 반응이며, LNP 접종만으로는 잘 유도되지 않고 1형 인터페론에 대한 반응 및 항바이러스 반응과 연관되어 있다는 것을 확인할 수 있었다 (그림 2d).
그림2. mRNA 접종 부위의 주요 전사체적 반응
3. mRNA 백신 접종 부위에서 근육 섬유아세포의 특이적 반응 확인
그림3. 항원 mRNA의 조직 내 세포 유형에 따른 분포
mRNA 백신 자체도 poly(A) 시퀀스를 가지고 있기 때문에, 일반적인 단일세포 전사체 분석에서 백신 유래 mRNA 의 조직 내 세포별 분포도 분석을 수행하였다 (그림 3a). 항원 mRNA는 접종 후 시간이 경과할 수록 검출량이 감소하는 패턴을 보였다 (그림 3b). 세포 유형에 따른 항원 mRNA의 분포를 분석한 결과, 조직 내 섬유아세포에서 항원 mRNA가 가장 많이 검출되는 것을 확인할 수 있었다 (그림 3c). 항원 mRNA의 검출 여부와 세포 전사체적 특성을 결합하여 분석한 결과, 접종 부위의 섬유아세포에서 항원 mRNA 특이적으로 Ifnb1 유전자(1형 인터페론 중 하나인 IFN-β의 유전자)가 발현되는 것을 확인할 수 있었으며 (그림 4a), Ifnb1 유전자는 단순 LNP 접종 환경에서의 섬유아세포에서는 발현되지 않는 것 또한 확인할 수 있었다 (그림 4b). 이와 같은 항원 mRNA-특이적 Ifnb1 발현은 RNA in situ hybridization 을 통해 조직 내에서 검증하였다 (그림 4c).
그림4. 접종 부위 섬유아세포에서의 항원 mRNA 특이적 IFN-β 유전자 발현
4. 접종부위 1형 인터페론 반응이 mRNA 백신에 대한 세포 면역에 미치는 영향 발견
항원 mRNA-특이적 IFN-β 발현이 mRNA 백신의 효능에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여, 우선 mRNA를 포함하지 않는 접종 전략(LNP+단백질 항원 subunit)을 이용하여 IFN-β의 기능을 확인하고자 하였다 (그림 5a). LNP+subunit 방식으로 구성된 백신 접종 시, IFN-β의 추가적인 접종은 백신으로 인해 유도되는 항원-특이적 세포 면역반응을 유의하게 증가시키는 것을 확인할 수 있었다 (그림 5b). LNP+mRNA 방식으로 구성된 일반적 mRNA 백신 접종 전략을 사용하였을 때에는 추가적인 IFN-β에 의한 효과가 관찰되지 않았으며 (그림 5c), 이는 mRNA 백신 접종 시 접종 부위에서 생리적으로 유도되는 IFN-β으로 인한 1형 인터페론 반응의 포화 때문인 것으로 추정된다. 접종 부위에서 IFN-β 신호 전달의 저해가 미치는 영향 또한 두 가지 서로 다른 LNP 기반 백신 접종 전략에서 평가되었으며 (그림 5d), LNP+mRNA 방식의 일반적 mRNA 백신에서만 항원-특이적 세포 면역반응이 저해되는 것을 확인할 수 있었다 (그림5e, f).
그림5. 백신 접종 부위 IFN-β가 항원-특이적 세포 면역반응에 미치는 영향
연구성과 및 의의
일반적으로 백신은 두 가지 기능적 구성 요소를 필요로 한다. 하나는 항원 자체에 대한 정보이며, 다른 하나는 접종된 항원에 대한 신체의 면역 반응을 촉발시킬 수 있는 면역보조제(adjuvant)이다. mRNA 백신의 경우 별도의 면역보조제 없이도 매우 효과적으로 면역반응을 일으킬 수 있는 것으로 잘 알려져 있으며, 현재까지는 LNP의 강력한 면역원성(immunogenicity) 때문인 것으로 알려져 있었다[6]. 본 연구는 mRNA 백신 접종 부위의 면역 반응을 체계적으로 분석함으로써 LNP 뿐 아니라 mRNA 성분 또한 IFN-β의 작용을 통해 mRNA 백신의 면역원성에 기여한다는 것을 입증하였다. 또한, 접종 부위 내 항원 mRNA 분포를 분석함으로써 접종 부위의 섬유아세포가 mRNA 백신의 초기면역반응에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다. 본 연구를 통해 밝혀낸 mRNA 백신의 초기면역반응에 대한 상세한 청사진은 추후 이어질 mRNA 백신 개량 과정의 주요 토대가 될 것으로 기대된다.
참고문헌
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