배경 및 과제

기존의 돼지열병(CSF) 백신은 E2 당단백질을 사용하지만, 바이러스 변이가 빠르게 발생하여 기존 백신의 보호 효과가 감소하고 세포 매개 면역이 충분히 유도되지 않습니다. 특히 CSFV의 외피 단백질 E2는 숙주 세포 표면 수용체와 결합하여 감염을 시작하는 핵심 역할을 하는데, 이 부위를 변형시키지 않으면 새로운 변이에 대응하기 어렵습니다. 현재 상업용 E2 기반 서브유닛 백신은 면역 반응을 유도하는 속도가 느리고, 대규모 양식장에서 급증하는 바이러스 확산을 막는 데 한계가 있습니다. 이러한 상황에서 빠르게 변하는 CSFV 2.1c와 같은 아종이 중국에서 보고되었으며, 이는 전 세계 돼지 산업에 수십억 달러 규모의 손실 위험을 증가시킵니다. 따라서 더 빠르고 강력한 면역을 유도할 수 있는 차세대 백신 플랫폼이 절실히 필요합니다.

연구 방법 및 주요 결과

저희는 핵산 기반 백신의 장점을 활용하여, 변형된 E2 단백질을 암호화한 mRNA를 지질 나노입자(LNP) 안에 담아 세 가지 형태의 백신을 설계했습니다. 첫 번째는 E2를 그대로 발현하는 mRNA-LNP, 두 번째는 XCL1(케모카인 리간드 1)을 E2 앞에 붙여 XCR1 수용체를 가진 수지상 세포(DC)를 직접 표적으로 삼는 XCL1‑E2‑mRNA‑LNP, 그리고 세 번째는 유비퀴틴(Ub) 태그를 E2에 결합시켜 단백질이 프로테아좀에 의해 빠르게 분해되면서 MHC I 경로로 제시되는 Ub‑E2‑mRNA‑LNP입니다. 모든 mRNA는 N1‑메틸‑pseudouridine과 같은 변형 뉴클레오티드로 안정화시켜 선천 면역 인식을 최소화했으며, LNP는 PEG‑지질과 이온성 지질을 혼합하여 세포 내 전달 효율을 높였습니다. 실험 동물인 토끼와 돼지 새끼에게 각각 접종한 결과, Ub‑E2‑mRNA‑LNP는 항원 특이적 CD8⁺ T 세포와 IFN‑γ 분비를 크게 증가시켰고, 중화 항체 역가도 기존 서브유닛 백신 대비 3배 이상 상승했습니다. 특히, 이 백신은 고병원성 CSFV Shimen 균주에 대한 도전 실험에서 100% 생존율을 기록하며 완전 보호를 입증했습니다.

면역 효과 및 보호 결과

Ub‑E2‑mRNA‑LNP가 제공하는 보호 효과는 단순히 항체만으로는 설명되지 않습니다. 유비퀴틴 태그가 붙은 E2 단백질은 세포 내 프로테아좀에 의해 빠르게 분해되어 펩타이드가 MHC I 분자와 결합하여 CD8⁺ T 세포에 제시됩니다. 이 과정은 교차 제시(cross‑presentation)라고 불리며, 바이러스 감염 초기 단계에서 효과적인 세포 매개 면역을 유도하여 감염 세포를 직접 제거할 수 있습니다. 또한, 수지상 세포 표적화 XCL1‑E2‑mRNA‑LNP와 비교했을 때, Ub‑E2‑mRNA‑LNP는 CD4⁺ T 세포의 Th1 편향 반응을 더욱 강화하여 IL‑2와 TNF‑α 분비를 촉진했으며, 이는 장기 기억 B 세포 형성에도 기여했습니다. 토끼 실험에서는 백신 접종 후 비장에 CSFV RNA가 전혀 검출되지 않았고, 돼지에서는 체온 상승과 임상 증상이 전혀 나타나지 않아 실제 현장 적용 가능성을 보여주었습니다. 이러한 다중 면역 경로 활성화가 바로 완전 보호를 가능하게 만든 핵심 메커니즘이라고 할 수 있습니다.

향후 의미 또는 전망

본 연구는 mRNA‑LNP 플랫폼에 유비퀴틴 태그를 결합하여 항원을 빠르게 분해·제시함으로써, 기존의 서브유닛 백신보다 뛰어난 세포 매개 면역을 유도할 수 있음을 증명했습니다. 앞으로는 이 기술을 이용하여 아프리카 돼지열병(ASF)이나 신종 조류 인플루엔자와 같은 다른 가축 질병에도 빠르게 맞춤형 백신을 설계할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 유비퀴틴 기반 항원 설계는 인간용 암 항원 백신이나 바이러스성 질환 백신 개발에도 적용 가능하여, 차세대 백신 개발 파이프라인을 크게 단축시킬 잠재력이 있습니다. 현재 국내외 규제 기관과 협력하여 안전성 및 대량 생산 공정을 검증 중이며, 상업화가 이루어지면 전 세계 돼지 산업의 연간 손실을 수십억 달러 수준으로 감소시킬 수 있을 것입니다. 궁극적으로는 mRNA와 단백질 분해 메커니즘을 결합한 이 혁신적인 접근법이 백신 과학의 새로운 표준이 될 가능성이 높습니다.