Adjuvant 와 Cytokine Storm
서론
adjuvant를 첨가한 3개의 시험군 마우스가 전멸했다.
애초에 접종량이 많았다는 것도 있지만 adjuvant 없이 접종한 시험군은 무사한 것으로 보아 adjuvant 효과로 biological activity로 인해 폐사한 것은 아닐까 추측하고 있다.
cytokine storm으로 폐사했을거란 말이 오갔다.
adjuvant와 cytokine storm에 대해 공부해보자
adjuvant란?
Adjuvant는 우리말로 면역 촉진제로 불려지고 있으나, 정확히 adjuvant 를 한국어로 정의하기 위한 단어는 정확한 것이 없다. Adjuvant는 라틴어에서 유래된 말로 “to help”즉 “무엇을 돕다”는 뜻을 가지고 있다.
즉, 약리학적으로나 또는 면역학적으로 좋은 영향을 미치는 물질이다. 예를 들어 Adjuvant가 백신에 첨가 될 경우 더 많은 항체가를 유발하고 이로 인해 긴 방어력을 가질 수도 있게 한다. 이러한 영향은 adjuvant가 백신의 면역 반응에 영향을 미쳐 백신 효능을 높이는 효과 중의 하나이다.
특정 adjuvant는 특정 면역 시스템 또는 면역세포에 작용하여 면역 반응을 조정, 백신의 효능을 높일 수 있다. 예를 들어 일반적인 불활화 백신의 경우 B-세포(체액성 면역)를 자극하여 항체 형성을 높이는 경우가 있지만, 특정 adjuvant의 첨가로 인해 T-세포(세포성 면역)를 활성화시키는 경우도 있다. Adjuvant는 사람에서 많이 연구가 되고 있으나, 실제 상용화되어 사용되는 다양한 adjuvant는 주로 동물백신에서 많이 사용되고 있으며 가장 일반적인 adjuvant로는 aluminum hydroxide 와 mineral oil을 주성분으로 하는 oil adjuvant가 주로 사용되는 것이다.
adjuvant mechanism
adjuvants가 백신에 첨가될 경우 목적 항원에 대한 면역 시스템의 반응을 촉진시킨다. 그러나 adjuvant 자체가 면역력을 제공하는 것은 아니다. 즉, adjuvant는 같이 투여된 항원의 면역 반응에 영향을 미칠 수는 있으나, adjuvant 자체에 대한 면역 반응을 유발하지는 않는다.
adjuvant의 가장 기본적이고 중요한 역할은 항원과 결합하여 항원 자체만으로 주입되었을 때 보다 더 긴 시간 동안 면역반응을 유도하는 것이다. 외부에서 유입된 외래물질. 즉, 항원은 체내에 주입되었을 경우 빠르게 분해되어 몸 밖으로 배출하는 것을 막아주는 역할을 하는 것이다. 가장 일반적으로 알려진 이러한 기능을 하는 것은 우리가 현재 많이 사용하고 있는 oil adjuvant 백신으로 일반적으로 오일 에멀젼으로 불리는 것이다. 또 하나 대표적인 알럼(aluminum hydroxide gel)이라고 불리는 adjuvant는 비정형 고분자 물질로 단백질 항원과 정전기적 결합을 통해 항원이 쉽게 몸에서 프로세싱 되는 것을 막아 항원의 면역반응을 길게 한다. 이러한 aluminum salt의 경우 사용되기 시작한지 벌써 70년이 넘은 대표적인 adjuvant 이다.
최근 이외에도 박테리아 유래 톡신 단백질이 adjuvant 역할을 하는 것으로 알려져 이러한 면역 바이오 분자를 adjuvant로 사용하는 경우도 있다. (G1 시험군)
면역 반응을 촉진 시키는 adjuvant의 주요 기전
▶ Adjuvant는 다양한 경로를 통해 항원의 면역 반응을 향상 시킨다.
▶ 혈중 내에 항원의 잔류 시간을 증가 시킨다
▶ 항원 제시 세포 antigen presenting cells 에 항원 흡수를 촉진시킨다
▶ 대식세포(macrophages)와 임파구(lymphocytes)를 활성화 시킨다
▶ 면역호르몬(cytokines)의 생성을 촉진시킨다
adjuvant의 부작용
adjuvant가 면역 반응에 좋은 영향만 주는 것은 아니다. 특정한 adjuvant의 경우 백신의 면역 반응을 너무 심하게 일어나게 하여 부작용을 유발하는 경우가 있다. 이러한 부작용의 대표적인 증상은 발열 주사 부위의 이상 반응(붉은 피부색)을 유발하게 되고 심한 경우 쇼크를 유발하기도 하는데 어린 자돈에서 주로 나타나는 경우가 많다. 이러한 부작용의 대표적인 사례는 오일 adjuvant를 사용하는 구제역 백신에서 많이 나타나 농가에 적지 않은 피해를 준 경우이다.
오일 adjuvant 는 특히 근육 주사를 했을 경우 무균성 농양이 주로 발생하는 경우가 많은데 이러한 반응은 축종에 상관없이 일어나는 것으로 알려져 있다. 특히 오일 adjuvant 의 사용은 항원의 양이 충분하지 않거나 면역반응 지속기간을 늘리기 위해 사용되는데 오일 adjuvant 의 점도나 그리고 에멀젼의 크기(수 마이크로에서 나노미터 수준의 크기가 일반적)가 일정한 분포를 이루고 있어야 하며 항원 전달 기능에 적당한 사이즈를 가져야 부작용을 줄일 수 있다.
Cytokine이란?
Cytokine은 호르몬이 아니다.
사이토카인은 면역세포에서 생성되어 면역, 감염병, 조혈기능, 세포의 성장에 중요한 기능을 한다.
이 당단백질은 항원에 대해 항체의 생성을 유도하고 외부의 침입에 대해서 인체의 방어체계를 제어하고 자극하여 항원 물질에 대해서 중성화 작용을 하고 그들에 대항하는 면역인자를 생성한다.
중요한 면역기능으로는
인터루킨(Interleukin -1, -6, -12)
인터페온 감마(Interferon gamma)
종양괴사인자(TNF, Tumor Necrosis Factor)로 알려진 사이토카인의 그룹에 의해 수행된다.
호르몬과 사이토카인은 둘 다 혈액을 따라 흘러가며 사이토카인은 먼거리에 관계하는 호르몬과 달리 가까운 거리에도 관계한다.
호르몬은 특정세포에서 분비되지만 사이토카인은 모든세포에서 분비되며, 호르몬은 미리 만들어 저장하지만 사이토카인은 사용시점에 만들어 분비된다는 차이점이 있다.
사이토카인은 면역세포가 분비하는 단백질의 총칭으로 인터루킨, 인터페론, 종양괴사인자, CFS 등이 포함된다.
시토카인(Cytokine) ------+------- 인터루킨 ( IL) ~~ T세포가 분비한다
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+------- 인터페론 ~~ 마이크로파지나 B임파구에서 생성된다.
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+------- 종양괴사인자(tumor necrosis factor, TNF)
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+------- 림포카인 ~~ 림프구가 분비한다
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+------- 모노카인 ~~ 대식세포에서 유래한다
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+------- 기타등등
이렇게 보면 결국에는 사이토카인이 면역의 핵심인 백혈구와 관련이 있음을 알 수 있다.
림프구에는 크게 흉선(Thymus)에서 유래한 T세포와 골수에서 유래한 B세포가 있는데 역할이 많이 다르다.
B세포는 공격목표가 박테리아이며 T세포는 공격목표가 바이러스다.
백혈구 -----+------ 과립성 ~~~~ 호중구, 호염기구,호산구
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+------ 무과립성 -----+----- 단구
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+----- 림프구 -----+------ B 세포
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+ ------ T 세포 ----+--- 살해 T세포(killer T cell) ~~ CD8
+--- 도움 T세포(helper T cell) ~~ CD4
+--- 조절 T세포(regulatory T cell) ~~CD4,CD25
+---- 기억 T세포(memory T cell)
골수에서 유래한 B세포는
세포속에서 증식하는 바이러스나, 일부 세균, 기생충에는 항체반응이 일어나지 않으며 단지 혈액과 세포밖공간에만 항체접근이 가능하다.
이러한 제한 요소때문에 감염된 세포에는 T세포가 필요하다. (공격목표 박테리아)
흉선(Thymus)에서 교육받은 T세포는 공격목표가 바이러스다.
피와 림프관을 타고 흐르다가 외부에 세균과 같은 항원이 들어와 마주치게 되면 도움 T세포가 사이토카인(cytokine)과 같은 특정 물질을 분비하여 살해 T세포와 B세포의 활성을 증대하고 살해 T세포는 병원체에 감염된 세포들을 죽이게 되며, 조절 T세포는 면역활동을 적절히 조절한다.
T세포는 항체를 만들지 않는 대신 B세포에 정보를 제공하여 항체 생성에 조력자의 역할을 할 뿐만 아니라,
직접 외부세균을 파괴하는 면역 기능을 수행하는데 T세포의 항원인식은 세포 표면에 발현되는T세포수용체(TCR)에 의한다.
항체와는 달리 항원분자 그 자체를 인식하는 것이 아니고 자기체세포가 발현하는 주요 조직적합항원유전자복합체(MHC) 일부를 인식한다.
도움 T세포(helper T cell)과 조절 T세포(regulatory T cell)는 자가면역질환(알레르기, 아토피, 두드르기, 관절염)과 밀접한 관련이 있다.
T세포에서 도움 T세포(helper T cell)는 상당히 특이하다.
이름처름 도움(보조)T세포는 세포독성작용이나 식세포작용을 하지 못하며, 감염된 (체)세포나 항원을 죽이지도 못하기 때문에 다른 면역 세포들이 없는 상태에서는 무용지물이다.
보조 T세포(Th cell)은 다른 면역 세포들을 활성화시키고 지휘하는 역할을 하며, 특히 면역계에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
T세포 --+--도움T세포 --+-- Th 1 ~ 세포가 감염, 암, 비정상세포가 되면 사이토카인을 분비하여 대식세포가 먹도록 유도.
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+-- Th 2 ~염증을 수반하는 세포(히스타민분비)나 근육수축하는 세포에게 명령한다.
즉, T세포에서 도움T세포에 있는 두가지 Th1과 Th2는 역할이 확실히 다르다.
Th1과 Th2 둘다 시토카인을 분비하여 다른 세포의 행동을 지시하는데, Th1은 식세포작용을 유도시키고 Th2는 염증을 유발시킨다.
Th1이 분비하는 사이토카인은 인터루킨-10이라는 단백질로서 공격중지명령과 련련된다..
면역세포가 자기조직을 공격하는것을 막는 것은 아군, 우군살해를 막는것과 같다.
인터루킨-10 이라는 사이토카인을 방출하는 세포는 Th1 뿐만 아니라 조절T세포와 수지상세포도 방출한다.
이것은 자기조직을 공격하는 면역세포를 억제시켜 면역관용을 유도한다.
우리몸은 체세포와 이로운 세균들의 도움으로 유지되는데 이로운 세균들에 관용이 없다면 생존이 어렵다.
공격명령은 히스타민같은 염증유발물질이 세포 주위에 질퍽하여 세균은 물론 조직세포도 많이 파괴된다.
사이토카인의 한 종류인 인터루킨은 많은 종류가 있다.
면역세포에게 염증유발을 지시하는 녀석들과 면역세포를 활성/분화시켜 싸움을 준비하거나 아예 면역을 저지하는 기능으로 구성되어 있다.
고추를 먹으면 얼얼하지만 통증감각을 완화해준다.
즉, 고추추출물속에 들어있는 활성 페놀성분인 피페린을 연구해본 결과 항염과 항관절염 효과가 있고 또 통증감각도 완화해주는 것을 발견한 것이다. 그 이유는 피퍼린이 염증을 유발하는 인터루킨 6인 MM13을 억제하기 때문이라고 한다.
인터루킨은 대부분 다른 면역세포를 활성화 시키므로 자가면역질환과도 관계가 깊다.
항체(면역글로불린, lmmunoglobulin, lg)는 다섯가지 lgA, lgD, lgE, lgG, lgM 이 있는데 자가면역쪽은 lgE와 관계한다.
기생충이나 세균이 몸에 들어오면 이것을 방어하기 위해 lgE가 다량으로 만들어진다.
그런데 민감한 사람은 땅콩이나 고등어에 들어 있는 단백질이 몸에 들어와도 다량의 lgE가 만들어져 알레르기가 된다.
이때 인터루킨-10은 면역활성을 저지하고 세로토닌분비를 활성화시켜 염증과 과잉반응을 줄인다.
또한 인터루킨-12가 결핍되어도 땅콩알러지가 증가하며 수상돌기세포가 여기에 관련된다고 한다.
Cytokine Storm이란?
사이토카인 폭풍은 외부에서 침투한 바이러스에 대항하기 위해 인체 내에서 면역작용이 과다하게 이뤄지면서 정상 세포까지 공격하는 현상을 말한다.
즉, 면역 물질인 사이토카인의 과다 분비로 정상 세포들의 DNA가 변형되면서 2차 감염 증상이 일어나는 반응이다.
한편, 사이토카인 폭풍은 면역 반응의 과잉으로 나타나는 증상이기 때문에 면역력이 높은 젊은 층에서 발생할 확률이 더 높다. 사이토카인 폭풍은 신체에 대규모 염증반응과 다발성 장기손상을 일으키기 때문에 단기간 사망에 이르는 경우가 많다. 2015년 국내에서 메르스(MERS) 감염자가 확산될 때 기저질환이 없는 젊은 연령대에서 상태 악화를 보이는 환자들이 나타나자, 의료계에서는 이 현상의 원인으로 사이토카인 폭풍을 거론하기도 했다. 또 2019~2020년 전 세계로 확산된 코로나19 사태에서도 중국 의료진이 2020년 2월 말 코로나19 초기 확진자를 조사한 논문을 통해 사이토카인 폭풍을 주요 사인(死因)으로 지목한 바 있다.
사이토카인 폭풍의 발병에 가장 흔히 연루되는 선천성 세포에는 호중구, 대식세포 및 NK 세포가 포함된다. 호중구는 사이토카인 폭풍 동안 혈전 형성에 기여하고 사이토카인 생성을 증폭시키는 호중구 세포외 트랩을 생성할 수 있다. 순환 단핵구에서 흔히 파생되는 조직 상주 세포인 대식세포는 분열하지 않는다. 이들은 삼켜짐에 의한 노화 세포 제거에서부터 조직 복구 및 면역 조절, 항원 제시에 이르기까지 다양한 기능을 가지고 있다. 다양한 형태의 사이토카인 폭풍에서 대식세포가 활성화되어 과도한 양의 사이토카인을 분비하여 궁극적으로 장기 부전을 초래할 수 있는 심각한 조직 손상을 초래한다. 혈구탐식성 대식세포는 사이토카인 폭풍 환자의 골수 생검 표본에서 종종 관찰된다. 일부 형태의 사이토카인 폭풍에서는 NK 세포의 세포용해 기능이 저하되어 항원 자극이 길어지고 염증 해결이 어려워질 수 있다. 과도한 인터루킨-6은 퍼포린과 그랜자임 생산을 낮춤으로써 NK 세포 기능의 손상을 중재할 수 있다.
사이토카인 폭풍의 임상적 특징인 발열은 별개의 메커니즘을 통해 인터루킨-1, 인터루킨-6 또는 TNF에 의해 유발될 수 있다. 인터루킨-1은 두 유전자( IL1A 및 IL1B )에 의해 암호화되며, 둘 다 동일한 인터루킨-1 수용체에 결합하여 핵 인자 κB(NF-κB)를 포함한 일련의 세포내 신호 전달 경로를 활성화한다. 인터루킨-1 수용체 길항제인 아나킨라는 일부 형태의 사이토카인 폭풍을 치료하기 위해 단일 제제 및 다른 제제와 조합하여 효과적으로 사용한다.
병태생리학적 특징의 중요한 매개자인 인터루킨-6의 수준은 다양한 근본적인 면역병리학적 장애 전반에 걸쳐 그리고 사이토카인 폭풍의 마우스 모델에서 매우 상승한다. 인터루킨-6 수용체(인터루킨-6R)에 대한 단일클론 항체인 토실리주맙과 인터루킨-6을 직접 중화하는 실툭시맙은 모두 HLH, 특발성 다심성 캐슬만병을 포함한 여러 사이토카인 폭풍 장애에 효과적인 것으로 나타났다.
사이토카인 폭풍을 실체로 인식한 것은 비교적 최근이다.
보호적인 염증 반응과 병리학적 사이토카인 폭풍을 구별하는 것은 치료에 중요한 영향을 미치며 매우 어렵다. 사이토카인 폭풍에 대한 통일된 정의는 존재하지 않는다. 그리고 정의가 무엇이어야 하는지, 그리고 코로나19와 같은 특정 조건이 사이토카인 폭풍 장애의 스펙트럼에 포함되어야 하는지에 대해 많은 의견 차이가 있다. 우리는 순환 사이토카인 수준의 상승, 급성 전신 염증 증상, 병원체가 존재하는 경우 병원체에 대한 정상적인 반응에 기인할 수 있는 것 이상의 이차 기관 기능 장애 등의 기준을 바탕으로 사이토카인 폭풍에 대해 통합하여 정의한다.