화학‧화공‧섬유 분과 조종수
많은 연구자는 계속해서 발생하는 세균이나 바이러스 감염을 예방하고 치료하기 위해 새로운 백신을 개발해 왔으며, 전통적인 백신은 감염성 질병 관리를 위해 여전히 널리 사용되고 있다. 특히 2019년에 발생한 코로나 바이러스-19로 인하여 새롭게 제조된 백신을 이용한 백신접종이 상당히 성공적인 치료 방법으로 평가되었다. 그러나 급속하게 발생하는 질병에 대한 예방 접종은 특히 성공적이지 못한 경우가 많다. 병원체에 감염된 세포를 제거함으로써 병원체를 제거할 수 있는 강력한 세포성 면역 반응을 유도하기 위해 새로운 백신을 개발해야 한다. 또한, 효율적인 면역 유도를 선택적으로 향상하기 위해 백신 전달체의 개발이 상당히 백신의 면역유도에 매우 중요성을 갖고 있다. 다양한 백신 전달체 크기가 10에서 1,000nm 크기를 갖는 나노 백신은 기존 백신의 항체 유도 효과를 초월하는 새로운 메커니즘을 통해 선택적으로 액성 면역과 세포 면역 반응을 유도할 수 있기 때문이다. 나노 백신은 특이적 항원 제시 세포인 수지상 세포를 통해 외부 항원이 주요 조직 적합성 복합체 클래스1 분자에 결합하여 CD8+ T 세포로의 교차 항원 제시 경로를 유도함으로써 세포 내 항원 전달을 유도할 수 있다. 교차 항원 제시 없이 외적 항원은 MHC 클래스2 분자에만 결합하여 CD4+ T 세포 반응을 유도한다. 대부분의 바이러스와 세균이 외부에서 유래되며 감염된 세포 제거에 CD8+ T 세포 반응이 필수적인 점을 고려하면, 교차 항원 제시를 조절하는 나노 백신은 암, 세균과 바이러스로부터 인류의 보호에 매우 중요하다. 본 논문에서는 나노 백신에 의한 교차 항원에 영향을 주는 생물학적, 화학적 및 물리적인 요인들에 대해 논의한다.
생물학적 요소로서는 항원 표시 세포에 대한 배위자인 만노스 및 글리칸스, 톨-유사 수용체 (Toll-like receptor) (TLR)인 [TLR 4, TLR 7, TLR 8 및 TLR 9], 항체 (나노 전달체에 항체를 결합, 항원에 항체를 화학적으로 결합, 또는 재조합 항체-항원 융합 단백질 항체), 항원 제시 세포의 세포 내 소기관 (소포체 및 엔도좀) 등이 항원 섭취, 항원 섭취 경로 및 항원 섭취작용을 통제하기 때문에 교차 항원 제시에 밀접하게 연관된다.
화학적인 요인으로서는 pH 민감성 물질인 폴리 에틸렌이민, 폴리히스티딘 공중합체, 가락토실화 덱스트란 레티날 나노 겔, 하이드록시클로로킨, 구아니디노벤조산 및 감응성 물질인 디술폰화된 테트라페닐 클로린, 페오포바이드 A, 인도시아닌 그린, 세포 침투성 물질인 PEG-PE, 세포 침투 펩타이드가 결합된 OVA 등이 항원 섭취 및 경로가 교차 항원 제시에 영향을 주었다.
물리적인 요인으로서는 마이크로 바늘 사용은 감염 위험 감소 및 주사와 관련된 통증 완화 등의 장점으로 인해 최근 백신 전달 시스템으로서 많은 가능성을 보여주고 있다. 또한 마이크로 바늘은 백신 자체로는 각질층에 침투하지 못하는 것, 통증 및 환자 적응도 저하를 포함한 기존 경피 주사의 단점을 극복할 수가 있다. 또한 근육 및 피하 주사 부위에 비하여 피부 주변에 수지상 세포가 풍부하기 때문에 마이크로 바늘을 사용한 피부 내 백신 접종은 피부의 면역학적 특성을 이용한 방법이고, 마이크로 바늘 패치 사용이 교차 항원 제시 증가로 인한 비장 및 배수 림프절로의 이동과 함께 강력한 항원 디포트(depot) 효과가 관찰되었다. 초음파 사용은 비침습적이고 조직 침투가 높으며 저렴한 비용으로 수행할 수 있어 DNA, 화학 약물 및 단백질의 세포 내 흡수를 향상한다고 보고되었다. 초음파는 음향 스트리밍 및 공동 현상과 같은 생물 물리적 효과를 나타내기 때문에 나노입자의 세포 내로 내재화 및 기공 형성을 가져온다. 그러나 표적 약물의 세포 내의 흡수에 대한 정확한 생물학적 메커니즘은 아직도 모르고 있다.
나노 백신은 낮은 pH 환경에서 효소 분해로부터 항원을 보호할 수 있기 때문에 연구자와 의료 산업에서 매우 매력적이다. 세포 외 또는 세포 내 환경에서 항원의 양을 증가시킬 수 있고 항원 면역성을 향상시킨다. 적절한 투여 경로를 통해 통제된 항원 방출을 제공한다. 또한 면역 자극 분자를 함께 담지를 하고, MHC 클래스1 분자에 담지된 세포질 항원에 의한 교차 항원 발현을 증가하여 CD8+ T 세포를 활성화하기 때문에 수지상 세포에 의한 교차 항원 제시는 암 및 세포 내 바이러스 병원체에 대한 미접촉 CD8+ T 세포 반응의 활성화를 유도하는 데 필수적이다. 그러나, 나노 백신의 기능 및 정확한 메커니즘에 대한 연구는 불충분하기 때문에 본 총설에서 언급한 나노 백신을 포함하는 임상 시험에서 전반적인 안전성과 잠재적인 부작용 모두가 추가로 조사되어야 한다.