생물학, 통계학, 데이터 과학

 protozoa(원생동물, 진핵단세포생물)는 흙이나 물에 사는 단세포(single celled)로 된 진핵생물입니다. 세포 하나만으로 살아갈 수 있는 모든게 다 들어있어요. 뭐 균류도 대부분 단세포이긴 하지만 원생동물은 곰팡이 (진균, fungi)와 다르게 세포벽이 없어요. 연못물을 현미경으로 보면 이것저것 많이 보이는데요. 이게 원생동물입니다. 

fungi(진균)에 관한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/141 (초록색 단어로 된건 이 포스팅에서 참고하세요) 

진균은 영양분을 섭취하면 hyphae나 pseudophyphae로 자라는데요. 진균과 다르게 원생동물은 영양분을 섭취하기 위해 열심히 돌아다닙니다. 그래고 원생동물은 다양한 모습을 하고있는데, 가장 안정적인 모습 (환경적으로 스트레스를 가장 적게받을 수 있는) oocyst (난포낭, 오시스트)로 존재하기도 합니다. 

원생동물 중 질병을 일으키는 것도 있습니다. 

1) Acanthamoeba keratitis (기시아메바 각막염)

기시아메바는 보통 물이나 흙에 살지만 눈 각막(cornea)에 감염되면 눈이 충혈이 되거나, 시력이 흐렷지거나 눈물이 많아지는 등~ 눈에 각막염이 생깁니다. 심각하면 실명까지 이르게 되어요. 2008년에서 2011년 CDC가 기시아메바 환자를 집중 조사했더니 잘못된 렌즈 사용과 연관이 있음을 알아냈어요. 렌즈를 수돗물에 씻으면 안되고요. 렌즈를 항상 깨끗하게 보관해야합니다. 그리고 렌즈를 새걸로 자주 교체해줘야해요. 

2) Naegleria fowler (뇌를 먹는 아메바 - brain eating amoeba) 

이 질병은 물에 사는 N.fowleri라는 원생동물에 의해 발병되는데요. 미국에서 1년에 약 3명정도 걸리게 되는 굉장히 드믄 질병이지만 primary amebic meningoencephalitis (아메바서 1차 뇌수막염)까지 이르게 됩니다. 보통 코로 들어가서 뇌로 들어가 뇌를 먹는 아메바로 알려져있습니다. 두통, 열, 구토 증세가 있고요. 하지만 뚜렷한 치료법이 없어서 치사율이 굉장히 높은지라 지난 50년동안 생존자는 3명밖에 되지 않아요. (아래 그림은, 수영할때 머리를 물 밖으로 계속 두라고 하는 경고문입니다.) 

그럼 연못이나 호수에서 수영 안하면 되겠네~~라고 생각할 수 있지만요. 이런 케이스도 있어요. 네티 팟(Neti Pot)은 알러지, 비염이나 코막힘에 좋은 제품으로 알려져있는데요. 미국이나 캐나다에서는 많이 알려진 제품이예요. 하지만 2011년 루이지애나에서 네티 팟 사용 후 N.fowleri감염으로 두명이 죽었습니다. 감염된 수돗물을 사용했었거든요. 그래서 수돗물로 사용하지 말고, 끓인 물이나 증류수를 사용하라고 권장하고 있어요.

[질병] 인플루엔자 (Influenza) 종류, 명명법, 바이러스 구조(1) 참고:  http://statnmath.tistory.com/135

그 전 포스팅은 인플루엔자의 종류와 명명법, 바이러스 구조에 대해 살펴보았고요. 이번 포스팅은 치료개발에 관한 내용입니다. 

치료개발에 어려움을 겪는 이유 중 하나가 Antigen Drift에 의해 바이러스 변종이 많이 일어나서 그러는데요.Antigen Drift (소변이)란 인플루엔자 RNA polymerase가 RNA를 복제해서 새로운 바이러스를 만들어낼때 point mutation (에러)가 쉽게 일어나 이러한 유전자의 변이에 의해 바이러스도 빠른 속도로 변이(evolution)가 생기는걸 말합니다.

참고로 Antigen Shift (대변이)란~ 숙주 내에서 유전자 재편성을 말하는데요. 즉, 아형 변한이 일어납니다. 예를들어 H3N8이 H1N1으로 변한다던지, H1N1이 H2N2로, 이렇게 H형과 A형이 바뀌는걸 말합니다. 이렇게 아형변이가 일어나게 되면, 이에대한 면역을 가진 사람이 드물어 인플루엔자 바이러스가 세계적으로 퍼지게 될 확률이 높아져요. 

출처: Influenza virus-induced lung injury: pathogenesis and implica*ons for treatment. Herold, S et al. European Respiratory Journal. Vol. 45 no. 5 1463-1478 (2015) DOI: 10.1183/09031936.00186214

문제는 이렇게 바이러스 변종이 쉽게 일어나게 되면, 여기에 맞는 치료(anti-viral drug)제를 개발하더라도 약에 대한 내성이 쉽게 생길 수 있어서 궁극적인 치료제를 개발하는데 어려움이 따른다는 거죠. 

예를들어 Rimantadine, Amantidine은 Matrix Protein형태로 ion channel을 방해하는 역할을 하는 항바이러스 약인데요. 2005년~2006년에서 내성률이 92%정도로 높죠. 현재는 바이러스가 침투해서 새끼 바이러스를 내보낼때 막는 역할로 타미플루약이 있지만 현재 약 10%의 내성을 갖고 있죠. 

항생제(antibiotics)도 사용되고 있긴 한데 그건 바이러스를 막는 용도로 쓰이는건 아니고요. 호흡기쪽의 2차 박테리아 감염 (secondary bacterial infection)을 막기위한 목적으로 사용되고 있습니다. 

기도 상피세포(airway epithelial cell)의 바이러스 감염을 보게되면 아래그림과같은데요. 왼쪽은 naive individual, 그러니까 외부항원(바이러스)에 한번도 도출되지 않은 사람, 즉 병에 걸린적도 없고 예방접종도 하지 않은 사람의 기도상피세포고요. 오른쪽은 한번 감염된적이 있거나, 예방접종(백신)을 맞은 사람의 기도상피세포입니다. 

왼쪽부터 보면, 우선 바이러스가 들어오면 T세포 면역 반응이 일어나기까지 시간이 걸립니다. neutralizing antibodies (항체 중화작용) 하는 것도 보통 1~2주가 걸리고요. 면역반응이 일어나 세포독성 T세포(cytotoxic killer T cell, Tc)가 나서더라도, 바이러스를 죽이는게 아니라 바이러스에 감염된 세포를 죽이는거라서 세포내 손상이 있을수밖에 없습니다. 건강한 사람이 바이러스에 걸리면 그래서 1주일 이상 앓게 되는거죠. 

항체 중화작용에 관한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/126

오른쪽보면 백신을 통해, 아니면 그 전에 감염되었으면 이로인해 면역반응이 있었을테고 항체가 생겼기때문에 바이러스가 기도상피세포로 들어가기 전에 항체가 바이러스를 막는거예요. Tc세포도 활성화하는게 아니라서 세포가 손상되지도 않고요. 

그래서 예방접종(백신)이 필요하다란 얘기입니다. 

현재 플루 백신으로~ 

Trivalent Inactivated Vaccine (TIV, 3가 불활화 인플루엔자 백신) - 활성화되지 않은, 그래서 감염능력도 없는 3개의 virus strains이 들어가있는 백신입니다.  

Quadrivalent Inactivated Vaccine (QIV) (4가 불활화 인플루엔자 백신) - 활성화되지 않은, 그래서 감염능력도 없는 4개의 virus strains이 들어가있는 백신입니다. 

FluMist (Live attenuated, 생약독화백신) - 항체생성의 역할을 해서 주로 아이들이 맞는 백신입니다. 어른이 맞지 않는 이유는, 이미 어른은 다양한 항체들이 가득차있기때문에 백신이 들어가 항체형성하도록 유도하기 전, 몸에 있는 항체가 생약독화 백신을 없애버리기때문이죠. 그래서 어른들에겐 효과가 없어요. 

백신 종류 (불활화백신, 생약독화백신) 에 대한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/132

인플루엔자(influenza)의 증상이 열이나 기침, 몸살이라서 이처음엔 감기라고 생각되었지만, 감기와 다르게 인플루엔자 바이러스에 걸렸을때 인플루엔자라고 합니다. 보통 flu라고 부르기도 해요. 

보통 겨울에 더 플루에 걸리기 쉬운데요. 왜그럴까요? 

기침을 하게되면 아래 그림처럼 작은 물방울(droplets)들이 촥~ 나가게 되는데요. 얘네들이 다름 사람의 호흡기에 들어가게 되면 바이러스에 노출이 되겠죠. 하지만 겨울에 특히 플루에 더 잘 걸리게되는데요. 겨울은 춥고 건조하잖아요. 그래서 이 분자의 응집력이 커져서 더 작아지고, 더 멀리 날아가게 됩니다. 그래서 직접적인 접촉이 없더라도, 인플루엔자 바이러스에 노출될 확률이 높죠. 하지만 덥고 습한 날씨에는 이 물방울들이 더 커지고 무거워져서 멀리 날아가지 못해요.  게다가 높은 온도에서 바이러스의 활성화정도가 떨어지기도 하고요.

바이러스 종류 및 명명법 

이 바이러스는 내부구조의 항원에 따라 3가지 유형 : A형 (1933년 발견), B형 (1940년), C형(1949) 이렇게 나뉩니다. 보통 인플루엔자라고 하면 대부분 A형 바이러스를 말하기도 해요. 특히 인플루엔자 A subtype H1N1은 인플루엔자 일으키는 가장 큰 원인이기도 합니다. B형은 A형보다 증상이 덜하고, 유전자의 변이도 덜 합니다. 그리고 C형은 B형보다 더 안정화되어있고, 유행도 적고요. B형과 C형은 보통 사람들이 걸리고, A형은 사람 뿐 아니라 다른 동물들 (돼지, 말, 조류)을 감염시킵니다. 

인플루엔자 A 바이러스는~ 

표면에 2개의 표면단백질 Hemagglutinin(헤마글루티닌, H)과 Neuraminidase(뉴라미니다제,N)이 있는데요. H는 혈구응집소로 바이러스가 세포에 침투하는 역할을 하고, N은 감염된 세포에게 새끼 바이러스 (Virus Progeny)를 배출하는 일을 합니다. 보통 H 항원, N 항원이라고도 해요. H와 N은 종류에 따라 또 세분화되고요. 18개의 H형, 11개의 N형이 존재해서 이들 조합으로 아형(subtype)로 구분이 됩니다. 하지만 아형이 같더라도 또 H와 N의 유전자 특성이 달라질 수 있어서 이 바이러스를 최초로 분리한 지역과 연도 역시 추가해서 이름을 짓게 됩니다. 그래서 신종플루는 A/Mexico/2009(H1N1) 이런식으로 적는게 올바른 방법입니다. 하지만 인풀루엔자가 유행을 하면 최초발생 지역을 따서 스페인독감 (스페인 인플루엔자), 러시아독감 (러시아 인플루엔자) 이렇게 부르기도 해요. 스페인독감은 H1N1이고, 조류독감은 H5N1입니다. 

출처: http://www.cdc.gov/flu/about/viruses/types.htm

인플루엔자 B 바이러스는~ 

인플루엔자 B역시 바이러스 항원형에 따라 B/Yamagata(야마가타)와 B/Victoria(빅토리아) - 이런 두가지 계통(lineage, 그러니까 아형(subtype)과 비슷)으로 나뉘게 됩니다. 

인플루엔자 바이러스 구조- negative strand RNA virus (음성가닥 RNA 바이러스) 

아래 그림보면 Genome은 8개의 RNA segments - PB2, PB1, PA, HA, NP, NA, M, NS로 이뤄져있고, 그 밖에 지질 2중층(lipid bilayer)으로 둘러쌓여 있습니다. 세포막에는 HA, NA가 있는데요. 얘네들은 protein이예요. 위에서도 언급했지만~ HA는 Hemagglutinin으로 H1 부터 18까이 있고요. 침입하고자하는 세포벽 silica acids에 붙어서 세포안으로 침입하는 역할을 합니다. 보통 H1, H2, H3이 사람에게 일으키고요. 하지만 H2는 보통 새한테 일어나서 bird flu라고도 합니다.NA는 silica acids를 N1부터 11까지 존재하는데~ 새끼 바이러스를 배출하는 일이라고 설명했었는데요. 조금더 자세히 적자면~ 잘라내는 기능을 하는 enzyme이예요. 그래서 바이러스가 만들어지면 중간에 잘라줘야하잖아요. 그걸 담당하고 있습니다. 

M은 Matrix의 약자로 M1은 nucleoprotein pore이고, M2는 ion channel로 바이러스가 산성화(acidify)하는걸 돕는 역할을 해요. 

PS, PB1, PB2는 RNA polymerase로 8개의 gene segments를 복제하는 역할을 합니다. 

HIV는 Human Immunodeficiency virus, 즉 인간 면역 결핍을 일으키는 바이러스를 말합니다. 후천성 면역 결핍 증후군 (AIDS)를 일으키는 바이러스예요. Joint United National Programme on HIV/AIDS자료에 따르면, HIV감염자 수는 1990년 7백 50만명에서 2012년 3천 5백만명으로 늘었습니다. 후천성 면역 결핍증으로 누적 사망한 수가 2012년까지 3천 6백만명정도 되고요. 

HIV바이러스는 아래 그림처럼 생겼는데요. gp120, gp41은 표면단백질이예요.

주로 성관계로 인해 감염되는데, 이 바이러스에 노출되면 신체의 면역 기능이 약화됩니다. 왜냐하면 HIV바이러스가 면역기능을 담당하는 CD+ Th (도움보조 T 세포) 세포가 약화되거든요. 우리몸에 외부 병원체(바이러스나 박테리아)나 혹슨 손상된 세포가 있으면 이를 막기위해 B세포가 항체를 생성하는데요. 이렇게 항체를 생성할때 도와주는 세포가  Th세포 입니다. 그런데 이 세포가 약화되다보니 당연히 면역반응이 약화되는거고요. 

아래 표는 현재까지 개발된 백신인데요. 

Vaxgen은 HIV의 표면단백질 gp120을 이용한 백신을 실험했었는데요. 하지만  HIV 바이러스는 변이가 심한 레트로바이러스(retrovirus)라서 실패한 백신입니다. 참고로 레트로바이러스란~ 바이러스는 RNA 단일가닥으로 게놈이 있는데요. 사람세포(숙주)의 DNA 이중가닥으로 통합되어 마치 유전자가 발현하듯이 전사를 통해서 게놈을 증식하게 됩니다. 그래서 이 유전정보가 자손에게 유전되는 이유이기도 합니다. 

Merk/NIAID회사는 adenovirus type 5으로 임상실험을 했었는데요. 아데노바이러스 벡터안에 live attenuated (약화된) gp120을 넣은 방법이었는데 역시 실패했습니다. 

Sanofi/MHRP/NIAID/ Thai Ministry of Health에서 RV144 Trial이 있었는데, Canarypox 벡터(cowpox와 비슷)에 gp120을 더한 방법이었지만 미미한 효과만 있었을뿐 뚜렷한 성과는 없었고요. 

HVTN 505는 DNA expressing vector와 adenovirus vector를 합친거였는데 역시 실패했습니다.    

AIDS 백신 개발이 어려운 이유는 HIV 표면 (외피, envelope) 단백질의 변동성(variability)가 높고요. animal model도 상당히 제한적입니다. 왜냐하면 에이즈사 사람에게 특이성을 갖고 있거든요. 즉, 침팬지를 대상으로 에이즈를 가염시킬 수 있지만 제대로 발현되지 않습니다. 그래서 HIV를 이용하는게 아니라 simian virus를 사용해야합니다. 또한 자연면역 (Natural immunity)으로 HIV가 치유되지 않아서 어떤식으로 접근해야하는지도 모르는 상황입니다. 그리고 hV가 레트로바이러스라서 바이러스 노출 이후 며칠 이내로 숙주의 게놈(genome)에 합쳐지기때문에, 합쳐지기 전 이 바이러스를 컨트롤하는게 시간적으로 촉박합니다. 

바이러스를 중화(neutralizing)할 수 있는 항체를 만드는게 HIV의 백신일텐데요. 이 항체가 항원과 만나려면 항원이 일정한 모습을 갖춰야 항체가 인식할 수 있겠죠. 그래서 일정한 모습을 가지고 있는 부분의 항원을 타겟으로 항체를 만들어야하는데 두고봐야할 일입니다. 

중화(neutralizing)에 관한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/126

소아마비(Polio)는 장내에서 감염되어(enteroviral disease) 신경계를 타고 신경근육마비(neuromuscular paralysis)를 일으키는 질병입니다. 1952년 미국에선 58,000명의 소아마비아가 있었고 그중에서 3,145명이 죽고, 21,000명 넘은 아이들이 마비 증세를 겪었습니다. 

아래 사진은 소아마비를 겪는 아이들 중 근육약화로 인해 호흡이 불가능한 아이들은 이런 iron lung이라는 기계에 들어가 가슴을 압박하는 방법으로 호흡을 했습니다. 이제는 소아마비 백신으로 인해 이 기계들은 사용하진 않지만 그 당시에는 많이 이용되었다고 합니다. 

reference: http://amhistory.si.edu/polio/americanepi/medical.htm

소아마비 백신은 두 종류가 있는데요. IPV (Inactive Polio Vaccine)는 근육내(intramuscularly)로 직접 주입하는데요. 항체(병원균을 방해하도록 우리 몸에서 만들어내는 단백질) 중 IgG반응을 유도해서 바이러스가 장에서 뇌로 가기 전 그 활동을 중성화(http://statnmath.tistory.com/126)하도록 합니다. (면역에 대한 내용은 면역 포스팅을 참고하세요)  IPV인 소크백신 (Salk Vaccine)은 1950년대 중반 미국 소크박사가 개발한 백신으로 전세계 소아마비를 엄청나게 줄이는데 기여를 합니다. 

OPV (Oral Polio Vaccine) 먹는 백신(경구용 백신)으로 소화기간의 점막에 IgA항체반응을 유도해서 소아마비 바이러스가 감염되는걸 막는 역할을 합니다. OPV는 attenuated vaccine(약독화백신)으로 1961년 상용화되었습니다. IgA항체반응을 이끌어내서 집단면역에 더 효과적이었습니다. 

불활화백신, 약독화백신에 관한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/132

집단면역에 관한 포스팅: http://statnmath.tistory.com/131

경구용 백신은 쉽게 줄 수 있기도 하고 게다가 바이러스 전염(전파)을 막을 수 있다는 이유로 전세계적으로 OPV가 많이 사용되었습니다. IPV는 질병을 막을 수 있지만, 바이러스 전염은 막을 수 없었거든요. 그러니까 면역력을 가지고 있는 사람이 질병을 가지고 있으면 본인에겐 괜찮을지 몰라도, 면역력이 없는 다른사람에게 전파할 수 있죠. 그래서 전파할 수 없는 OPV가 많이 사용되었어요. 하지만 IPV가 더 안전하다고 합니다. 

백신의 결과, 1953년 미국에서 21,269명의 소아마비 질병이 발생했지만, 1996년에는 단 한건의 소아마비가 발생하지 않았다고 해요. Global Polio Eradication Initiative가 1987년 출범해서 전 세계적으로 350,000 소아마비 발생을 2000년에 들어서 3,500건으로 줄여 99% 줄이게 되었습니다. 1995년에서 2000년까지 2 billion (20억) 아이들이 백신을 맞았습니다. WHO에서는 소아마비가 2005년까지 사라지게 될꺼라고 예측했지만 2013년도 기준으로 8개국에서 416 소아마비가 발생했다고 합니다. (왜냐하면 분쟁지역에 백신 투입이 늦어지게 되었고요. 그래서 중동지역, 특히 시리아지역에는 백신공급이 뒤쳐져있다고 합니다.)