생물학, 통계학, 데이터 과학

16세기, 잉카(Incas)제국에서 탐험가들에 의해 천연두가 퍼지게 되었는데요. 그래서 2천만명의 잉카인구가 3백만으로 줄어들게 되었습니다. 18세기에 천연두가 퍼져서 유럽에서 6천만명의 인구가 죽기도 했었고요. 

1796년, 영국 의사 제너(Edward Jenner)는 농촌지역인 Gloucestershire에서 소를 다루는 일을 하는 사람들이 천연두를 많이 앓지 않는다는걸 깨달았습니다. 그래서 우두(cow pox)에 걸린 소에서 채취한 물질을 사람에게 접종하면 천연두를 막을 수 있을꺼란 생각에 우두접종(variolation)을 실시하게 되었습니다. 

1796년, 제너는 젖 짜는 일을 하던 부인의 손에 난 종기에서 나온 액체를 체취해 보관했습니다. 그리고 동네 이웃을 설득해 그의 아들에게 액체를 주사할 수 있게 해달라고 설득했습니다. 접종을 한 후, 경미한 증상을 보였고 곧 회복하게 되었는데요. 그리고 6주 후, 다시 그 소년에게 천연두를 앓은 사람에게 얻은 액체를 접종했는데 아무런 이상 증상이 나타나지 않았습니다 이걸 vaccination이라고 부르게 되었습니다. 참고로 cow pox는 Vaccinia virus라고 부릅니다. 왜냐하면 라틴어로 cow를 vacca라고 하거든요. 

1967년 WHO는 천연두를 영원히 없애버리는 일에 힘을 쏟았는데요. 그래서 중국, 아프리카 등 천연두 백신을 공급했습니다. 1977년 천연두 바이러스 감염을 마지막으로 WHO는 천연두가 종식되었다고 선언했죠. 

하지만 정말 천연두는 종식된걸까요? natural infection (자연적으로 나타난 감염)은 에티오피아에서 발생한 1977년이라고 하고요. 이젠 WHO에서 지정한 랩, 미국(Atlanta, Georgia)과 러시아에 보관하고 있습니다. 하지만 1970년대 U.S.S.R(구소련)에서 천연두를 무기화하는 노력을 했다고 합니다. 천연두로 바이오테러를 일으키진 않았지만 이미 기술은 보급하고 있는 상황이라고 하네요. 그래서 미국은 이에대한 방어목적으로 200M (2억명)에 다다르는 백신을 보유하고 있다고 합니다. 이렇게 만들어진 백신은 약 15년 정도 보관 가능하다고 합니다. 

바이러스는 간단히 말해서 DNA 혹은 RNA와 같은 유전적인 정보(genetic information)가 capsid라는 단백질로 둘러싸여있는걸 말합니다. capsid(캡시드)는 단백질 껍데기라고 보면 됩니다. 바이러스입자를 Virion(비리온)이라고도 하는데, 비리온은 nucleic acid와 protein coat(capsid) 전체를 일컫는데요. 숙주세포에 드러가지 않은, 외부환경에 있는 상태의 바이러스를 말합니다. 

바이러스가 살아있는 생명체인지 아닌지에 대한 논란은 계속 되고 있는데요. 보통 세포 밖에서는 활동을 못하고요(not alive). 여기서 말하는 활동이란, 복제한다던가, 새끼 바이러스 (viral progeny)를 만들어내지 못한다는걸 말합니다. 하지만 일단 숙주 세포에 들어가게되면 활동하기 시작하죠. (intracellular parasite) 바이러스는 숙주세포가 어떤거냐에 따라, 동물바이러스, 식물바이러스, 세균바이러스로 구분됩니다. 포스팅은 동물바이러스에 대한 내용입니다. 

박테리아와 다르게 랩에서 연구하기 힘든데요. pure culture에서 자랄 수 없고, 일단 숙주가 필요하기 때문입니다. 그리고 사이즈도 작아서 electron microscope에서 관찰할 수 있어요. 크기가 얼마나 작냐면~ 

바이러스 크기 

왼쪽은 적혈구고, 회색은 E.coli박테리아입니다. 어떤 바이러스보다 적혈구가 훨씬 더 커요. Mimivirus는 세번째로 가장 큰 바이러스인데 그림 보면 어느정도 크기인지 짐작 가죠? 제일 작은 바이러스는 Parvovirus라고 불리는 spherical virus입니다. 바이러스 안에 2개의 genes이 들어있어요. 아래 그림 Poliovirus 동그란 점이 보이는데 얘가 30nm고, Parvovirus는 17nm정도예요. 

바이러스 분류 

동물바이러스는 크게 노출바이러스(Naked virus)와 피막바이러스(Enveloped virus)로 나눌 수 있습니다. 아래그림은 Naked Virus이고요, 그 아래 그림은 Enveloped Virus입니다. 

캡시드(Capsid)는 캡소미어(capsomere)라는 단백질의 작은단위의 집합체예요. 간단한 바이러스는 한 종류의 단백질로 캡시드가 이뤄지기도 하고, 복잡한 바이러스는 여러 종류의 단백질로 이뤄져있기도 합니다. Nucleic acid와, capsid를 합쳐서 Nucleocapsid라고 말해요. 

피막바이러스의 외피는 지질이중층으로 구성되어있습니다. Nucleic acid와 Envelope사이에는 matrix protein (tegument layer)이 있는데요. 감염시킬때 바로 작용할 수 있는 효소(enzymes)이나 단백질등이 들어있어요. 

바이러스 모양 

동물바이러스는 그 모양에 따라 크게 세가지로 나눌 수 있습니다. icosahedral (정이십면체 바이러스), helical (나선형바이러스), complex (복합형바이러스). 복합형바이러스는 주로 정이십면체의 nucleocapsid의 머리부분과 나선모양의 꼬리부분으로 이뤄져있어요. 아래 그림 참고하세요~ 

Viral Genomes 바이러스 유전자 정보 

Capsid안에 유전자 정보가 DNA가 들어있던가, 혹은 RNA만 들어있던가, 아니면 둘 다 들어있기도 하는데요. Linear, circular 모양도 다양하고, Double-stranded, Single-stranded 아니면 Segmented(조각)로도 들어있습니다. 보통 한 조각이 하나의 단백질을 만들긴 하는데, 바이러스가 워낙 다양하고 변이도 많이 일어나서 항상 그렇다는건 아닙니다. 

보통 DNA 바이러스가 RNA 바이러스보다 더 큰데요. 왜냐하면 DNA가 RNA보다 더 stable(안정적)이거든요. 참고로 RNA strands가 길수록 더 취약(fragile)합니다. 작은 RNA genome을 가질수록 얘네들이 replicate될때 변이(mutation, 에러)가 (DNA 바이러스보다) 많이 생겨요. 

백신이 병원체를 살아있는 상태로 체내에 주입하면 병에 걸리는것과 마찬가지가 되겠죠. 그래서 병원체에 대한 항체를 만들어주기 위해, 위험수준이 아닌 정도로 병원체의 독소를 적당히 처리되어야 하겠죠. 이렇게 병원체를 조작하는 방법에 따라 백신의 종류를 여러가지로 나눌 수 있는데요. 두 종류로 나눠서 정리하자면~ 죽은 병원체를 주입하거나, 아니면 병원체의 일부만 주입하는 경우를 불활화백신, inactivated vaccine이라고 하고, 살아있지만 감염성이 없도록 약화시켜놓은 상태로 주입하는 경우를 약독화백신, attenuated vaccine이라고 합니다. 

불활화백신 (inactivated vaccine)

미생물을 화학약품(formaldehyde)으로 죽였지만 면역원성(immunogenicity)을 가진 백신을 말합니다. 백신에 따라 미생물(병원체) 전체(whole organism)가 들어있기도 하고, 부분만 들어가있기도 해요. 죽어있기때문에 감염 자체를 일으키지는 않고요. 대신 우리 몸에서도 면역 반응이 제한적으로 일어나기때문에 1회 접종이 아닌 2~3차에 걸처 접종(booster doses)을 받습니다. 

약독화백신, 순화백신 (attenuated vaccine)

병원체의 독성을 없애거나 약하게 만든걸 말합니다. 살아있는 병원체이다보니 보관할때 더 주의를 해야겠죠. (냉장보관)단 1회 접종으로도 면역지속기간이 길다는 장점을 가지고 있습니다. 하지만 몸 안에서 병원체들이 변이반응(mutation)반응이 일어날 가능성도 있고요. 혹은 면역억제반응(Immunosuppressed)도 일어날 수 있어요. 그래서 통상적으로 임산부에게 권하진 않습니다. 약독화백신의 예로는 measles(홍역), mumps(볼거리), rubella(풍진), chickenpox(수두), yellow fever(황열), polio(소아마비 - 그중에서 Sabin은 약독화백신이고 다Salk 바이러스는 불활화백신이예요) 백신이 있습니다.  

탄수화물 접합 백신 (Carbohydrate Conjugate Vaccine) 

Polysaccharides (다당류)는 복합탄수화물이라고도 불리는데요. 단당류가 글리코시드 결합으로 이뤄진 고분자화합물입니다. 일부 박테리아는 이런 다당류 겉에 감싸져있는데요. 항체가 이 다당류를 인식할 수 있으면 박테리아 기능을 중화작용을하거나 살균작용(bactericidal)을 할 수 있겠죠. 하지만 면역원(immunogen)이 약해요. 그러니까 면역반응을 유도하는게 약합니다. 왜냐하면 다당류는 일반적으로 Th (도움보조 T세포) 세포의 도움이 필요하지 않는 TI antigen 이거든요. 그래서 다당류로 되어있는  epitopes에 foreign carrier protein을 접합시켜서 TD antigen으로 만들게 됩니다. 그러면 면역반응이 더 활성화되어 IgG항체를 더 많이 만들어내게 됩니다. (보통 T세포를 활성화시키기 위해서 외부 병원체의 일부인 항원조각 peptide를 인식하는데요. 이 peptide는 단백질 조각을 말합니다. 하지만 단백질이 아닌 경우 T세포를 활성화하진 않아요. 추가내용은 TD antigen & TI antigen 포스팅 참고하세요)   

이 백신은 haemophilia influenza (Hib)로 1988년에 처음 도입되었는데요. 지금은 clinical 목적으로 haemophilia(혈우병), meningococcal(뇌척수막염군), pneumococcus(폐렴균)에 사용됩니다. 

중화작용 http://statnmath.tistory.com/126

TI antigen 내용 참고 포스팅: http://statnmath.tistory.com/127

TD antigen 내용 참고 포스팅 : http://statnmath.tistory.com/123

자세한 백신 종류는 아래 테이블 참고하세요 :) 

백신의 역할은 감염 가능하는 물질을 non-pathogenic(병원체가 아닌)형태로 우리 면역시스템에 노출시켜 질병으로부터 몸을 보호하는걸 말합니다. 백신은 그래서 감염수준이 높은 바이러스로부터 몸을 보호합니다. 효과적인 백신은 반드시 안전해야하고, 심각한 부작용이 있으면 안되겠죠. 다루기 쉽고 비용면에서도 저렴하면 가장 좋고요. 

천연두 백신을 맞았다고 해서 광견병에 걸리지 않거나 하지는 않습니다. 특별한 질병에만 보호하는 specificity (특이성)을 갖고 있습니다. 그리고 천연두 백신을 맞았는데 그 효과가 한달 정도라면 맞은 효과가 별로 없겠죠. 천연두 백신같은 경우 한번 맞으면 평생동안 효과가 있는데 이렇게 몸에서 백신을 맞으면 그 항원을 기억(memory)하게 됩니다. 이렇게 특이성과 기억력의 특징을 갖고 있기때문에 2차 면역(secondary immune reponse)과 관련이 있습니다. 

예를들어 Y라는 병원균(항원, antibody)에 대해 처음으로 노출되었다고 해요. 

잠시 리뷰하자면, 항체는 우리 몸에서 만들어내서 외부에서 들어온 항원과 결합하는 단백질입니다. 그래서 외부물질을 방해해서 우리 몸을 보호하죠. 포유류에서는 항체가 총 5가지가 있는데 (IgM, IgG, IgA, IgE, IgD), IgM이라는 항체가 처음으로 만들어져서 다른 항체로 변환하게 됩니다. 항체 종류 : http://statnmath.tistory.com/125 & http://statnmath.tistory.com/124 참고하세요 

IgM항체가 처음 만들어지는 항체이다보니, 일차 면역반응 (primary immune response)에서 IgM항체가 제일 많이 있겠죠. 28일째 되는 날 Y라는 똑같은 병원균에게 노출이되면 두번째로 노출되었으니 이차 면역반응(Secondary response)가 일어나게 됩니다. 이때 일차 면역반응보다 더 빠른 속도로 우리 면역시스템이 반응하게 되어요. 이때 만들어지는 항체는 IgM보다 IgG라는 항체가 더 많이 생성하게 되는데요. IgG항체가 IgM보다 병원체에 더 효과적으로 반응하기 때문입니다. 만약 28일에 되는날 X라는 병원균이 들어왔다!!! 하면 예네들은 일차 면역반응이 일어나겠죠. 왜냐하면 X라는 병원체와 Y라는 병원체는 서로 달라요. 그래서 면역반응도 각각 병원체마다 다르게 일어나기 때문에 이걸 특이성 (specificity)이 있다라고 하는 거예요. 

그럼 백신주사 맞으면 장땡이냐!! 그건 아니예요. 독감 백신을 매 해 맞으면서도 감기걸리는 사람이 있잖아요. 네 그게 접니다. 바로 집단면역(herd immunity)과 관련이 있어요. 집단 면역은 어떤 집단의 면역 상태를 말하는 겁니다. 

아래 그림에서 하늘색 사람은 면역이 없지만 건강한 사람, 노란색 사람은 면역이 있고 건강한 사람, 빨간색 사람은 면역력이 없고 아프거나 감염된 사람을 말하는데요. 

첫번째 그림보면 죄다 퍼런색 사람들인데 면역력이 없는 집단을 말해요. 이때 빨간색인 사람 두사람으로 인해 갑자기 빨간색 집단으로 변해버리게 되죠. 그래서 면역력 없는 그룹에서는 질병이 쉽게 퍼진다는걸 말해요. 마지막 그림보면 노란색 사람들이 많죠. 면역력도 있고 건강한 사람들 속에서, 면역력 없는 아픈사람이 질병 퍼뜨리는게 쉽지 않아요. 그래서 면역없는 사람도 질병에 걸릴 확률이 적죠.  

reference: http://www.vaccines.gov/basics/protection/

질병에 가장 취약한 사람들이 바로 애기들일텐데요. 그래서 어렸을때 예방주사를 다 맞는 이유 중 하나가 집단면역을 높이기 위해서 입니다.내용이 길어지니 백신 종류에 대해서는 다음 포스팅으로 이어갈게요. 

포식세포 중 호중구(neutrophils)에 관한 글: http://statnmath.tistory.com/128 

포식세포 중 수지상세포(Dendritic Cells)에 관한 글: http://statnmath.tistory.com/119 

포식세포 중 Monocyte / Macrophage에 관한 포스팅입니다. 

이들은 단핵 식균 세포(mononuclear phagocytes)는 면역계를 구성하는 세포들인데요. 식균작용(phagocytosis)를 통해 면역반응을 유도해서 선천성 면역반응을 일으키기도 하고, T세포에 항원(병원체 혹은 손상된 세포 조각)을 제시해서 후천성 먼역 반응도 일으키기도 해요. 

이름이 Monocyte/ Macrophage라고 두가지인 이유는 간단합니다. 똑같은 세포지만 혈액속에 있을땐 Monocyte (단구)라고 부르고, 조직에 들어가있으면 Macrophage (대식세포)라고 불러요. 혈액속에 있으면 동글동글한 모습을 하고있고, 조직에 들어가있으면 오른쪽 사진처럼 납작하고 돌출부?(protrusion)이 나와있어서 병원체(pathogens)을 찾아다니죠. 

대식세포가 어디에 있냐에 따라 또 이름이 달라집니다. 외우기 힘들게시리...

간에 있으면 Kuppfer cell, 뇌에 있으면 microglial cells, 폐에 있으면 avelolar macrophage, 뼈에 있으면 osteoclast라고 해요.

이 대식세포들의 하는 일은 같습니다. 바이러스, 박테리아와 같은 병원체나 아니면 손상된 세포나 죽은 세포들을 섭취하는 일을 해요. 호중구만큼 강력한 킬러는 아니지만 호중구보다 오래 살고요. 그래서 섭취한 일부 조각(peptide)를 T세포에 제시해주는 antigen presenting cell (APC) 역할을 합니다. 관련 내용은 다른 포스팅 참고하세요.