(그림 A) 인간 비강 상피세포의 종류별 코로나바이러스 수용체 단백질(ACE2, TMPRSS2, Furin)의 발현 양상. 이들 단백질이 비강 섬모세포에만 집중적으로 발현함을 알 수 있다. (그림 B) 코로나바이러스가 비강 섬모상피세포만을 표적 삼아 복제한 후 세포 사멸과 바이러스 전파를 일으키는 병리기전 모식도. (기초과학연구원 제공) 2021.07.01 /뉴스1

국내 연구진이 상기도를 통해 감염된다고 알려졌을 뿐, 정확한 인체 감염 기전이 밝혀지지 않은 신종 코로나바이러스(코로나19 바이러스)의 인체 표적 부위를 밝혀냈다. 바로 비강의 섬모상피세포다. 연구진은 비강 내 면역 형성을 치료 전략으로 제시했다.

기초과학연구원(IBS)은 고규영 IBS 혈관 연구단장(한국과학기술원(KAIST) 의과학 대학원 특훈교수) 및 이창섭 전북대학교 감염내과 교수로 구성된 '코로나19 대응 공동연구팀'이 사스코로나바이러스-2(신종 코로나바이러스)의 복제 순간을 최초로 포착하고 초기 감염·증식의 주요 표적이 코안 섬모상피세포임을 규명했다고 2일 밝혔다.코로나19 바이러스는 바이러스 표면의 스파이크 단백질과 인체 세포의 안지오텐신전환효소2(ACE2)·막관통 세린 프로테아제2(TMPRSS2)·퓨린(Furin) 수용체 단백질의 결합을 통해 세포 내로 침투한다. 이들 ACE2·TMPRSS2·Furin 단백질을 가진 세포만이 코로나바이러스에 감염된다.

코로나19 환자 대부분은 '양성' 진단 시점에 이미 일차적 바이러스 감염·증식이 끝난 상태이기 때문에 초기 감염 기전 파악이 어렵다. 장기유사체(Organoid)를 이용한 초기감염연구가 있었지만, 배양세포에서는 코로나바이러스 수용체의 발현 양상이 인체와 다를 수 있기에 실제 인체 감염기전을 파악하는 데는 한계가 있다.

연구진은 실제 코로나19 초기 환자로부터 얻은 정확한 검체를 다양한 실험기법을 적용해 분석함으로써 이러한 어려움을 극복했다. 이창섭 전북대학교 감염내과 교수는 경증 코로나19 환자로부터 적절한 검체를 확보했다. 서울대학교병원, 삼성병원, 국립영장류센터의 연구진들 또한 신선한 조직 검체를 얻어냈다. IBS 연구진들은 이렇게 확보된 검체를 토대로 면역형광염색과 최신기법인 단일세포 유전자발현 측정기법을 이용해 연구를 수행했다.연구진은 ACE2·TMPRSS2·Furin 수용체 단백질이 코안 섬모세포의 공기 접촉면에 집중적으로 분포함을 발견했다. 코로나바이러스가 섬모세포의 공기 접촉면에 결합해 세포 내로 침투 후 복제·증식할 수 있는 것이다.

이들은 "이를 통해 비강 섬모세포가 코로나바이러스 감염의 시발점임을 새롭게 밝혔다"며 "반면 그동안 주요 감염 표적으로 여겨졌던 호흡기 점액 분비세포와 구강 상피세포에는 코로나바이러스 수용체 단백질이 존재하지 않았다"고 밝혔다.

(그림 A, B) 정상인과 코로나19 초기 환자의 비강 상피세포를 단일세포 유전자발현 측정기법으로 비교분석한 모습. 코로나19 환자의 경우 정상인과 다른 섬모상피세포 유형이 관찰된다. 그중 코로나바이러스 복제가 활발히 일어나는 세포 군집을 발견했다. (그림 C) 코로나19 초기 환자의 비강 섬모세포를 단일세포 유전자발현 측정기법 (그림 D) 세포도말 면역형광염색을 통해 추적 관찰한 모습. 코로나바이러스가 감염 초기에 섬모상피세포 내에서 복제·증식된 후 상피세포와 함께 소멸됨을 확인할 수 있다. (기초과학연구원 제공) 2021.07.01 /뉴스1

아울러 코로나19 초기 환자의 비강 및 구강세포를 분석, 코로나바이러스가 비강 섬모세포에서만 복제·증식하는 현상을 최초로 포착했다. 코로나바이러스 수용체 단백질이 없는 비강 분비세포 및 줄기세포, 구강 상피세포 등에서는 감염이 일어나지 않았다. 경증 코로나19 환자는 코로나바이러스 증식이 초기 8일 이내 종료됐으며, 손상된 섬모세포가 빠르게 재생되며 건강을 회복했다.

연구진에 따르면 이는 비강 점막면역이 코로나19 치료의 핵심임을 시사한다. 또한 코로나바이러스는 감염 초기에 복제 및 전파가 대부분 이뤄지는 것으로 알려졌는데, 이러한 연구는 치료뿐 아니라 예방 및 치료, 방역에 응용될 수 있다.

안지훈·김정모 선임연구원은 "코로나바이러스의 표적인 비강 섬모세포가 손상되면 폐를 비롯한 다른 장기도 빠르게 감염될 수 있다"며 "비강 섬모세포 보호를 위한 후속 연구 및 백신·약물 개발이 필요하다"고 전했다.

이창섭 교수는 "집단면역이 형성될 때까지 코와 입을 완전히 가리도록 마스크를 착용해야 한다"고 당부했다.

고규영 단장은 "비강 내 백신 투여로 점막 면역을 형성하는 것이 새로운 코로나19 예방 및 치료 전략이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제 의학연구학술지인 임상연구저널(Journal of Clinical Investigation)에 표지 논문으로 2일 오전 2시 게재됐다.

한편, 후속 연구로 △코로나19 감염에 따른 비강 점막 면역 형성시점 △근육 백신 접종에 의한 비강 점막 면역 형성 여부 △비강 내 백신 접종 시 비강점막면혁 형성 기전 등에 대한 규명이 이뤄지고 있다.

연구진은 이번 연구의 모든 과정이 생명윤리 및 안전에 관한 법률(IRB)에 따라 환자의 동의를 얻은 적법한 상태에서 진행됐으며, 질병관리본부의 가이드라인에 따라 환자의 검사대상물 획득은 음압 병동에서, 분석은 모든 검체를 고정한 후 BL2 시설에서 실시됐다고 밝혔다.


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