국내 연구진이 신·변종 바이러스와 미래 감염병 대유행(팬데믹)에 선제적으로 대응할 수 있는 세계 최대 규모 실험모형 구축에 성공했다.

과학기술정보통신부(장관 유상임, 과기정통부)는 "기초과학연구원 한국바이러스기초연구소 최영기 소장과 유전체 교정 연구단 구본경 단장 공동 연구진이 이 같은 연구 결과를 국제학술지 '사이언스'에 게재했다"고 지난 16일 밝혔다. 

연구진은 한국에 서식하는 박쥐에서 유래한 유사장기(오가노이드)를 성공적으로 구축해 바이러스 감염 특성과 면역 반응을 분석할 수 있는 새로운 연구 체계(플랫폼)를 개발했다. 

감염병 75%는 동물서 유래···특히 박쥐는 고위험 인수공통바이러스 자연숙주

연구진에 따르면 감염병의 75%는 동물서 유래한다. 특히 박쥐는 사스코로나-2(SARS-Cov-2), 메르스코로나(MERS-CoV), 에볼라, 니파 등 고위험 인수공통바이러스의 자연 숙주로 알려져 있다. 

이에 박쥐 유래 바이러스 증식 및 전파 특성을 조기에 규명하고 선제적으로 대응할 수 있는 연구 필요성이 강조되고 있지만 현재 박쥐 유래 바이러스 연구를 위한 생체 모형은 극히 제한적이다.

연구진은 한국, 동북아시아, 유럽에 널리 서식하는 식충성 박쥐인 애기박쥐과(Vespertilionidae) 및 관박쥐과(Rhinolophidae) 박쥐 5종으로부터 기도, 폐, 신장, 소장의 다조직 오가노이드 생체 모형을 구축했다. 

연구진은 새롭게 구축한 박쥐 오가노이드를 활용해 코로나(SARS-Cov-2, MERS-CoV), 인플루엔자, 한타 등 박쥐 유래 인수공통바이러스의 특이적 감염 양상과 증식 특성을 규명했다. 

이들 고위험 바이러스는 각각 특정 박쥐 종과 장기에서만 감염되거나 증식하는 경향을 보였는데, 특히 한타바이러스는 박쥐 신장 오가노이드에서 효과적으로 증식되는 것이 확인됐다. 

이에 대해 연구진은 "박쥐 신장 오가노이드가 한타바이러스의 감염 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 새로운 감염 모형으로 활용될 수 있음을 뒷받침한다"고 설명했다. 

또한 연구진은 결과 박쥐 오가노이드에 다양한 인수공통바이러스를 감염시켜 박쥐의 종과 장기, 바이러스 종류에 따라 나타나는 선천성 면역 반응을 정량적으로 확인했다. 

연구진은 "박쥐가 다양한 바이러스에 대한 방어 작동원리를 유연하게 조절할 수 있음을 시사한다"며 "다양한 인수공통바이러스의 자연숙주가 될 수 있는 생물학적 배경을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다"고 설명했다. 

이어 "나아가 박쥐 오가노이드가 바이러스-면역 상호작용을 규명할 수 있는 중요한 연구 체계(플랫폼)로 활용될 수 있음을 보여준다"고 덧붙였다. 

연구진은 야생 박쥐 분변 표본에서 두 종류의 변종 바이러스를 찾아내고, 이를 배양해 분리하는 데도 성공했다. 포유류 오르토레오바이러스(MRV)와 파라믹소바이러스(Paramyxovirus) 계열의 샤브 유사(ShaV-like) 바이러스다. 

특히 샤브 유사 바이러스는 기존의 일반적인 세포 배양 방식에서는 증식되지 않았지만, 박쥐 오가노이드에서는 효과적으로 증식됐다. 

연구진은 "박쥐 오가노이드가 실제 박쥐 장기 환경을 매우 유사하게 구현해 기존 세포 모형보다 더 높은 생리적 재현성과 민감성을 확보하게 됐다"고 밝혔다. 

바이러스 분리·감염 분석·약물 반응 평가 등 한 번에 수행 가능 

마지막으로 연구진은 기존 3차원 박쥐 오가노이드를 2차원 배양 방식으로 개량, 고속 항바이러스제 선별(스크리닝)에 적합한 실험 체계(플랫폼)으로 확장했다.

3차원 오가노이드는 모양과 크기가 균일하지 않아 자동화된 실험이 어렵고 분석과 평가에도 시간이 오래 걸리지만, 2차원 플랫폼은 오가노이드 유래 세포를 평평한 배양판에 펼쳐 균일한 세포층을 형성하고 있어 실험이 용이하고 분석이 빠르다.

연구진은 2차원 플랫폼을 활용해 분리한 박쥐 유래 변종 바이러스를 대상으로 '렘데시비르(Remdesivir)' 등 항바이러스제 효과를 정량적으로 분석했다. 

그 결과, 기존 세포주 시스템보다 감염 억제 효과를 더 민감하고 정확하게 반영했다.

연구진은 "박쥐 오가노이드가 신·변종 바이러스의 감염성 평가와 치료제 선별에 모두 활용 가능한 생리학적 모형으로 기능할 수 있음을 실증했다"고 밝혔다. 

연구를 주도한 김현준 바이러스기초연구소 선임연구원은 "이번 플랫폼을 통해 그동안 세포주 기반 모형으로는 어려웠던 바이러스 분리, 감염 분석, 약물 반응 평가를 한 번에 수행할 수 있게 됐다"고 평가했다.