카이스트(KAIST)는 의과학대학원 박수형 교수 연구팀이 충북대학교 의과대학 최영기 교수(현 한국바이러스기초연구소장), 지놈인사이트 이정석 박사팀과 공동 연구를 통해 코로나19 바이러스 감염 후 회복까지 면역반응의 연속적 변화를 규명했다고 4일 밝혔다.

공동연구팀은 이번 연구를 통해 코로나19 바이러스 증식의 절정기, 그리고 회복기에 걸쳐 나타나는 면역반응의 양적·질적 변화를 규명해 폐 손상을 일으키는 특정 면역세포의 특성과 기원을 규명했으며, 이는 코로나19 환자에서 과잉 면역반응에 의해 발생하는 폐 손상을 조절할 수 있는 타깃(대상)을 제시했다.
 

코로나19 바이러스에 감염되면 처음 바이러스가 유입돼 감염되는 폐 조직 내에서 즉각적인 면역세포의 활성화가 일어나는 것으로 알려져 있다. 

이 면역세포의 대부분은 대식세포(macrophage)인데, 코로나19에 환자가 감염된 후 혈류를 통해 활성화된 단핵구가 폐 조직으로 들어오면서 추가로 대식세포로 분화하며 바이러스에 감염된 폐 조직 세포들을 제거해 초기 방어로 대응을 하게 된다. 
 
코로나19 감염 후 일어나는 초기의 면역반응과 그 시간에 따른 변화를 폐에서 면역세포를 여러 차례 얻어 연구하는 것은 환자를 통해서는 불가능하기 때문에 페럿(식육목 족제비과의 포유류)과 같은 호흡기감염 동물모델을 활용한다. 실제 충북의대 최영기 교수 연구팀은 실험동물인 페렛이 SARS-CoV-2 바이러스에 감수성이 있다는 것을 세계 최초로 학계에 보고했다.

이번 연구에서 카이스트와 충북대, 지놈인사이트 공동연구팀은 코로나19 바이러스 감염 동물모델을 이용, 감염이 진행되는 동안의 폐 내 면역세포의 변화를 첨단 연구기법인 단일세포 시퀀싱을 이용해 정밀하게 분석했다.

또한 폐 면역세포의 대부분을 차지하는 대식세포를 10가지 아형으로 분류한 후 어떤 대식 세포군이 폐 손상에 기여하는지를 확인했다.
 

그 결과 연구팀은 코로나19 바이러스 감염 2일 후부터 혈류에서 활성화된 단핵구가 급격하게 폐 조직으로 침윤하며 대식세포로 분화하면서 양적으로 증가하는 것을 규명했다.

특히 혈류 기원 침윤 대식세포들은 염증성 대식세포의 성질을 강하게 나타내며, 바이러스 제거에 기여할 뿐만 아니라 조직손상을 일으키는 주범이 될 수 있음을 제시했다. 

대식세포 분화의 양상은 중증 코로나19 환자들의 폐 조직에서 관찰되는 변화와도 높은 유사도를 보이는 것으로 확인했다.

이 같은 연구 결과를 바탕으로 현재 공동연구팀은 면역억제제를 투약받은 코로나19 환자들의 면역반응 변화를 종적으로 추적하고 있으며, '싸이토카인 폭풍'과 같은 치명적인 중증 코로나19의 과잉면역반응의 적절한 제어와 약물의 면역학적 효과를 규명하는 후속 연구를 진행 중이다.

이번 연구의 제1 저자인 지놈인사이트 이정석 박사와 카이스트 고준영 박사과정은 "이번 연구 결과는 코로나19 환자의 폐가 경험하게 되는 선천 면역반응을 단일세포 전사체라는 오믹스 데이터를 이용해 다각적으로 분석했다"면서 "바이러스 감염 시에 발생하는 대식세포 면역반응의 이중성을 이해하는 중요한 자료"라고 설명했다.

충북대학교 최영기 교수는 "SARS-CoV-2 바이러스 감염 후 시간의 경과에 따른 바이러스의 증식성 변화와 병리학적 분석을 수행한 이번 결과는 전반적인 바이러스 감염 및 회복에 관여하는 병인기전을 이해할 수 있는 중요한 연구 자료"라고 말했다.

카이스트 박수형 교수는 "코로나19가 감염된 직후 시간에 따른 변화를 감염 전과 비교해 정밀하게 규명한 것이 이 연구의 가장 큰 수확이며, 감염 후 폐 손상이 특정 염증성 대식세포에 의한 것임을 규명해 중증 코로나19 환자에서 사용되는 면역억제 치료 전략을 정교하게 만들 수 있는 근거를 마련했다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 보건복지부와 카이스트의 지원을 받아 수행했으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)誌 7월 28일자에 게재됐다(논문명: Single-cell transcriptome of bronchoalveolar lavage fluid reveals sequential change of macrophages during SARS-CoV-2 infection in ferrets).