연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 높은 면역원성을 가지는 자가조립 서브유닛 백신 플랫폼을 개발함으로써 전세계적으로 위협이 되고 있는 감염병에 대한 예방 대책 기술을 제시했다.

전염병은 공중 보건에 매우 심각한 영향을 끼칠 수 있으며, 실제로 2019년 말 발생한 COVID-19에 의해 그 심각성이 널리 알려진 바 있다. 따라서 미래에 잠재적으로 유행할 수 있는 전염병 (Disease X)을 예방하기 위한 백신 기술의 개발이 필요하다. 미래 백신 개발에 있어서는 백신 투여 과정에서 발생할 수 있는 다양한 부작용의 최소화와 효율적으로 면역 반응을 유도할 수 있는 높은 면역원성, 낮은 생산 비용 등이 주안점으로 꼽힌다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 자가조립 기반 서브유닛 백신 플랫폼은 양친매성 고분자와 접합된 항원으로 구성되어 있다. 양친매성 고분자는 수용성 용매와 유기 용매가 혼재하는 에멀젼 환경에서 자가조립 과정을 통해 입자형태로 구축되며, 유기 용매의 제거를 통해 표면에 항원이 고밀도로 존재하는 백신 입자가 제조된다.

함승주 교수팀은 백신 플랫폼의 유효성을 다방면에서 검증하는 데에 성공했다. 면역 세포를 대상으로한 항원 전달능 및 수지상 세포의 활성화능의 개선을 확인하였으며, 동물실험에서 모델 항원 및 인플루엔자 바이러스 항원에 특이적인 항체의 생성량과 다양한 면역인자가 단일 항원 대비 증가하는 것 또한 확인하였다. 마지막으로, 인플루엔자 바이러스를 활용한 감염 실험에서 백신 투여 동물의 높은 생존률과 바이러스 농도 감소, T 세포 활성화를 확인하여 실제 바이러스의 예방에 활용될 수 있는 기술임을 보였다.

특히, 이번 연구의 핵심은 자가조립 과정을 통한 표면 항원 밀도 증가 기술 개발에 있다. 기존 서브유닛 백신은 낮은 부작용과 생산 비용을 가지고 있으나, 면역원성 또한 낮은 한계점이 존재하여 이를 보완하기 위한 면역 보조제 (adjuvant)가 반드시 필요했다. 본 연구에서는 자가조립이 가능한 고분자를 활용하여 입자 표면에 고밀도의 항원이 분포하는 백신 입자를 개발하여, 별도의 면역 보조제 없이 서브유닛 백신의 낮은 면역원성을 극복했다.

연세대 함승주 교수는 본 연구를 통해 “COVID-19 판데믹 이후 감염병의 예방,치료,진단에 대한 수요가 커지고 있으며, 미지의 감염병 X에 빠르게 대응하기 위한 백신 플랫폼의 개발이 필요한 상황이다. 본 연구를 통해 개발된 백신 플랫폼은 항원의 교체가 용이하여 감염병 확산에 따른 조기 대응에 유리하며 서브유닛 백신의 단점을 극복했다. 또한, 본 연구성과를 통해 입자의 물리적인 특성을 통한 백신 기술 개발 분야에 적용 및 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 개인기초연구사업 및 신·변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 박근선 박사(공동 제1저자)에 의해 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘ACS Nano’에 1월 8일자(현지시간)로 게재 및 전면 표지로 선정되었다.

Yonsei University’s (President Dong-seop Yoon) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seung-Joo Haam’s research team developed a self-assembled subunit vaccine platform with high immunogenicity, providing a preventive technology against infectious diseases that pose a global threat.

Infectious diseases can have a very serious impact on public health, which has been widely recognised by the COVID-19 outbreak in late 2019. Therefore, it is necessary to develop vaccine technologies to prevent potential future epidemics (Disease X). For future vaccine development, minimising various side effects that may occur during vaccine administration, high immunogenicity to efficiently induce an immune response, and low production costs are the main priorities.

The self-assembly-based subunit vaccine platform developed by Seung-Joo Ham and colleagues at Yonsei University consists of antigens conjugated to amphiphilic polymers. The amphiphilic polymers are self-assembled into particles in an emulsion environment in which aqueous and organic solvents are mixed, and the removal of the organic solvent produces vaccine particles with a high density of antigen on the surface.

Seung-Joo Ham's team has successfully validated the vaccine platform in a number of ways, including improved antigen delivery to immune cells and activation of dendritic cells, as well as increased production of antibodies specific to model antigens and influenza virus antigens in animal studies, as well as increased production of various immune factors compared to a single antigen. Finally, in infection experiments using influenza virus, we confirmed high survival rates, reduced viral concentrations, and T cell activation in vaccinated animals, indicating that the technology can be used to prevent actual viruses.

In particular, the key to this research is the development of a technology to increase surface antigen density through a self-assembly process. Existing subunit vaccines have low side effects and low production costs, but they also have limitations in terms of immunogenicity, so an immune adjuvant is needed to compensate for this. This study developed vaccine particles with a high density of antigens distributed on the surface of the particles using self-assembling polymers to overcome the low immunogenicity of subunit vaccines without the need for an immune adjuvant.

Professor Seung-Joo Haam of Yonsei University said, ‘After the COVID-19 pandemic, there is a growing demand for prevention, treatment, and diagnosis of infectious diseases, and it is necessary to develop a vaccine platform to quickly respond to unknown infectious diseases. The vaccine platform developed through this research overcomes the disadvantages of subunit vaccines by easily replacing antigens, which is advantageous for early response to the spread of infectious diseases and overcomes the shortcomings of subunit vaccines. In addition, it is expected that the results of this research can be applied to the field of vaccine technology development through the physical properties of particles.’

The research was conducted by Dr. Park Geun-seon (co-first author) of Professor Seung-joo Haam's research team with the support of the Individual Basic Research Project and the Core Technology Development Project for New and Variant Infectious Disease Response Platform supported by the Ministry of Science and ICT, and was published on 8 January (local time) in ACS Nano, a leading scientific journal, and was selected as the front cover.

ACS Nano (2024) (IF: 17.1)
Published: January 8, 2024
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09672