Biomedical Engineering - Immunity

 

우리 몸은 외부에서 들어오는 세균이나 바이러스, 심지어 암세포까지도 감지하고 제거하려는 면역 시스템을 갖추고 있습니다.

이 방어 체계를 이해하고 조절하는 기술이 바로 Engineering Immunity(면역 설계 공학)입니다.

 

면역 시스템이란?                                                                                

면역 시스템은 크게 두 가지 역할을 합니다:

1. 감시(Surveillance): 이물질 또는 손상된 세포를 지속적으로 탐색
2. 방어(Defense): 외부 항원(antigen)을 인식하고, 제거

그 핵심은 self와 non-self를 구별하는 능력입니다.

또한, 면역 세포들은 직접 접촉하거나, 자가분비/국소분비(autocrine/paracrine) 방식으로 서로 신호를 주고받습니다.

 

면역 세포의 이동: 림프계(Lymphatic System)                             

림프계는 면역 세포의 이동 통로이자, 체액 균형을 조절하는 보조 순환 시스템입니다.

• 림프절(lymph nodes): 항원을 감지하고, 면역 반응을 조절하는 센터
• 골수(bone marrow): 면역 세포의 생성지
• 흉선(thymus): T 세포의 성숙지
• 비장(spleen): 혈액 속 항원을 처리하는 기관

 

Engineering Immunity: 백신과 항체                                        

면역을 '설계'한다는 개념은 백신이나 항체를 인위적으로 만들어 면역 시스템을 조절하는 것을 의미합니다.

백신(Vaccine)이란?

“몸이 병에 걸리지 않고도, 병원체에 대한 면역 기억을 갖도록 유도하는 약물”

• 바이러스나 세균 일부를 약화 또는 무해화해서 주입
• 면역계는 이 물질을 외부 침입자로 인식 → 항체 생성 → 이후 감염 시 빠르게 반응

항체(Antibody, Ab)란?

“B 세포에서 만들어진 Y자 모양의 단백질로, 항원에 특이적으로 결합하여 중화하거나 공격을 유도함”

• 항원(Ag) 중에서도 ‘에피토프(epitope)’라는 특정 부위에 결합
• 항체는 병원체 제거, 면역 세포 활성화, 보체 시스템 작동에 관여

 

항원(Antigen)이란?

항원(抗原, Antigen)은 면역계가 "이건 낯설다"라고 인식하는 모든 분자를 뜻합니다.

• 단백질, 다당류, 지질, 심지어 DNA까지 항원이 될 수 있어요.
• 주로 박테리아나 바이러스의 표면 분자, 또는 이식된 장기 세포 등이 항원 역할을 합니다.

 

에피토프(Epitope)란?

**에피토프(Epitope)는 항원 분자 중에서 항체 또는 T세포 수용체가 정확하게 인식하고 결합하는 부위를 말합니다.

• 항원은 수백~수천 개의 아미노산으로 구성되지만,
• 항체는 그중 딱 몇 개의 아미노산 또는 당단백질 위치만을 인식해 결합해요.

 

항체의 구조 (Antibody Structure)                                         

항체는 4개의 폴리펩타이드 사슬로 구성됩니다:

• 2개의 Heavy chains (무거운 사슬)
• 2개의 Light chains (가벼운 사슬)
• 이들은 이황화 결합(disulfide bond)으로 Y자 구조를 형성

 

항체의 기능                                                                                

항체는 항원에 붙는 것에서 끝나지 않아요. 결합 후, 다음과 같은 방어 메커니즘을 유도합니다:

1. 중화 (Neutralization)
   → 항원이 세포에 침투하지 못하도록 차단
2. 옵소닌화 (Opsonization)
   → 병원체를 "맛있게 표시"해서 대식세포나 호중구가 먹기 쉽게 만듦
3. 응집 (Agglutination)
   → 병원체 여러 개를 뭉쳐서 제거 효율 증가
4. 보체 시스템 활성화 (Complement activation)
   → 항체-항원 복합체가 보체 단백질을 활성화 → 병원체 파괴
5. 면역세포 활성화 (Effector cell recruitment)
   → NK세포, 호중구, 비만세포 등이 Fc 영역을 인식해 작동 시작

 

항체의 종류 (Isotypes): IgG, IgA, IgM, IgE, IgD                    

각 항체는 기능과 위치가 조금씩 달라요.

 

면역 기반 치료제는 어디서 오는가?                                             

면역 치료제의 핵심인 항체(antibody)는 그 출처에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다.
바로 환자(Patient) 또는 동물(Animal)에서 얻는 방법인데요, 각각의 방식에는 뚜렷한 특징과 장단점이 있습니다.

 

From Patient

환자에게서 직접 항체를 얻는 방식

• 어떤 질병(예: 감염병, 암 등)에 걸린 환자 본인의 면역 시스템이 만든 항체를 직접 추출합니다.
• 이 방식으로 확보된 항체는 환자의 실제 면역 반응을 반영한다는 점에서 매우 유의미합니다.

🔹 장점

• 환자의 면역 시스템이 실제로 ‘전투’한 항체이기 때문에, 높은 특이성과 효과를 가질 가능성이 있음.

🔹 단점

• 한 사람으로부터 얻을 수 있는 양이 적음
• 환자마다 면역 반응이 달라 항체의 일관성 부족

 

From Animal

동물에게 항원을 주입하여 항체를 생성시키고 추출

• 예: 생쥐(mouse), 토끼(rabbit) 등에 항원을 투여 → 그 동물의 면역 시스템이 만든 항체를 수확
• 이 방법은 대량생산이 가능하고, 항체 생성 조건을 통제할 수 있다는 장점이 있습니다.

🔹 장점

• 규격화된 항체 생산 가능
• 항체 생산량이 많고 재현성 높음

🔹 단점

• 동물 항체이기 때문에 사람에게 사용 시 면역 반응(거부 반응)이 발생할 수 있음
• 이를 보완하기 위해 후속 조치로 인간화(humanization)가 필요함

 

Humanized mAb: 인간에 적합하게 개조된 항체                                

동물에서 만든 항체는 사람 몸에 들어가면 면역 반응을 일으킬 수 있어요.

그래서 유전자 조작으로 인간 항체처럼 바꾸는 기술이 필요했죠.

Humanized mAb란?

• 동물 항체를 인간 항체처럼 유전적으로 조작한 것.
• 예: Trastuzumab (Herceptin): 유방암 치료에 사용되는 인간화 항체

 

바이러스는 어떻게 감염을 일으킬까?                                                    

바이러스는 세포 없이 단독으로 살 수 없어요.

그래서 다른 생물의 세포 안에 침입해 증식합니다.

 

바이러스 감염 과정 : 

1. 세포 침입
2. 껍질 벗기기 (유전체 노출)
3. 유전체 복제
4. 바이러스 단백질 생성
5. 새로운 바이러스 조립
6. 세포 밖으로 방출

 

선천 면역 vs. 적응 면역                                                                       

선천 면역(Innate Immunity)

• 즉각적 반응 (노출 후 몇 시간 이내)
• 비특이적: 적이 누군지 몰라도 공격함
• 기억 없음: 한 번 겪은 감염을 기억하지 못함
• 염증 반응 유발: 발열, 부기, 통증 등

주요 구성요소:

• 대식세포(Macrophages)
• 호중구(Neutrophils)
• 자연살해세포(NK cells)
• 보체 단백질(Complement system)
• LPS (리포다당류) 등 병원균 공통 분자 인식

 

적응 면역(Adaptive Immunity)

• 느림: 감염 후 며칠~일주일 소요
• 고특이성: 특정 병원체에만 반응
• 기억 형성: 다음에 똑같은 병원체가 오면 더 빨리 반응
• 다양성: 거의 무한한 수의 병원체 구분 가능

적응 면역은 두 가지 유형으로 나뉘어요:

1. 체액성 면역 (Humoral Immunity)
   • B세포가 항체(Ab)를 생성
   • 항원에 직접 결합하거나 T세포의 도움으로 활성화됨
2. 세포성 면역 (Cell-mediated Immunity)
   • T세포가 감염된 세포를 직접 파괴
   • APC가 항원을 제시하여 T세포가 반응 유도