mRNA-based prime-and-pull vaccination combines benefits of subcutaneous and mucosal BCG vaccination

문제 정의
현재 사용되는 라이선스 결핵(TB) 백신인 마이코박테리움 보비(Mycobacterium bovis) 바실로 카미에-구에린(BCG)은 소아의 중증 질환 예방에는 효과적이지만, 가장 전염성이 높은 형태인 폐결핵에 대해서는 가변적이고 종종 불충분한 보호 효과를 보입니다. 점막 백신 전략은 강력한 국소 폐 면역과 조직 상주 기억(TRM) 세포를 생성하는 유망한 접근법으로 부상했으나, 심각한 안전성 문제에 직면해 있습니다. 구체적으로, 에어로졸 형태의 BCG와 같은 생백신(LAV)을 점막으로 투여할 경우, 통제되지 않는 복제 및 과도한 염증의 위험이 있으며, 이는 폐의 조직 무결성과 가스 교환 능력을 저해할 수 있습니다. 따라서 점막 투여의 높은 면역원성과 비복제성 근육 주사 백신의 안전성 프로파일 사이에서 균형을 맞출 수 있는 백신 전략이 절실히 필요합니다.

연구 방법론
저자들은 mRNA 기반의 "프라임 앤 풀(prime-and-pull)" 백신 전략을 개발하고 평가했습니다. 이 접근법은 다음 두 단계로 구성됩니다:

1. 프라임(Prime): 피하(SC) 접종을 통해 BCG(표준 BCG 또는 ESX-1 로커스를 발현하는 재조합 BCG인 BCG::RD1)로 전신 면역을 확립합니다.
2. 풀(Pull): 지질 나노입자(LNP)로 제형화된 mRNA를 기관 내(IT) 투여하여 국소 폐 면역을 유도합니다.

본 연구에서는 DOTAP, DOPE, 콜레스테롤, C16 PEG-세라마이드로 구성된 "스텔스" LNP(sLNP)를 사용하여 폐에 mRNA를 전달했습니다. 두 가지 별도의 항원 모델이 테스트되었습니다:

• 개념 증명 모델: 단일 항원인 ESAT-6(핵심적인 M. tuberculosis 항원)를 사용하여 투여 용량 요법(단회 고용량 vs. 다회 저용량)을 최적화하고, SC 및 IT BCG 대조군과 결과를 비교했습니다.
• 다가(Multivalent) 모델: 네 가지 mRNA 구조체를 생성하였으며, 각 구조체는 두 개의 항원을 인코딩합니다(총 8개의 단백질: HBHA, HRP1, HspX, CFP10, Ag85B, VapB47, PPE18, PE13). 이는 MHC 적합성을 넓히기 위해 하이브리드 F1(C57BL/6 × BALB/c) 마우스를 대상으로 테스트되었습니다.

백신 접종을 받은 마우스는 접종 60일 후 에어로졸 형태의 M. tuberculosis H37Rv에 노출되었습니다. 결과는 폐 및 비장의 세균 수(CFU), 폐 병리학적 분석, T 세포 아형(TRM 및 줄기세포 유사 기억 T 세포 포함)의 유세포 분석, 그리고 사이토카인 프로파일링을 통해 평가되었습니다.

주요 기여 및 결과

• 전달 및 발현: 연구는 sLNP가 기관 내 경로를 통해 폐 세포로 mRNA를 성공적으로 전달하며, 48시간 이내에 수지상 세포와 호중구에서 단백질 발현을 지원함을 입증했습니다.
• 용량 최적화: ESAT-6 모델에서, BCG 프라이밍 후 mRNA를 단회 고용량(10 μg)으로 기관 내 투여했을 때, 다회 저용량 요법보다 폐와 기관지 폐포 세척액(BALF) 내 항원 특이적 T 세포 수를 유의미하게 높였습니다. 이 단회 투여 프라임 앤 풀 요법은 IT BCG 접종이 유도하는 것과 유사한 수준의 T 세포 빈도를 달로 달성했습니다.
• 안전성 프로파일: IT BCG 접종은 가장 높은 수준의 항원 특이적 T 세포를 유도했으나, 동시에 상당한 폐 병리학 및 염증을 일으켰습니다. 반면, 프라임 앤 풀 전략은 최소한의 염증 세포 침윤과 함께 강력한 국소 면역을 유도했으며, IT BCG에 비해 폐 조직 손상을 유의미하게 감소시켰습니다.
• 다가 백신의 효능: 8개의 항원을 표적으로 하는 다가 mRNA 접근법은 체액성 반응을 강화하여, BCG 단독 그룹에 비해 CFP-10, Ag85b, HspX에 대한 IgG 역가를 유의미하게 증가시켰습니다. 결정적으로, 이 전략은 IT BCG보다 폐 및 종격동 림프절에서 더 높은 빈도의 줄기세포 유사 기억 T(TSCM) 세포를 유도하였으며, 이는 더 지속적인 면역 가능성을 시사합니다.
• 보호 면역: M. tuberculosis 챌린지 시, 프라임 앤 풀 전략은 IT BCG와 대등하게 폐 세균 수와 병리학적 변화를 감소시키는 보호 효과를 보였으며, IT BCG보다 낮은 염증 프로파일을 유지하면서 SC BCG 단독보다는 우수한 보호 효과를 나타냈습니다.

의의 및 주장
본 논문은 프라임 앤 풀 전략을 점막 BCG 접종의 개선된 면역원성과 근육 주사 BCG의 안전성 사이의 간극을 메우는 "모듈형" 중개적 접근법으로 제시합니다. 저자들은 이 전략이 면역 세포의 모집과 조직 파괴적 염증을 성공적으로 "분리(uncouples)"한다고 주장합니다. 비복제 mRNA를 사용하여 전신 면역 세포를 폐로 "끌어당김(pull)"으로써, 이 플랫폼은 생백신(LAV)의 통제되지 않는 복제나 과도한 염증 위험 없이 폐결핵에 대한 보호 면역을 달성합니다.

본 연구는 이 접근법이 과도한 염증을 제한하면서도 면역원성과 보호 효과를 유지하는 균형 잡힌 백신 요법의 개념 증명을 제공한다고 결론짓습니다. 저자들은 이를 최종적인 보편적 제형이 아니라, 항원 구성과 전달 방식을 추가로 최적화하여 호흡기 결핵 백신 개발의 특정 과제를 해결할 수 있는 유연한 플랫폼으로 위치시킵니다.