3D 프린팅으로 만든 패치형 백신

자유로운 패치 바늘 형태 제작 가능…항체 유도 효과도 높아

피부에 붙이는 패치형 백신은 10여 년 동안 활발히 연구됐다. 기존 주사기보다 통증이 적고, 피하주사보다 용량을 절약할 수 있다.

또, 건조 형태로 제형화할 수 있어 저온 보관에 대한  제약도 적다. 무엇보다 간편하게 붙이는 방식으로 되어 있어 숙련된 기술 없이 자가 접종이 가능하다. 코로나19 팬데믹 이후 백신에 관한 관심이 높아지면서 연구가 활발히 진행 중이다.

패치형 백신은 손톱보다 작은 면적에 무수히 많은 미세바늘이 있는 형태로 ‘마이크로니들 어레이(Microneedle array)’라고도 부른다. 표피 밑의 진피에 주사하는 피내주사 방식이다. 진피 내에는 랑게르한스 세포와 림프절을 구성하는 수지상세포(dendritic cells) 등의 면역세포가 풍부하다.

3D 프린팅 기술로 개발한 미세바늘패치. 1㎠ 면적에 10×10개로 배열된 미세바늘의 길이는 약 700㎛이다. ⓒ노스캐롤라이나대학교

최근 미국 노스캐롤라이나와 스탠포드대학교 의과대 공동연구진은 “패치에 탑재한 미세바늘을 3D프린팅 기술로 개량 제작해 효능을 실험했다”고 밝혔다. 3D 프린팅 기술을 활용해 미세바늘 패치를 생체 내 사용한 연구는 아직 없었다. 이 연구는 9월 28일 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.

3D 프린팅 백신 패치…자유로운 바늘 모양 제작 가능

연구진은 바늘의 형태에 집중했다. 1㎠ 면적에 10×10개로 배열된 미세바늘의 길이는 약 700㎛로 기존에 연구개발 중인 패치 형태와 유사하다.

하지만 미세바늘 제작 방식은 기존 방식과 다르다. ‘클립(CLIP, Continuous Liquid Interface Production)’이라는 3D 프린팅 기술을 사용했다. 기존 제작 방식은 미세가공 기술로 ‘소프트 리소그래피(Soft lithography)’ 나 주형을 떠서 만드는 ‘마이크로 몰딩’ 기술을 사용한다.

이 방식은 많이 만들수록 바늘의 정밀도가 떨어지고, 제작자가 원하는 바늘 모양을 제작하기 어려운 단점이 있다. 노스캐롤라이나대학교 의과대학 미생물학 및 면역학과 샤몬 티안 박사는 “미세바늘 제조가 쉽지 않아 미세바늘 분야가 지연된 상황”이라고 말했다.

반면, 클립 3D프린팅 기술로 미세바늘의 밀도, 구성, 형태 등을 자유롭게 설정해 직접 설계할 수 있고, 빠르게 제작이 가능한 장점이 있다.

피부층에 따른 근육주사(IM), 피하주사(SC), 피내주사(ID)와 미세바늘 패치 비교 ⓒ스탠포드대학교

연구진은 3D 프린팅 기술을 사용해 기존에 매끄러운 단일 피라미드 형태에서 여러 피라미드를 겹겹이 쌓은 구조로 디자인했다. 표면적을 넓힌 형태다. 연구진은 미세바늘 패치에 독감 백신에 포함된 달걀의 흰자 성분인 난백알부민(ovalbumin) 항원을 코팅해 봤다. 피라미드형 바늘보다 약 36%의 더 높은 표면적에 코팅된 결과를 얻을 수 있었다.

피하주사보다 항체 유도반응 50배 높아

쥐를 대상으로 한 백신의 효과는 우수했다. 미세바늘에 탑재한 난백알부민과 면역세포를 활성화하는 CpG라고 불리는 특정 염기서열을 가진 핵산을 혼합한 약물을 쥐 피부에 24시간 부착했다.

바이러스를 중화시키는 면역글로블린 G(IgG)의 반응을 이끌었다. 피하주사와 진피주사보다도 면역글로블린G 유도가 20배 높았다. 21일 후에는 T세포 및 항원 특이적 항체 반응을 50배 높은 반응이 나타났다.

또한, 피하주사와 약물의 지속성을 비교해도 상당히 높았다. 유도된 IgG 반응은 49일경에 최고조에 달했다. 시간이 지나면서 감소하다 147일 후에 안정화됐다. 반응은 196일까지 나타났다. 연구진은 코팅의 점성을 높이면 긴 시간 지속적인 투여가 가능하다고 설명했다.

특히, 보조제로 첨가한 CpG는 미세바늘 패치에서만 T세포 반응을 유도했다. 연구진은 “단백질이나 RNA, DNA 등의 항원과 화학적으로 양립할 수 없는 구조를 가진 보조제와도 조합할 수 있는 결과”라고 기대했다. 연구진은 앞으로 코로나19 백신 중 RNA 백신으로 테스트할 계획이다.

이번에 개발한 미세바늘 패치형 백신은 논문 수석저자인 조셉 엠 드시모네 스탠포드대학교 의학 교수가 설립한 카본(CARBON)사의 3D프린팅 기술을 사용했다. 드시모네 박사는 “이 기술을 개발하면서 적은 용량으로도 효과 높은 백신을 전 세계에 신속히 공급할 수 있는 기반을 마련할 수 있다”고 말했다.

한편, 중국과 한국도 패치형 백신 경쟁에 뛰어들어 백신 개발이 가속화 할 전망이다.

(1998)

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