코로나19가 호흡기 점막을 통해 상피세포에 침범해서 자기복제를 시작하면, 우리 몸의 면역계가 침범을 감지하고 방어를 시작한다.
선천면역(자연면역)과 적응면역(획득면역)
면역은 크게 '선천면역(자연면역)'과 '적응면역(후천면역, 획득면역)'으로 나누어지고, '적응면역'은 다시 '체액면역'과 '세포면역'으로 구분된다. 선천면역은 호흡기 점막과 염증 세포에 의해 이루어지고, 체액면역은 항체를 이용해 바이러스를 중화하고 세포면역은 바이러스에 감염된 세포를 제거한다.
호흡기의 방어선
호흡기는 여러 층의 방어선이 구축돼있다. <끈끈한 점액>의 일차 방어선, <선천면역>과 염증 반응으로 증식을 저해하는 이차 방어선, <적응면역>을 통한 항체의 생산과 투입이 삼차 방어선을 이루고 있다. 하지만 코로나19는 일차와 이차 방어선을 쉽게 무력화시키고 폐를 향해 감염 지역을 확대시켜나간다. 설상가상으로 상황을 더욱 악화시키는 것은 선천면역이 작동하면서 일차 방어선이 붕괴되는 것이다. 선천면역의 축인 인터페론과 염증의 영향으로 기관지 내부에 끈끈이 점막층을 외부로 이동시키던 상피세포가 망가지고 섬모 운동이 느려지면서 점막의 이동이 정체되고 호흡기의 일차 방어선이 작동을 멈춘다. 이런 선천면역의 부작용과 바이러스 감염 억제의 딜레마를 해결하는 것은 적응면역이다. 항체를 만들어낸 이 해결사는 바이러스를 추적해 제거할 뿐 아니라, 광범위한 피해를 일으키며 날뛰는 선천면역도 진정시킨다.
선천면역의 역할
선천면역은 항체가 만들어지기 전까지 위험이 확산되는 것을 막는다. 적응면역에 의해 항체가 만들어지는데 일주일 정도의 시간이 걸린다. 이 시간 동안 바이러스가 증식하도록 내버려 두면, 항체가 완성되었을 때 그 개체는 이미 죽음의 문턱에 가 있을 것이다. 따라서 부작용이 있더라도 선천면역을 통한 지역 방어가 중요하다. 상피세포가 죽어가면서 분비한 인터페론 덕분에 주변의 세포들은 바이러스와 싸울 만반의 준비를 하게 된다. 그리고 인터페론의 신호를 받고 현장으로 모여든 면역세포(자연살해세포, 수지상세포, 대식세포)들은 바이러스를 잡아먹고 염증을 유도하는 사이토카인을 분비해서 다른 면역세포들이 전투 지역으로 모여들게 한다.
선천면역에 의한 염증 반응이 시작되면 몸은 증상을 느끼기 시작한다.
목의 통증, 콧물, 기침, 재채기 등의 증상이 생긴다. 코로나19는 코와 입에서 감염이 시작되므로 냄새와 맛을 느끼지 못하는 증상도 생긴다. 그리고 바이러스의 감염이 확대되어 전신적으로 인터페론이 분비되면 발열과 몸살 증상이 뒤따른다. 염증 반응은 광범위한 부작용을 일으키지만 일단 급한 것은 바이러스 확산을 막는 일이다. 이렇게 피해를 감수하고 염증 반응이 일어나는 동안 항체를 만들기 위한 면역세포들이 해당 지역으로 모여든다.
적응면역의 등장 - 림프절은 적응면역의 HQ
선천면역이 감염 부위를 초토화시키면, 조준사격으로 적을 공격하는 적응면역이 시작된다. 항체를 만드는 'B세포'나 바이러스에 감염된 세포를 파괴하는 '세포독성T세포', 공격의 지령을 내는 '도우미T세포'가 바이러스를 없애기 위해 총공격한다. 면역세포가 모여드는 림프절은 적응면역의 전진기지가 된다. 골수(B세포)나 흉선(T세포)에서 나온 림프구들은 혈관을 돌아다니다가, 선천면역의 위험 신호를 접수하면 림프절로 모여든다. 감기에 걸리면 귀나 목 주변의 림프절이 커지면서 아파지는 것이 이런 현상 때문이다. 바이러스를 삼킨 수지상세포(항원제시세포)가 림프절로 와서 바이러스 항원을 제시하면, 항원에 맞는 B세포는 도우미T세포와 결합하여 분열을 시작하면서 항체를 만들기 시작한다. 림프절을 빠져나온 활성화된 B세포는 혈관에서 최종적으로 형질세포가 된다. 만약 혈관 내부에 바이러스가 침입했다면 형질세포는 비장이나 골수로 가서 자리를 잡고 G형 항체를 대량으로 생산한다. 형질세포는 세포의 수명이 다할 때까지 항체를 합성해 분비하는 항체 생산 공장이 된다.
점막에 있는 바이러스는 A형 항체가 중화시킨다.
전신 감염이 일어나기 전이라면 바이러스가 가장 많이 존재하는 곳은 호흡기의 점막이다. 그런데 혈액 속의 G형 항체는 점막에 있는 바이러스로 접근할 수가 없다. 점막에 있는 바이러스를 중화시키는 것은 A형 항체다. 이 항체를 만들도록 종류 변환이 일어난 형질세포는 염증 부위의 모세혈관에서 빠져나와, 점막 아래에 자리를 잡고 A형 항체를 만들어낸다. 분비된 항체는 점막에 존재하는 바이러스를 중화시킨다.
킬러세포(세포독성T세포와 자연살해세포)
형질세포가 뿜어내는 항체는 바이러스를 중화하면서 더 이상 새로운 세포가 감염되는 것을 막는다. 하지만 우리의 몸속에는 바이러스를 계속 생산하고 있는 숙주세포가 남아 있다. 이 숙주세포를 없애기 위해서는 세포를 죽이는 특별한 능력을 가진 킬러 세포가 필요한데, 세포독성 T세포와 자연살해세포가 있다.
세포독성T세포는 감염세포를 찾아내서 감염세포의 표면에 달려있는 자살 스위치를 작동시키고, 세포막에 구멍을 내서 소화효소를 대량으로 주입해서 확인 사살을 한다.
자연살해세포는 선천면역과 적응면역 모두에서 B세포와 T세포가 수행하지 못하는 빈틈을 메꿔주는 만능세포로 활동한다. 자연살해세포는 B세포가 만든 항체를 가지고 감염세포를 찾아내서 사살한다. 또한 인터페론을 분비해 대식세포를 유도하고, 대식세포는 죽은 세포를 통째로 포식해 제거한 다음 추가적인 항원 분석 작업을 한다. 이처럼 자연살해세포는 면역의 전반적인 과정에서 발생하는 허술한 틈을 찾아서 메꿔주는 팔방미인이다. 세포를 죽이는 면허를 가진 자연살해 세포와 세포독성 T세포가 협력하면 바이러스에 감염된 세포가 빠져나갈 구멍은 없다.
면역세포의 이동과 유도 - 혈관계와 림프계
형질세포와 세포독성 T세포가 준비되면 면역 전쟁은 반격의 순간을 향해 진행된다. 하지만 마지막으로 중요한 과정이 남아 있다. 선천면역과 적응면역에서 준비된 세포들이 '혈관'과 '림프관'을 통해 전투 지역으로 정확하게 투입되어야 한다.
혈관계
혈액은 심장의 힘으로 전신의 구석구석을 지나가면서 세포들에게 산소와 영양분을 공급하고 이산화탄소와 노폐물을 제거한다. 동맥을 타고 전신으로 퍼진 적혈구는 모세혈관을 지나면서 주변에 산소를 배출하고 이산화탄소를 받아들인다. 이렇게 기체 교환을 마친 적혈구는 정맥을 거쳐 심장을 지나 폐동맥으로 들어간다. 이제 적혈구는 폐의 허파꽈리를 둘러싼 모세혈관을 통과하면서 이번에는 반대로 이산화탄소를 배출하고 산소를 받아들인다.
림프계
세포들에게 영양 성분을 직접 배달하고 노폐물을 제거해주기 위해서, 혈액의 액체 성분인 혈장이 모세혈관의 틈새로 빠져나온다. 이렇게 세포 사이를 적셔주는 것이 간질액이다. 모세혈관 주변의 간질액은 정맥 모세혈관으로 흡수되어 다시 순환한다. 모세혈관에서 빠져나온 간질액의 90퍼센트가 이렇게 재순환되고, 나머지 10퍼센트 정도는 림프액이 된다. 이렇게 세포 주변에서 시작된 림프관은 쇄골 아래에 있는 대정맥과 연결되어 혈관과 통한다.
혈관 별도의 통로인 림프관의 중요성
세포 주변의 간질액이 모인 림프가 혈관과 별도의 통로를 이용하는 것은 면역의 관점에서는 아주 중요한 특성이다. 호흡기바이러스의 감염은 상피세포에서 시작된다. 그리고 감염세포 주변의 간질액은 바이러스가 가득하게 된다. 이 오염된 간질액이 혈관으로 바로 들어간다면 바이러스는 순식간에 전신으로 퍼지게 될 것이다. 이런 문제를 막기 위해서 간질액은 혈액의 순환과 구분된 림프관을 따라 이동하는 것이다.
적응면역의 완성
짝을 찾아 활성화된 림프구는 림프관을 지나 다시 혈관으로 들어가고, B세포는 혈관에서 형질세포로 최종 분화돼서 항체를 분비하기 시작한다. 선천면역이 지역을 성공적으로 방어하고 있다면 호흡기 점막으로 분비되는 A형 항체를 만드는 형질세포가 준비되고, 전신 혈관에 바이러스 입자가 침입하기 시작했다면 G형 항체를 만드는 형질세포도 준비된다.
혈관을 도는 최종 분화 림프구들을 끌어들이기 위해서, 염증이 일어난 지역의 모세혈관 내피세포는 사이토카인으로 감염 지역이라는 표지판을 발현시키고, 세포 사이의 틈도 크게 벌려서, 활성화된 림프구들이 전투 지역을 쉽게 찾아 들어오게 한다. 혈액을 떠돌던 림프구는 필요한 곳에 정확히 투입된다.
선천면역의 증상
피부에 상처가 나면 붓기, 붉어짐, 발열이 생긴다. 선천면역에서 위험 신호가 나오면 모세혈관이 반응한다. 모세혈관의 틈이 벌어지고 혈관의 흐름이 느려지고 적혈구도 정체된다. 이는 그 주변을 붉게 보이게 만든다. 이 부위를 지나가던 면역세포가 모세혈관 밖으로 빠져나오면서, 위험 지역은 간질액과 세포들로 가득 차면서 부어오르게 된다. 그리고 빠져나온 면역세포가 활동을 하면서 주변보다 온도가 올라간다. 염증에서 열이 발생하는 것은 바이러스 증식을 억제하는 가장 단순하면서 과격한 수단이다.
면역의 과잉(사이토카인 폭풍)
바이러스 감염에 의한 사망은 선천면역의 부작용으로 일어난다.
대부분의 호흡기 감염은 적응면역이 완료되기 전까지 감염 지역이 상기도를 벗어나지 못하도록 선천면역이 막아낸다. 그런 후에 준비된 항체와 살해세포가 상황을 마무리한다. 하지만 교활한 코로나19는 선천면역을 속여가며 세포들을 감염시켜 나간다. 선천면역이 위험을 알아차렸을 때는 감염 지역이 너무 넓어져버리는 것이다. 이런 악조건이지만 건강한 성인의 경우는 적응면역이 충분히 극복해낸다. 하지만 기저질환이 있거나 나이가 많은 경우는 적응면역이 극복하기 어려운 상황이 발생한다. 만약 적응면역이 개입되기 전에 폐로 감염 지역이 확대되면 상황은 급격히 악화된다.
코로나19에 의한 폐렴은 호흡곤란 외에도 선천면역 과잉이라는 문제도 발생시킨다. 코로나19가 허파꽈리를 감염시키면 바이러스가 모세혈관으로 바로 진입할 수 있다. 바이러스가 전신으로 퍼지면 선천면역도 전신에서 반응을 일으킨다. 사이토카인들이 순환계 내부에서 직접 분비되면, 선천면역 반응들은 좌표를 잃어버리고 사방팔방에 포격을 퍼붓게 된다. 이는 더 많은 사이토카인의 분비를 일으켜 '사이토카인 폭풍'이라는 치명적인 현상이 발생한다. 사이토카인 폭풍이 일어나면 전신 혈관의 내피세포 간극이 벌어지게 되고, 대량의 혈장이 혈관 밖으로 빠져나가 급격히 혈압이 떨어지는 쇼크가 발생한다. 또한 선천면역 때문에 혈관의 내피세포에 손상이 생기면 혈액응고 기전이 활성화되어 혈전이 만들어진다. 이런 현상을 '파종혈관내응고증(DIC)'이라고 한다. 혈관 내부에서 만들어진 미세 혈전들은 폐, 신장, 간, 뇌 등의 중요 장기로 가는 모세혈관들을 막아버린다. 그 결과 중요 장기의 세포들은 산소 부족으로 죽어가게 된다. DIC는 일단 발생하면 계속 악화되는 연쇄반응이 반복된다. 결국 중요 장기가 망가지면서 환자는 사망한다.
이렇게 선천면역과 적응면역이 공수 교대를 할 타이밍이 어긋나면 죽음으로 달려가는 선천면역 반응이 시작되는 것이다. 이 경계가 폐렴이며, 코로나19 사망의 98퍼센트는 폐렴으로 시작되었다.
기억세포
선천면역이 빠르게 봉쇄를 하고 적응면역이 시기적절하게 개입하면 코로나19에 대한 면역 전쟁은 승리로 끝이 난다. 한번 경험한 침입자의 항원은 면역이 기억을 해둔다. 항원에 맞도록 골라낸 B세포와 T세포를 기억세포의 형태로 장기 보존해두는 것이다. 이 기억세포들은 점막 부근(A형 항체)이나 골수(G형 항체)에 자리 잡고 자신의 수용체와 들어맞는 항원이 다시 들어오는지 지속적으로 감시한다.
기억세포가 있어도 재감염은 발생하지만,
적응면역의 개입을 빠르게 한다.
면역의 기억세포들은 적응면역의 준비 시간을 줄여준다. 세포에 감염이 일어나기 전에는 선천면역이 위험을 알아차릴 수가 없다. 따라서 동일한 바이러스라도 재감염 자체를 막을 수는 없으며, 선천면역이 개시되는 과정까지는 동일하게 진행된다. 여기서 부터 기억세포의 활약이 시작된다. 자신의 수용체와 일치하는 항원을 인지한 기억세포들은 즉시 활성화되고, 소량으로 존재했던 기억세포들은 폭발적으로 증식하면서 작동세포로 즉시 전환된다. 기억세포들 덕분에 적응면역의 개입 시기가 대폭 줄어드는 것이다. 그리고 깨어난 형질세포와 세포독성 T세포는 바이러스 감염 지역에서 더 정교하고 강력하게 작용해서 상황을 끝내게 된다. 특히 이전 감염이 일어났던 호흡기 상피세포의 주변에 재감염이 일어나면, A형 항체를 만드는 기억세포들이 바이러스를 감지해 순식간에 상황을 종료시킨다. 적응면역의 개입에 걸리는 시간이 줄어드는 것은 감염의 결과에 있어 엄청난 차이를 가져온다. 기억세포를 통해 적응면역이 빠르게 개입하면 선천면역이 유발하는 염증 반응이 본격적으로 나타나기도 전에 감염이 종료된다. 증상을 느끼기도 전에 바이러스가 제거되는 것이다.
예방접종을 통해 아이들의 적응면역을 돕는다.
선천면역은 유전자에 기록된 정보대로 동작하기 때문에 태어나면 바로 활동을 한다. 하지만 적응면역은 경험을 통해서 발달되는 후천적인 능력이다. 아이들은 성장하면서 주변 환경의 수많은 미생물의 자극을 받으면서 적응면역을 발달 시켜나간다. 이런 위험들을 겪으면서 적응면역은 경험했던 병원체에 대한 기억세포를 차곡차곡 저장해나간다. 하지만 어렸을 때 바이러스의 감염이 면역을 성장시킨다고 일부러 위험에 노출시킬 수는 없는 노릇이다. 면역이 제대로 발달되지 못한 상태에서의 감염은 치명적인 결과를 가져올 위험이 더 크기 때문이다. 실제 과거에는 바이러스 감염이 아이들의 주요 사망 원인이었다. 이 문제를 해결하기 위해 현대 의학에서는 예방접종을 통해 아이들이 안전하게 바이러스 항원을 간접 경험할 수 있도록 도와준다.
백신은 전세계가 함께 맞아야 효과가 극대화 된다.
홍역은 감염지수가 높다. 100명이 있는 방에 1명의 환자가 있다면 나머지 99명이 감염될 정도이다. 그러나, 백신 덕분으로 걱정 없는 병이 되었다. 미국 루스벨트 대통령은 정치인 시절에 소아마비에 감염되어 남은 여생을 휠체어에서 보냈다. 그는 국립소아마비재단을 설립했고, 재단의 지원으로 소크 박사는 백신 개발에 성공한다. 그는 백신에 대한 특허권을 포기했다. 덕분에 저렴한 백신이 쉽게 보급됐고 소아마비는 더이상 유행하지 않았다. 옥스포드 대학의 도움을 받은 아스트라제네카는 회사의 이윤을 포기하고 저렴하게 코로나 백신을 공급하고있다. 자국 이익보다는 인류를 위한 정의가 느껴진다. 그런데, 코로나 1차 접종도 지지부진한 나라가 많은데, 3차 접종을 계획하는 선진국을 보면서, 이젠 그런 정의가 사라졌다는 생각이 든다. 1차 접종만으로도 상당한 효과가 있고, 혼자만 3회 접종을 한다고 혼자만 살아남을 수 있는 것이 아니다. 젖은 종이에 잉크 한방울 떨어지면 전체가 물들게 된다. 인류애가 지구를 살린다.
면역도 나이가 든다.
나이가 들수록 새로운 항체를 만드는 것이 점차 버거워진다. 하지만 일반적인 상황에서는 큰 문제가 되지 않는다. 적응면역에서 활성화되었던 림프구의 일부를 기억세포로 저장하기 때문이다. 만약 경험했던 바이러스가 다시 침입하면 해당하는 기억세포들이 즉시 활성화되어 빠르게 처리해버린다. 나이가 든 면역은 풍부한 경험을 기억으로 가지고 있다. 문제는 코로나19 같은 신종 바이러스다. 기억세포가 없기 때문에 항체와 세포독성 T세포를 처음부터 만들어야 하는데, 적응면역을 준비하는 데에 너무 오랜 시간이 걸려 면역 전쟁에서 패배할 위험이 높아진다. 노화에 의해 면역학적 능력이 떨어지기 시작하는 시기는 평균 60세인데, 이번 코로나19의 치사율이 높아지는 연령과 일치한다. 신종 바이러스 감염은 젊은이에게는 기억세포를 늘려주는 경험이 될 수 있지만, 노인에게는 치명적인 위험이다.
(계속)
※ 위 내용의 대부분은 울산의대 미생물학과 교수 주철현 著 '바이러스의 시간'에서 인용했고, 최근 자료와 제 생각을 약간 추가한 것입니다. 더 자세한 내용은 책을 참고하십시오.
2021.09.04 DH
댓글