세상을 놀라게 한 미생물과 감염병 이야기

세상을 놀라게 한 미생물과 감염병 이야기

사마키 다케오 외 지음

북스힐 / 2022년 4월 / 208쪽 / 15,000원





1장 감염병을 유발하는 미생물의 불가사의한 구조



백신 때문에 많은 질병을 극복했다고?

현대 사회의 다양한 백신: 다른 나라와 마찬가지로 일본에서도 아기가 태어나면 생후 2개월쯤부터 예방 접종법에 규정된 정기 접종을 하게 된다. Hib(b형 헤모필루스 인플루엔자), 폐렴구균(13가 결합형), B형 간염, DPT-IPV(디프테리아, 백일해, 파상풍, 비활성 소아마비) 등이다. 돌이 지나면 MR(풍진, 홍역), 수두, 일본 뇌염 등도 접종한다. 그런데 정말로 이렇게 예방 접종을 많이 해야 하는지, 부작용은 없는지 궁금한 사람도 있을 것이다.

인류가 성공적으로 퇴치한 천연두: 천연두는 많은 인간의 생명을 앗아간 질병 중 하나다. 예방 접종의 기원인 에드워드 제너(1749~1823년)는 ‘소에게 생기는 질병인 우두를 앓은 사람은 천연두에 걸리지 않는다’는 이야기에서 힌트를 얻어 하인의 아들을 일부러 우두에 감염시켜 천연두 백신을 개발한 최초의 인물이다. 백신(vaccine)이라는 용어는 우두의 학명 ‘Variolae vaccinae(소의 천연두)’의 뒷부분인 vaccinae(소)에서 유래했다. 종두의 보급과 보건 행정의 발달로 인해 1980년 WHO는 천연두 근절을 선언했다. 천연두는 인류가 성공적으로 퇴치한 몇 안 되는 질병 중 하나다.

생백신과 불활성화 백신의 차이점: 제너의 종두법에서 사용한 우두농(고름)은 독성이 낮은 살아 있는 바이러스다. 이러한 백신은 ‘생백신’이라고 부르며, 증식 능력을 가진 병원체(바이러스?세균)를 배양해 병원성이 낮은 것을 선별해서 사용한다. 생백신은 감염과 같은 상태를 만들기 때문에 강한 면역력을 갖게 되지만 한편으로는 부작용이 생길 우려도 있다. 일본에서 한때 사용되던 소아마비 생백신은 인체에 투약된 후 체내에서 병원성을 강화해 소아마비를 발생시키기도 했다.

생백신의 이런 부작용을 제거하기 위해 불활성화 백신(일명 사백신, inactivated vaccine)이 개발되었다. 병원체를 페놀이나 포르말린 등의 약품으로 처리해 면역성을 지니게 하되 병원성은 없는 상태로 만든 것이다. 처리 후 병원체의 일부를 추출해 사용할 수도 있다. 독감이나 폐렴구균(다당체 추출) 등의 백신이 이에 해당한다. 파상풍과 디프테리아 백신은 병원체 자체가 아니라 병원체가 만드는 독소를 불활성화한 것을 백신으로 사용해 독소에 대한 면역력을 만들도록 고안되었다.

새로운 백신의 등장과 개발에 따른 과제: 면역 체계 연구와 분자 생물학의 발전에 힘입어 인간은 더 뛰어난 백신을 개발했다. B형 간염 백신은 유전자 변형 기술을 이용해 면역의 타깃이 되는 부분만을 생산해 백신으로 만든다. 이것을 유전자 변형 하위 단위 백신이라고 한다. 아기에게 사용하는 뇌수막염(Hib) 백신은 세균이 가진 다당체라는 부분을 가공한 백신으로 유아들이 면역력을 쉽게 얻을 수 있도록 단백질을 결합시켰다.

백신은 건강한 사람에게 접종하기 때문에 부작용이 적고 안정성이 높아야 한다. 안전성과 효과를 확인하기 위해 임상 시험을 실시하며, 약물을 투여한 집단과 위약(플라세보)을 투여한 집단을 비교해 그 효과를 확인해야 한다. 또한 새로운 질병에 대한 백신을 개발하려면 그 질병이 유행하는 곳에서, 아직 질병에 감염되지 않은 사람들을 대상으로 임상 시험을 해야 한다. 그러나 이렇게 하기란 사실상 어렵기 때문에 새로운 백신을 개발하는 것 또한 쉽지 않다.

감염병과 싸우는 면역의 메커니즘

무수한 병원체로부터 우리 몸을 지키는 면역 체계: 인체는 병원체의 침입과 증식을 막는 메커니즘을 갖고 있다. 이것을 면역 체계라고 한다. 면역은 ‘역(疫)’, 즉 질병?전염병?감염병을 ‘면(免)할 수 있다(피할 수 있다)’는 의미다. 사람이 쉽게 병에 걸리지 않는 것은 인체에 침입하는 세균이나 바이러스와 같은 병원체를 제거하는 면역 체계를 갖고 있기 때문이다. 면역 체계에는 우리가 태어나면서부터 지닌 원시 메커니즘인 ‘자연 면역’과 출생 후 다양한 병원체를 접하면서 얻은 ‘획득 면역’이 있다. 면역력은 사람마다 차이가 있어 같은 환경에서도 병에 걸리는 사람과 병에 걸리지 않는 사람이 생긴다.

우리 몸의 1차 방어선, 자연면역: 우리 몸의 표면에는 피부라는 장벽이 있다. 피부는 성의 돌담처럼 외부의 침입을 막아 주고 피부의 표피는 약산성으로 유지되어 미생물이 달라붙어도 쉽게 증식하지 못하게 한다. 또 코와 목, 소화 기관과 같은 신체 내부에도 점막이라는 장벽이 있다. 점막 표면은 많은 향균 단백질을 함유한 점액을 분비하는데 이것은 오염 물질을 씻어 내는 데 사용된다.

하지만 어떤 병원체는 혈액과 체내 조직까지 침입한다. 병원체가 침투하면 국소적 염증이 생긴다. 이 염증 부위에 가장 먼저 달려가는 것이 백혈구의 일종인 호중구다. 평소 호중구는 혈액의 흐름을 타고 온몸을 순찰하다가 비상사태가 발생하면 침입 부위에 속속 모여든다. 좀 늦게 달려오는 것이 대식세포다. 대식세포도 백혈구의 일종이다. 호중구와 대식세포는 모두 식세포라고 불리며, 세균이나 바이러스와 같은 병원체를 닥치는 대로 물어뜯어 삼킨다. 식세포와 병원체 중 누가 이기는지는 단순히 각 그룹의 수와 힘으로 결정된다. 전투 후에는 두 그룹의 사체인 고름이 남는다. 이 싸움에서 식세포가 승리하면 문제가 해결되지만 침입한 병원체가 더 강력하거나 식세포의 수가 적으면 병원체는 기세를 더해 증식하기 시작한다.

상대를 특정해 공격하는 2차 방어선, 획득 면역: 그다음에는 수지상세포(DC, dendritic cell)와 림프구인 B세포 ? T세포가 활약한다. 수지상세포는 나뭇가지처럼 뻗어 있는 아메바 모양의 세포라 하여 이런 명칭으로 불리는데, 병원체를 받아 림프절까지 이동시켜 T세포에 병원체에 대한 정보를 전달한다. T세포는 기능에 따라 도움 T세포(helper T cell), 킬러 T세포(killer T cell), 조절 T세포(regulatory T cell) 등 여러 하위 종류로 나뉜다. 면역 사령관이라고도 불리는 도움 T세포는 수지상세포와 대식세포로부터 병원체 정보를 받은 후, B세포에 항체를 만들고 킬러 T세포에 적을 죽이라는 지시를 내린다. 항체는 병원체의 작용을 억제하는 물질이다.

한편 킬러 T세포는 병원체에 감염된 세포를 발견해 차례대로 죽인다. 이렇게 병원체를 죽이면 조절 T세포가 ‘공격을 종료하라’고 지시한다. 조절 T세포는 정상 세포에 과도한 공격을 가하지 않도록 킬러 T세포의 작용을 억제하거나 면역 반응을 멈추게 한다. 마지막으로 T세포나 B세포가 병원체를 기억해 다음 공격을 대비한다. 이렇게 한 번 체내에 침입해 나쁜 짓을 저지른 병원체를 기억해 두기 때문에 두 번째 침입했을 때는 B세포가 신속하게 대량으로 항체를 만들 수 있다. 또 T세포들도 빠르게 공격을 시작할 수 있다. 한 번 걸린 병에 좀처럼 다시 걸리지 않는 것은 이 때문이다.

자신의 몸을 공격하는 자가 면역 질환: T세포는 혈액세포의 일종이므로 다른 혈액세포와 마찬가지로 골수에 있는 조혈간세포에서 생성되는데, T세포의 근원인 세포가 흉선(가슴샘)이라는 심장 윗부분에 있는 장기로 이동해 T세포가 된다. 병원체를 공격하지 않고 자기 몸의 세포를 공격하면 문제가 생기기 때문에 흉선에서 공격 대상을 선별한다. 이 선별이 제대로 되지 않으면 자가 면역 질환이 생길 수 있다. 자가 면역 질환은 류머티즘성 관절염, 중증 근무력증 등 다양하다. 면역 체계는 우리 몸을 보호하는 중요한 메커니즘이지만 폭주해 통제할 수 없게 되면 우리 몸에 해를 가할 수도 있다.



2장 이렇게 많다! 인류가 싸워 온 감염병의 역사



인플루엔자바이러스가 ‘인류의 강적’인 이유

감염병으로 인식되지 않았던 인플루엔자: ‘인플루엔자’는 아주 오랜 옛날부터 인류를 두려움에 떨게 한 질환이다. ‘Influenza’라는 용어는 이탈리아어인데 라틴어인 ‘influentia coeli(별의 영향)’라는 말이 어원이며 겨울철에 유행하는 감기를 ‘천체의 자리 배치로 인해 걸리는 병’이라고 생각한 것에서 유래했다. 동서양을 막론하고 인플루엔자를 천체와 계절 등 외부 요인을 원인으로 여겼으며 감염병이라고는 생각하지 않았다. 인플루엔자는 바이러스에 의해 발생하는데, 크기가 100nm(나노미터) 정도로 극히 작아서 전자 현미경을 사용해야 볼 수 있다. 그래서 원인을 알아내는 데에도 오랜 시간이 걸렸다.

언젠가는 반드시 찾아온다 - 고병원성 인플루엔자: 인플루엔자는 돼지, 닭, 사람 사이에 감염되는 인수 공통 감염병이다. 2009년에 유행한 인플루엔자는 돼지 독감이 인간에게 전염된 것이다. 이 밖에도 고병원성(치사율이 높음) 조류 인플루엔자가 사람에게 감염될 가능성이 지적되었으며, 이 경우 역사상 유례없는 큰 피해가 발생할 가능성이 있다고 한다. 따라서 신종 플루 백신을 비롯해 신약 제조 연구도 진행 중이다. 언제 올지는 모르지만 언젠가는 반드시 온다는 인식을 갖고 대책을 수립해야 할 것이다.

역사상 가장 두려운 질병 - 천연두

천연두는 치사율이 20~50%에 이를 정도로 매우 높으며 회복된 후에도 심한 흉터를 남긴다. 피부에 흉터가 남아 있으면 곰보 자국이 되고 눈에 미치면 실명한다. 19세기까지 천연두는 일본인의 실명 원인 중 1위를 차지했다. 두 눈을 실명하는 경우가 많았다고 한다.

높은 치사율로 공포의 대상이었던 천연두 바이러스: 천연두를 일으키는 바이러스는 지름이 200~450nm로 바이러스 중 가장 큰 부류에 속한다. 천연두는 사람에게만 감염되는 질병으로 바이러스를 포함한 분비물이나 고름, 딱지가 입이나 코를 통해 들어가면 입과 목의 점막에서 증식한 뒤 림프절까지 도달한다. 림프절에서 증식한 바이러스는 혈류를 타고 폐, 비장, 간으로 침입해 증식을 반복하면서 피부 표면에 도달해 발진을 유발한다. 이 바이러스가 눈에 들어가 증식하면 실명에 이른다.

바이러스가 체내에 침입하고 나서 고열이나 복통, 발진과 같은 증상이 나오기까지 잠복 기간은 약 7~16일(평균 12일)이다. 발진 내부의 액체에는 천연두 바이러스가 가득 차 있다. 이 발진은 그 뒤 고름이 섞인 농포가 되었다가 검은 딱지로 변한다. 딱지가 완전히 떨어지기 전까지는 다른 사람을 감염시킬 위험이 있으므로 격리해야 한다. 환자가 사용한 옷이나 이불로 감염될 수도 있기 때문이다.

인구 구성에 영향을 미칠 정도로 막강했던 천연두의 위협: 천연두는 오랫동안 사람들을 괴롭혀 왔다. 고대 이집트 제20왕조 제4대 파라오였던 람세스 5세의 미라에는 천연두로 생긴 두흔이 남아 있다. 또 1521년 아즈텍 제국과 1572년 잉카 제국이 붕괴한 것은 침략자인 스페인 사람들이 원주민들에게 천연두를 옮겼기 때문이라고 한다. 당시 잉카 제국 인구의 60~94%가 천연두로 사망했다고 추정된다. 천연두는 북미에서도 수많은 원주민을 죽음에 이르게 했다. 원주민인 아메리카 인디언은 천연두에 대한 면역력이 없어 이 병원체에 전혀 저항하지 못했다. 콜럼버스가 신대륙에 도착했을 때는 약 7,200만 명에 이르던 남북 양 대륙의 인구가 1620년경에는 60만 명으로 감소했다. 천연두와 침략전쟁이 원인이었다. 또한 18세기 유럽에서만 100년 동안 6,000만 명이 천연두로 사망했다고 추산된다.

새로운 병원체에 대응하기 위한 예방 접종의 시작: 근대 의학이 성립하기 전부터 사람들은 천연두가 강한 면역성을 가진다는 것을 경험적으로 깨달았다. 기원전 1000년경에는 인도에서 인두법이 실시되었다고 한다. 인두법은 천연두 환자의 고름을 건강한 사람에게 접종해 가벼운 천연두를 앓게 함으로써 면역력을 갖게 하는 방법이다. 이 경우 환자의 고름은 독성을 희석하기 위해 건조시킨 뒤 쓰였다. 인두법은 18세기 초반 영국에 이어서 미국에도 도입되었고 천연두 예방에 큰 공을 세웠지만, 당시 예방 접종을 받은 사람의 몇 퍼센트는 증상이 심각해져 사망하기도 했다.

안전한 천연두 예방법은 1796년 영국인 의사 에드워드 제너가 창안했다. 당시 농민들 사이에는 ‘소젖을 짜다가 자연스럽게 우두에 걸린 사람은 그 후 천연두에 걸리지 않았다’는 믿음이 퍼져 있었다. 우두는 천연두보다 훨씬 안전한 질병이었기 때문에 제너는 우두가 천연두 예방에 적용될 수 있는지에 대해 연구를 계속했다. 1796년 5월 14일 제너는 마침내 자신의 집 하인의 아들인 8세 소년에게 우두 고름을 접종했다. 소년은 미열과 불편함을 호소했지만 심각한 증상은 보이지 않았다. 6주 후 제너는 그 소년에게 천연두 고름을 접종했다. 제너가 예측했듯이 그 소년은 천연두에 걸리지 않았다.

천연두 예방 접종을 시작으로 19세기 말에는 광견병, 장티푸스, 콜레라, 페스트에 대한 예방 접종이 시작되었다. 예방 접종은 우리 몸이 새로운 병원체에 대비할 수 있게 해 주었다. 우두 바이러스와 천연두 바이러스의 DNA 염기 서열은 매우 비슷하기 때문에 두 바이러스의 모양과 특성도 매우 비슷하다. 일단 우두 바이러스를 기억한 우리 몸은 이후 우두 바이러스뿐 아니라 이와 매우 유사한 천연두 바이러스의 침입을 인지하면 즉시 물리칠 수 있게 되었다.

인류가 근절시킨 유일한 인간 감염병: 제너가 개발한 천연두 예방 접종은 서구 각국으로 빠르게 퍼졌다. 백신은 무독화 또는 약독화된 병원체다. 백신을 접종하면 체내에 그 병원체에 대한 항체가 생성되어 감염병에 대한 면역력을 얻을 수 있다. 천연두는 사람 이외의 동물에게는 감염되지 않고 종두로 완전히 예방할 수 있었기 때문에 WHO가 주도하는 천연두 근절 프로젝트에 의해 1977년 이후에는 세계 어느 나라에서도 발병 사례가 나오지 않았다. 마침내 1980년 5월 8일 WHO는 천연두 세계 근절 선언을 발표했다. 1958년 WHO 총회가 천연두 근절을 제안한 이후 이 목표를 달성하기까지 22년이라는 세월이 걸렸다. 2020년 현재, 천연두는 인류가 근절시킨 유일한 인간 감염병이다.



3장 생활에 도움이 되는 미생물



발효와 부패의 차이점

인간에게 미치는 영향을 기준으로 정의되는 발효와 부패: 음식을 방치하면 겉모습, 냄새, 맛이 점차 바뀌어 결국 먹을 수 없게 된다. 이것은 음식에 있는 단백질이나 탄수화물 등의 성분이 미생물에 의해 분해되기 때문이다. 이런 현상을 부패라고 한다. 부패의 전형적인 예는 생선과 고기의 단백질이 미생물에 의해 분해되어 암모니아와 같은 썩는 냄새를 내는 것이다. 한편 발효도 미생물의 작용으로 음식의 성분이 점차 분해되는 현상이다. 요구르트와 술처럼 당이 분해되어 젖산과 알코올 등이 생성되는 경우를 생각하면 이해하기 쉬울 것이다.

부패는 단백질을 많이 함유한 음식에서 종종 보이는데 쌀이나 채소, 과일에서도 흔히 볼 수 있는 현상이다. 또 원료가 같아도 찐 대두에 낫토균을 번식시켜 낫토를 만드는 경우에는 발효라고 부르지만, 삶은 콩을 내버려 두었다가 낫토균이 번식해 끈적해지면서 암모니아 냄새가 나는 상태가 되면 부패라고 부른다. 유산균도 마찬가지다. 요구르트와 된장을 만들 때는 발효라고 하지만 청주에서 증식하면 부패라고 하며 외면당한다. 이처럼 부패와 발효의 차이점은 미생물의 종류와 생성 물질에 근거하지 않고, 미생물의 작용이 인간 생활에 유익하면 발효, 유해하면 부패라고 하는 것이다.