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감염성 질환은 감염 전(예방) 또는 후에(치료) 치료할 수 있으며, 여기서 파지는 박테리아 감염을 치료하기 위해 두 수준 모두에서 기여할 수 있습니다. 파지는 지난 세기에 발견된 이후로 세균성 병원체를 제거하는 데 사용되었습니다. 최근 연구에서는 또한 박테리아 및 바이러스 병원체를 모두 예방하는 데 사용할 수 있는 백신 플랫폼으로 개발될 가능성이 높음을 보여주었습니다. 여기에서 우리는 백신 플랫폼이나 파지 요법으로서 파지를 전염병에 대한 좋은 후보로 만드는 특성에 대해 논의합니다. 파지 공학 기술은 고유한 특성을 가진 변이체를 생성하고 예방 및 치료 응용 프로그램에 대한 파지의 응용을 방해할 수 있는 기능을 최소화하도록 도와줍니다.
백신
장기 진화 과정에서 형성된 면역 체계는 병원체 특이적 면역 반응을 일으켜 바이러스와 같은 병원체를 효율적으로 인식하고 제거할 수 있습니다. 이러한 관점에서, 면역 반응을 이끌어내는 데 중요한 크기, 기하학, 고도로 정렬되고 반복되는 구조, 다가 디스플레이와 같은 많은 바이러스 특성은 백신 설계를 안내하는 데 사용할 수 있습니다. 파지는 박테리아만 감염시키는 천연 바이러스이지만 포유동물 바이러스와 유사한 특성을 가지므로 면역 반응을 효율적으로 자극할 수 있습니다. 따라서 광범위하게 적용 가능한 백신 플랫폼을 개발하기 위한 발판으로 사용될 가능성이 높습니다. 지금까지 이 주제에 많은 노력이 집중되어 왔으며 사상 파지, 파지 λ, T4(Tao)와 같은 다양한 파지를 사용하여 많은 백신 플랫폼이 개발되었습니다.
항원 전달 매개체로 파지를 사용하는 기본 원리 는 생체 내 또는 시험관 내 에서 파지 캡시드에 병원체 항원을 조립하여 항원과 바이러스 캡시드 단백질의 융합을 통해 바이러스 유사 입자(VLP)를 형성하는 것을 포함합니다. 따라서 항원은 고도로 정렬되고 반복적인 형식으로 캡시드 표면에 표시되며, 이는 선천적 면역 시스템의 활성화에 중요합니다. 생체 내어셈블리에서 항원 유전자는 항원과 캡시드 단백질의 융합 유전자를 형성하기 위해 파지 게놈에 삽입되어야 합니다. 작은 게놈을 가진 파지의 경우 이러한 돌연변이 파지를 생성하는 것은 비교적 쉽습니다. 그러나 T4와 같은 복잡한 파지의 경우 이는 노동 집약적이며 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 최근 CRISPR-Cas 시스템과 같은 게놈 공학 기술의 발전 덕분에 이러한 파지를 엔지니어링하는 데 근본적인 장애물이 없습니다.
바이러스 특성과 CpG를 포함하는 게놈 DNA로 인해 파지는 타고난 면역을 자극할 수 있으므로 잠재적으로 천연 보조제로 작용할 수 있습니다. 따라서, 파지에 항원을 표시하면 항원을 자가 면역증강 백신 전달 시스템에 연결하여 외부 보조제 없이 강력한 면역 반응을 이끌어낼 수 있습니다. 실제로, 우리의 연구는 T4 캡시드에 조립된 항원이 용해성 대응물에 비해 더 강한 면역 반응을 유도하는 것으로 나타났습니다. 또한 자가-보조제 전달 시스템에 항원을 로딩하면 두 성분을 항원 제시 세포(APC)와 같은 동일한 면역 세포에 동시에 전달할 수 있어 면역 반응을 크게 향상시킬 수 있습니다.
파지는 상술한 바와 같이 많은 장점을 가지고 있지만, 현재까지 파지 플랫폼을 이용한 백신은 아직 상용화되지 않았습니다. 여러 파지 플랫폼 기반 백신 후보가 임상 시험을 진행 중이지만, 이들 중 대부분은 여전히 기초 연구에 국한되어 있습니다. 한 가지 이유는 대부분의 파지가 전체 항원으로서 고밀도로 항원을 표시할 수 없기 때문일 수 있으며, 이는 높은 역가의 입체형태 특이적 중화 항체를 유도하는 데 필요합니다. 또한 병원체는 에피토프의 특정 주요 아미노산을 쉽게 돌연변이시킬 수 있어 하나 또는 몇 개의 에피토프를 기반으로 하는 펩타이드 백신이 덜 효과적입니다. 그러나 최근 T4 파지 플랫폼의 발전으로 전장 항원을 고밀도로 표시할 수 있음이 밝혀졌습니다.
파지 요법
파지는 20세기 초 발견된 이후 세균 감염을 치료하는 데 사용되었습니다. 1940년대 항생제 발견 이후 서방 국가에서 중단되었지만, 최근 NIH는 파지 요법을 항균 내성 연구에 대한 7가지 혁신적인 접근 방식 중 하나로 제안했습니다. 일부 동유럽 국가에서 약 100년 동안 파지 요법의 임상적 사용은 이것이 유망한 접근법이 될 수 있음을 나타냅니다. 특히 새로운 광범위한 항생제의 발견을 위한 접근법이 거의 소진된 지금, 지난 몇 년 동안 우리는 다른 박테리아 숙주에서 많은 파지를 분리하고 동물 모델에서 박테리아 감염을 치료하기 위한 응용 프로그램을 보여주었습니다. 여기에서 우리는 파지 요법 대해 자세히 설명하지 않고 박테리아 병원체를 치료하기 위한 항생제의 유망한 대안 또는 보충제로 만드는 파지의 고유한 특성에 대해 논의합니다. 파지 공학은 파지 요법의 개발을 가속화할 수 있는 고유한 특성을 가진 파지 변이체를 생성하는 신속한 전략을 제공합니다. 파지 요법 및 관련 조절 장애의 임상 적용에 대한 자세한 내용은 독자가 최근 리뷰 기사를 참조할 것을 권장합니다.
항생제나 다른 화학 약품과 달리 파지는 숙주 박테리아에서 복제할 수 있는 자연 유기체입니다. 이것은 박테리아 감염과 싸울 수 있는 이상적인 무기가 됩니다. 이론적으로 감염 부위에 침착된 비교적 적은 수의 파지는 복제 및 자가 증폭으로 인해 세균 감염을 치료하기에 충분합니다. 일단 병원체가 제거되면 파지는 더 이상 복제되지 않으며 면역계 또는 기타 메커니즘에 의해 신속하게 제거될 수 있습니다. 둘째, 파지는 선택 조건과 함께 진화하여 박테리아 내성 메커니즘을 극복하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 박테리아는 특정 부위의 메틸화를 통해 자가 DNA를 안전하게 유지하면서 침입 DNA를 파괴하기 위해 제한 변형(RM) 시스템을 사용합니다. 그러나 파지는 염기 변형 시스템을 통합하여 게놈을 세균성 RM 시스템에 내성으로 유지할 수 있습니다. 예를 들어, T4 파지는 5-하이드록시메틸화와 글루코실화라는 두 가지 변형에 의해 시토신을 변형시켜 대장균의 거의 모든 제한 엔도뉴클레아제에 대해 높은 내성을 갖게 합니다. 박테리아 CRISPR-Cas 면역계는 파지 DNA의 절단을 통해 숙주를 보호하는 또 다른 잘 연구된 항-파지 메커니즘입니다. 파지는 CRISPR-Cas 복합체 결합/절단을 담당하는 핵심 뉴클레오티드의 돌연변이 또는 항-CRISPR 단백질 발현을 통해 CRISPR-Cas를 회피할 수 있습니다. 수용체의 이용 가능성을 조절하는 것은 박테리아가 파지 감염을 차단하는 데 사용하는 또 다른 일반적인 메커니즘입니다.