[바이오토픽] 자칫 집단면역의 걸림돌이 될 수 있는 5가지 요인
전 세계에서 COVID-19 백신의 접종률이 증가하고 있는 가운데, 사람들이 다음과 같은 의문을 품는 것은 당연하다. "이 팬데믹이 얼마나 오랫동안 지속될까?" 그것은 불확실성에 둘러싸인 문제다. 그러나 한때 유행했던 "충분한 사람들이 SARS-CoV-2에 대한 면역을 획득하면—이것을 소위 '집단면역의 문턱값(herd-immunity threshold)'이라고 부른다—, 궁극적으로 대부분의 전파가 차단될 것"이라는 생각의 가능성이 희박한 것처럼 보이기 시작하고 있다.
그 문턱값은 일반적으로 백신접종률이 높아야만 달성될 수 있는데(참고 2; 한글번역), 많은 과학자들은 "일단 사람들이 대량으로 면역을 획득하기 시작하면, 집단면역을 통해 사회가 정상을 회복할 것"이라고 생각했었다. 대부분의 문턱값 추정치는 60~70%인데, 이것은 백신접종뿐만 아니라 선행감염(previous infection)도 감안한 수치다. 그러나 팬데믹이 2차년도에 들어서면서, 그런 생각은 바뀌기 시작했다. 지난 2월, 독립적인 데이터과학자 구유양은 자신의 유명한 COVID-19 예측모델(참고 3)의 이름을 「집단면역으로 가는 길(Path to Herd Immunity)」에서 「정상상태로 가는 길(Path to Normality」로 바꿨다. 그는 백신에 대한 망설임(vaccine hesitancy), 새로운 변이주의 등장, 어린이용 백신 출시 지연(delayed arrival of vaccinations for children)과 같은 요인들을 제시하며, "집단면역 문턱값이 달성될 가능성은 낮다"라고 말했다.
구유양은 역학자가 아니라 데이터과학자이지만, 그의 생각은 많은 역학자들과 궤를 같이한다. "우리는 '집단면역 문턱값에 도달함으로써 팬데믹이 영원히 사라질 것'이라는 생각에서 멀어지고 있다"라고 UT 오스틴의 「COVID-19 모델링 컨소시엄(COVID-19 Modeling Consortium)」을 총괄하는 로렌 안셀 마이어스(역학)는 말했다. 이러한 변화는 팬데믹의 복잡성과 까다로움을 반영하는 것일 뿐, '백신이 도움이 되고 있다'는 사실을 부정할 수는 없다. 마이어스도 백신의 가치를 인정한다. "그러나 새로운 변이주가 등장하고 감염으로 인한 면역(immunity from infections)이 수그러들 가능성을 보인다는 점을 감안할 때, 우리는 몇 달(또는 1년) 후 여전히 팬데믹과 싸우며 팬데믹의 귀환을 대비하고 있는 자신을 발견하게 될 것이다"라고 그는 말했다.
팬데믹에 대한 장기적인 전망 중에는 인플루엔자와 매우 비슷한 「풍토병(endemic)화」가 포함된다(참고 4; 한글번역). 그러나 가까운 장래에, 과학자들은 집단면역이 없는 뉴노멀(new normal)을 상정하고 있다. 그들이 그런 생각을 하는 5가지 근거와, 그것들이 2022년의 팬데믹에 대해 무엇을 의미하는지를 곰곰이 생각해 보자.
1. 백신이 '바이러스의 전파를 막는지' 여부가 불투명하다.
집단면역의 핵심은, 설사 한 사람이 감염되더라도 주변에 「감수성 있는 숙주(susceptible host)」들이 너무 부족해서 전파가 계속될 수 없다는 것이다. 다시 말해서, 백신을 접종받거나 이미 감염된 사람들이 바이러스에 다시 감염되어 전파할 수는 없다는 것이다. 예컨대, 모더나와 화이자/바이오엔텍이 개발한 COVID-19 백신은 유증상질병(symptomatic disease)을 예방하는 데 탁월한 효능을 발휘하지만, '감염이나 바이러스 전파(spreading the virus to others)를 예방하는지'는 아직 불분명하다. 이것은 집단면역에 문제를 제기한다.
"집단면역은, 우리가 전파차단백신(transmission-blocking vaccine)을 보유하고 있을 때만 가능하다. 만약 그런 백신이 없다면, 모든 사람이 백신을 접종받아야만 집단면역을 이룰 수 있다"라고 조지타운 대학교 워싱턴 DC 캠퍼스의 스웨타 반살(수리생물학)은 말했다. 집단면역을 달성하려면 백신의 전파차단력이 매우 높아야 하지만, 현재로서는 결정적인 데이터가 없다(참고 5). "모더나와 화이자의 데이터는 매우 고무적인 것처럼 보이지만, 그 백신을 비롯한 백신들이 바이러스의 전파를 얼마나 차단하는지가 관건이다."
"뭔가 차이를 만들기 위해, 백신의 전파차단력이 100%일 필요는 없다. 70%만 돼도 경이로운 것이다"라고 노스이스턴 대학교 보스턴 캠퍼스에서 감염병을 연구하는 네트워크 과학자 새뮤얼 스카피노는 말했다. 그러나 30%의 차이가 상당한 바이러스를 전파시킬 것이기 때문에, 전파사슬(transmission chain)을 끊는 게 매우 어려워질 것이다.
2. 백신의 보급이 불평등하다.
펜실베이니아 주립대학교 유니버시티 파크 캠퍼스 부설 「감염병 동역학 센터(Center for Infectious Disease Dynamics)」의 맷 페라리(역학)에 따르면, 백신 보급의 속도와 평등성이 여러 모로 중요하다고 한다. "최소한 이론적으로, 완벽하게 코디네이트된 글로벌 캠페인(perfectly coordinated global campaign)은 COVID-19를 물리칠 수 있다"라고 그는 말했다. "그건 기술적으로 실행 가능하지만, 글로벌 수준에서 달성한다는 것은 현실적으로 불가능하다." 실제로, 백신의 접종률은 나라마다 천차만별이다(아래 그래프 참조).
아래에 사례로 제시한 8개국의 경우에서 보는 바와 같이, 전 세계의 COVID-19 백신 접종률은 천차만별이다. 이런 상황에서는, 일부 나라들이 이론적인 집단면역 문턱값에 도달하더라도 바이러스의 전파를 차단하기는 어려울 것으로 보인다.
이스라엘의 경우, 2020년 12월부터 (부분적으로, 물량을 충분히 공급받는 대신 데이터를 공유하기로 화이자/바이엔텍과 약속한 덕분으로) 거국적인 백신접종을 시작하여, 현재 세계 최고의 접종률을 자랑하고 있다. "캠페인 초기에, 보건의료종사자들은 매일 1% 이상의 이스라엘 국민에게 백신을 접종했다"라고 테크니온(이스라엘 공대)의 생의학 데이터 과학자인 드비르 아란은 말했다. 3월 중순 현재, 약 50%의 이스라엘 국민들이 (예방에 필요한) 2회 접종을 완료했다. "현재 직면한 문제는, 젊은 사람들이 백신접종을 기피한다는 것이다"라고 아란은 말했다. 그래서 지역의 보건당국은 젊은이들을 유혹하기 위해 피자와 맥주를 공짜로 제공하고 있다고 한다. 그와 대조적으로, 이웃의 레바논·시리아·요르단·이집트의 접종률은 1%에도 미달하고 있는 실정이다.
미국의 경우, 주(州)마다 백신 보급이 들쭉날쭉하다. 어떤 주(예: 조지아, 유타)의 경우에는 2차 접종을 마친 비율이 10% 미만이지만, 알래스카와 뉴멕시코는 16% 이상이다.
대부분의 국가들은 연령별로 차등을 두고 있는데, COVID-19로 인한 사망률이 가장 높은 노인들에게 최우선적으로 백신을 접종한다. 그러나 어린이용 백신이 승인될지 여부와 시간은 오리무중이다. 화이자/바이오엔텍과 모더나는 10대 임상시험 대상자를 모집했으며, 옥스퍼드/아스트라제네카와 시노백 바이오텍(Sinovac Biotech)은 3세 어린이를 대상으로 임상시험이 진행되고 있다. 그러나 임상시험 결과가 나오려면 몇 달을 기다려야 한다. "만약 어린이들에게 백신을 접종하는 게 불가능하다면, 집단감염을 달성하기 위해 더 많은 성인들이 면역을 획득해야 한다"라고 반살은 말했다. (화이자/바이오엔텍 백신은 16세 이상에게 접종할 수 있지만, 다른 백신들은 18세 이상에게만 접종하라고 승인받았다.) 예컨대 미국의 경우, 2010년 인구조사에 따르면 18세 미만이 전체 인구에서 차지하는 비율은 24%다. 만약 18세 미만 중 대부분이 접종을 받을 수 없다면, 집단면역을 달성하기 위해 18세 이상 중 100%가 백신을 접종받아야 한다는 계산이 나온다.
반살이 제기하는 또 한 가지 중요한 고려사항은 집단면역의 지리학적 구조(geographical structure)다. "어떤 지역사회도 섬(島)이 아니므로, 지역사회를 둘러싼 면역의 풍경(landscape of immunity)이 매우 중요하다"라고 그녀는 말했다. COVID-19는 미국 전역에서 집단적으로 발생해 왔는데, 이는 인간의 행동이나 지역별 정책의 결과물이다. 그런데 과거의 백신접종 노력을 살펴보면, 백신접종에 대한 태도 역시 지역별로 움직이는 경향이 있다. 예컨대 홍역 백신접종에 대한 지역적 저항(localized resistance)은 질병 재발의 작은 포켓(small pocket of disease resurgence)으로 귀결되었다. "지리학적 군집화(geographic clustering)는 '집단면역으로 가는 길'의 선형성(線型性)을 약화시키며, 본질적으로 '공중보건 당국은 COVID 집단감염에 두더지잡기 게임(whack-a-mole) 식으로 대응해야 한다'는 것을 의미한다"라고 그녀는 덧붙였다. 심지어 백신접종률이 높은 국가(예: 이스라엘)의 경우에도, 주변 국가들의 접종률이 낮고 일부 집단이 그들과 뒤섞일 수 있다면 새로운 집단발병의 가능성은 여전히 남는다.
3. 새로운 변이주가 집단면역의 방정식을 바꾼다.
전파력과 백신에 대한 저항성이 높은 SARS-CoV-2 변이주가 등장하고 있는 것도 집단면역 달성의 걸림돌이다. "우리는 새로운 변이주와 경쟁하고 있다"라고 로스 앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 사라 델 발레(수리/컴퓨터역학)는 말했다. "바이러스의 전파를 막는 데 걸리는 시간이 늘어날수록, 더 많은 변이주들이 나타나 확산될 것이다."
현재 브라질에서 벌어지고 있는 상황은 우리에게 경종을 울린다. 《Science》에 실린 논문에 따르면(참고 6), 작년 5월부터 10월 사이에 마나우스(Manaus)에서 COVID-19가 둔화된 것은 집단면역 때문이었다. 그 지역은 COVID-19로 인해 황폐화되었는데, 사웅파울루 대학교의 이스테르 사비누(면역학)의 계산에 따르면, 2020년 6월 현재 60% 이상의 인구가 COVID-19에 감염되었었다고 한다. 어떤 추정에 따르면, 그 정도의 감염률이라면 집단면역의 문턱값에 도달했다고 볼 수 있다. 그러나 올해 1월 마나우스에서는 재감염 사례가 급증했는데, 그 주범은 새로 등장한 P.1이라는 변이주였다. 이는 선행감염이 변이주에 대한 광범위한 예방력을 제공하지 못했다는 것을 의미한다. "지난 1월 마나우스에서 발생한 감염사례의 100%가 P.1에 의해 초래되었다"라고 사비노는 말했다. 이에 대해 스카피노는 다음과 같이 말했다."60%는 과대평가된 수치였을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 집단 내에서 면역이 증가하더라도 재발의 위험에서 벗어날 수 없는 것으로 보인다."
페라리에 따르면, 집단 내의 면역이 증가함에 따라 경계해야 할 문제가 또 하나 있다. 그 내용인즉, 높은 면역률로 인해 선택압(selective pressure)이 생겨나, '이미 면역화된 사람들을 감염시키는 변이주'를 선호하게 된다는 것이다. 이 경우, 신속하고 철저한 백신접종을 통해 새로운 변이주가 교두보를 확보하지 못하도록 막을 수 있다. 그러나 백신의 보급이 불평등할 경우, 또 다른 도전에 직면할 수 있다. "상당한 면역을 획득해도, 상당한 질병에 여전히 노출되는 딜레마에 빠질 수 있다"라고 그는 말했다. "백신이 (변이주를 선호하는) 새로운 진화압력을 만들어 내는 것은 거의 불가피하다. 변이주를 모니터링하는 인프라와 절차를 구축하는 것이 중요한 것은 바로 이 때문이다"라고 그는 덧붙였다.
4. 면역의 지속성 여부가 불투명하다.
집단면역을 계산할 때 고려하는 개별면역(individual immunity)의 원천은 두 가지인데, 하나는 백신이고 다른 하나는 자연감염(natural infection)이다. "SARS-CoV-2에 감염됐던 사람은 바이러스에 대한 약간의 면역을 획득하지만, 그게 얼마나 지속될지는 미지수다"라고 반살은 말했다. 다른 코로나바이러스와 SARS-CoV-2에 대한 예비증거에 따르면, 감염과 관련된 면역(nfection-associated immunity)은 시간이 경과함에 따라 수그러들므로, 이 점을 계산에 넣어야 한다. "우리는 사위어 가는 면역(waning immunity)에 대한 결정적 데이터를 보유하고 있지 않지만, 0도 아니고 100도 아니라는 것은 알고 있다."
모델 분석가들은 '한 인구집단이 집단면역 문턱값에 얼마나 가까이 다가갔나'를 계산할 때, 이미 감염된 사람이 어느 정도인지 헤아릴 수 없다. 그리고 '백신의 효과는 100%가 아니다'라는 점을 감안해야 한다. 만약 감염기반 면역(infection-based immunity)이 예컨대 몇 달 동안만 지속된다면, 백신을 공급해야 하는 데드라인이 촉박해 진다. 또한 '백신기반 면역(vaccine-based immunity)이 얼마나 지속될지'와 '시간이 경과함에 따라 추가접종이 필요한지' 여부를 이해하는 것도 중요한데, 이 두 가지 문제 때문에 'COVID-19가 인플루엔자처럼 될 것'이라는 설이 설득력을 얻는다.
5. 백신이 사람의 행동을 바꿀 수 있다.
"백신접종률이 증가함에 따라, 이스라엘은 이론적인 집단면역 문턱값에 다가가고 있다"라고 아란은 말했다. 그런데 문제는, 더 많은 사람들이 백신을 접종받을수록 그들간의 상호작용이 늘어나, 그로 인해 집단면역의 방정식이 바뀔 수 있다는 것이다. 왜냐하면 집단면역은 부분적으로 '얼마나 많은 사람들이 바이러스에 노출되느냐'에 의존하기 때문이다. "백신은 방탄조끼가 아니다"라고 그는 덧붙였다. 가령 백신의 예방효과가 90%라고 하자. 당신이 백신을 접종받기 전에 기껏해야 한 명의 친구를 만났는데, 이제 백신만 믿고 10명의 사람들을 만난다면, 도로아미타불이 된다.
"COVID-19 모델링 분석에서 가장 까다로운 점은, 사회학적 요소를 감안하는 것이다"라고 마이어는 말했다. "우리가 지금까지 인간행동에 대해 알고 있는 것은 아무짝에도 쓸모없다. 왜냐하면 우리는 현재 유례없는 시기에 살며, 유례없는 방식으로 행동하고 있기 때문이다." 마이어스를 비롯한 전문가들은 사람들의 행동변화(예: 마스크 착용, 사회적 거리두기)를 감안하기 위해, 자신들의 모델을 그때그때 수정하느라 애를 먹고 있다.
"비약물적 개입(non-pharmaceutical intervention)은 감염사례를 감소시키는 데 여전히 중요한 역할을 수행할 것이다"라고 델 발레는 말했다. "가장 중요한 것은 전파경로를 차단하는 것이므로, 사회적 접촉을 제한하고 방어행동(protective behaviour)을 계속하는 것은, 백신이 보급되는 동안 새로운 변이의 전파를 억제하는 데 여전히 도움이 된다.
그러나 백신을 접종받은 사람들이 '팬데믹 이전의 행동'으로 돌아가지 못하도록 막는 것은 매우 어려울 것이다. 텍사스주를 비롯한 미국의 주(州)정부들은 이미 마스크 착용 의무를 해제하고 있다. "사람들이 지금 당장 방어행동을 느슨히 하는 것을 보니 실망스럽다. 왜냐하면 실내집회 제한과 같은 방법은 유효한 수단으로서, 팬데믹을 종식시키는 데 큰 도움이 되기 때문이다"라고 스카피노는 말했다. "집단면역 문턱값은 '안전함'이 아니라 '비교적 안전함'을 의미한다. 설사 그 문턱을 넘었더라도, 산발적인 집단감염은 계속될 것이다."
행동과 면역의 더하기효과(additive effect)를 이해하기 위해, 2020-21 인플루엔자가 이례적으로 경미했던 이유를 생각해 보자. "인플루엔자는 COVID-19보다 전파력이 낮은 것 같다"라고 스카피노는 말했다. "이번 시즌에 인플루엔자가 맥을 추지 못한 이유는, 약 30%의 사람들이 지난 시즌에 감염됨으로써 면역을 보유하고 있기 때문일 것이다. 그러므로 약 30%의 사람들이 추가로 백신을 접종받았다면, 전체적인 면역률은 60%쯤 될 것이다. 거기에 마스크 착용과 사회적 거리두기가 추가되자, 인플루엔자는 꼼짝달싹할 수 없게 되었다." 이건 대충 계산한 거지만, 인간의 행동이 집단면역 방정식을 어떻게 바꿨는지를 잘 보여준다. 만약 사람들이 사회적 거리두기와 같은 행동을 멈췄다면, 집단면역을 달성하기 위해 더 많은 사람들이 인플루엔자 백신을 접종받아야 했을 것이다.
"바이러스 전파의 사슬을 끊는 것은, 정상으로 돌아가는 한 가지 방법이다. 그러나 또 한 가지 방법은, 중증질환과 사망을 예방하는 것이다"라고 런던위생열대의학대학원(London School of Hygiene & Tropical Medicine)의 슈테판 플라셰(백신역학)는 말했다. "지금까지 알려진 COVID-19에 대한 지식을 감안하면, 백신 하나만 갖고서 집단면역에 도달하는 것은 사실상 불가능해 보인다."
"이제 우리는 보다 현실적인 것을 기대해야 한다. 백신은 매우 훌륭한 무기이지만, 바이러스의 확산을 완벽하게 중단시킬 수 없다. 따라서 우리는 '바이러스와 함께 사는 법'을 생각할 필요가 있다"라고 플라셰는 말했다. "내 말은 듣기보다 암울하지 않다. 설사 집단면역을 이루지 못하더라도, 백신을 이용하면 고위험군의 병원입원과 사망을 줄일 수 있는 것으로 보인다. COVID-19가 빠른 시일 내에 사라지지 않을 수도 있지만, 그 기세가 한풀 꺾일 개연성은 충분하다."
※ 참고문헌
1. https://medical.mit.edu/covid-19-updates/2021/01/got-vaccine-can-i-toss-my-mask
2. https://www.nature.com/articles/d41586-020-02948-4 (한글번역 https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=323304&SOURCE=6)
3. https://covid19-projections.com/path-to-herd-immunity/
4. https://www.nature.com/articles/d41586-021-00396-2 (한글번역 https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=327952&SOURCE=6)
5. https://www.nature.com/articles/d41586-021-00450-z
6. https://doi.org/10.1126/science.abe9728
※ 출처: Nature 591, 520-522 (2021) https://www.nature.com/articles/d41586-021-00728-2
바이오토픽 양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
의학약학 양병찬 (2021-03-22)
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=328952 )