성균관대학교(총장 유지범)는 기계공학부 박성수 교수와 신소재공학부 원병묵 교수 연구팀이 복잡한 인간 사회의 접촉 구조를 손바닥만 한 미세 칩 위에 구현하고, 바이러스 확산과 집단면역 형성 원리를 실험실에서 직접 눈으로 확인해 세계 최초로 증명했다고 밝혔다.

그동안 감염병이 퍼지는 속도나 백신의 효과를 예측할 때는 수학적 계산 공식이나 단순한 컴퓨터 시뮬레이션에 의존해 왔다. 하지만 기존 연구 방식은 사람들이 한 공간에 완전히 골고루 섞여 있다는 비현실적인 가정을 사용했기 때문에, 인구 밀집도나 사회적 거리두기, 실제 이동 경로처럼 복잡한 사회적 환경을 정밀하게 반영하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 벌집 모양의 작은 방 444개가 미세한 통로로 얽혀 있는 ‘집단면역 온어칩(Herd-Immunity-on-a-Chip, HIC)’을 개발했다.

▲(위) 성균관대 기계공학부 박성수 교수, 신소재공학부 원병묵 교수, 고등과학원 정나리나 연구원 
(아래) 장지안더 박사과정생, 성균관대 김민혁 박사, 삼성전자 임완영 연구원

구조를 세포 크기 단위로 축소해 만든 미세 사회 모델이다. 연구팀은 칩 중앙에 코로나바이러스에 감염된 세포를 두고, 주변 방에는 감염될 수 있는 일반 폐세포와 바이러스에 감염되지 않도록 조절한 비감염 세포(백신 접종 등으로 면역력을 획득한 사람을 모사)를 배치해 7일 동안 바이러스가 번져나가는 과정을 정밀 관찰했다.

실험 결과, 감염 가능한 세포가 빽빽하게 모여 있거나 초기 감염 세포 수가 많을수록 세포끼리 자주 접촉하며 바이러스 확산 속도가 급격히 빨라졌다. 반면, 백신 접종자 역할을 하는 비감염 세포의 비율을 80% 이상으로 높이자 바이러스가 퍼져나가는 연결망이 끊기면서 바이러스 감염 확산이 멈추는 ‘집단면역’ 현상이 나타났다. 또한, 사람 간 접촉을 줄이는 ‘사회적 거리두기’를 모사해 세포의 움직임을 제한하자 바이러스 전파 속도가 크게 늦춰졌다. 이를 통해 개체 간 접촉 빈도가 바이러스 확산을 좌우하는 핵심 요인임을 미시적 세포 실험으로 보여주었다.

박성수 교수는 “그동안 수학적 모델링과 역학조사를 통해 예측해 오던 바이러스 전파와 집단면역 현상을 실험실 칩 위에서 직접 재현하고 검증한 것은 이번이 세계 최초 이번이 세계 최초”라며, “향후 새로운 변종 바이러스가 출현했을 때 필요한 백신 접종률을 예측하고, 효과적인 거리두기 전략을 수립하거나 치료제의 효과를 신속하게 검증하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”이라고 밝혔다.

이번 연구는 성균관대 장지안더(Zhang Jiande)  박사과정생, 고등과학원 정나리나 박사, 성균관대 김민혁 박사, 임완영 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 박성수 교수와 원병묵 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 세계적 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 9월 3일 게재되었다.

◆실험실 칩을 이용한 바이러스 전파와 집단면역 현상의 재현