나뭇잎 교과서

백신

백신은 병에 걸리지 않고도 병에 걸렸던 것처럼 면역을 남기는 방법입니다. 이 절에서는 여러 종류의 백신이 몸에 무엇을 넣고 그 뒤에 무슨 일이 일어나는지 비교하고, 한 사람의 접종이 왜 다른 사람까지 지키는지 전염병 모형으로 확인합니다.

본문

백신

본문

갓 태어난 아기나 면역력이 약한 환자는 백신을 맞을 수 없는 경우가 있다. 그런데도 주변 사람 대부분이 백신을 맞으면 이들도 감염병에 잘 걸리지 않는다. 백신을 맞지 않은 사람까지 어떻게 보호될까? 그리고 몇 %가 맞아야 그런 효과가 생길까?

그림 1. 감염자 한 명이 평균 \(R_0\)명에게 옮기는 병에서, 접종률이 \(p\)이면 실제로 옮기는 수는 \(R_0(1 - p)\)로 줄어든다. 이 값이 1보다 작아지면 감염이 퍼지지 못하고 사그라든다(백신 효과 100%로 가정).
먼저 알아야 할 것1차와 2차 면역 반응, 기억 세포(병원체와 면역), 항원과 항체(항원-항체 반응과 혈액형).

2.7.1백신의 원리

백신은 병을 일으키지 않을 만큼 약하게 만든 병원체나 그 일부를 몸에 넣어, 실제 병원체를 만나기 전에 1차 면역 반응을 미리 일으키는 물질이다. 이때 기억 세포가 만들어지므로, 나중에 진짜 병원체가 들어오면 2차 면역 반응이 빠르게 일어나 병을 막는다.

정리 2.7.1 백신의 종류

약독화 백신은 독성을 약하게 한 살아 있는 병원체, 불활성화 백신은 죽인 병원체, 단백질 백신은 병원체의 항원 단백질만 쓴다. 핵산 백신(mRNA 백신)은 항원 단백질의 유전 정보를 넣어 우리 세포가 항원을 직접 만들게 한다.

약독화 백신은 면역 반응이 강하고 오래가지만, 면역력이 약한 사람에게는 쓰기 어렵다. 불활성화 백신과 단백질 백신은 안전하지만 여러 번 맞아야 하는 경우가 많다. 핵산 백신은 새 병원체에 맞추어 빠르게 설계하고 만들 수 있다. 어떤 백신이든 기억 세포가 시간이 지나며 줄어들 수 있어, 일정한 간격으로 다시 맞는 추가 접종이 필요한 경우가 있다.1

2.7.2집단 면역

감염자 한 명이 면역이 없는 집단에서 평균 몇 명에게 병을 옮기는지를 기초 감염 재생산 수 \(R_0\)라 한다. 접종률이 \(p\)이면 감염자가 만나는 사람 가운데 \(1 - p\)만 감염될 수 있으므로, 실제로 옮기는 수는 \(R = R_0(1 - p)\)이다. \(R\)이 1보다 작으면 감염자 한 명이 한 명도 채 옮기지 못하므로 감염이 점점 사그라든다.

정리 2.7.2 집단 면역의 기준

\[R_0(1 - p) < 1 \iff p > 1 - \frac{1}{R_0}\]

그림 1에서 \(R_0\)를 바꾸며 접종률을 올려 보자. 감염력이 강한 병일수록 집단 면역에 필요한 접종률이 높다. 집단 면역이 이루어지면 백신을 맞지 못한 사람도 감염자를 만날 기회가 줄어 함께 보호받는다.

감염병R₀ (대략)필요한 접종률 계절 독감약 1.5약 33% 소아마비약 6약 83% 홍역12~1892~95%
그림 2. 감염력이 강한 홍역은 집단 면역에 90%가 넘는 접종률이 필요하다.

2.7.3예제 풀이

예제 2.7.3

\(R_0 = 4\)인 감염병이 있다. 집단 면역에 필요한 최소 접종률을 구하여라. 백신의 예방 효과가 90%라면 접종률은 얼마가 되어야 하는가?

\(p > 1 - \tfrac{1}{4} = 0.75\)이므로 75%보다 많은 사람이 면역을 가져야 한다.

백신 효과가 90%이면 접종한 사람 가운데 90%만 면역을 얻는다. 접종률을 \(q\)라 하면 \(0.9q > 0.75\)이어야 하므로 \(q > \dfrac{0.75}{0.9} \approx 0.83\), 곧 약 83% 이상이 접종해야 한다. 백신 효과가 낮을수록 더 많은 사람이 맞아야 한다.

이 계산은 사람들이 고르게 섞여 만난다고 가정한 것이다. 실제로는 접종률이 낮은 지역이나 모임이 있으면 그 안에서 감염이 퍼질 수 있다. 아래 탐구 카드에서 백신의 종류와 집단 면역을 직접 따져 보자.

  1. 1796년 제너는 소의 천연두인 우두에 걸린 사람이 천연두에 걸리지 않는다는 데 착안하여 첫 백신을 만들었다. 천연두는 전 세계적인 접종으로 1980년 지구에서 사라졌다.
마무리

백신은 미리 1차 면역 반응을 일으켜 기억 세포를 만들어 두는 것이다. 접종률 \(p\)가 \(1 - \tfrac{1}{R_0}\)를 넘으면 감염자가 평균 한 명도 채 옮기지 못해 감염이 사그라드는 집단 면역이 생긴다. 그래서 처음 질문처럼 모두가 맞지 않아도, 충분히 많은 사람이 맞으면 백신을 맞지 못한 사람까지 보호된다.

탐구 1

백신 종류는 무엇이 다를까?

백신의 종류 · 작용 원리
몸속에서 늘어나나
—
항원은 어디서
—
접종 대상
—

그림은 모식이다. 실제 접종 대상과 일정은 질병관리청의 예방 접종 기준을 따른다. 기억 세포가 생긴 뒤 두 번째 감염에서 일어나는 일은 1차·2차 면역 반응 카드에서 볼 수 있다.

  1. 질문홍역 백신은 약하게 만든 살아 있는 바이러스를 넣고, 코로나19 mRNA 백신은 바이러스가 아예 들어 있지 않다. 이렇게 다른데 어떻게 둘 다 같은 일을 할까?
  2. 복원한 번 만난 항원은 기억 세포가 기억해서, 같은 항원이 다시 들어오면 2차 면역 반응으로 빠르고 강하게 항체를 만든다. 그래서 이 기억을 남기려면 병원체 전체가 아니라 항원만 보여 주면 된다.
  3. 설명백신은 병을 일으키지 않는 방식으로 항원을 보여 주는 방법이다. 병원체를 약하게 만들거나(약독화), 죽이거나(불활성화), 항원 단백질만 떼어 넣거나(단백질), 항원의 설계도를 넣어 내 세포가 잠깐 만들게 한다(mRNA).
  4. 연결어느 백신이든 마지막 단계는 같아서, 면역 세포가 항원을 만나고 기억 세포가 남는다. 차이는 앞 단계에 있다. 병원체가 몸속에서 늘어나면 면역은 강하게 생기지만 위험도 따르고, 늘어나지 않으면 안전하지만 여러 번 맞아야 하는 경우가 많다.
  5. 적용네 종류를 차례로 눌러 보며 면역이 약한 사람에게 맞히기 어려운 백신이 어느 것이고 왜 그런지 생각해 보자. 병원체의 유전 물질이 전혀 들어 있지 않은 백신이 어느 것인지도 찾아보자.
  6. 판단“mRNA 백신은 내 유전자를 바꾼다”는 말은 오개념이다. mRNA는 세포질에서 단백질을 만드는 설계도로 쓰인 뒤 분해되고, DNA가 있는 핵으로 들어가지 않는다. 반대로 “백신은 부작용이 전혀 없다”는 말도 사실이 아니다. 드물게 이상 반응이 생길 수 있어서, 접종의 이익과 위험을 함께 따져 기준을 정한다.

확인조건이 달라지면

항암 치료로 면역이 크게 약해진 사람에게 가장 조심해서 판단해야 하는 백신은?

탐구 2

집단 면역은 몇 %가 접종해야 생길까?

SIR 전염병 모형 · 시뮬레이션
집단 면역 문턱 1 − 1/R₀
—
전체 중 결국 감염
—
미접종자 중 결국 감염
—

SIR 모형으로 계산한 모식이다. 백신 효과를 100%로, 사람들이 고르게 섞인다고 가정했고 앓는 기간은 7일로 두었다. R₀ 값은 연구마다 범위가 있는 대표 추정치이다.

  1. 질문모든 사람이 백신을 맞지 않아도 전염병이 퍼지지 않을 수 있을까? 그렇다면 몇 %가 맞아야 할까?
  2. 복원전염병이 퍼지는지는 감염자 한 명이 평균 몇 명에게 옮기느냐로 정해진다. 아무도 면역이 없을 때의 이 수를 기초 감염 재생산수 R₀라고 하고, 한 명이 한 명보다 많이 옮기면 유행이 커지고, 적게 옮기면 사그라진다.
  3. 설명접종한 사람은 병을 옮겨 받지도, 옮기지도 않는다. 그래서 접종률이 p이면 감염자가 만나는 사람 가운데 1 − p만 감염될 수 있으므로, 한 명이 옮기는 수는 R₀ × (1 − p)로 줄어든다.
  4. 연결따라서 R₀(1 − p) < 1이 되면 유행이 커지지 못한다. 이것을 p에 대해 풀면 p > 1 − 1/R₀이고, 이 값이 집단 면역 문턱이다. 즉 R₀가 클수록 문턱이 높아진다.
  5. 적용‘홍역’을 누르고 접종률을 올려 유행이 거의 사라지는 접종률을 찾아보자. 문턱 바로 아래와 바로 위에서 ‘미접종자 중 결국 감염’이 어떻게 달라지는지도 비교해 보자.
  6. 판단“나 하나쯤 안 맞아도 된다”는 판단은 문턱 근처에서 특히 위험하다. 접종률이 문턱 아래로 조금만 내려가도 유행이 다시 번지기 때문이다. 또 이 모형은 백신 효과를 100%로, 사람들이 고르게 섞인다고 가정했다. 실제로는 접종률이 낮은 지역이나 모임에 유행이 몰려, 전체 접종률이 문턱을 넘어도 집단 발병이 일어날 수 있다.

확인조건이 달라지면

R₀가 약 4인 감염병이 있다. 백신 효과가 100%라면, 집단 면역을 위해 최소 몇 %가 접종해야 할까?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기13문항 수능·모의평가·학력평가기출문제 풀어보기16문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기