감염병과의 전쟁 ‘페이션트 제로’를 찾아라

#전 세계적으로 1억명 가까운 사망자를 낸 스페인독감에 대해 조사하던 미국 존스홉킨스의대 웨이드 햄프턴 프로스트(1880~1938) 교수는 1918년 겨울 스페인독감이 대유행하기 한참 전인 3~4월에 미군부대에서 폐렴환자들이 이례적으로 많이 증가했다는 사실을 발견했다. 의사들이 폐렴으로 진단했던 질병이 실제로는 스페인독감의 초기 증상이었을 가능성이 크다는 것을 알아차린 것이다. 프로스트 교수는 끈질긴 추적 끝에 스페인독감의 최초 감염자인 ‘페이션트 제로’가 미국 캔자스주 캠프 펀스턴에서 근무하던 취사병 앨버트 기첼 일병이라는 사실도 밝혀냈다.

질병의 역사를 살펴보면 ‘평소와는 다른 이상한 일’들이 팬데믹(대유행)의 시작인 경우가 많았다. 20세기 들어서면서 감소세를 보이던 감염병들이 21세기 들어서면서 다시 기승을 부리고 있다. 최근 나타난 감염병들은 일부 지역에 국한되지 않고 광범위한 지역이나 전 세계적으로 퍼진다는 특징을 갖고 있다.

감염병이 발생하면 역학자라고 불리는 전염병학자들은 병의 시작과 확산 형태, 감염자 특성 등을 밝혀내기 위해 단서를 수집한다. 이 ‘질병 탐정’들은 가장 먼저 병의 출발점인 ‘초발환자’(index case)를 추적한다. 페이션트 제로로 불리는 초발환자는 질병의 발생 원인, 감염성 정도, 감염 양상 등 질병과 관련한 중요한 정보들을 갖고 있기 때문에 이를 바탕으로 대처 방법을 세울 수 있게 해 준다.

이번 신종 코로나바이러스에 대해 많은 역학자들은 중국 우한시 화난수산시장이 확산의 시작점이며 바이러스는 박쥐에게서 유래됐을 것이라고 보고 있지만 바이러스에 대한 세부사항과 정확한 전파 과정은 여전히 명확하지 않다. 과학자들은 “박쥐에게서 채취한 바이러스 시퀀스(DNA 염기서열)가 신종 코로나바이러스와 비슷하기는 하지만 박쥐에게서 사람으로 전파됐다고 단언하기는 어렵다”며 “중국 전역을 뒤지면 수많은 신종 바이러스들이 발견될 것이며 그중에는 신종 코로나와 비슷한 것이 수두룩할 것”이라고 지적하고 있는 이유이기도 하다.감염병이 확산되면 역학자들뿐만 아니라 질병과는 전혀 상관없어 보이는 수학자들도 바빠진다. 페이션트 제로를 역추적해 감염병의 시작과 감염 경로를 예측하고 확산을 조기 차단하기 위해서는 고도의 수학적 분석이 필요하기 때문이다. 실제로 미국 CDC에서는 많은 수학자들이 질병 예측과 확산을 막기 위해 활동하고 있다.

1972년 스코틀랜드 수학자 윌리엄 컬맥과 역학자 앤더슨 매켄드릭 박사는 감염병 유행 초기 조건과 확산 정도를 추적, 예측할 수 있는 ‘SIR 모델’을 만들었다. 지금도 널리 쓰이고 있는 SIR 모델은 사회적 상호작용을 보여 주는 그래프이론과 행렬을 이용해 감염가능자(Susceptible)와 감염자(Infectious), 회복자(Recovered) 사이에서 전염병이 어떻게 확산하는지를 보여 준다.

2018년에는 이탈리아와 미국 과학자들이 개인이 사회적 네트워크에 참여하는 시간에 따라 전염병 확산 패턴이 전혀 다른 형태가 될 수 있다는 것을 보여 주는 ‘활동 중심 네트워크(ADN) 모델’을 개발했다. 이 모델에 따르면 페이션트 제로가 비활동적이고 사회적 네트워크 범위가 제한적이라면 병은 빠르게 확산하지 않겠지만 최초 감염자의 활동성향이 반대라면 확산 속도는 물론 전염병의 확산 범위도 넓어지게 된다.

마우리치오 포르피리 뉴욕대 응용수학 교수는 “전염병 발생 초기 조건을 자세히 살피는 것은 전염병 확산에 대한 정확한 예측은 물론 효과적인 방역 대책을 세우는 데도 필수적”이라고 강조했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr