KR100841207B1 - 돼지 위축성 비염의 예방 및 치료를 위한 재조합 백신 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재조합 돼지 위축성 비염 백신에 관한 것이다. 본 발명에 따른 파스튜렐라 멀토시다 (P. multocida) 외막단백질 H를 이용한 펩타이드 백신은 작은 크기의 펩타이드를 사용하여, 활성이 우수하고 다양한 경로로 체내에 적용할 수 있는 백신의 제조에 이용될 수 있다.
돼지 위축성 비염, 외막 단백질 H (Outer membrane protein H; ompH), 파스튜렐라 멀토시다 (Pasteurella mutocida)
Description
도 1은 본 발명의 전체적인 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에서 펩타이드 백신으로 이용하기 위한 부분을 클로닝하기 위해 사용된 프라이머를 도식화 하여 나타낸 것이다.
도 3은 파스튜렐라 멀토시다 (Pasteurella multocida)로부터 DNA를 분리한 결과를 아가로오소 겔에서 분석한 결과이다.
도 4는 도 2의 프라이머 (primer)를 사용한 PCR한 결과를 나타낸다.
도 5는 전체 ompH 유전자인 ompH-F를 대장균 (E.coli) 발현 벡터인 pET32a에 삽입한 결과를 나타낸다.
도 6은 펩타이드 백신으로 이용하게 될 각각의 ompH 유전자를 대장균 (E.coli) 발현 벡터인 pET32a에 삽입한 결과를 나타낸다.
도 7은 ompH 유전자를 대장균 (E. coli) BL21(DE3)를 통해 발현한 결과를 SDS-PAGE를 이용하여 분석한 결과이다.
도 8은 각각의 OmpH 단백질을 항원 [면역원 (immunogen)]으로 사용하여 마우스를 면역화 (immunization)한 과정을 나타낸다.
도 9는 면역화 된 각각의 마우스에서 채혈한 혈청을 ELISA로 분석한 것을 나 타낸다.
도 10은 면역화 정도를 검증하기 위해, 면역화 된 마우스에 활성이 있는 파스튜렐라 멀토시다 생균을 농도별로 주사한 뒤 LD100을 분석한 결과이다.
도 11은 LD100 값을 이용하여 면역화 된 마우스에 활성이 있는 파스튜렐라 멀토시다 생균을 주사한 뒤 마우스의 생존율을 분석한 결과이다.
기술분야
본 발명은 재조합 동물백신에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 돼지 위축성 비염을 예방 및 치료하기 위한 재조합 백신에 관한 것이다. 본 발명은 파스튜렐라 멀토시다 (Pasteurella multocida) (D:4)의 외막 단백질 H (OmpH)를 이용한 돼지 위축성 비염에 대한 재조합 백신을 제공한다.
종래기술
혐기성 그람 음성 구간균인 파스튜렐라 멀토시다 (Pasteurella multocida)는 돼지 및 조류와 같은 가축에 대해 경제적으로 큰 손실을 가져오는 전염병을 일으키는 병원균이다. 이 균은 5 가지의 협막형 (A, B, C, D, E, F) 과 16 가지의 혈청형으로 나뉘며, 이중 D:4는 돼지의 위축성 비염을 일으키는 것으로 알려져 있다 (참고문헌: Carter, G. R. 1967. Pasteurella multocida and Pasteurella haemolytica. Adv. Vet. Sci. Comp. Med. 11: 321-379.). 돼지 위축성 비염에 대한 백신은 주로 불활성화 처리된 적은 양의 파스튜렐라 멀토시다 생균 또는 사균을 사용한 백신이 대부분이다. 그러나 이러한 백신의 경우 병을 유발시킬 수 있다는 위험성이 내재되어 있다는 단점이 있다. 또한 이종 간의 교차 보호 효과도 기대하기 어렵다 (참고문헌: Boyce JD, Adler B (2001) Acapsular Pasteurella multocida B:2 can stimulate protective immunity against pasteurellosis. Infect Immun. 69(3) : 1943-1946). 한편, 외막 단백질 H는 파스튜렐라 멀토시다에 대해 가장 효과적인 백신의 항원으로 연구되어지고 있으며, 파스튜렐라 멀토시다의 다양한 종간의 교차 백신 효과를 기대할 수 있다. 특히 외막 단백질의 항원결정부위만으로 백신을 제작하여 보다 더 우수한 효과를 얻을 수 있다 (참고문헌: Loosmore, S. M., Y. P. Yang, D. C. Coleman, J. M. Shortreed, D. M. England, and M. H. Klein. 1997. Outer membrane protein D15 is conserved among Haemophilus influenzae species and may represent a universal protective antigen against invasive disease. Infect. Immun. 65: 3701-3707.).
돼지 위축성 비염과 같은 호흡기 질환으로 인한 농가의 경제적 손실이 미국의 경우 연간 6억 4천만 달러에 이르는 것으로 조사되었다 (참고문헌: Bowland, S. L. and P. E. Shewen. 2000. Bovine respiratory disease: Commercial vaccines currently available in Canada. Can. Vet. J. 41: 33-48.). 따라서 파스튜렐라 멀토시다에 대한 효과적인 백신 개발은 경제적 손실 뿐만 아니라 가축 산업의 보호를 위해서 반드시 필요한 연구이다.
이에 본 발명자들은 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 외막 단백질 H의 분할된 3개의 유전자를 클론하고 그 단백질을 발현 및 정제하여 항원을 생산한 후, 이를 마우스에 면역화 시키고 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 살아있는 균을 주사함으로써 면역성 검사를 실시하였다. 또한 그 결과를 상용되는 돼지 위축성 비염 백신과 비교하고, 본 발명에 따른 재조합 백신이 보다 높은 생존율을 보임을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 재조합된 파스튜렐라 멀토시다 (D:4) 외막 단백질 H를 함유하는 돼지 위축성 비염에 대한 백신을 제공함으로 목적으로 한다.
또한 본 발명은 재조합된 파스튜렐라 멀토시다 (D:4) 외막 단백질 H를 함유하는 돼지 위축성 비염에 대한 백신을 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "외막 단백질 H (outer membrane protein H, ompH)"는 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 외막에서 통로 역할을 하는 포린(porin) 단백질의 하나를 의미한다. 본 명세서에서, 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 외막 단백질 H를 코딩하는 유전자를 ompH(D:4) (outer membrane protein H (D:4) gene)라 표기하였고, ompH(D:4)에 의해 코딩되는 단백질을 OmpH(D:4)라 표기하였다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자들은 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 외막 단백질 H의 전체 유전자(GenBank Accession No.: DQ054529)를 BLAST 시퀀스 데이터베이스 (National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, Bethesda, MD, U.S.A.)에서 검토하여 EOMPH-F (서열번호: 1), EOMPH-F2 (서열번호: 2), F1F (서열번호: 3), F2F (서열번호: 4), F1R (서열번호: 5), EOMPH-R (서열번호: 6) 프라이머 (primer)를 제작하였다. 분할된 3개의 유전자를 클론하고 그 단백질을 발현 및 정제하여 항원을 생산한 후, 이를 마우스에 면역화 (immunization) 시키고 파스튜렐라 멀토시다 (D:4)의 살아있는 균을 주사함으로써 면역성 검사를 실시하였다. 또한 그 결과를 상용되는 돼지 위축성 비염 백신과 비교하고, 본 발명에 따른 재조합 백신이 보다 높은 생존율을 보임을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
생체 내 효과적인 예방 및 항-감염 작용을 위해 OmpH 단백질은 단독으로 또는 적합한 약제학적 담체와 함께 투여될 수 있다. 백신은 구강내, 비경구적으로, 비내 또는 정맥내 투여될 수 있다. 백신 용량에 관련된 인자에는 예를 들어, 연령, 체중 및 감염된 돼지의 모계 항체 수준이 포함된다. 주어진 용량의 범위는 ㎖당 바람직하게는 0.5 ~ 1㎎ 용량으로 주어진다. 본 발명에 따른 백신은 여러 가지의 상이한 용량 형태로 투여될 수 있다. OmpH 단백질을 락토오스, 전분, 탄산 칼슘, 시트르산 나트륨 등의 약제학적으로 허용 가능한 불활성 부형제 및 완충제와 혼합하여 정제, 캡슐 등으로 제형화 시킬 수 있다. 이러한 혼합물을 또한 분말화하거나 수용액에 현탁시켜 이러한 분제 및 용액제를 동물의 사료나 음료수에 가할 수 있도록 할 수 있다. 백신의 경구 섭취를 촉진시키기 위해, 이러한 백신 분말 또는 용액에 각종 공지된 제제를 사용하여 적절히 가당하거나 향미를 부여할 수 있다. 비경구적 투여를 위해서는, OmpH 단백질을 생리식염수, 물, 프로필렌 글리콜 등과 같은 본 분야에 잘 알려진 약제학적을 허용 가능한 담체(들)과 혼합할 수 있다. 이러한 형태로, 수의학 분야에 잘 알려진 방법에 의해 백신을 비경구적으로 비내 또는 구강내로 투여할 수 있다. 본 발명의 재조합 백신은 시린지에 의해 정맥내 투여할 수도 있다. 이 형태로 투여하는 경우, 본 발명의 백신은 생리식염수와 같은 약제학적으로 허용 가능한 수성담체와 혼합된다. 본 발명의 백신의 비경구 및 정맥내 투여용 제형은 전달과 백신 용량을 조절하기 위한 약제학적으로 허용가능한 희석제와 함께 유화제 및 또는 현탁화제도 또한 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성과 작용을 실시예를 들어 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 실시예 1 :
ompH
유전자 클로닝
(제 1 단계)
ompH
-F와 각각의 분리된 (truncated)
ompH
유전자의 PCR 증폭
이미 밝혀진 ompH 유전자 (GenBank Accession No.: DQ054529)를 BLAST 시퀀스 데이터베이스 (National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, Bethesda, MD, U.S.A.)에서 검토하여 제한효소 인식 부위 (BamHI, HindⅢ)를 포함하는 EOMPH-F (서열번호: 1), EOMPH-F2 (서열번호: 2), F1F (서열번호: 3), F2F (서열번호: 4), F1R 9(서열번호: 5), EOMPH-R (서열번호: 6) 프라이머를 제작하였다 (도 2). 주형 DNA로서 BHI 배지 (Difco, USA)에서 배양된 균주를 5분간 끓인 후 그 상층액 5 ul 사용했으며, 10 mM Tris-HCl (pH 8.4), 50 mM KCl, 3 mM MgCl2의 반응 혼합액 20 ul, Super Taq DNA 폴리머라제 1 ul (SuperBio, Korea), 2 mM dNTP, 프라이머 각각 10 pmol의 조성으로 수행했다. 그 결과, OmpH-F 유전자 (서열번호: 7), OmpH-t1 유전자 (서열번호: 8), OmpH-t2 유전자 (서열번호: 9), OmpH-t3 유전자 (서열번호: 10) 및 OmpH-t4 유전자 (서열번호: 11)를 클로닝 하였다.
(제 2 단계)
ompH
유전자의 클로닝
PCR로 증폭된 각각의 5개의 ompH 유전자를 0.8% 아가로스겔에서 겔을 추출한 뒤 (Qiagen, U.S.A.) pGEM-T easy vector (Promega, U.S.A.)에 T4 DNA 리가아제 (Takara, Japan)를 이용하여 삽입하고 열쇼크법(heat shock method)에 따라 대장균 (E. coli) DH5α 균주 (ATCC No.53868)로 형질전환 하였다. 형질전환된 균주를 1.5% LB 암피실린 (50 ug/ml) 아가 플레이트에서 배양한 후 α-컴플리멘테이션 선별 (α-complementation selection)을 통하여 화이트 콜로니만을 선별하여 플라스미드를 확보했다.
실시예 2 : ompH 단백질 발현 및 정제
(제 1 단계)
ompH
유전자의 재조합 대장균 (
E.coli)
발현벡터 제작
실시예 1에서 제조한 pGEM-T® easy / 각각의 5개 ompH 벡터와 pET32a 발현 벡터 (Invagen)를 BamHI과 HindⅢ으로 처리하여 pET32a / ompH-F, pET32a / ompH-t1, pET32a / ompH-t2, pET32a / ompH-t3, pET32a / ompH-t4 벡터를 제작했다. pET32a 벡터는 6개의 히스티딘 코딩 부위를 N-말단부위에 갖도록 하여 단백질 정제 시 Ni-NTA 수지를 이용하기에 용이하도록 한 벡터이다.
(제 2 단계) OmpH 단백질 발현
pET32a / ompH 벡터를 BL21(DE3) 대장균 (E. coli) 균주 (Novagen, Germany)에 형질전환 시킨 후, 1.5% LB 아가 플레이트에서 선별을 수행했다. 생성된 콜로니를 암피실린 (50 ug/ml)이 첨가된 1L의 LB 배지에 접종하고 37℃ 교반 배양기에서 성장기 (exponential growth phase) (A 600 = 0.5, Ultrospec 2000, Pharmacia, U.S.A.)까지 배양했다. 34℃에서 0.5 mM의 이소프로필-β-D-티오갈락토사이드 (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside) (IPTG) 유도를 수행한 후 강한 교반 배양기에서 하룻밤 배양하여 OmpH 단백질을 발현시켰다. 대조군으로 사용하기 위해 0hr (IPTG 유도 전)의 균주와 o/n (하룻밤 배양한 후)의 균주를 1 ml씩 별도로 준비하였다. 하룻밤 동안 배양한 균주를 10,000 x g로 20분간 4℃에서 원심분리하여 분리했다 (J2-21M/E, Beckman, U.S.A.). 단백질을 분리하기 위해 분리된 균주를 균주 1g 당 5 ml의 50 mM Na2PO4, 300 mM NaCl, 10 mM 이미다졸로 구성된 pH 8.0의 용해 완충액에 녹였다. 현탁된 균주를 5초 버스팅, 9초 브레이킹 과정을 5분간 반복하여 초음파처리한 후 그 용해물을 10,000 x g로 20분간 4℃에서 원심분리하여 상등액과 펠렛을 분리하였다. 분리된 펠렛은, 지용성인 변성 조건 (denaturing condition) 단백질을 기타 물질과 분리해 내기 위해 100 mM의 NaH2PO4, 10 mM의 Tris-Cl, 8M의 우레아 (urea)로 구성된 pH 8.0의 용해 완충액에서 하룻밤 동안 교반된 후 10,000 x g에서 20분간 4℃에서 원심분리 하여 상층액을 획득하였다.
(제 3 단계) ompH 단백질 정제
각 OmpH 단백질을 정제하기 위하여, 니켈-니트로트리아세트산 (nickel-nitrilotriacetic acid) (Ni-NTA) 수지 (Qiagen, Germany)를 사용하였다. 분리된 변성 조건 (denaturing condition) OmpH 단백질 현탁액을 컬럼에 넣어 Ni-NTA 수지와 발현된 OmpH 단백질이 결합 될 수 있도록 약 12시간 4℃에서 반응시켰다. 샘플을 취한 후, 컬럼에 5 ml 씩의 변성 조건 세척 완충액 (denaturing condition wash buffer) (100mM NaH2PO4, 10mM Tris-Cl, 8M urea, pH 6.3)를 첨가하고, 30분씩 총 3회 반응시켜 불필요한 단백질을 제거하였다. 다음, 3 ml의 변성조건 용출 완충액 (denaturing condition elution buffer) (100 mM NaH2PO4, 10 mM Tris-Cl, 8 M urea, pH 4.5)를 컬럼에 넣어 1시간 30분씩 총 2회 반응시켜, 수지와 결합된 단백질을 분리하여 획득하였다. 수득한 시료들의 밴드 형성을 확인하기 위해, 샘플을 1% 소듐 도데실 설페이트 (sodium dodecyl sulfate)로 샘플링한 뒤, 12.5%의 폴리아크릴아미드겔 전기영동 (polyacrylamide gel electrophoresis)을 통하여 확인하였다.
(제 4 단계) 재조합 ompH 항원의 정량 분석
정제된 각각의 OmpH 항원의 농도를 브래드포드 (Bradford) 분석으로 측정하였다. 200 ul의 브래드포드 검정 용액 (Bradford assay solution) (Bio-rad, U.S.A.)에 20 ul의 OmpH 항원을 첨가한 후 780 ul의 증류수를 넣고, 표준편차를 줄이기 위하여 96 웰 플레이트 (Costar, Corning Co., NY, U.S.A.)에 200 ul의 샘플 을 3 웰에 분주했다. 대조군으로는 소 혈청 알부민 (BSA, Sigma, U.S.A.)을 원액부터 1/26의 농도까지 1/2씩 연속 희석 (serial dilution) 하고, 마지막 웰은 PBS를 넣었다. UV 595 nm에서 농도를 측정했다.
실시예 3 : 마우스에서 anti-ompH 항체 생산 및 면역성 검정
(제 1 단계) 마우스에서 anti-ompH 항체 생산
면역원으로서 정제된 각각의 OmpH 단백질을 마우스에 주사하여 OmpH 면역혈청을 수득했다. 5에서 7주령 사이의 암컷 알비노 ICR 마우스 90마리를, OmpH-F 그룹, OmpH-t1 그룹, OmpH-t2 그룹, OmpH-t3 그룹, 시판중인 백신 그룹, 불활성화 백신 그룹, PBS 주사 그룹으로 무작위로 나누고 각 그룹에 10마리씩 두었으며, OmpH-t4 그룹에는 20마리를 두었다. 각각의 마우스로부터 전-면역 혈청을 분리하고 3일 후, 50 ㎍씩의 각 OmpH 항원과 동량의 프로인트 완전 애주번트 (FCA, Sigma, USA)를 복막 내 주사 (IP)하였다. 동시에 양성 대조군으로서, 영양배지에 도말했을 때 활성이 검증되지 않은 파스튜렐라 멀토시다의 포르말린 사멸 전체 세포 (formalin-killed whole cell)와 시판중인 백신을 FCA와 동량 혼합하여 주사하였다. 음성 대조군 역시 PBS와 동량의 FCA의 혼합물을 주사하였다. 1주일 후, 모든 마우스의 눈에서 채혈하여 (eye-bleeding) 각 마리당 100 ㎕ 가량의 전혈을 확보하고, 4℃에서 6시간 보관하여 혈액응고를 유도한 다음, 3,000 rpm에서 20분간 원심분리 하고 혈구 성분을 제거하여 1차 혈청을 획득하였다. 2차면역화는 1차 면역화로부터 10일 후에 실시하였으며, 역시 7일 뒤에 채혈을 실시하여 2차 혈청을 확보하였다.
(제 2 단계) 생산된 항체에 대한 ELISA 분석
면역글로불린 G의 역가를 ELISA를 통해 측정했다. 정제된 5 ㎖의 각 OmpH 재조합 단백질을 코팅 버퍼 (coating buffer)와 혼합하고 96 웰 플레이트에서 각 웰 당 100 ㎕씩 넣은 다음 37℃에서 1시간 반응시켰다. 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트 (Polyoxyethylene sorbitan monolaurate)가 0.05% 혼합된 PBS (PBST; Tween-20 (상표명), Dae-Jung, Korea)를 200㎕씩 사용하여 각 웰의 세척 과정을 거친 후, PBST에 3%의 BSA를 첨가한 용액을 각 웰 당 200 ㎕씩 분주하여 4℃에서 16시간 반응시켰다. 1차 항체를 제작하기 위해 1%의 BSA가 녹아 있는 PBS와, 1/1,000으로 희석된 항혈청을 혼합한 뒤, 각 웰 당 100㎕ 씩 분주하여 37℃에서 1시간 반응시킨 후 200 ㎕의 PBST로 5회 세척하였다. 단, 전-혈청 시료는 1/100으로 희석하여 사용하였다. 2차 항체로는, 양고추냉이과산화효소 컨쥬게이션된 항-마우스 (horseradish peroxidase-conjugated goat anti-mouse) IgG (Sigma, USA)를 PBST와 함께 1/10,000으로 희석한 시료를 각 웰 당 100㎕ 씩 분주하여 37℃에서 1시간 반응시킨 후 PBST로 5회 세척하였다. 마지막 단계로, 디메틸 설폭사이드 (dimethyl sulfoxide) (DMSO)에 녹아 있는 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘 (3,3',5,5'-tetramethylbenzidine) (TMB) 시약을 포스페이트 시트레이트 (phosphate-citrate) 완충액과 1:10의 비율로 혼합한 뒤, 각 웰 당 10㎕ 씩 분주하여 넣은 후 30분 간 반응시킨 뒤 흡광도를 650 nm 에서 측정하였다.
(제 3 단계) 분석한 항체의 마우스에 대한 면역성 검정
활성을 가지고 있는 파스튜렐라 멀토시다 (P. multocida)의 100% 치사량 (LD100)의 조건을 설정하기 위해, 면역화 되지 않은 야생 상태의 마우스 25마리를 무작위로 5개 무리로 나눈 후, 각 우리의 마우스에 A600 에서 1.53 O.D. 값을 나타내는 활성 균주를 200㎕, 150㎕, 100㎕, 70㎕ 및 50㎕씩 I.P.로 주사하여 3일 동안 경과를 관찰하였다. OmpH로 면역화 된 정도를 알아보기 위해, 앞서 항체를 생산했던 8개 그룹의 마우스에 LD100의 양만큼 활성이 있는 균주를 주사하여 7일간 관찰한 뒤, 생존 여부를 확인하였다.
결과
마우스의 면역성 검정 결과 OmpH-F, OmpH-t1, OmpH-t2, OmpH-t3, OmpH-t4 모두 파스튜렐라 멀토시다 (P. multocida) 대해 면역성이 있는 것으로 나타났다. 이 중 OmpH-t4의 면역성이 가장 뛰어났으며, 불활성 백신보다 뛰어난 면역성을 보였고, 시판중인 백신과는 조금 떨어지지만 비슷한 백신 효과를 보였다. 돼지의 위축성 비염에 대한 펩타이드 백신으로서 OmpH-t4의 백신 능력을 확인하였다.
백신조성물 제조예
본 발명의 백신조성물은 생체 내 효과적인 예방 및 항-감염 작용을 위해 OmpH 단백질 단독으로 또는 약제학적 담체와 함께 투여될 수 있으며 이의 제조 일례는 다음과 같다.
정제된 0.5 mg/ml의 OmpH 100 ㎕
프로인트 완전 애주번트 (Freund's Complete Adjuvant) 100 ㎕
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 외막단백질 H를 이용한 펩타이드 백신은 작은 크기의 펩타이드를 사용함으로서, 그 효율성이 증가할 뿐만 아니라 병의 발병 가능성이 없다. 또한 일반적인 백신은 주사를 이용한 투여 방법만이 사용되나, 본 발명과 같은 펩타이드 백신은 주사제 외에도 돼지의 사료에 이용되는 작물에 발현시켜 백신 효과를 보는 방법과 백신을 돼지에 살포하여 점막 면역 반응을 이용하여 백신 효과를 보는 방법 등 다양한 방법으로 돼지 백신화에 사용될 수 있는 장점이 있다.
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Claims (3)
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- 파스튜렐라 멀토시다 (D:4) 균주의 외막단백질 H (OmpH) 전체 또는 일부를 코딩하는 서열번호: 7, 서열번호: 8, 서열번호: 9, 서열번호: 10 및 서열번호: 11 중 어느 한 염기서열을 갖는 유전자를 포함하는 재조합 발현 벡터로부터 발현된 파스튜렐라 멀토시다 (D:4) 균주의 재조합 외막단백질 H의 전체 또는 일부를 단독으로 또는 약제학적으로 허용되는 담체를 함께 함유하는 돼지 위축성 비염 백신.
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