CD1d에 의해 Glycolipid의 항원 프레 젠 테이션 및 NKT 세포 활성화의 치료 가능성 : 인터뷰

안녕하세요, 저는 La Jolla Institute for Allergy and Immunology의 Mitchell Cronenberg입니다. 저는 현재 회장이자 과학 책임자로 재직 중이지만, 매우 활발하게 연구실을 운영하고 있습니다. 오늘 저희가 다룰 내용은 저희가 보유한 기술 중 하나인 CD 1D tetramer에 관한 것입니다. 저희 연구실의 대부분의 연구는 CD 1D 반응성 T 세포와 관련되어 있습니다.

이 세포들은 펩타이드가 아닌 당지질을 인식한다는 점에서 독특합니다. 또한 제 연구실의 또 다른 분과는 완전히 다른 주제인 점막 면역 체계와 그 조절에 관심을 두고 있습니다. CD1 분자는 항원 제시 분자로, 이는 항원이나 단백질 조각 또는 기타 분자에 결합하여 T 세포가 인식할 수 있도록 유지하는 역할을 함을 의미합니다.

항원 제시 분자는 크게 두 가지 종류로 나뉩니다. 펩타이드를 유지하거나 제시하는 분자가 있으며, 지질 및 당지질을 유지하는 분자가 있습니다. 그리고 CD1 분자가 바로 지질과 당지질을 유지하는 역할을 합니다.

그것이 이들의 기능이며, 이들은 이러한 지질 및 당지질을 T 세포에게 제시합니다. CD1 분자에는 사실 CD1A, B, C, D의 네 가지 종류가 있습니다. 여기서 우리는 특히 CD1D에 집중하는데, CD1D는 마우스 모델이 존재한다는 점 등의 이유로 아마도 가장 잘 연구되었을 것입니다. CD1D는 천연 킬러 T 세포라고 불리는 특정 종류의 T 세포에 당지질을 제시하며, 이 세포는 선천성 및 적응성 면역 반응의 특징을 모두 가진 특이한 백혈구입니다.

제시된 당지질은 자가 당지질일 수 있으나 현재로서는 그 특성이 명확히 밝혀지지 않았으며, 혹은 미생물 당지질일 수도 있습니다. 또한, 우리가 알고 있는 제시된 당지질은 두 가지 공급원에서 유래합니다. 그중 하나는 FMS 박테리아라고 불리는 것으로, 아마도 생물권에서 가장 풍부한 박테리아일 것입니다.

이들은 바다에 살기도 하고, 식물이나 토양 속에 살기도 합니다. 하지만 이들이 많은 사람을 병들게 하지는 않습니다. 우리는 이러한 박테리아와 함께 살아가는 것에 매우 익숙해져 있다고 생각합니다.

우리가 알고 있는 두 번째 범주는 다이글리세롤(diglycerol)을 포함하는 당지질이라는 다른 유형의 당지질입니다. 이러한 당지질은 라임병을 일으키는 Borrelia burgdorferi와 아마도 다른 많은 병원균에서 발견됩니다. 우리는 현재 이러한 당지질을 보유한 박테리아의 다양한 유형들을 밝혀내고 있는 중입니다.

우리는 SMS에서 유래한 당지질(glyco signal lipids)과 보렐리아(Borrelia) 및 아마도 진정으로 병원성인 다른 많은 균들로부터 유래한 디아실글리세롤(diacyl glycerol) 지질을 가지고 있습니다. 이러한 지질들은 주로 수지상 세포의 CD1D 분자에 적재되지만, B 림프구, 간의 쿠퍼 세포(ER cells), 그리고 아마도 다른 세포 유형에서도 가능할 것입니다. 이 CD1D 분자들은 리소좀과 엔도좀을 거치며 그곳에서 아마도 이 지질들과 결합한 다음, 앞서 언급한 자연 살해 T 세포(natural Killer T cells)를 포함한 T 세포들이 인식할 수 있도록 지질을 세포 표면으로 운반합니다.

당지질을 보유한 박테리아에 노출될 때 발생하는 현상 중 하나는 NK T 세포가 매우 빠르게 활성화된다는 것입니다. 반면, 일반적인 T 세포, 즉 펩타이드 반응성 T 세포는 특히 항원 경험이 없는 경우, 적절한 면역 반응을 일으키는 데 보통 3~4일이 소요됩니다.

다시 말해, 이들은 미경험 상태입니다. 반면, NK T 세포는 몇 시간 내에 활성화될 수 있으며, 매우 짧은 시간 안에 박테리아 제거에 중요한 감마 인터페론과 같은 사이토카인을 생성하기 시작합니다. 이러한 점에서 이들은 선천 면역 반응 모델의 일부 특성과 유사합니다.

모델 항원을 연구함으로써, 우리는 CD 1D가 후기 엔도좀과 리소좀으로 이동한다는 것을 알고 있습니다. 이곳은 당지질 항원이 CD 1D에 적재되는 매우 산성인 세포 내 구획이며, 수지상 세포와 같은 항원 제시 세포 내부에는 지질이 CD 1D 분자에 적재되는 것을 돕는 특수 전이 단백질들이 실제로 존재합니다. 본 연구에서 다루는 fona 박테리아, borre 박테리아 및 기타 박테리아들은 세포 외 박테리아입니다. 따라서 지질 항원은 어떤 방식으로든 세포 내로, 아마도 리소좀으로 운반되어 CD 1D 분자에 적재되어야 합니다.

그 후 NKT 세포가 즉각적으로 활성화되며, 이 모든 과정은 간의 정맥동, 비장, 그리고 아마도 골수 및 NKT 세포가 발견되는 다른 부위에서 수 시간 내에 일어나야 합니다. 사량체(tetrameric) 구조는 다른 T 세포와 구별되는 선천적 특성을 가진 이러한 자연 살해 T 세포를 명확하게 정의하는 데 있어 매우 핵심적입니다. 사용 가능한 다른 마커들은 너무 모호하지만, 사량체를 이용하면 항원 수용체 특이성에 기반하여 세포를 식별할 수 있으며, 이는 NKT 세포를 정의하는 핵심적인 요소입니다. 사량체 제작 방식은 상당히 오래전부터 사용되어 왔습니다.

이 기술은 Mark Davis와 John Alman에 의해 발명되었으며, 그 아이디어는 T-세포 수용체의 친화력이 낮다는 점에 기반했습니다. 특정 세포를 정의하거나 그 특이성을 바탕으로 세포를 식별하고자 할 때, 해당 세포가 인식하는 펩타이드나 펩타이드와 항원 제시 분자의 복합체는 세포를 식별할 수 있을 만큼의 충분한 친화력이나 결합력을 갖지 못합니다. 이에 Mark Davis와 John Allman은 항원 제시 분자와 그들이 제시하는 분자를 결합하여 tetramer(사량체) 또는 경우에 따라 OCR을 만드는 tetramer 기술을 발명했으며, 이는 기본적으로 상호작용의 친화력을 높여줍니다. 이를 통해 독감 펩타이드 및 특정 항원 제시 분자, 또는 연구자가 관심 있는 특정 항원에 특이적인 세포를 확인할 수 있습니다.

백신 접종 계획의 효과를 확인할 수 있게 해주는 매우 중요한 기술입니다. 저희는 90년대 후반부터 이 작업을 시작했으며, 처음에는 현재까지 약 500회 인용된 2000년 발표 논문을 통해 결과를 공개했습니다. 저희가 수행한 작업은 단순히 해당 기술을 지질에 적용한 것이었습니다.

우리는 용해성 CD1 분자를 제작하였으며, 잠시 후 설명해 드릴 방법을 통해 이를 중합할 수 있었습니다. 다시 말해, 이를 중합하여 특정 당지질과 결합시킴으로써, 특정 T세포 수용체를 분석하기 위한 시약으로 사용할 수 있었습니다. 즉, 우리가 관심을 가지고 있는 당지질과 CD1D의 복합체를 인식하는 수용체들을 분석한 것입니다. 이러한 테트라머는 NKT 세포의 수와 활성 상태 및 기능을 분석하고자 하는 모든 상황에서 사용할 수 있습니다.

그리고 저희 실험실에서는 여러 가지 다양한 프로젝트 중 어느 것에서든 이를 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 돌연변이와 신호 전달 경로가 NK T 세포 발달에 영향을 미치는지 확인하고 싶다면, 테트라머(tetramers)를 사용하여 NKT 세포의 수를 측정함으로써 이를 확인할 수 있습니다. 또한, NKT 세포가 성숙했는지 또는 활성화되었는지를 평가하는 데 도움이 되는 다른 마커나 세포 표면 단백질들을 살펴볼 수 있으며, 항원 자극 후 테트라머를 사용하여 세포의 활성화 여부뿐만 아니라 어떤 사이토카인을 생성하는지도 확인할 수 있습니다.

따라서 테트라머 염색을 예를 들어 세포 내 사이토카인 염색과 결합하여, NKT 세포의 몇 퍼센트가 감마 인터페론을 생성하는지, 몇 퍼센트가 IL-4를 생성하는지, 또는 몇 퍼센트가 두 가지 모두를 생성하는지 다중 파라미터 유세포 분석법으로 확인할 수 있습니다. 이를 통해 이러한 세포의 사이토카인 생성에 관한 다양한 질문을 ex vivo에서 직접적으로 확인할 수 있습니다. 또한, 추가적인 실험을 수행할 수도 있습니다. 예를 들어, 테트라머를 사용하여 NKT 세포를 정제한 후 in vitro 배양을 통해 다른 세포 유형과의 상호작용을 조사하거나, 유전적 이유로 NKT 세포가 결핍된 수용 동물로의 이식을 진행할 수 있습니다.

우리는 그 기능을 복원하고자 합니다. 그렇게 함으로써 세포가 어디로 이동하며 어떻게 기능하는지에 대해 질문하고 확인할 수 있습니다. 마지막으로, 인간 NKT 세포의 경우, 분석 목적이나 잠재적인 치료 목적으로 세포를 증식시키기 위해 실제로 테트라머를 사용하여 인비트로(in vitro)에서 세포주를 확장해 왔다는 점을 말씀드리고 싶습니다.

저희는 CD1D 테트라머를 생성하기 위해 바쿠로바이러스 발현 시스템을 사용합니다. 이 과정은 프로모터와 $\beta_2$-마이크로글로불린 및 CD1D 중쇄 발현 서열을 포함하는 일반적인 DNA 컨스트럭트에서 시작됩니다. 이 CD1 분자는 두 개의 폴리펩타이드로 구성된 이형이량체입니다.

우리는 이 두 개의 프로모터 발현 시스템을 사용하여, 앞서 채널에서 설명한 대로 정밀하게 적정된 vao 바이러스로 곤충 조직 배양 세포를 감염시킵니다. 그 후 세포를 감염시키고, 조직 배양 배지로부터 세포에 의해 발현된 단백질을 수확합니다. CD 1D 중쇄는 특히 테트라머 생산을 위해 설계되었습니다.

우리가 수행하는 작업은 두 가지, 더 정확히 말하면 세 가지가 있습니다. 첫 번째는 transmembrane 부위를 제거하는 것입니다. 이를 통해 우리는 수용성 단백질을 발현시킵니다.

둘째로, 금속 이온 크로마토그래피를 통해 단백질을 정제할 수 있도록 hexa-his tag를 추가했습니다. 셋째로, 효소적 비오틴화를 위한 소위 비오틴 부위(biotin site)를 갖추고 있으며, 이것이 이번 기술의 혁신점입니다.

Davis와 Alman이 테트라머(tetramer) 생성 기술을 처음 개발했을 때 이는 매우 중요했습니다. 따라서 단백질을 수확한 후, 니켈 컬럼 크로마토그래피를 통해 니켈 컬럼에서 정제합니다. 때로는 그 이후에 크기 배제 크로마토그래피를 수행하기도 합니다.

그 후 단백질을 효소적으로 비오틴화하여 배양할 수 있으며, 효소적 비오틴화가 완료된 후 strep ab와 함께 배양하면 테트라머(tetramer)를 형성하게 됩니다. 하지만 정제된 가용성 CD1 단백질은 기본적으로 관심 대상인 글리콜리피드 용액에서 하룻밤 동안 배양할 수 있습니다. 이때 글리콜리피드를 DMSO에 용해하지 않는 것이 매우 중요한데, DMSO는 글리콜리피드의 희석제나 용매로 일반적으로 사용되지만 CD1은 이에 매우 민감하기 때문입니다.

일반적으로 소량의 tween과 PBS가 포함된 완충액을 사용합니다. 이 완충액은 대부분의 당지질을 용해하는 데 매우 효과적입니다. 그리고 자발적으로 일어나는 것으로 보이는 CD 1D 로딩을 위해, 다양한 제조사에서 제공하는 streptavidin을 사용합니다.

그리고 PE, FICO, ERYN 또는 PC phycocyanin 염료와 결합시켰을 때, 어느 것이든 매우 잘 작동하며 아주 우수한 염색 결과를 보여줍니다. 따라서 전반적으로 이 절차는 잘 알려진 MHC Class I tetramer 제작 절차와 크게 다르지 않으나, 박테리아 발현 대신 박테리오파지 발현을 사용하며, 펩타이드가 아닌 지질 항원을 사용한다는 점이 다릅니다. 한 가지 강조하고 싶은 점은 인간 또한 NK T 세포를 가지고 있으며, 이는 마우스 NK T 세포와 동일한 특이성을 가진다는 것입니다.

따라서 설치류와 분화된 이후 최소 6,000만 년 동안 특이성이 유지되어 왔으며, 실제로 우리는 여기 비디오에서 보시는 것과 동일한 기술로 인간 CD 1D 테트라머를 제작합니다. 하지만 사실 인간 NK T 세포는 마우스 테트라머와 매우 잘 작동하며 그 반대도 마찬가지입니다. 그래서 인간 연구에 마우스 테트라머를 사용할 수 있기 때문에 인간 테트라머를 그렇게 자주 제작하지는 않습니다.

NK T 세포가 면역 반응의 결과에 결정적인 요인임이 밝혀진 마우스 모델은 매우 다양합니다. 이는 암에 대한 반응, 자가면역 질환의 조절, 감염성 병원체의 제거, 그리고 동맥에서 발생하는 만성 염증 과정인 경화성 플라크의 형성까지 광범위하게 걸쳐 있습니다.

인간에게서는 이러한 세포의 존재량이 다소 적어 그 중요성에 대해 일부 의문이 제기되고 있으나, 자가면역 상태에서 이들이 변화한다는 많은 보고가 있었습니다. 또한 천식 환자의 폐에서 이들이 매우 풍부하다는 보고들도 있습니다. 비록 이러한 보고들 중 New England Journal of Medicine에 게재된 한 보고서에 대해서는 일부 논란이 있지만, 인간을 대상으로 한 여러 연구에서 이 세포들이 중요할 수 있음을 시사하고 있습니다.

임상 시험 측면에서 NKT 세포 자극은 진행성 암 환자를 대상으로 네 건의 1상 시험에서 테스트되었습니다. 효능에 대한 일부 증거가 있으며, 물론 대상 환자들의 상태가 매우 위중하며 여러 다양한 유형의 암에 대해 연구가 진행 중입니다. 또한 자가면역 질환에 NKT 세포 매개 요법을 사용하는 것에 관심을 가진 이들이 있으나, 아직 본격적으로 시작되지는 않았습니다.

테트라머(Tetramer)는 주로 작용제 치료 후 NKT 세포에 어떤 변화가 일어났는지 분석하는 관점에서 이러한 연구들에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 따라서 일반적으로는 반응과 상태에 따라 글리코리피드(glycolipid) 작용제를 사용하거나, 다른 연구 그룹에서 개발 중인 글리코리피드 길항제를 사용하는 것이 일반적인 아이디어입니다. 그 후 NKT 세포에 어떤 일이 일어났는지 평가하게 되는데, 이는 통상적으로 테트라머를 통해 수행합니다.

또 다른 잠재적 용도는 인간 NKT 세포의 체외 확장이 될 것입니다. 예를 들어, 테트라머나 적절한 당지질을 보유한 세포를 이용한 항원 자극 등을 통해 체외에서 다량의 인간 NKT 세포를 배양하는 것은 충분히 실현 가능하며 가능합니다. 그리고 테트라머나 세포를 사용하는 것 외에도 사이토카인을 추가해야 합니다.

하지만 이러한 조건하에서 다수의 인간 NK T 세포를 증식시킬 수 있습니다. 또한, 글리콜리피드 기반 치료법과는 대조적으로 이러한 종류의 치료법에 관심을 가진 보스턴의 최소 한 연구 그룹이 존재합니다. 제 실험실의 또 다른 부분에서는 점막 면역 연구를 수행하고 있습니다.

대부분의 면역학자들은 림프절과 비장의 림프구 또는 백혈구에 집중해 왔습니다. 하지만 우리 몸에서 발견되는 림프구의 대다수는 아마도 10^13에서 10^14, 혹은 10^14에서 10^15마리의 박테리아가 존재하는 곳인 장점막에서 발견될 것입니다. 따라서 미생물학적 관점에서 볼 때 우리는 대부분 무균 상태이지만, 장 내부만은 그렇지 않습니다.

또한 장 내에는 매우 많은 수의 백혈구가 존재합니다. 이 세포들은 고유한 특성을 가지고 있으며 사실 아직까지 연구가 충분히 이루어지지 않았습니다. 따라서 우리는 이러한 세포들에 대한 기초 과학 연구를 진행하고 있습니다.

하지만 저희는 제가 면역 조절 장애라고 부르는 과정, 즉 염증성 장질환으로 이어지는 장내 변화도 연구하고 있습니다. 이는 기본적으로 소장 또는 대장에 발생하는 면역 매개 질환으로, 크론병 또는 궤양성 대장염이라는 명칭으로 알려져 있습니다. 저희는 일부 인체 대상 연구도 수행하지만, 대부분의 연구는 마우스 모델을 통해 진행합니다. 저희는 크론병과 유사한 증상을 유발하는 점막 면역계의 조절 장애를 연구하기 위한 매우 우수한 마우스 모델들을 보유하고 있습니다.

우리는 해당 과정과 그 과정에 개입하는 방법에 대해 연구하고 있으며, 궁극적으로는 이러한 면역 매개 질환으로 고통받는 환자들을 위한 더 나은 치료법을 개발하기를 희망하고 있습니다. 결론적으로, 향후 10년 정도의 기간 동안 면역학이 어떤 방향으로 나아갈지에 대해 조금 생각해 볼 수 있겠으나, 놀랍게 들릴지 모르겠지만 10년 앞을 내다보는 것은 정말 어려운 일입니다.

저는 점막 면역계가 실제로 면역학에서 아직 충분히 탐구되지 않은 주요 분야 중 하나라고 생각합니다. 비록 점점 더 많은 사람과 저명한 연구 그룹들이 점막 면역학 연구에 관심을 가지고는 있지만 말입니다. 또한 엄청난 영향력을 미칠 것으로 생각되는 또 다른 분야는 유전학이며, 특히 인간 유전학입니다. 우리가 인간 게놈의 1,000개 시퀀싱 단계로 이행하거나 나아감에 따라, 개인별 연구를 수행하고 DNA 변이가 면역 반응에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것이 정말로 가능해질 것입니다.

현재로서는 기초 경로에 대한 대부분의 최적의 연구들이 설치류를 대상으로 이루어지고 있습니다. 설치류, 특히 생쥐는 우리의 연구에 있어 매우 결정적입니다. 하지만 앞으로 개별적으로 나타날 수 있는 복잡한 자가면역 현상이나 다른 요인들을 고려할 때, 인간의 유전적 다형성을 바탕으로 이러한 연구를 수행할 수 있게 될 것이라고 생각합니다.

우리는 다형성을 평가하고, 그 정보를 활용하여 이것이 면역 반응에 어떤 영향을 미칠지 예측함으로써, 제가 그리고 다른 이들이 개인 맞춤형 면역 치료 또는 더 넓은 의미에서 정밀 의료라고 부르는 방향으로 나아갈 수 있을 것입니다. 따라서 유전학은 엄청난 영향력을 갖게 될 것입니다. 우리는 이미 마우스 유전학 분야에서 훌륭한 도구들을 보유하고 있습니다.

우리는 원하는 어떤 유전자든 녹아웃 시킬 수 있습니다. 특정 세포 유형에서 유전자의 발현을 녹아웃 시킬 수도 있습니다. 우리는 놀라운 일들을 해낼 수 있습니다.

하지만 앞으로는 인간의 반응이라는 관점에서 면역 반응과 면역력을 이해하는 방향으로 연구하게 될 것이라고 생각합니다.