호중구성 천식 발병 기전에서 염증 유래 과립구자극인자의 역할에 대한 연구

Abstract

Asthma is a heterogeneous airway inflammatory disease and can be classified into eosinophilic, neutrophilic, mixed, and pauci-granulocytic subtypes based on the inflammatory phenotypes. Immunological pathways and responsiveness to conventional medications vary between inflammatory phenotypes; eosinophilic asthma is considered as a type 2 immune response and is relatively well-controlled with inhaled corticosteroid (ICS), whereas neutrophilic asthma features type 17 immune response and shows poor response to ICS; therefore, neutrophilic asthma occurs mostly in patients that have severe asthma. Several trials were introduced to treat neutrophilic asthma by targeting neutrophil or type 17 inflammation but failed to improve the asthmatic symptoms because of the lack of adequate diagnostic and therapeutic markers of neutrophilic asthma. Here, I aim to identify the cellular and molecular mediators that modulate immunological crosstalk between hematopoiesis in the bone marrow (BM) and neutrophilic inflammation in the airway, thereby propose novel diagnostic and therapeutic targets of neutrophilic asthma. In the first part of this study, I demonstrated that the inflamed airway epithelium secretes granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) into the circulation. G-CSF reaches the BM and expands the production of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), and skews their lineage-differentiation programs toward myelopoiesis, thereby increasing the number of neutrophils. Thus, blocking of G-CSF attenuates hematopoietic perturbation in the BM and neutrophilic inflammation in the airway. In the second part of this study, I found that airway epithelial cells, in particular AT II cells, are responsible for G-CSF production against concurrent stimulation of IL-17A and TNF-alpha. Experiments with intranasal cytokine instillation and IL-17A × TNF-alpha DKO mice both indicate the importance of these cytokines for G-CSF induction and airway neutrophilia. As a therapeutic approach, I revealed that dual blockade of IL-17A and TNF-alpha was effective against neutrophilic inflammation, while single cytokine blockade of either IL-17A or TNF-alpha achieved less-effective therapeutic benefits. In the third part of this study, I established three different mouse models of asthma and assessed cytokine milieus in the sputum from patients with asthma. Analysis of G-CSF level identified that airway G-CSF can stratify neutrophilic inflammation in the mouse models and patients with asthma. Collectively, these findings indicate that myelopoiesis-promoting G-CSF and cytokines as the upstream inducing factors may be diagnostic and therapeutic targets in patients with neutrophilic asthma.

천식은 알러젠에 대한 과도한 면역반응으로 발생하는 기도 (airway) 면역 과민성 질환이다. 대부분의 경우 기도 내 호산구 침윤 및 type 2 면역반응을 특징으로 하며, 스테로이드 제재의 사용이 대표적인 치료 방법이다. 스테로이드는 호산구의 세포 사멸을 유도하고 type 2 면역 반응을 저해하여 천식의 증상을 완화한다. 하지만, 전체 천식 환자 중 약 10% 가 스테로이드에 저항성을 가진다는 것이 알려지면서, 중증천식에 대한 개념이 대두되었다. 많은 중증천식 환자의 경우, 기도 내 호중구 침윤과 type 17 면역반응이 높게 나타나는 호중구성 천식에 속한다. 호중구는 호산구와 달리 스테로이드에 의해 세포 사멸이 억제되기 때문에, 호중구성 천식 환자들은 스테로이드에 대한 저항성을 가진다. 또한, 호중구 유래 염증 물질, 효소 등이 기도 조직 손상 및 천식 증상 악화에 기여한다고 알려졌다. 이러한 배경으로, 호중구를 표적으로 하는 치료제 개발이 일부 진행되었으나, 적절한 환자군의 분류 및 맞춤형 치료제 적용이 미비한 상황이다. 본 연구는 천식 동물모델과 환자의 기도 객담 샘플을 이용해 호중구성 천식이 갖는 생물학적 기전을 이해하고 이를 바탕으로 호중구성 천식의 바이오 마커 및 치료제 개발을 목표로 하였다. 먼저, 호중구 천식 동물모델에서 골수 내 조혈작용이 염증에 의해 조절된다는 것을 밝혔다. 염증 상황에서 증가한 G-CSF가 전신 순환을 통해 골수로 전달되고, 조혈모세포의 증식 및 활성을 조절해 미엘로이드 세포의 분화 및 생성을 촉진한다는 것을 밝혔다. 항-G-CSF 중화항체 투여 시, 조혈모세포의 증식이 완화되어 결론적으로 기도 염증의 감소로 이어짐을 확인했다. 다음으로, G-CSF의 생성 기전을 밝히고자 했다. 염증 시 증가하는 IL-17A와 TNF-alpha 에 의해 동시 자극 받은 type II 폐포상피세포가 G-CSF의 주요 생성 세포임을 확인할 수 있었으며, 재조합 IL-17A/TNF-alpha 투여 및 IL-17A/TNF-alpha 결핍 생쥐를 이용한 in vivo 실험을 통해 해당 cytokine이 G-CSF 생성 및 호중구성 천식 발병에 중요한 역할을 하는 상위 단계의 염증 물질임을 알아냈다. 치료적인 접근법으로, 항-IL-17A/항-TNF-alpha 항체를 이용한 중화요법을 수행했다. 그 결과, 호중구 침윤, 골수 변화, 기도 과민성이 대조군 수준으로 정상화됨을 발견했다. 마지막으로, 기도 G-CSF를 호중구성 천식의 바이오 마커로 적용 및 개발 가능한지 알아보고자 했다. 3가지 타입의 천식 동물 모델을 확립하여 기도 G-CSF 수준을 면역침강분석법 (ELISA)를 이용해 정량한 결과, 기도 G-CSF가 호중구와 강한 양의 상관관계, 호산구와 음의 상관관계를 보이는 것을 발견했다. 천식 동물모델에서의 발견을 바탕으로, 천식 환자 유래 기도 분비물에서 기도 G-CSF 수준을 측정했다. 먼저 215명의 천식환자를 객담 염증 세포 표현형에 따라 분류한 후 G-CSF를 정량했다. 동물모델의 결과와 마찬가지로, 기도 G-CSF가 호산구 천식 환자에 비해 호중구 천식 환자에서 약 3배 이상 높게 발현됨을 확인하였다. 이를 통해 기도 G-CSF를 이용해 호중구 천식 환자를 분류할 수 있다는 결론을 내렸다. 결론적으로, 본 연구는 난치성 호중구 천식을 분류하는 기도 G-CSF 기반 바이오마커 및 치료제를 개발한 것에 의의가 있다. 기도 G-CSF 수준을 바탕으로 호중구 천식 환자를 분류한 후, 항-17A/항-TNF-alpha 항체 동시 중화 시 염증을 정상 수준으로 완화시킬 것으로 기대한다. 이는 호중구성 천식뿐만 아니라, 중구 과도로 인해 증세가 악화되는 피부 건선, 만성 폐색성 폐질환, 염증성 장질환 등으로 응용 범위를 넓힐 수 있을 것이라 기대한다.