박테리아 유래 세포밖 소포체의 항암 효과 및 기전 연구

Abstract

Extracellular vesicles (EVs) are spherical, bilayered proteolipids that are secreted from most of the cells in all domains of life including prokaryotes, archaea, and eukaryotes. These vesicles are released as a mode of intercellular communication and exert their functions in various ways, such as the delivery of cargo and the activation of the signal transduction pathway to recipient cells. To serve these functions, EVs contain bioactive molecules: proteins, lipids, and genetic materials (e.g. DNA, mRNAs and miRNAs). Though many reports about the function of EVs have been actively published, most of them are mainly on the EVs derived from eukaryotic cells. However, since the functions of bacterial EVs have not yet been studied comprehensively, my studies focused extensively on various functions of bacterial EVs. Recently, bacterial EVs have received much attention as a non-living complex vaccine or drug or molecule delivery vehicle. However, no research has been conducted yet to treat cancer using the bacterial EVs. Therefore, the core focus of my study was to investigate the possibility of cancer treatment using bacterial EVs as an immunotherapeutic agent. Gram-negative bacteria actively secrete EVs, called outer membrane vesicles (OMVs), which are spherical nanometer-sized proteolipids composed of substances with bacterial characteristic patterns such as proteins, lipids, nucleic acids and various bacterial toxic factors, such as lipopolysaccharide (LPS). The components of OMVs have a significant effect on the function and role of OMVs in intercellular communication. For reducing the toxicity of OMVs, OMVs were isolated from lipid A-mutant bacteria (E. coli W3110 ΔmsbB). OMVs derived from lipid A-mutant bacteria showed reduced inflammatory effect, and when the OMVs were injected into mice showed remarkable antitumor effect without any significant side effects. In addition, other various Gram-negative bacteria-derived OMVs and Gram-positive bacteria-derived EVs also showed the antitumor effect and induced effective long-term antitumor immunity. Moreover, when OMVs were injected into the tail vein of mice for spreading vesicles throughout the body, OMVs were specifically delivered and accumulated in tumor tissues. In order to elucidate the mechanism of the antitumor effect induced by OMVs, several chemokines and cytokines were measured in serum and tumor lysate of mice. When OMVs exhibits antitumor effects, they induce the production of antitumor chemokines and cytokines such as CXCL10 and interferon-gamma (IFN-γ). Furthermore, when the antitumor effect of OMVs was examined using an interferon-gamma knock-out mice, it did not show any antitumor effect. Therefore, these data showed that interferon-gamma is a key molecule of OMV induced antitumor effect. Collectively, the results showed that the potential of various bacterial EVs as an effective immunotherapeutic agent for treating multiple tumors without significant side effects, and it will contribute to the development of a new paradigm of anticancer drugs.

세포밖 소포체 (extracellular vesicles)는 세포에서 유래한 나노에서 마이크로 크기의 소포체로서 마이크로베시클 (microvesicles), 엑소좀 (exosomes), 멤브레인베시클 (membrane vesicles) 등 다양한 이름으로도 불리운다. 세포밖 소포체는 진핵생물 (eukaryote), 원핵생물 (prokaryote) 그리고 고세균 (archea)에서 모두 분비되기에 모든 생명체에서 진화적으로 보존된 현상이라고 할 수 있다. 세포밖 소포체는 지질 (lipids), 단백질 (proteins), 유전물질 (nucleic acids), 대사물 (metabolites) 등을 내포하고 있으며 상기 분자들을 다른 세포로 전달하고, 전달받은 세포의 신호 전달 경로를 활성화 시키는 등의 세포간 정보교환을 매개한다. 세포밖 소포체의 기능 및 다양한 사용에 대해서 진핵 세포 세포밖 소포체에서는 많은 연구가 되어 있지만, 원핵세포 유래 세포밖 소포체의 경우 현재까지 알려진 바가 상대적으로 매우 적기 때문에 본 연구자는 박테리아 세포밖 소포체의 다양한 기능을 연구하였다. 그람 음성 박테리아는 세포 외 환경으로 지질 이중층으로 이루어진 세포밖 소포체를 분비하며 이들 세포밖 소포체는 단백질, 지질, 핵산과 같은 박테리아 특징적 패턴을 가진 물질 및 다양한 박테리아 독성 인자 (예를 들어, lipopolysaccharide (LPS))를 가지고 있다. 세포밖 소포체를 구성하는 성분은 세포간 정보교환에서 그람 음성 박테리아 유래 세포밖 소포체의 기능 및 역할에 큰 영향을 미친다. 박테리아 유래 세포밖 소포체는 살아있지 않은 복합 백신 또는 약물 또는 분자전달체로써 많은 관심을 받아왔다. 하지만 박테리아 유래 세포밖 소포체 자체를 이용하여 암을 치료하려는 연구는 아직 이루어지지 않았기 때문에, 이 논문에서는 면역치료제로써 박테리아 유래 세포밖 소포체의 항암 효과를 연구하였다. 박테리아 유래 세포밖 소포체가 가진 독성을 일부 제거하기 위해 LPS의 구성성분 중 하나인 lipid A의 구조적 변화를 일으킨 돌연변이 박테리아 (E. coli W3110 ΔmsbB)에서 세포밖 소포체를 추출하였고, 이를 꼬리 정맥을 통해 여러 종류 암을 피하에 주입한 마우스에 투여하면 뚜렷한 부작용이 없이 강력한 항암 효과를 나타내는 것을 확인하였다. 그 외에 다양한 그람-음성 및 그람-양성 박테리아 유래 세포밖 소포체 또한 항암 효과를 나타내고, 장기적으로 효과적인 항암 면역 작용을 유도할 수 있는 능력을 가지고 있음을 보였다. 또한 전신으로 퍼지도록 꼬리정맥으로 주입된 박테리아 유래 세포밖 소포체는 암 조직에 특이적으로 전달 및 축적되었음을 확인하였다. 상기 박테리아 유래 세포밖 소포체로 유도된 항암 효과의 작용 기전을 밝히기 위해 여러 케모카인 및 사이토카인을 마우스의 혈청 및 암 조직분쇄물에서 측정하였다. 박테리아 유래 세포밖 소포체는 항암효과를 보임과 동시에 항암 케모카인 및 사이토카인인 CXCL10과 인터페론-감마 (IFN-γ)의 생성을 유도하였다. 또한 인터페론-감마 knock-out마우스를 이용하여 상기 박테리아 유래 세포밖 소포체의 항암 효과를 확인해 보았을 때, 인터페론-감마가 없는 마우스에서는 상기 항암효과가 보이지 않았기에 인터페론-감마 의존적인 것을 확인하였다. 종합적으로 상기 결과를 통해 다양한 종류의 박테리아 유래 세포밖 소포체를 뚜렷한 부작용 없이 여러 암들을 효과적으로 치료할 수 있는 면역치료제로써 이용할 수 있는 가능성을 제시하였고, 새로운 패러다임의 항암 치료제를 개발하는데 기여할 것이다.