뇌종양 세포가 주변의 산소 먹어 치우며 면역세포 무력화시키는 과정 밝혀
뇌종양에서의 낮은 면역항암치료제 반응성 향상 실마리

이홍규 교수(왼)와 박장현, 제1저자

뇌종양 세포가 주변의 산소를 먹어 치우며 면역세포를 무력화시키는 과정이 밝혀졌다. 후천성 면역세포에 의해 인식될 표지도 만들지 않는 뇌종양 세포가 선천성 면역세포조차 회피하는 비결이 밝혀진 것이다.

KAIST 이흥규 교수 연구팀이 악성 뇌종양 세포의 과도한 산소소비로 인한 감마델타 T 세포의 면역반응 저하 과정을 규명했다고 밝혔다.
왕성하게 증식하며 주변 산소를 빠르게 소비하는 뇌종양 세포로의 산소유입을 막는 방식이 면역항암치료제의 낮은 반응성을 보완할 실마리가 될 것으로 기대된다.
 ※ 감마델타(γδ) T 세포 : 피부나 장 같은 점막에 주로 존재하는 선천성 T 세포로 주로 스트레스받은 세포를 초기에 제거하거나 박테리아 등의 감염 시 중요한 세포로 알려져 있다.
 
연구팀은 뇌종양의 악성도가 높을수록 감마델타 T 세포의 종양 내 유입이 적고 저산소 환경은 심한 것을 알아냈다. 반면 감마델타 T 세포가 많이 유입될수록 환자의 예후가 좋은 것으로 나타났다. 종양에 대항하는 면역세포로 잘 알려진 후천성 T 세포가 아닌 감마델타 T 세포의 활성에 주목하게 된 이유이다.

이에 저산소 환경을 해소해 감마델타 T 세포에 적절한 산소를 공급, 세포의 생존을 도우면 면역반응이 정상화 될 것이라는 가설을 세웠다.
실제 감마델타 T 세포는 스트레스에 노출된 뇌종양 세포 표면에 많이 생기는 리간드(NKG2DL)를 직접 인식하는 수용체(NKG2D)가 있어 종양에 대항한 면역반응의 새로운 주체로 주목받았지만 기대만큼의 효과를 내지 못하고 있었다. 

이흥규 교수는 “악성 뇌종양은 다른 종양에 비해 면역원성이 매우 낮고, T 세포 유입이 낮다. 따라서 다른 종양에 비해 항암 면역 관문치료제의 반응성이 낮다고 알려져 있다. 이를 개선하여 신약을 개발하는 것이 매우 중요하다. 하지만 아직까지는 효과적인 면역치료제를 개발하지 못하였다. 감마델타 T 세포는 종양을 사멸하기에 효과적이나 그 수가 매우 적고, 종양 조직 내에서 면역억제를 받고 있어 감마델타 T 세포를 이용한 치료제가 생각보다 효과적이지 못하다는 것이 알려져 있었다.”고 말했다.

이 연구진은 왜 감마델타 T 세포를 이용한 치료제의 효과가 좋지 못한지에 대해 그 이유를 찾아냈다. 이를 개선하여 감마델타 T 세포를 이용한 치료제가 충분히 효과가 있을 수 있음을 생쥐모델을 이용해 입증하였다. 실제 사람에서도 효과적일지는 추후 연구가 더 필요하겠지만, 악성 뇌종양을 효과적으로 치료할 수 있을 것이라 기대되는 새로운 후보물질을 도출해 낸 것이라 큰 의미가 있다고 이홍규 교수는 말했다. 
연구팀이 실제 뇌종양 생쥐모델에 뇌종양의 과도한 산소대사를 막을 화합물(메트포르민)을 감마델타 T 세포와 함께 투여하자, 면역세포의 종양조직 내 침투가 늘고 생존률이 향상되었다. 감마델타 T세포의 저산소 환경을 해소하자, 항종양 면역반응이 개선된 것이다.

감마델타 T 세포의 항 뇌종양 면역반응 기전을 규명하고 감마델타 T 세포의 면역반응을 증대시킬 방안을 제시한 이번 연구는
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업(차세대바이오사업) 및 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행되었으며 면역학 분야 국제학술지 ‘네이처 이뮤놀로지(Nature Immunology)’ 2월 11일 자에 게재되었다. 한편 네이처 이뮤놀로지는 이 연구결과가 담긴 논문을 게재하는 외에 별도로 뉴스앤뷰즈(News & Views) 코너에서 이 논문에 대해 소개하였다.

논문명은 Tumor hypoxia represses γδ T cell-mediated antitumor immunity against brain tumors이며 저자는 이흥규 교수(교신저자/카이스트), 박장현 박사과정(제1저자/카이스트), 김현진 박사과정(2저자/카이스트), 김채원 박사과정(3저자/카이스트), 김현철 박사과정(4저자/카이스트), 정유진 박사과정(5저자/카이스트), 이현수 박사(6저자/카이스트), 이윤아 박사과정(7저자/카이스트), 주영석 교수(8저자/카이스트), 오지은 교수(9저자/카이스트), 박성홍 교수(10저자/카이스트), 이정호 교수(11저자/카이스트), 이성기 교수(12저자/건양대병원) 등이다.

□연구내용
1. 연구의 필요성
  ○ 뇌종양은 뇌에서 발생하는 종양의 일종이다. 교모세포종 등의 악성 뇌종양은 수술, 화학요법과 방사선요법 등 다양한 치료를 시도해도 재발이 잦고 평균 생존기간이 약 1~2년 정도로 알려져 있다. 면역항암치료제 등의 임상시험이 시도되고 있지만, 현재까지는 효과적인 치료법이 제시되고 있지 않아 연구가 필요하다.
     ※뇌종양 : 뇌에서 발생하는 종양의 일종으로, 예후가 매우 좋지 않은 종양으로 알려져 있음. 특히 악성뇌종양인 교모세포종 등은 평균 생존기간이 1~2년 정도로 매우 짧은 편에 속하며, 기존 치료제들의 효과가 매우 떨어진다고 알려져 있고, 재발이 잦은 편임.
  ○ 항종양 면역반응에서 가장 중요한 것으로 알려진 세포는 T 세포임. 종양 항원을 제시받은 CD4나 CD8 T 세포들이 항종양 면역반응을 일으키고, 항원 특이적으로 CD8 T 세포가 종양세포 사멸을 유도한다. 이에 따라 일반적으로 T 세포 매개 면역반응이 활발한 환자들은 예후가 좋은 것으로 알려져 있다.
     ※T세포 : 흉선에서 유래하는 림프구로, 세포의 면역에서 주된 역할을 한다.
  ○ 하지만 뇌종양은 혈관뇌방어막(Blood-brain barrier, BBB)이 있어서 면역세포의 유입이 활발하지 않으며, 종양의 이질성이 높고, 미세아교세포 등의 골수성 혹은 유골수구양 세포들이 많이 존재하여 주변 면역 반응을 억제하는 환경이 조성되어있다. 다른 종양과 달리 뇌종양 환자들의 생존기간은 T 세포와 무관한 경우가 많다.
  ○ 뇌종양 미세환경에는 여러 세포들이 존재하고 각자 역할이 있지만, 그 중에 γδ(감마델타) T 세포라는 면역세포도 존재한다. T 세포이지만 CD4 혹은 CD8 T 세포와는 다르게 선천 면역세포로 분류되며, MHC에 의한 항원 제시가 필요 없는 세포이다.
  ○ 아직 이들이 표적세포의 어떤 물질을 인지하여 면역반응을 일으키는지 정확히 알려진 바는 없지만, 주로 세포 내 스트레스에 의해 유도되는 세포 표면 리간드(NKG2DL)를 인지할 수 있다고 알려져 있다.
  ○ γδ T 세포 표면의 수용체(NKG2D)는 표적세포 표면의 리간드를 인지하여 면역반응을 일으킨다. 정상세포에서 암세포로 변환되는 과정에서 세포 내에 쌓인 스트레스 때문에 암세포들은 일반적으로 표면에 이 리간드를 발현하고 있다. 따라서 γδ T 세포의 표적이 되기 좋다.
  ○ 따라서 많은 연구자들이 γδ T 세포를 이용하여 뇌종양을 치료해보고자 시도했다. 안정성은 입증이 되었지만 항종양 치료효능은 생각보다 좋지 못했다.
  ○ 이에 종양 미세환경 내에서 일어나는 γδ T 세포 면역반응 저해기전이 존재할 것이라고 가설을 세웠다. 이 기전을 알아내고자 하였다.

 2. 연구내용
  ○ 이번 연구를 통해 뇌종양 미세환경에서 뇌종양 세포의 γδ T 세포 매개 항종양면역 반응을 회피하는 기전을 규명하였다.
  ○ WHO에서는 종양의 종류와 악성도에 따라 등급을 부여하며 뇌종양은 1~4등급이 존재한다. 3등급 이상의 뇌종양은 악성 뇌종양으로 분류됨. 온라인에 공개된 종양 내 유전제/전사체 분석과 뇌종양 환자의 생존 기간을 분석해 본 결과, 악성 뇌종양에서는 CD4, CD8, γδ T 세포가 모두 환자의 생존기간과 무관하다는 것을 알게 되었다.
  ○ 하지만 2등급 이하의 저등급 뇌종양에서는 CD4와 CD8 T 세포는 많이 유입될수록 환자의 생존기간이 감소하지만, γδ T 세포는 많이 유입될수록 환자의 예후가 좋은 것을 관찰하였다. 따라서 일반적으로 알려진 것과 달리 CD8 T 세포가 뇌종양에서는 크게 중요하지 않고, γδ T 세포가 중요한 역할을 할 수 있을 것이라 생각하였다.
  ○ 뇌종양 악성도가 심해질수록 γδ T 세포의 유입은 감소하고, 종양 미세환경 내의 저산소가 심해진다는 것을 발견하였다. 저산소가 유도됨에 따라 γδ T 세포의 세포자살이 증가하여 세포 수가 감소한다는 것을 알았다. 또한 γδ T 세포 표면 수용체(NKG2D) 발현에 적절한 산소호흡이 필요하다는 것을 발견하였다. 따라서 저산소를 극복해 γδ T 세포에 적절한 산소호흡을 유도하면 세포자살이 감소하여 면역반응이 정상화 될 것이라 가설을 세웠다.
  ○ 저산소증의 원인을 찾기 위해 뇌종양 세포와 다른 종양세포의 산소 호흡을 측정하였다. 뇌종양 세포가 다른 종양 세포에 비해 훨씬 많은 산소를 필요로 하는 것을 알았다. 즉, 뇌종양 세포의 과한 산소 호흡 때문에 종양 미세환경 내의 저산소가 유도된다고 판단하였고, 면역 반응 정상화를 위해 뇌종양 세포의 산소호흡을 억제하고자 하였다.
  ○ 메트포르민은 당뇨병에 사용되는 약임. 메트포르민의 정확한 기전은 알려지지 않았으나, 미토콘드리아 전자전달계를 억제한다는 것이 알려져 있다. 암세포는 일반 면역세포보다 많은 양의 메트포르민 수용체를 가지고 있어 암세포로 메트포르민이 유입될 확률이 높았다.
  ○ 실제 메트포르민을 뇌종양 세포에 처리하였을 때에 미토콘드리아 전자전달계가 억제되어 산소호흡이 저해됨을 확인하였다. 나아가 뇌종양 생쥐모델에 메트포르민을 처리하자 뇌종양 조직 내 저산소가 개선되었으며, 주변 γδ T 세포의 저산소가 개선되었다.
  ○ 메트포르민 처리에 의해 γδ T 세포의 항종양 기능이 향상되었다. 사이토카인 분비가 증가하고, 수용체(NKG2D) 발현이 증가하여 수용체 의존적으로 뇌종양 세포 탐지기능이 개선되었다. 종양 세포를 죽이는 데 필요한 세포독성 물질 발현도 증가하여, γδ T 세포의 종양 세포사멸 기능이 증가하였다.
  ○ 본 연구진이 발견한 바를 치료목적으로 응용할 수 있는지 알아보기 위해 사람 유래 뇌종양 세포를 가진 면역결핍 생쥐모델에 γδ T 세포 치료를 해주었다. γδ T 세포 단독으로는 생존률에 큰 개선효과가 없었지만, 메트포르민과 병용투여 시 생존률이 크게 개선되었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 다른 면역세포에 비해 주목받지 못하던 γδ T 세포가 뇌종양에서는 아주 중요함을 밝혔다.
  ○ γδ T 세포가 어떻게 뇌종양 세포를 사멸시킬 수 있는지 면역학적 기전을 분석하고 뇌종양 세포의 면역회피 기전까지 밝혀 학문적으로 큰 의미가 있는 연구다.
  ○ 기존에 항종양 면역치료제는 CD8 T 세포를 표적하는 경우가 많음. 하지만 CD8 T 세포는 MHC를 통한 항원 제시가 필요하여 종양세포가 회피하기 쉽다는 단점이 있었다. 또한 뇌종양에 한해서는 CD8 T 세포를 겨냥한 anti-PD1 등의 면역치료제 임상결과가 좋지 않아, 이를 극복할 새로운 치료 표적 발굴이 필요한 실정이었다.
  ○ 이에 비해서 γδ T 세포는 MHC 항원 제시가 필요 없고, 종양 세포들이 많이 발현하는 물질을 바로 인지할 수 있기 때문에 새로운 치료제 표적으로 주목받았다. 하지만 세포 수가 훨씬 적고, 알 수 없는 이유로 치료효능이 크지 않아 큰 관심을 받지 못하였다.
  ○ 하지만 이번 연구결과 뇌종양 미세환경에서 γδ T 세포가 제 기능을 하지 못하는 이유가 밝혀진 한편 이를 개선할 시 γδ T 세포의 뇌종양 치료 효능이 증가하는 것을 발견하여, 추후 γδ T 세포를 응용한 항뇌종양 면역세포 치료제 개발의 실마리가 될 것으로 전망한다.

□그림설명

(그림 1) 감마델타 T 세포의 항뇌종양 면역반응 기전 규명
뇌종양 세포는 종양을 제거해야 할 항원(antigen)으로 인식하여 싸우는 전형적인 T세포(CD4 T , CD8 T) 면역반응이 매우 약하다. 뇌종양 세포가 이들 면역세포가 인식할 수 있는 표지(MHC)를 많이 만들지 않기 때문이다.
반면 감마델타 T 세포는 이러한 항원표지 없이도 스트레스에 노출된 뇌종양 세포 표면에 많이 생기는 리간드(NKG2DL(Rae1))를 직접 인식하는 수용체(NKG2D)가 있어 종양에 대항한 면역반응의 새로운 주체로 주목받고 있다.
하지만 뇌종양 세포의 과도한 산소 소비로 인해 저산소 환경에 노출된 감마델타 T 세포의 수용체 생성이 원활치 못해 뇌종양 세포 인지능력이 저하되었다.
메트포르민(Metformin)을 이용해 뇌종양 세포로의 산소유입을 저해하여 남은 산소를 감마델타 T 세포가 활용할 수 있도록 한 결과, 감마델타 T 세포가 정상적으로 수용체를 만들어 내고 그에 따라 뇌종양 세포를 인지하고 사멸을 유도할 수 있는 능력이 향상되었다.
그림설명 및 그림제공 : KAIST 이흥규 교수

(그림 2) 감마델타 T 세포의 항뇌종양 면역반응 기전 규명

가. 뇌종양 환자의 생존을 감마델타 T 세포 유입의 정도에 따라 분류하였을 때에 감마델타 T 세포가 많이 유입될수록 환자의 생존기간이 증가됨.
나. 뇌종양 악성도가 증가할수록 감마델타 T 세포의 유입이 감소됨.
다. 뇌종양 악성도가 증가할수록 종양 조직 내 HIF1A(저산소표지) 발현이 증가함.
라. 뇌종양 세포가 흑색종 세포보다 더 많은 산소를 필요로 함.
마. 메트포르민 처리 시 뇌종양 세포의 산소 호흡이 감소됨.

바~카. 뇌종양 생쥐모델이 메트포르민을 마실 수 있도록 음수로 제공한 결과 
바. 뇌종양 조직 내 저산소가 개선됨.
사. 뇌종양 침윤 감마델타 T 세포의 저산소가 개선됨.
아. 감마델타 T 세포의 뇌종양 조직으로의 유입이 증가됨.
자. 감마델타 T 세포 표면의 수용체(NKG2D) 발현이 증가됨.
차. 감마델타 T 세포의 항종양 사이토카인 분비가 증가됨.
카. 생존률이 매우 개선됨.

타. 뇌종양 생쥐모델에 감마델타 T 세포 주입 시 생존기간에 큰 차이가 없음. 하지만 메트포르민과 감마델타 T 세포 병용투여 시 생존률이 크게 개선됨. 또 저산소 시 발현되는 HIF1A의 저해제인 Cay10585를 전처리한 감마델타T 세포를 주입 시 생존률이 크게 개선됨을 확인하였다.

그림설명 및 그림제공 : KAIST 이흥규 교수

□연구자 소개

<이흥규 교수, 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 카이스트(KAIST) 의과학대학원
 ○ 전 화 : 042-350-4241 

2. 학력
 ○ 2009       Yale 대학교 이학박사 (면역학)
 ○ 2009 ~ 2009    Yale 대학교, 박사후 연구원

3. 경력사항 
 ○ 2016 ~ 현재      KAIST 의과학대학원, 부교수 
 ○ 2009 ~ 2016      KAIST 의과학대학원, 조교수
 ○ 2017 ~ 현재      KAIST 동물실험윤리위원회(IACUC), 위원장
 ○ 2017       KAIST 대표 R&D 연구성과 10선 수상
 ○ 2016      제26회 한국과학기술단체총연합회 우수논문상 수상

4. 전문분야 정보
 ○ 면역학 (종양 및 바이러스 항원 탐지 및 제시에 의한 선천성 및 후천성 면역조절 기전 연구)

5. 연구지원 정보
 ○ 2018 ~ 현재  과학기술정보통신부․한국연구재단 바이오·의료기술개발사업(차세대바이오사업)
 ○ 2019 ~ 현재  삼성미래기술육성재단 삼성미래기술육성사업

<박장현, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 카이스트(KAIST) 의과학대학원
 ○ 전 화 : 042-350-4281

2. 학력
 ○ 2017   포항공과대학교 생명과학과 학사 졸업
 ○ 2017 ~ 현재 카이스트(KAIST) 의과학대학원 석박사통합과정
3. 경력사항
 ○ 2017 ~ 현재 카이스트(KAIST) 의과학대학원 석박사통합과정

4. 전문분야 정보
 ○ 면역학 (종양 및 바이러스에 대한 선천성 및 후천성 면역조절 기전 연구)

한국연구재단 홍보실 제공