항종양 면역 반응과 면역 치료에 있어서 CD4+ 보조(helper) T 세포의 역할
2018-10-25
org.kosen.entty.User@2f3e7d62
홍준영(jyhong153)
항종양 면역 반응과 면역 치료에 있어서 CD4+ 보조(helper) T 세포의 역할
홍준영, junyoung.hong@yale.edu
Yale University school of Medicine
Key words
Cancer immunotherapy, CD4 T helper cell, Cytotoxic T cells, Dendritic cells
항암 면역 요법, CD4 보조 T 세포, 세포독성 T 세포, 수지상 세포
1. 개요
2018년 노벨 생리/의학상은 항암 면역 치료의 새로운 분야를 개척한 James Allison과 Tasuku Honjo 에게 돌아갔다. 그 만큼 항암 면역 치료 요법은 기존의 방사선 치료, 화학 요법와는 또 다른 암 치료 요법으로 인정되고 있고, 기존에는 불가능 했던 말기암 환자의 완전한 치료를 보여주는 등, 많은 임상 연구를 통해 새로운 암 치료의 기준으로 자리매김하고 있다. 그럼에도 불구하고, 여전히 모든 환자에게서 치료 효능이 나타나지 않는 다는 점이 가장 큰 문제라고 할 수 있다. 이를 극복하기 위해서는 보다 더 세부적인 암의 면역학적인 이해가 필요하다고 할 수 있다.
면역학적인 관점에서 현재의 T세포를 이용한 항암 면역 치료가 작용하기 위한 극복해야 할 가장 큰 장벽은, 중앙 면역 관용 (Central immune tolerance), 말초 면역 관용 (Peripheral immune tolerance), 면역 억제성 종양 미세 환경 (Immune-suppressive tumor microenvironment) 라고 할 수 있다. 이미 우리 몸의 T세포는 흉선에서 선택적 사멸의 과정을 거치면서, 기존의 우리 몸이 정상적으로 발현하고 있는 단백질 펩타이와 반응하는 T세포를 제거한다. 이러한 과정이 중앙 면역 관용이다. 따라서 암세포에 대한 면역 세포의 공격이 효과적으로 이루어지기 위해서는 암 세포의 돌연변이에 의해 기존에 없던 단백질이 만들어져 이것이 항원으로 인지되어야 한다. 이러한 종양 특이적 종양 신생 항원(neoantigen)은 면역 치료의 성패를 좌우할 만큼 중요하며, 정확한 항원을 끄집어 낼 수 있다면, 부작용이 거의 없는 항암 면역 치료도 가능해진다. 말초 면역 관용은 T세포가 수지상 세포등의 도움없이 항원을 만나거나 조절 T세포의 유도를 통해 이루어진다. 아직까지 밝혀지지 여러 이유로 말초 면역 관용은 만성적인 염증에서도 많이 관찰이 되며, 같은 이유로 종양에서도 말초 면역 관용에 의해 종양 미세 환경이 면역 억제적인 환경으로 바뀌어진다. 그리고 이와 독립적으로도 물질대사의 이상, 골수성 세포의 면역 억제등으로 종양 미세 환경은 T세포의 기능을 억제하는 환경으로 조성되어 있다. 따라서 이러한 면역 장벽에 대한 이해를 통해, 이를 극복할 수 있는 방법을 찾아내는 것이 중요한 과제라고 할 수 있다.
CD4 보조 T세포 역시 현재의 항암 면역 치료 요법이 당면한 면역 장벽을 만들고 극복하는 데 깊숙히 관여하고 있다. 세포독성 CD8 T세포와 마찬가지로 CD4 T 세포 역시 암세포의 항원을 인지하여 직접적으로 암세포의 사멸을 유도할 수 있다. 또한 림프절로 이동하여 다른 B세포와 세포독성 CD8 T세포의 기능을 항진 시킬 수 있다. 또한 이 과정에서 중요한 면역 세포인 수지상세포와의 상호 작용을 통해 세포독성 T세포의 활성화를 돕기도 한다. 기존의 면역 관문 억제제에 대한 연구는 주로 CD8 T 세포에 집중 되어 있었다. 그러나 CD4 T세포 역시 이 과정에 깊이 관여하여 중요한 역할을 하고 있다. 본 보고서에서는 CD4 T세포가 세포 독성 T세포의 기능에 어떻게 영향을 줄 수 있는 지, 그리고 이를 이용한 항암 면역 치료 요법의 치료효능을 증진시키기 위한 방법에는 어떤 것들이 있는지 논의하고자 한다.
2. CD4 T 세포의 도움이 세포독성 T세포의 기능에 미치는 영향
2.1. 수지상 세포(Dendritic cells)와 CD4 T 세포의 도움이 세포독성 T세포의 기능에 미치는 영향
2.1.1. CD40 신호 전달과 Cross-presentation
수지상 세포는 잠재적인 항원을 적극적으로 흡수하고 분해하여 T세포가 인지할 수 있도록 MHC(Major histocompatibility complex) 분자에 결합 시켜 표지할 수 있는 능력을 지닌 세포이다. 잠재적인 항원은 크게 세포 내부 유래와 외부 유래로 나눌 수 있는데, 세포 내부 유래 항원 펩타이드는 MHC-I에 세포 외부 유래 항원 펩타이드는 MHC-II에 표지 되며, CD8 T 세포는 MHC-I에 표지된 항원을, CD4 T 세포는 MHC-II에 표지된 항원을 인지할 수 있다. 수지상 세포가 흡수하는 항원은 세포 외부에 돌아다니는 병원균 조직의 일부나, 정상적인 방법으로 사멸하지 않은 세포의 항원등을 들 수 있다. 종양 항원 역시, 수지상 세포가 먼저 적극적으로 사멸한 종양 세포의 항원을 내입하고 세포 막에 표지함으로 T세포에 의한 면역 반응이 시작될 수 있다. 그러나 한 가지 잠재적인 문제는 수지상 세포가 외부 항원을 내입해 표지할 때 주로 MHC-II에 표지 되고 이는 CD4 T 세포의 반응은 유도하지만 CD8 T 세포의 반응을 유도할 수 없다는 점이다. 이 때문에, 수지상 세포는 외부 항원을 MHC-I에 표지 할 수 있는 Cross-presentation을 할 수 있다. 이 과정에서 CD4 T세포가 중요한 역할을 할 수 있음이 보여졌다. 이는 먼저 수지상 세포가 종양 등에 존재하는 항원을 내입하여 MHC-II에 표지한 후, CD4 T 세포가 항원을 인지하여 활성화될 때, 다시 수지상 세포에게 다른 신호를 재 전달하기 때문이다. 연구를 통해 이는 CD4 T 세포의 CD40L이 수지상 세포의 CD40 수용체에 결합함으로 이루어지는데, 이 신호전달에 의해 수지상 세포는 Cross-presentation을 더 잘하게 되고, 결과적으로 CD8 T 세포의 활성화가 이루어지게 된다 [1]. 이와같이 수지상 세포의 기능을 항진 시킴으로 CD4 T 세포는 CD8 T 세포의 기능을 증가시킬 있고, 이는 특이 종양 신생 항원에 의해 CD8 T 세포의 반응이 유도될 때 더욱 중요하다고 할 수 있다.
2.1.2. 사이토 카인 신호
수지상 세포는 독립적으로 CD4 T세포의 도움 없이 Naïve CD8 T를 활성화 시킬 수 있다. 연구에 따르면, 최초의 Naïve T 세포의 활성화는 독립적인 수지상세포가 각각 CD4 와 CD8 T 세포를 활성화 시킴으로 시작된다. 그러나 일단 활성화된 CD8 T 세포는 XCL1 (XC-chemokine ligand 1)을 발현하게 되는데, 이는 수지상 세포중 cDC1 (conventional type 1 DC) 의 XCR1 (XC-chemokine receptor 1)에 결합하여 물리적으로 cDC1과 CD8 T세포가 추가적으로 상호작용을 하게 된다. 이 때, 역시 독립적으로 활성화된 CD4 T 세포가 cDC1에 결합함으로써, CD4 T 세포의 신호전달이 수지상 세포를 거쳐 CD8 T 세포에게 전달되게 된다. CD4 T 세포가 수지상 세포에 결합하게 되면, 수지상 세포의 사이토카인 분비가 활성화된다. 특별히 이는 IL-12, IL-15 과 1형 인터페론의 발현을 증가시킨다. 이들 각각의 사이토카인은 그 자체로 CD8 T세포의 세포독성 세포 분화를 촉진 시키는 기능이 있기 때문에, CD4 T 세포의 도움은 수지상 세포의 사이토카인 분비를 항진 시킴으로 CD8 T 세포의 기능을 증진시킨다고 할 수 있다.
2.1.3. 보조 신호 (co-signaling)
또한 CD4 T 세포가 수지상 세포에 결합하게 되면 수지상 세포의 표면에 여러 보조 신호 전달 물질의 발현이 달라지게 된다. CD4 T세포의 CD40L이 수지상 세포의 CD40와 결합하게 되면, 사이토카인 뿐만 아니라, 보조 자극 신호 리간드인 CD80 와 CD86의 발현양이 수지상세포에서 증가하게 된다. 이는 CD8 T 세포의 CD28신호 전달을 일으켜 CD8 T세포의 활성화를 더 크게 증가시킨다. 또한 CD40-CD40L 상호작용에 의해서 수지상 세포의 CD70의 발현양이 증가하게 된다. CD70는 CD8 T 세포의 CD27에 결합하게 되는 데, 이는 naïve 상태에 있는 CD8 T 세포를 활성화시킬 수 있고 이는 CD8 T 세포의 증식과 다 effector와 memory 상태로의 분화를 유도한다. 또한 CD27 신호전달은 IL-2R 수용체의 발현양을 증가시켜 CD8 T 세포가 활성화 상태로 잘 유지될 수 있게 한다.
2.2. CD4 T 세포에 의한 보조 신호와 세포 독성 T세포의 기능
2.2.1. CD8 T세포의 Effector 세포 독성 기능에 미치는 CD4 T 세포의 영향
CD4 T 세포는 수지상 세포와 독립적으로 CD8 T세포의 기능에 관여할 수 있다. 먼저 세포 독성 CD8 T세포로의 분화에 미치는 CD4 T 세포의 영향을 알아보기 위한 연구를 통해 다양한 변화들이 존재함이 밝혀졌다. 대표적인 연구에서는 Human papilloma virus에 대한 백신 모델을 이용하여, 바이러스 항원의 특이적인 CD8 T 세포만 존재할 경우와, 항원 특이적인 CD4 T세포가 함께 존재할 때를 비교하여 CD8 T 세포의 유전자 발현 정도의 차이를 보았다. 그 결과, CD8 T세포의 물질대사, 보조신호 전달 물질의 발현, 키모카인 수용체의 발현, 세포 증식, 세포 분화에 이르는 다양한 종류의 유전자의 발현이 달라져 있는 것을 밝혔다. 특별히 이 연구들에서 이러한 경로를 조절하는 전사인자들인 T-bet, EOMES, ID3, NFAT의 발현과 활성도가 달라져있는 것 또한 확인하였다. 무엇보다 세포독성과 관련된 Granzyme의 발현과 IFN-g의 발현정도가 CD4 T세포의 도움이 없는 상황에서 줄어들어 있는 것을 통해, CD4 T 세포의 도움이 직접적으로 CD8 T세포의 세포 독성 기능과 연결될 수 있음이 보여졌다. 그리고 또한 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 면역 관문 물질인 PD1, LAG3, BTLA의 발현이 증가되어 있는데, 이는 항종양 면역 반응과 직접적으로 연결될 수 있다 [2].
2.2.2. Memory CD8 T세포의 기능에 미치는 CD4 T 세포의 영향
먼저 CD4 T 세포의 도움은 CD8 Memory T세포의 Il2 와 Ifng 유전자 부분의 유전체를 열려 있는 상태로 만들어 항원에 재노출 되었을 때 빠르게 반응할 수 있게 한다. 또한 CD8 Memory T세포로 분화되기 전 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 경우에는, 항원에 재 노출 되었을 때 제대로된 반응이 나타날 수 없는 것이 보여졌다. 이는, anti-apoptotic 인자인 Bcl2등의 발현양이 적게 발현되어, 활성화 과정에서 쉽게 세포 사멸에 이르기 때문임이 보여졌다 [2,3].
3. CD4 보조 T 세포가 항암 면역 치료에 미치는 영향
3.1. CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포의 항종양 세포독성반응에 미치는 영향
앞에서 살펴본 것과 같이 CD4 T 세포의 도움은 수지상세포의 기능을 증진시키고, 이는 CD8 T 세포의 기능을 항진시키는 것이 보여졌다. 이와 같은 효과는 역시 CD8 T세포의 항 종양 면역 반응에도 역시 작용한다. CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 훨씬 약한 Effector 기능과 세포독성 기능을 보여주어 암세포를 잘 죽일 수 없게 된다. 이와 같은 일은 수지상 세포의 CD70와 CD80, CD86을 통해 CD8 T 세포의 CD28, CD27 신호 전달을 거쳐 일어나게 된다. 또한 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 후성유전학적인 여러 변화들이 정상적으로 일어나지 않아서, Memory T 세포로서의 정상적인 기능을 유지하기 어렵다. 이는 특별히 중요한데 최근 연구에 따르면, 항종양 면역 반응과 면역 관문 억제제에 반응할 수 있는 세포독성 CD8 T 세포는 Memory CD8 T세포가 갖고 있는 기능과 유사했기 때문이다 [2].
3.2. CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포를 이용한 항암 면역 치료에 미치는 영향
CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포의 기능에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 항 종양 면역 치료에 사용할 수 있다 [2].
3.2.1. 종양 백신
CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 PD1등의 발현이 증가되어 종양 미세 환경에서 정상적인 세포독성 기능을 수행할 수 없다. 따라서 임상적으로 관찰되는 PD1 발현이 높은 CD8 T 세포는 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 세포일 가능성이 많다. 이와 같은 원리를 임상적으로 역으로 이용할 수 있다. 대표적인 방법은 종양 백신이라고 할 수 있다. 최근의 발전된 기술을 통해서 암환자의 암 특이적인 신생항원을 찾아내는 일이 가능해졌고, 또한 생물 정보학적인 방법을 통해, 단백질의 어떤 부분이 MHC 분자에 결합하는 지 예측하는 일이 가능해졌다 [4]. 기존의 종양 백신은 MHC-I에 특이적인 신생항원을 이용하였는데, 이러한 경우에도 CD4 T 세포의 반응이 일어나는 현상이 관찰되었다. 추가적인 임상 시험을 통해서 MHC-I 과 MHC-II에 결합하는 독립적인 종양 신생 항원을 이용한다면, 추가 적인 항 종양 면역 반응을 예측할 수 있다. 물론 종양 자체가 MHC-II를 많이 발현하지 않지만, 종양 미세환경의 골수성 세포들의 MHCII에 결합한 신생항원을 인지할 수 있고, 이는 CD4 T 세포의 사이토 카인 분비등을 통해 종양 미세환경에 이미 내입하여 있는 CD8 T 세포를 재활성화 시킬 수 있을 것이다. 무엇보다, 수지상세포와 CD4 T세포의 상호작용을 통해 종양 근처의 림프구에서 보다 강력한 CD8 T 세포가 만들어 질 수 있다.
3.2.2. 항체 기반 T 세포 기능 조절
또한 CD4 T 세포의 도움을 모방하는 방법론을 생각해볼 수 있다. 대표적인 표적으로 CD27을 생각해볼 수 있다. CD4 T 세포의 도움은 수지상 세포의 CD70을 통해 CD8 T 세포의 CD27에 작용하여 그 기능을 증가시킨다. 항체를 통하여 CD27을 활성화 시키는 방법론을 생각해볼 수 있다. 이미 마우스를 이용한 연구에서는 CD27의 활성화가 면역관문 억제제인 PD1 억제제에 추가적으로 CD8 T 세포를 활성화시켜 항종양 면역 반응을 일으킬 수 있음을 보여주었다. 또한 CD27에 의해 활성화된 CD8 T 세포는 PD1을 발현하고 있는 중에도 증식 지표인 Ki67의 증가를 보여주었다.
3.2.3. CAR 입영 전달 치료에의 이용
현재 키메라 수용체를 이용한 CAR T 세포 치료는 B 세포 림프종등에서 뛰어난 치료효능을 보여주었다. CD4 T 세포의 도움을 CD8 T세포에서 역시 동일하게 모방을 할 수 있는데, 예를 들면 키메라 수용체에 CD27 신호전달 활성화 모티프를 추가하는 것이다. 현재 이와 같은 방법으로 만들어진 CAR T 세포는 더욱 뛰어난 항 종양 면역 반응을 보여주었다. 또한 CAR T 세포 치료와 별개로 CD4 CAR를 개발하여 사용하는 방법도 생각해 볼 수 있다.
4. 결론
항암 면역 치료 요법이 임상적으로 매우 뛰어난 효과를 보여준 이후, 면역 관문 억제제가 각국의 식약청의 허가를 받았고 이제는 많은 암 환자군에서 치료제로 사용되고 있다. 그 결과, 면역 관문 억제제가 직접적으로 작용하는 CD8 T 세포에 대한 관심이 매우 높아져있다. 그러나 여전히 항암 면역 치료 요법은 암 환자군중 일부에게만 성공적이며, 극복해야 할 부작용 역시 만만치 않다. 이를 극복하기 위해서는 전체적인 종양 면역학에 대한 이해가 넓어져야 할 것이며, 또한 CD8 T세포의 기능에 대한 연구가 더욱 필요하다고 할 수 있다.
CD8 T세포에 대한 연구가 진행되면서, 밝혀지게 된 것은 CD8 T 세포의 상태와 기능이 다양하게 조절 될 수 있다는 점이다. 면역 관문 억제제 물질인 PD1과 CTLA4가 이를 매우 명확하게 보여주었고, 그외에 CD8 T 세포에 표지되는 다양한 보조 신호 전달 물질들인 CD27, ICOS, GITR, OX40, 4-1BB등 역시 CD8 T 세포의 기능과 활성화에 매우 중요하다. 또한 CD8 T세포가 활성화되는 환경의 물질대사의 상태와 다양한 종류의 사이토 카인과 키모카인의 존재 역시 CD8 T세포의 상태를 다양하게 조절 할 수 있다. 이러한 CD8 T 세포의 기능의 조절은 CD8 T 세포 자체에 내재해있기 보다는 다른 세포와의 상호 작용을 통해서 조절된다. 수지상 세포의 경우, 직접적으로 CD8 T세포와 상호작용하며, 보조 신호 물질들과 사이토 카인 발현등을 통해 CD8 T 세포의 기능을 조절한다. 본 보고서에서 더욱 명확하게 제시하고 있있는 것은, CD4 T 세포의 영향이다. CD4 T 세포는 수지상 세포와 상호작용을 하고, 이를 통해 달라지게 된 수지상 세포의 상태는 곧 CD8 T세포의 기능과 연결된다는 점이다. 또한 그와 독립적으로 CD4 T 세포와 CD8 T 세포가 공간적으로 밀접한 환경에서 항원을 공격할 때 서로에게 대한 동반 상승 효과를 가져올 수 있다.
그러나 현재까지의 면역 치료 요법에서는 CD4 T 세포의 기능을 통한 CD8 T 세포의 활성화를 유도하려는 시도는 많이 없었다. 이는 현재의 면역 치료 요법이 가장 기본적인 수준에서 막 시작 된 수준이기 때문이다. 현재 관찰되고 있는 종양 미세 환경에서의 PD1 을 과다 발현하는 CD8 T세포의 존재 역시 어쩌면 CD4 T 세포의 도움을 제대로 받지 못한 CD8 T세포일 가능성이 있고, CD27 을 통한 CD4 T 세포의 도움을 모방하는 방법을 사용 할 때, 기존의 방법으로 제한적이었던 CD8 T 세포에 의한 항 종양 면역 반응이 항진 될 수 있을 것이다. 추가적인 기초/임상 연구를 통하여 이 부분에 대한 이해가 필요하다고 할 수 있다.
References
1. Bevan, M. J. Helping the CD8+ T cell response. Nat Rev Immunol 4: 595-602. 2004.
2. Borst, J. et al., CD4 T cell help in cancer immunology and immunotherapy. Nat Rev Immunol . 18: 635-647. 2018.
3. Laidlaw, B. J. et al., The multifaceted role of CD4(+) T cells in CD8(+) T cell memory. Nat Rev Immunol 16: 102-111. 2016.
4. Ledford, H. Personalized cancer vaccines show glimmers of success. Nature. doi:10.1038/nature.2017.22249. 2017.
홍준영, junyoung.hong@yale.edu
Yale University school of Medicine
Key words
Cancer immunotherapy, CD4 T helper cell, Cytotoxic T cells, Dendritic cells
항암 면역 요법, CD4 보조 T 세포, 세포독성 T 세포, 수지상 세포
1. 개요
2018년 노벨 생리/의학상은 항암 면역 치료의 새로운 분야를 개척한 James Allison과 Tasuku Honjo 에게 돌아갔다. 그 만큼 항암 면역 치료 요법은 기존의 방사선 치료, 화학 요법와는 또 다른 암 치료 요법으로 인정되고 있고, 기존에는 불가능 했던 말기암 환자의 완전한 치료를 보여주는 등, 많은 임상 연구를 통해 새로운 암 치료의 기준으로 자리매김하고 있다. 그럼에도 불구하고, 여전히 모든 환자에게서 치료 효능이 나타나지 않는 다는 점이 가장 큰 문제라고 할 수 있다. 이를 극복하기 위해서는 보다 더 세부적인 암의 면역학적인 이해가 필요하다고 할 수 있다.
면역학적인 관점에서 현재의 T세포를 이용한 항암 면역 치료가 작용하기 위한 극복해야 할 가장 큰 장벽은, 중앙 면역 관용 (Central immune tolerance), 말초 면역 관용 (Peripheral immune tolerance), 면역 억제성 종양 미세 환경 (Immune-suppressive tumor microenvironment) 라고 할 수 있다. 이미 우리 몸의 T세포는 흉선에서 선택적 사멸의 과정을 거치면서, 기존의 우리 몸이 정상적으로 발현하고 있는 단백질 펩타이와 반응하는 T세포를 제거한다. 이러한 과정이 중앙 면역 관용이다. 따라서 암세포에 대한 면역 세포의 공격이 효과적으로 이루어지기 위해서는 암 세포의 돌연변이에 의해 기존에 없던 단백질이 만들어져 이것이 항원으로 인지되어야 한다. 이러한 종양 특이적 종양 신생 항원(neoantigen)은 면역 치료의 성패를 좌우할 만큼 중요하며, 정확한 항원을 끄집어 낼 수 있다면, 부작용이 거의 없는 항암 면역 치료도 가능해진다. 말초 면역 관용은 T세포가 수지상 세포등의 도움없이 항원을 만나거나 조절 T세포의 유도를 통해 이루어진다. 아직까지 밝혀지지 여러 이유로 말초 면역 관용은 만성적인 염증에서도 많이 관찰이 되며, 같은 이유로 종양에서도 말초 면역 관용에 의해 종양 미세 환경이 면역 억제적인 환경으로 바뀌어진다. 그리고 이와 독립적으로도 물질대사의 이상, 골수성 세포의 면역 억제등으로 종양 미세 환경은 T세포의 기능을 억제하는 환경으로 조성되어 있다. 따라서 이러한 면역 장벽에 대한 이해를 통해, 이를 극복할 수 있는 방법을 찾아내는 것이 중요한 과제라고 할 수 있다.
CD4 보조 T세포 역시 현재의 항암 면역 치료 요법이 당면한 면역 장벽을 만들고 극복하는 데 깊숙히 관여하고 있다. 세포독성 CD8 T세포와 마찬가지로 CD4 T 세포 역시 암세포의 항원을 인지하여 직접적으로 암세포의 사멸을 유도할 수 있다. 또한 림프절로 이동하여 다른 B세포와 세포독성 CD8 T세포의 기능을 항진 시킬 수 있다. 또한 이 과정에서 중요한 면역 세포인 수지상세포와의 상호 작용을 통해 세포독성 T세포의 활성화를 돕기도 한다. 기존의 면역 관문 억제제에 대한 연구는 주로 CD8 T 세포에 집중 되어 있었다. 그러나 CD4 T세포 역시 이 과정에 깊이 관여하여 중요한 역할을 하고 있다. 본 보고서에서는 CD4 T세포가 세포 독성 T세포의 기능에 어떻게 영향을 줄 수 있는 지, 그리고 이를 이용한 항암 면역 치료 요법의 치료효능을 증진시키기 위한 방법에는 어떤 것들이 있는지 논의하고자 한다.
2. CD4 T 세포의 도움이 세포독성 T세포의 기능에 미치는 영향
2.1. 수지상 세포(Dendritic cells)와 CD4 T 세포의 도움이 세포독성 T세포의 기능에 미치는 영향
2.1.1. CD40 신호 전달과 Cross-presentation
수지상 세포는 잠재적인 항원을 적극적으로 흡수하고 분해하여 T세포가 인지할 수 있도록 MHC(Major histocompatibility complex) 분자에 결합 시켜 표지할 수 있는 능력을 지닌 세포이다. 잠재적인 항원은 크게 세포 내부 유래와 외부 유래로 나눌 수 있는데, 세포 내부 유래 항원 펩타이드는 MHC-I에 세포 외부 유래 항원 펩타이드는 MHC-II에 표지 되며, CD8 T 세포는 MHC-I에 표지된 항원을, CD4 T 세포는 MHC-II에 표지된 항원을 인지할 수 있다. 수지상 세포가 흡수하는 항원은 세포 외부에 돌아다니는 병원균 조직의 일부나, 정상적인 방법으로 사멸하지 않은 세포의 항원등을 들 수 있다. 종양 항원 역시, 수지상 세포가 먼저 적극적으로 사멸한 종양 세포의 항원을 내입하고 세포 막에 표지함으로 T세포에 의한 면역 반응이 시작될 수 있다. 그러나 한 가지 잠재적인 문제는 수지상 세포가 외부 항원을 내입해 표지할 때 주로 MHC-II에 표지 되고 이는 CD4 T 세포의 반응은 유도하지만 CD8 T 세포의 반응을 유도할 수 없다는 점이다. 이 때문에, 수지상 세포는 외부 항원을 MHC-I에 표지 할 수 있는 Cross-presentation을 할 수 있다. 이 과정에서 CD4 T세포가 중요한 역할을 할 수 있음이 보여졌다. 이는 먼저 수지상 세포가 종양 등에 존재하는 항원을 내입하여 MHC-II에 표지한 후, CD4 T 세포가 항원을 인지하여 활성화될 때, 다시 수지상 세포에게 다른 신호를 재 전달하기 때문이다. 연구를 통해 이는 CD4 T 세포의 CD40L이 수지상 세포의 CD40 수용체에 결합함으로 이루어지는데, 이 신호전달에 의해 수지상 세포는 Cross-presentation을 더 잘하게 되고, 결과적으로 CD8 T 세포의 활성화가 이루어지게 된다 [1]. 이와같이 수지상 세포의 기능을 항진 시킴으로 CD4 T 세포는 CD8 T 세포의 기능을 증가시킬 있고, 이는 특이 종양 신생 항원에 의해 CD8 T 세포의 반응이 유도될 때 더욱 중요하다고 할 수 있다.
2.1.2. 사이토 카인 신호
수지상 세포는 독립적으로 CD4 T세포의 도움 없이 Naïve CD8 T를 활성화 시킬 수 있다. 연구에 따르면, 최초의 Naïve T 세포의 활성화는 독립적인 수지상세포가 각각 CD4 와 CD8 T 세포를 활성화 시킴으로 시작된다. 그러나 일단 활성화된 CD8 T 세포는 XCL1 (XC-chemokine ligand 1)을 발현하게 되는데, 이는 수지상 세포중 cDC1 (conventional type 1 DC) 의 XCR1 (XC-chemokine receptor 1)에 결합하여 물리적으로 cDC1과 CD8 T세포가 추가적으로 상호작용을 하게 된다. 이 때, 역시 독립적으로 활성화된 CD4 T 세포가 cDC1에 결합함으로써, CD4 T 세포의 신호전달이 수지상 세포를 거쳐 CD8 T 세포에게 전달되게 된다. CD4 T 세포가 수지상 세포에 결합하게 되면, 수지상 세포의 사이토카인 분비가 활성화된다. 특별히 이는 IL-12, IL-15 과 1형 인터페론의 발현을 증가시킨다. 이들 각각의 사이토카인은 그 자체로 CD8 T세포의 세포독성 세포 분화를 촉진 시키는 기능이 있기 때문에, CD4 T 세포의 도움은 수지상 세포의 사이토카인 분비를 항진 시킴으로 CD8 T 세포의 기능을 증진시킨다고 할 수 있다.
2.1.3. 보조 신호 (co-signaling)
또한 CD4 T 세포가 수지상 세포에 결합하게 되면 수지상 세포의 표면에 여러 보조 신호 전달 물질의 발현이 달라지게 된다. CD4 T세포의 CD40L이 수지상 세포의 CD40와 결합하게 되면, 사이토카인 뿐만 아니라, 보조 자극 신호 리간드인 CD80 와 CD86의 발현양이 수지상세포에서 증가하게 된다. 이는 CD8 T 세포의 CD28신호 전달을 일으켜 CD8 T세포의 활성화를 더 크게 증가시킨다. 또한 CD40-CD40L 상호작용에 의해서 수지상 세포의 CD70의 발현양이 증가하게 된다. CD70는 CD8 T 세포의 CD27에 결합하게 되는 데, 이는 naïve 상태에 있는 CD8 T 세포를 활성화시킬 수 있고 이는 CD8 T 세포의 증식과 다 effector와 memory 상태로의 분화를 유도한다. 또한 CD27 신호전달은 IL-2R 수용체의 발현양을 증가시켜 CD8 T 세포가 활성화 상태로 잘 유지될 수 있게 한다.
2.2. CD4 T 세포에 의한 보조 신호와 세포 독성 T세포의 기능
2.2.1. CD8 T세포의 Effector 세포 독성 기능에 미치는 CD4 T 세포의 영향
CD4 T 세포는 수지상 세포와 독립적으로 CD8 T세포의 기능에 관여할 수 있다. 먼저 세포 독성 CD8 T세포로의 분화에 미치는 CD4 T 세포의 영향을 알아보기 위한 연구를 통해 다양한 변화들이 존재함이 밝혀졌다. 대표적인 연구에서는 Human papilloma virus에 대한 백신 모델을 이용하여, 바이러스 항원의 특이적인 CD8 T 세포만 존재할 경우와, 항원 특이적인 CD4 T세포가 함께 존재할 때를 비교하여 CD8 T 세포의 유전자 발현 정도의 차이를 보았다. 그 결과, CD8 T세포의 물질대사, 보조신호 전달 물질의 발현, 키모카인 수용체의 발현, 세포 증식, 세포 분화에 이르는 다양한 종류의 유전자의 발현이 달라져 있는 것을 밝혔다. 특별히 이 연구들에서 이러한 경로를 조절하는 전사인자들인 T-bet, EOMES, ID3, NFAT의 발현과 활성도가 달라져있는 것 또한 확인하였다. 무엇보다 세포독성과 관련된 Granzyme의 발현과 IFN-g의 발현정도가 CD4 T세포의 도움이 없는 상황에서 줄어들어 있는 것을 통해, CD4 T 세포의 도움이 직접적으로 CD8 T세포의 세포 독성 기능과 연결될 수 있음이 보여졌다. 그리고 또한 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 면역 관문 물질인 PD1, LAG3, BTLA의 발현이 증가되어 있는데, 이는 항종양 면역 반응과 직접적으로 연결될 수 있다 [2].
2.2.2. Memory CD8 T세포의 기능에 미치는 CD4 T 세포의 영향
먼저 CD4 T 세포의 도움은 CD8 Memory T세포의 Il2 와 Ifng 유전자 부분의 유전체를 열려 있는 상태로 만들어 항원에 재노출 되었을 때 빠르게 반응할 수 있게 한다. 또한 CD8 Memory T세포로 분화되기 전 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 경우에는, 항원에 재 노출 되었을 때 제대로된 반응이 나타날 수 없는 것이 보여졌다. 이는, anti-apoptotic 인자인 Bcl2등의 발현양이 적게 발현되어, 활성화 과정에서 쉽게 세포 사멸에 이르기 때문임이 보여졌다 [2,3].
3. CD4 보조 T 세포가 항암 면역 치료에 미치는 영향
3.1. CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포의 항종양 세포독성반응에 미치는 영향
앞에서 살펴본 것과 같이 CD4 T 세포의 도움은 수지상세포의 기능을 증진시키고, 이는 CD8 T 세포의 기능을 항진시키는 것이 보여졌다. 이와 같은 효과는 역시 CD8 T세포의 항 종양 면역 반응에도 역시 작용한다. CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 훨씬 약한 Effector 기능과 세포독성 기능을 보여주어 암세포를 잘 죽일 수 없게 된다. 이와 같은 일은 수지상 세포의 CD70와 CD80, CD86을 통해 CD8 T 세포의 CD28, CD27 신호 전달을 거쳐 일어나게 된다. 또한 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 후성유전학적인 여러 변화들이 정상적으로 일어나지 않아서, Memory T 세포로서의 정상적인 기능을 유지하기 어렵다. 이는 특별히 중요한데 최근 연구에 따르면, 항종양 면역 반응과 면역 관문 억제제에 반응할 수 있는 세포독성 CD8 T 세포는 Memory CD8 T세포가 갖고 있는 기능과 유사했기 때문이다 [2].
3.2. CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포를 이용한 항암 면역 치료에 미치는 영향
CD4 T 세포의 도움이 CD8 T 세포의 기능에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 항 종양 면역 치료에 사용할 수 있다 [2].
3.2.1. 종양 백신
CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 CD8 T 세포는 PD1등의 발현이 증가되어 종양 미세 환경에서 정상적인 세포독성 기능을 수행할 수 없다. 따라서 임상적으로 관찰되는 PD1 발현이 높은 CD8 T 세포는 CD4 T 세포의 도움을 받지 않은 세포일 가능성이 많다. 이와 같은 원리를 임상적으로 역으로 이용할 수 있다. 대표적인 방법은 종양 백신이라고 할 수 있다. 최근의 발전된 기술을 통해서 암환자의 암 특이적인 신생항원을 찾아내는 일이 가능해졌고, 또한 생물 정보학적인 방법을 통해, 단백질의 어떤 부분이 MHC 분자에 결합하는 지 예측하는 일이 가능해졌다 [4]. 기존의 종양 백신은 MHC-I에 특이적인 신생항원을 이용하였는데, 이러한 경우에도 CD4 T 세포의 반응이 일어나는 현상이 관찰되었다. 추가적인 임상 시험을 통해서 MHC-I 과 MHC-II에 결합하는 독립적인 종양 신생 항원을 이용한다면, 추가 적인 항 종양 면역 반응을 예측할 수 있다. 물론 종양 자체가 MHC-II를 많이 발현하지 않지만, 종양 미세환경의 골수성 세포들의 MHCII에 결합한 신생항원을 인지할 수 있고, 이는 CD4 T 세포의 사이토 카인 분비등을 통해 종양 미세환경에 이미 내입하여 있는 CD8 T 세포를 재활성화 시킬 수 있을 것이다. 무엇보다, 수지상세포와 CD4 T세포의 상호작용을 통해 종양 근처의 림프구에서 보다 강력한 CD8 T 세포가 만들어 질 수 있다.
3.2.2. 항체 기반 T 세포 기능 조절
또한 CD4 T 세포의 도움을 모방하는 방법론을 생각해볼 수 있다. 대표적인 표적으로 CD27을 생각해볼 수 있다. CD4 T 세포의 도움은 수지상 세포의 CD70을 통해 CD8 T 세포의 CD27에 작용하여 그 기능을 증가시킨다. 항체를 통하여 CD27을 활성화 시키는 방법론을 생각해볼 수 있다. 이미 마우스를 이용한 연구에서는 CD27의 활성화가 면역관문 억제제인 PD1 억제제에 추가적으로 CD8 T 세포를 활성화시켜 항종양 면역 반응을 일으킬 수 있음을 보여주었다. 또한 CD27에 의해 활성화된 CD8 T 세포는 PD1을 발현하고 있는 중에도 증식 지표인 Ki67의 증가를 보여주었다.
3.2.3. CAR 입영 전달 치료에의 이용
현재 키메라 수용체를 이용한 CAR T 세포 치료는 B 세포 림프종등에서 뛰어난 치료효능을 보여주었다. CD4 T 세포의 도움을 CD8 T세포에서 역시 동일하게 모방을 할 수 있는데, 예를 들면 키메라 수용체에 CD27 신호전달 활성화 모티프를 추가하는 것이다. 현재 이와 같은 방법으로 만들어진 CAR T 세포는 더욱 뛰어난 항 종양 면역 반응을 보여주었다. 또한 CAR T 세포 치료와 별개로 CD4 CAR를 개발하여 사용하는 방법도 생각해 볼 수 있다.
4. 결론
항암 면역 치료 요법이 임상적으로 매우 뛰어난 효과를 보여준 이후, 면역 관문 억제제가 각국의 식약청의 허가를 받았고 이제는 많은 암 환자군에서 치료제로 사용되고 있다. 그 결과, 면역 관문 억제제가 직접적으로 작용하는 CD8 T 세포에 대한 관심이 매우 높아져있다. 그러나 여전히 항암 면역 치료 요법은 암 환자군중 일부에게만 성공적이며, 극복해야 할 부작용 역시 만만치 않다. 이를 극복하기 위해서는 전체적인 종양 면역학에 대한 이해가 넓어져야 할 것이며, 또한 CD8 T세포의 기능에 대한 연구가 더욱 필요하다고 할 수 있다.
CD8 T세포에 대한 연구가 진행되면서, 밝혀지게 된 것은 CD8 T 세포의 상태와 기능이 다양하게 조절 될 수 있다는 점이다. 면역 관문 억제제 물질인 PD1과 CTLA4가 이를 매우 명확하게 보여주었고, 그외에 CD8 T 세포에 표지되는 다양한 보조 신호 전달 물질들인 CD27, ICOS, GITR, OX40, 4-1BB등 역시 CD8 T 세포의 기능과 활성화에 매우 중요하다. 또한 CD8 T세포가 활성화되는 환경의 물질대사의 상태와 다양한 종류의 사이토 카인과 키모카인의 존재 역시 CD8 T세포의 상태를 다양하게 조절 할 수 있다. 이러한 CD8 T 세포의 기능의 조절은 CD8 T 세포 자체에 내재해있기 보다는 다른 세포와의 상호 작용을 통해서 조절된다. 수지상 세포의 경우, 직접적으로 CD8 T세포와 상호작용하며, 보조 신호 물질들과 사이토 카인 발현등을 통해 CD8 T 세포의 기능을 조절한다. 본 보고서에서 더욱 명확하게 제시하고 있있는 것은, CD4 T 세포의 영향이다. CD4 T 세포는 수지상 세포와 상호작용을 하고, 이를 통해 달라지게 된 수지상 세포의 상태는 곧 CD8 T세포의 기능과 연결된다는 점이다. 또한 그와 독립적으로 CD4 T 세포와 CD8 T 세포가 공간적으로 밀접한 환경에서 항원을 공격할 때 서로에게 대한 동반 상승 효과를 가져올 수 있다.
그러나 현재까지의 면역 치료 요법에서는 CD4 T 세포의 기능을 통한 CD8 T 세포의 활성화를 유도하려는 시도는 많이 없었다. 이는 현재의 면역 치료 요법이 가장 기본적인 수준에서 막 시작 된 수준이기 때문이다. 현재 관찰되고 있는 종양 미세 환경에서의 PD1 을 과다 발현하는 CD8 T세포의 존재 역시 어쩌면 CD4 T 세포의 도움을 제대로 받지 못한 CD8 T세포일 가능성이 있고, CD27 을 통한 CD4 T 세포의 도움을 모방하는 방법을 사용 할 때, 기존의 방법으로 제한적이었던 CD8 T 세포에 의한 항 종양 면역 반응이 항진 될 수 있을 것이다. 추가적인 기초/임상 연구를 통하여 이 부분에 대한 이해가 필요하다고 할 수 있다.
References
1. Bevan, M. J. Helping the CD8+ T cell response. Nat Rev Immunol 4: 595-602. 2004.
2. Borst, J. et al., CD4 T cell help in cancer immunology and immunotherapy. Nat Rev Immunol . 18: 635-647. 2018.
3. Laidlaw, B. J. et al., The multifaceted role of CD4(+) T cells in CD8(+) T cell memory. Nat Rev Immunol 16: 102-111. 2016.
4. Ledford, H. Personalized cancer vaccines show glimmers of success. Nature. doi:10.1038/nature.2017.22249. 2017.