Targeting Macrophages in the Microenvironment of Inflammation and Cancer

Abstract

Macrophages are highly abundant in cancer- and inflammatory-associated microenvironments, and their presence at the site of disease modulates these microenvironments towards disease-favorable conditions. Tissue-resident macrophages adapt to their surroundings, allowing them to perform functions specific to their local microenvironment. For this reason, macrophages should be analyzed and targeted in the context of the disease-specific microenvironment. In this study, I aimed to examine the microenvironmental changes in choroidal neovascularization (CNV), an inflammatory eye disease, and in ovarian cancer. I sought to investigate the characteristics of the infiltrating macrophages, based on which I suggest strategies for the development of therapeutic interventions. Herein, I have revealed that inflammation beyond homeostasis-maintaining parainflammation in the retinal pigment epithelium (RPE) results in the suppression of mitochondrial metabolism and perturbations of glucose, lipid, and amino acid metabolic pathways. Indeed, for the first time, I was able to demonstrate increased lactic acid levels in the RPE-choroid complex in an experimentally-induced CNV mouse model. Lactic acid, a glycolytic end-product, facilitated neovascularization by enhancing the pro-angiogenic properties of the infiltrating macrophage population. Blocking lactic acid signaling in macrophages significantly reduced CNV, suggesting that it is a promising strategy for future CNV treatment (Chapter 1). Next, using a zebrafish tumor metastasis model, I also found that substantial numbers of macrophages were recruited to areas surrounding the ovarian cancer cells implanted. Monocytes recruitment, macrophage activation, and interaction with cancer cells during early dissemination were significantly enhanced through the factor inhibiting HIF (FIH)-G9a signaling axis in ovarian cancer cells. Indeed, secretome analysis of cancer-derived supernatants revealed an overall upregulation of cytokines, such as transforming growth factor β1 (TGFβ1) and vascular endothelial growth factor A (VEGFA), fostering a pro-tumorigenic and pro-metastatic tumor microenvironment. Based on a reliable model, I have also developed a potential therapeutic strategy that can block cancer intravasation and metastasis (Chapter 2). Together, my results provide valuable insight into the disease mechanisms in inflammatory disease and cancer research, paving the way for future mechanistic studies.

염증 및 종양 미세환경에 매우 높은 비율로 존재하는 큰포식세포는 병인 부위에 침윤하여 미세환경을 질병 진행에 우호적인 환경으로 조절한다. 큰포식세포는 모여들게 한 인자나 침윤한 부위의 미세환경에 반응하여 기능적으로 높은 다양성을 나타내기 때문에 질병 특이적 미세환경 맥락에서 큰포식세포를 분석하고 질병 치료를 위한 조절 전략을 세우는 것이 중요하다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 눈의 염증질환인 맥락막 혈관신생증과 난소암에서 나타나는 미세환경 변화를 확인하고 그 질병 상황에 침윤한 큰포식세포의 특성을 미세환경 변화 측면에서 조사함으로써 효과적인 치료학적 접근법을 제시하고자 하였다. 첫 번째로, 망막상피세포에 과도한 염증이 가해지면 미토콘드리아 대사가 억제되고 그로 인해 당, 지질, 그리고 아미노산 대사에도 교란이 생기는 것을 관찰하였다. 이 결과와 일치하여 실제로 실험적으로 유도한 맥락막 혈관신생증 마우스의 망막상피세포 및 맥락막 층에서 정상 마우스보다 해당작용의 대사산물인 젖산이 높은 농도로 증가되어 있는 것이 확인되었다. 젖산은 맥락막 혈관신생부위에 침윤한 큰포식세포에 영향을 미쳐 큰포식세포의 혈관신생능력을 증가시키는데, 이러한 젖산의 영향을 받는 큰포식세포를 최초로 타겟팅함으로써 혈관신생이 감소됨을 실험적으로 증명하였다. 즉, 미세환경 내에 존재하는 대사체와 큰포식세포와의 연결고리를 표적으로 하는 전략이 치료학적으로 유효함을 제시하였다 (Chapter 1). 두 번째로, 저산소에 의한 종양 전이 증가 양상 및 미세환경과의 상호작용을 확인하기 위해 FIH-G9a axis의 발현을 인위적으로 조작한 난소암세포주를 이용하여 저산소에 의해 전이가 증가되는 때의 미세환경의 변화 및 종양미세환경 내 침윤한 큰포식세포와의 상호작용을 처음으로 관찰하였다. 제브라피쉬 종양 전이 모델을 이용하여 확인한 결과, FIH-G9a axis에 의해 단핵구의 침윤, 큰포식세포의 활성화가 증가하는 것이 관찰되었고 특히 초기 종양 전이 과정에서 큰포식세포가 종양세포 근처에서 긴밀히 상호작용하는 것을 관찰하였다. 기전 분석을 위해 난소암 세포의 FIH-G9a axis 활성화에 따른 분비체 분석을 실시하여 종양의 성장과 전이를 돕는 역할을 하는 TGFβ1, VEGFA, 그리고 PDGFC와 같은 사이토카인이 유의적으로 증가되어 분비되는 것을 확인하였다. 본 연구는 제브라피쉬 종양 전이 모델을 이용하여 종양 전이 초기 과정에서 종양세포와 큰포식세포와의 사이에서 나타나는 상호작용이 초기 종양 전파에 중요함을 밝혔고, 미세환경에 의해 활성화되는 큰포식세포를 억제함으로써 종양의 혈관 내 유입을 감소시킬 수 있을 것으로 제시하였다 (Chapter 2). 결론적으로 본 논문은 눈의 염증에서 큰포식세포가 관여하는 대사체 조절을 처음으로 진행하였고, 종양 전이과정에서 저산소를 감지하는 FIH-G9a axis 활성화에 따른 큰포식세포의 종양전이 기전을 규명하여 새로운 치료학적 전략을 제시한 것에 의의가 있다. 본 연구의 결과는 향후 염증 질환 및 종양 미세환경에서 큰포식세포의 관련 기전 이해 및 치료학적 접근에 중요한 근거 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.