The role of airway innate lymphoid cells in respiratory diseases

Abstract

Recent studies have emphasized the role of innate lymphoid cells (ILCs) in the development of respiratory diseases including asthma, pulmonary infection, and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The involvement of group 2 ILCs (ILC2s) in asthma is well studied, however, the participation of other types of ILCs in the development of asthma and COPD remains unclear. In Chapter I, I aimed to understand the role of various ILCs in the patients with asthma, especially their effect on the polarization of macrophages. In patients with asthma, it is reported that ILC2s are increased in peripheral blood, bronchoalveolar lavage fluid (BALF), and induced sputum of the patients compared to healthy controls. However, how each subset of ILCs is related to asthma pathogenesis is largely unknown in asthma patients. To understand the association of ILCs in patients with asthma, each subset of ILCs in induced sputum from 51 steroid-naïve asthma patients and 18 healthy donors are analyzed by flow cytometry. I also analyzed activated macrophages, which are target immune cells interacting with ILCs, in the induced sputum. In addition to ILC2s, ILC1s and ILC3s were increased in the induced sputum from asthmatics when compared with the healthy controls. The dominance of macrophages in induced sputum was more prominent in asthmatics than healthy controls. According to the inflammatory signature, patients with eosinophilic asthma had more ILC2s and M2 macrophages while those with non-eosinophilic asthma presented a M1 macrophages dominant profile. A positive correlation between ILC2s and M2 macrophages and that of ILC1s/ILC3s and M1 macrophages were observed. Co-culture of ILC2s with alveolar macrophages (AMs) induced the expression of M2 macrophage-related genes, whereas co-culture of ILC1s and ILC3s with AMs induced the expression of M1 macrophage-related genes via cytokine secretion as well as cell-cell contact. Taken together, a different subset of ILCs regulates the polarization of macrophages, contributing to developing the distinct phenotype of asthma. In Chapter II, I aimed to investigate the role of ILC3s in the pathogenesis of emphysema, which is one of main types of COPD, especially their relationship with serum amyloid A (SAA). SAA is one of acute phase proteins, upregulated in response to inflammation. SAA acts as an endogenous ligand for immune cells, which induces the expression of several cytokines such as IL-1β, IL-6, TNFa, IL-33, and IL-10. It has been reported that the level of SAA is increased in plasma and lung tissue in COPD. I observed that the level of SAA and ILC3s were increased in a mouse model of emphysema. When recombinant SAA was injected into the lung, neutrophilic inflammation and phenotype of emphysema occurred. Moreover, the prevalence of IL-17A production by ILC3s was increased, and IL-1β secretion from neutrophils is responsible for this increase. Depletion of neutrophils in SAA-injected mice ameliorated IL-17A secretion from ILC3s, and emphysema-like phenotype and inflammation was reduced by deletion of ILCs in mouse model. In human sputum, SAA-neutrophils-ILC3s had correlation with each other and increased ILC3s were correlated with decreased lung function. Taken together, SAA activates neutrophils to secrete IL-1β, which induce IL-17A production by ILC3s, and these responses might promote emphysema. In summary, increased ILC subsets in asthma and emphysema are involved in decision of phenotypes of diseases. In asthma, ILC2s are related to eosinophilic asthma by regulating a polarization of M2 macrophages, while ILC1s and ILC3s are associated with neutrophilic inflammation via M1 macrophage polarization. In emphysema model, ILC3s are critical for an emphysema phenotype and activation of ILC3s is regulated by IL-1β secretion from SAA-activated neutrophils. These studies suggest a new insight that ILCs can be a therapeutic target for resolving pathological phenotypes of respiratory diseases.

선천성 림프구 세포(innate lymphoid cells; ILCs)는 도움 T 세포에 대응하는 선천면역세포 중 하나로, 다양한 호흡기 질환에서의 역할이 보고되어 있다. 특히, 천식 발병에서 제 2형 선천성 림프구 세포(group 2 innate lymphoid cells; ILC2s)의 연관성에 대해서는 연구가 활발히 되고 있는 추세이다. 그러나 다른 종류의 선천성 림프구 세포가 천식이나 만성 폐쇄성 폐질환(Chronic obstructive pulmonary disease; COPD) 등의 호흡기 질환의 발병에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았다. 제 1장에서는 다양한 종류의 선천성 림프구 세포가 천식 발병에 미치는 영향을 대식 세포(macrophages)의 극화(polarization) 현상을 중심으로 규명하였다. 기존 연구에 따르면, 제 2형 선천성 림프구 세포가 천식 환자의 혈액, 기관지세척액(bronchoalveolar lavage fluid; BALF), 그리고 객담에서 증가되어 있음이 보고 되었다. 본 연구에서는, 천식 환자에서 선천성 림프구 세포의 역할을 확인하기 위해 51명의 스테로이드 제제를 사용하지 않은 환자와 18명의 정상 대상군의 객담에서 유세포 분석 기법을 사용하여 각 아형의 선천성 림프구 세포의 변화를 확인하였다. 또한 선천성 림프구 세포와 상호작용할 수 있는 선천 면역 세포로 극화된 대식 세포의 아형 또한 확인하였다. 기존에 보고된 대로 제 2형 선천성 림프구 세포가 천식환자의 객담에서 증가하였을 뿐만 아니라, 제 1형과 제 3형의 선천성 림프구 세포(각각 group 1 innate lymphoid cells; ILC1s, group 3 innate lymphoid cells; ILC3s)도 천식 환자의 기도 내에 증가되어 있는 것을 확인하였다. 또한 대식 세포 역시 천식 환자의 객담에서 증가되어 있었다. 혈액 내 호산구 수에 따라 천식 환자를 호산구성(eosinophilic) 천식과 비 호산구성(non-eosinophilic) 천식으로 분류하였을 때, 호산구성 천식 환자에서는 제 2형 선천성 림프구 세포와 M2 극화 대식세포가 증가되어 있고 비 호산구성 천식 환자에서는 M1 극화 대식세포가 증가되어 있었다. 천식 환자의 기도 내에서 제 2형 선천성 림프구 세포는 M2 극화 대식 세포와, 제 1형과 제 3형 선천성 림프구 세포는 M1 극화 대식 세포와 양의 상관관계를 가지는 것을 확인하였다. 실제로, 제 2형 선천성 림프구 세포와 공생배양한 폐포 대식 세포(alveolar macrophages; AMs)에서 M2 극화와 관련된 유전자의 발현이 증가되었고, 제 1형과 제 3형 선천성 림프구 세포와 공생배양한 폐포 대식 세포에서는 M1 극화와 관련된 유전자 발현이 증가되었다. 이러한 현상은 사이토카인과 세포간 직접적인 상호작용에 의해 유도된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 서로 다른 종류의 선천성 림프구 세포가 대식세포의 극화를 조절함으로써 천식의 아형에 영향을 줌을 시사하였다. 제 2장에서는 혈청아밀로이드 A(serum amyloid Al; SAA)에 의한 제 3형 선천성 림프구 세포의 활성화와 제 3형 선천성 림프구 세포의 만성 폐쇄성 폐질환 중 하나인 폐 기종(emphysema)에서의 역할에 대한 연구를 진행하였다. 혈청아밀로이드 A는 염증 반응의 급성기(acute phase)에 분비되는 단백질 중 하나이다. 이러한 혈청아밀로이드 A는 다양한 면역 세포의 염증성 사이토카인 분비를 증가시킬 수 있는 내인성(endogenous) 리간드로서 작용한다고 알려져 있다. 또한 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 혈장과 폐 조직에서 혈청아밀로이드 A가 증가되어 있다고 보고되어 있다. 본 연구에서는, 마우스를 이용한 폐 기종 동물 모델에서 혈청아밀로이드 A와 제 3형 선천성 림프구 세포가 폐 조직에서 증가되어 있음을 확인하였다. 혈청아밀로이드 A를 직접적으로 폐에 주입해주었을 때, 호중구(neutrophils)성 염증반응과 폐 기종의 표현형을 관찰할 수 있었다. 또한 혈청아밀로이드 A를 주입해 주었을 때, IL-17A 사이토카인을 분비하는 선천성 림프구 세포가 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 제 3형 선천성 림프구 세포의 증가는 혈청아밀로이드 A에 의해 활성화된 호중구에 의해 매개되는 것을 확인하였다. 폐 기종 모델에서 선천성 림프구 세포를 제거하였을 때, 만성 폐쇄성 폐질환의 주요 증상으로 나타나는 폐 기종이 완화되는 것을 확인하였고 염증 반응이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 객담에서 혈청아밀로이드 A과 호중구, 호중구와 제 3형 선천성 림프수 세포 사이의 양의 상관관계를 확인함으로써 이러한 반응이 마우스 모델뿐만 아니라 환자에서도 작용함을 확인하였다. 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 기도 내 제 3형 선천성 림프구 세포 증가는 환자의 폐 기능 감소와 연관성이 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 혈청아밀로이드 A가 호중구에서의 사이토카인 분비를 촉진시킴으로써 제 3형 선천성 림프구 세포를 증가시키는 기전을 보여주고 있고, 이러한 반응이 폐 기종의 발병에 기여할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 요약하면, 위의 연구를 통하여 천식과 만성 폐쇄성 폐질환 중 하나인 폐 기종에서 증가된 선천성 림프구 세포가 질환의 아형을 결정하는데 관여함을 확인하였다. 천식에서 제 2형 선천성 림프구 세포는 대식세포의 M2 극화를 통해 호산구성 천식을 유도하고, 제 1형과 제 3형 선천성 림프구 세포는 대식세포의 M1 극화를 통해 호중구성 천식을 유도하였다. 만성 폐쇄성 폐질환에서는 제 3형 선천성 림프구 세포가 폐 기종 증상에 기여함을 확인하였고, 이러한 제 3형 선천성 림프구 세포의 활성화는 혈청아밀로이드 A에 의해 활성화된 호중구에 의해 유도됨을 확인하였다. 본 연구 결과는 호흡기 질환의 병리학적 표현형을 완화시키는 치료를 위한 새로운 타겟으로 선천성 림프구 세포의 중요성에 대해 시사하고 있다.