A study on memory-like characteristics of innate lymphoid cells in asthma

Abstract

선천성 림프구세포는 최근 발견된 선천 면역세포로 점막 조직에 존재하여 다양한 사이토카인을 분비하는 세포임. 선천성 림프구세포는 선천 면역세포이기 때문에 급성 면역 반응 혹은 면역학적 항상성을 유지하는 기능만을 한다고 생각되었음. 또한 선천성 림프구세포는 적응면역세포들과 달리 활성화 상태의 세포로 존재한다고 여겨짐. 하지만 최근 연구들에서 선천성 림프구세포 또한 다양한 만성 염증성 질환의 면역반응에 참여하며, 반복적이고 지속적인 자극에 의하여 일부 선천성 림프구세포는 기억 유사 세포의 특성일 보인다는 것이 밝혀짐. 이러한 기억 유사 선천성 림프구세포는 사이토카인을 활발히 분비하며 질병의 악화에 참여하고 있음. 따라서 만성 염증 상황에서 나타나는 기억 유사 선천성 림프구세포의 특성과 기능을 이해할 수 있다면, 선천성 림프구세포를 통한 새로운 치료제의 개발에 도움이 될 수 있음. 따라서 본 연구자는 천식이라는 만성 염증성 질환 상황에서 흡연에 의하여 변화되는 선천성 림프구세포의 기능과 상태에 초점을 맞추어 연구를 진행하였음. 본 연구에서 정상군과 천식환자의 혈액과 유도객담을 분석하여 선천성 림프구세포의 변화를 확인하고자 하였음. 말초 혈액과 유도객담의 선천성 림프구세포를 분석하였을 때, 흡연을 하는 천식환자군의 객담에서 제 3형 선천성 림프구세포가 증가 됨을 확인할 수 있었으며, 혈액에 존재하는 제 3형 선천성 림프구세포 중 CD4와 CD45RO를 발현하는 아형이 증가 되어 있음을 발견함. 또한 in vitro 실험을 통하여 흡연이 직접적으로 제 3형 선천성 림프구세포에서 CD45RO의 발현을 증가시킴을 확인할 수 있었음. CD45RO를 발현하는 제 3형 선천성 림프구세포는 IL-17A와 같은 사이토카인을 다른 선천성 림프구세포에 비하여 더 활발히 분비하고 있었으며, 과거에는 흡연을 하였지만 현재는 흡연을 중단한 환자의 혈액 에서도 높게 유지 되고 있었음. 따라서 CD45RO를 발현하는 제 3형 선천성 림프구세포는 기억유사 선천성 림프구세포라고 생각할 수 있었음. 한편 이러한 선천성 림프구세포는 FEV1과 FVC로 측정되는 폐기능과 음의 상관관계를 보였으며, 염증성 대식세포 (M1 대식세포) 및 호중구와 양의 상관관계를 보였음. 따라서 흡연에 의하여 발생하는 비알러지성 염증상황 (호중구와 M1 대식세포의 증가)은 기억 유사 제 3형 선천성 림프구세포의 형성에 의하여 야기된다고 정리할 수 있었음. 따라서 흡연에 의하여 형성되는 기억 유사 제 3형 선천성 림프구세포는 천식의 중증도를 악화시킴. 본 연구자는 천식 상황에 존재하는 제 3형 선천성 림프구세포를 중심으로 연구를 진행하였으며, 제 3형 선천성 림프구세포는 흡연에 의하여 직접적으로 기억 유사 세포로 분화됨을 확인하였음. 기억 유사 제 3형 선천성 림프구세포는 비알러지성 염증과 천식의 악화를 촉진하는 작용을 하였음. 따라서 본 연구를 통하여 선천성 림프구세포의 다양한 역할과 상태에 대한 폭넓은 이해가 가능하게 되었으며, 만성 질환 상황에서 변화되는 선천성 림프구세포의 상태 조절을 통한 새로운 치료 전략을 제공하였음.

Innate lymphoid cells (ILCs) are the recently discovered innate immune cells located in various mucosal tissues and potent to secrete diverse effector cytokines. As innate immune cells, it has been thought that the roles of ILCs are confined only to acute inflammation or homeostatic conditions. Besides, it also has been considered that the ILCs only shows effector phenotype. However, a series of studies observed the participation of ILCs in many chronic inflammatory diseases and, under repetitive stimulation, some portion of ILCs is showed memory-like phenotypes. Those memory-like ILCs participate in worsening diseases by producing vast cytokines. Thus, understanding the characteristics and the roles of memory-like ILCs in chronic inflammations is critical to comprehend the pathophysiology and help to developing new treatment approaches. In this study, I analyzed the blood and induced sputum of healthy or asthmatics to investigate the changes and the roles of ILCs by cigarette smoking. Peripheral blood and induced sputum from a non-smoking and smoking asthmatic patient were analyzed by flow cytometry and found that the ILC3s from induced sputum and circulating CD4+CD45RO+ILC3s were significantly increased in smoking asthma patients. In vitro study also showed that the CD45RO expression from ILC3s was directly increased by cigarette smoke. Especially, as CD45RO-expressing ILC3s, showed more potent to producing effector cytokine and lasted even after quitting smoke, CD45RO+ ILC3s could be considered as memory-like ILCs. Besides, those ILC3 subsets were negatively correlated with pulmonary functionalities represented by FEV1 and FVC. Inflammatory M1 macrophages, in induced sputum, and circulating neutrophils were also positively associated with increased ILC3 subsets. Those results imply that smoking-induced non-allergic inflammations were generated via memory-like ILC3 formation that further stimulated neutrophils and M1 macrophages. Collectively, my data suggested that smoking induces the transition of ILC3s into a memory-like form that is associated with asthmatic severity. In summary, smoking with asthma directly induces memory-like ILC3 subsets that govern the non-allergic inflammation and aggravation of asthma. These results widen the understanding of the roles and characters of ILCs in chronic airway inflammation, which can be a novel therapeutic target for controlling asthma severity.