Studies on IL-21–producing follicular helper T cell dependent antitumor immune responses triggered by GITR costimulation

Abstract

Although treatment with glucocorticoid-induced tumor necrosis factor receptor-related protein (GITR) agonistic antibody (DTA-1) has shown potent antitumor activity in various tumor models, the underlying mechanism is not fully understood yet. Here, I demonstrate that interleukin (IL)-21–producing follicular helper T (Tfh) cells play a crucial role in DTA-1-induced tumor inhibition. Administration of DTA-1 increased IL-21 expression in an antigen specific manner and this led to enhanced antitumor cytotoxic T lymphocyte (CTL) activity which was mainly produced by Tfh cells. Mice treated with a neutralizing antibody to IL-21 receptor exhibited decreased antitumor activity by DTA-1. Moreover, tumor growth inhibition by DTA-1 was abrogated in Bcl6fl/flCd4cre mice, which are genetically deficient in Tfh cells. Mechanistically, IL-4 is required for the optimal induction of IL-21–expressing Th cells by GITR co-stimulation and Bcl6 and c-Maf mediate this pathway. Thus, my findings identify GITR co-stimulation as an inducer of IL-21–expressing Tfh cells and provide a mechanism for its antitumor activity.

암의 치료에 대한 면역학적 접근은 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 항 CTLA-4 항체, 항 PD-1 항체와 같은 면역관문 억제제는 악성흑색종 치료에 뛰어난 효과를 나타낸다는 사실이 밝혀졌다. 면역관문 억제제의 항암치료는 기존의 항암치료 방법을 상회 하는 효과를 보였으나, 모든 암 환자에게 효과가 있는 것은 아니었다. 이에 면역관문 억제제가 치료하지 못하는 환자들에게 효과가 있는 새로운 면역항암 치료에 관한 연구가 계속되었고, 대안으로 공자극 분자 자극 항체에 관한 연구가 진행되었다. 공자극 분자는 면역 세포를 활성화하는 신호를 전달하게 되는데, 공자극 분자 자극을 통해 암을 사멸시킬 수 있는 면역 세포가 활성화될 경우 체내 면역 세포를 이용한 항암효과를 기대할 수 있다. 현재 공자극 분자 중 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 GITR (glucocorticoid-induced tumor necrosis factor receptor-related protein)은 마우스 모델에서 매우 효과적인 항암효과를 보였으나, 어떠한 기전으로 항암효과를 나타내는지에 대한 연구는 아직 미흡한 수준이었다. 이에 항 GITR 자극 항체의 항암기전을 확인하고자 실험을 계획하였으며 이번 연구를 통하여 항 GITR 자극 항체의 항암기전으로 Follicular Helper T 세포의 IL-21 생산 유도를 통해 항암면역 작용이 일어난다는 사실을 확인하였다. 먼저 암을 주입한 마우스에 항 GITR 자극 항체를 복강투여할 경우 암 주변 림프절에서 IL-21을 발현하는 CD4 T 세포의 증가가 일어나는 것을 확인하였고, 항 IL-21 수용체 항체를 이용하여 IL-21 신호를 차단하였을 때, GITR 자극에 의한 항암효과가 줄어드는 것을 확인하였다. 여러 CD4 T 세포의 아형 중 GITR 자극에 의해 IL-21을 발현하는 아형은 어떤 것일지 살펴보았고, CXCR5와 PD-1을 발현하는 follicular helper T 세포라는 것을 확인하였다. 또한, GITR 자극에 의한 IL-21 발현에 IL-4가 반드시 필요하며 이 과정에서 c-Maf의 신호전달경로를 거치게 된다. 다음으로 GITR 자극에 의해 발현된 IL-21이 어떠한 세포에 영향을 미쳐 항암효과를 나타내는지 확인하였다. GITR 자극 후 IL-21이 생산된 뒷 시점을 조사하였을 때, 자연살해세포는 활성화되어 있지 않았지만, CD8 T 세포가 활성화되어 있음을 확인하였다. 이에 IL-21 신호전달을 차단한 경우 CD8 T 세포가 사이토카인 분비 및 암세포에 대한 세포독성 효과가 감소하는 현상을 확인하였다. 본 연구를 통해 GITR 자극이 암 환경에서 Tfh 세포에 의한 IL-21 발현을 유도하여 항암면역 효과를 나타낸다는 작용기전을 최초로 밝혔으며, 이에 IL-4의 역할을 규명함으로써 IL-4가 IL-21 유도에 기여하는 바를 밝혀 GITR 자극 항체의 임상적 적용 시 확인할 수 있는 새로운 마커를 제시하였다는 것에 의의가 있다.