Development of immunotherapy for viral diseases by regulating macrophages-mediated cytokines

Abstract

Macrophages are an essential component of innate cellular immunity with flexible functions prominently involved in host defense and immunity against foreign microorganisms, including bacteria, viruses, and fungi. Many viruses target macrophages, and activated macrophages lead to phagocytosis and the release of pro-inflammatory cytokines and chemokines. However, excessive secretion of pro-inflammatory cytokines by macrophages contributes to local tissue damage and a dangerous systemic inflammatory response. Since monocytes and macrophages are the central cells that secrete pro-inflammatory cytokines, the efficient control of these cells can be used as a therapeutic target to regulate cytokines. In this study, I aimed to regulate influenza virus-mediated hyper-inflammation by targeting macrophages and then examined the immune mechanism regulating interleukin (IL)-12 in macrophages during dengue virus infection. First, in this study, I developed liposomes that are selectively delivered to macrophages. Also, I found that liposomal dexamethasone (DEX/lipo) significantly reduced the protein level of tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), IL-1β, IL-6, and the C-X-C motif chemokine ligand 2 (CXCL2) as well as the number of infiltrated immune cells in the bronchoalveolar lavage fluids as compared to the control and free dexamethasone (DEX) in influenza virus-infected mice. Moreover, the intranasal delivery of DEX/lipo during disease progression reduced the death rate by 20%. Therefore, the intranasal delivery of DEX/lipo may serve as a novel promising therapeutic strategy for treating influenza virus-induced pneumonia (Chapter 1). Next, I revealed the cause of decreased IL-12 after severe dengue virus infection in macrophages through dengue virus binding receptor-mediated signaling. As a result, in type I interferon receptor knockout (IFNAR KO) mice infected with severe dengue virus, down-regulated IL-12 decreased vessel tight junction through increasing matrix metalloproteinase-9 (MMP-9). In addition, I found that mice treated with recombinant IL-12 rapidly regained body weight and attenuated dengue hemorrhagic fever. Based on a reliable model, I have developed a potential therapeutic strategy to attenuate dengue hemorrhagic fever (Chapter 2). Together, my results provide valuable insights into the development of immunotherapies for viral disease via regulating cytokines by targeting macrophages.

마크로파지는 숙주의 방어와 세균, 바이러스, 진균을 포함한 외부 미생물에 대한 면역에 현저하게 관여하는 여러 기능을 가진 타고난 세포 면역의 중요한 구성 요소이다. 많은 바이러스가 마크로파지를 표적으로 하고, 활성화된 마크로파지는 식세포작용을 일으키며 염증성 사이토카인과 케모카인을 분비한다. 그러나 마크로파지에 의한 염증 유발 사이토카인의 과도한 분비는 국소 조직 손상과 위험한 전신 염증 반응에 기여한다. 단핵구와 마크로파지는 염증성 사이토카인을 분비하는 주요 세포이기 때문에 이러한 세포의 효율적인 제어는 사이토카인을 조절하는 치료 표적으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 마크로파지를 표적으로 하여 인플루엔자 바이러스 매개 염증 반응을 조절하고, 이후 뎅기 바이러스 감염 시 마크로파지에서 특이적으로 IL-12를 조절하는 면역 기전을 조사하고자 하였다. 첫번째로, 본 연구는 마크로파지에 선택적으로 전달이 되는 리포솜을 개발하였다. 이후 인플루엔자 바이러스 감염 마우스 모델에서 덱사메타손 리포솜을 전달 했을 때 TNF-α, IL-1β, IL-6, CXCL2와 같은 염증성 사이토카인, 케모카인이 감소하고, 침윤된 염증성 세포를 감소된다는 것을 밝혔다. 이로 인해 질병이 진행되는 동안 덱사메타손 리포솜 치료는 사망률을 20%까지 감소시켰다. 결과적으로 덱사메타손 리포솜의 비강 내 전달은 인플루엔자 바이러스 매개 폐렴의 치료를 위한 유망한 치료 전략으로 작용할 수 있음을 시사한다 (Chapter 1). 다음으로 마크로파지에 심각한 뎅기 바이러스 감염 후 IL-12가 감소하는 원인을 뎅기 바이러스 결합 수용체 매개 신호전달을 통해 밝혀냈다. 그 결과, IFNAR KO 마우스가 중증 뎅기 바이러스에 감염된 경우, 감소된 IL-12가 MMP-9를 증가시켜 혈관 투과성을 증가시킨다는 것을 밝혔다. 또한, 재조합 IL-12로 치료한 마우스가 체중을 빠르게 회복하고 뎅기출혈열을 완화시키는 것을 밝혔다. 본 연구에서는 뎅기출혈열을 억제할 수 있는 잠재적인 치료 전략을 제시하였다 (Chapter 2). 결론적으로 본 연구는 마크로파지를 표적으로 하여 사이토카인을 조절함으로써 바이러스에 대한 면역 요법의 치료적 접근에 중요한 근거 자료로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.