엑소좀이라는 물질은 종양이 면역체계를 피하는 데 도움이 될 수 있다.
2018년 9월 7일 : 국립암연구소 제공
새로운 연구에서 종양이 면역 체계를 피하는 중요하고 이전에는 알려지지 않은 경로가 무엇인지를 밝혀냈다. 종양은 엑소좀이라는 작은 막으로 둘러싸인 주머니를 분비하는데, 이 엑소좀은 면역 반응을 감소시키는 단백질로 가득 차있다.
펜실베이니아 대학의 연구원들이 주도한 이 연구는 흑색종의 실험실 모델과 흑색종 환자에게서 종양 세포가 PD-L1이라고 불리는 단백질로 코팅된 엑소좀을 방출한다는 것을 발견했다. 이 단백질들은 면역 세포의 파트너 분자에 결합되어 효과적으로 그것들을 비활성화 하는 면역 체크포인트 단백질군의 일부이다.
연구자들은 PD-L1이 박힌 엑소좀을 세포독성 T세포라고 알려진 것으로서 면역세포보다 먼저 온 몸을 움직이며 항종양 공격을 격퇴하기 위해 선제공격을 하는 드론 함대의 일부라고 비유했다,
Exosomes May Help Tumors Evade Immune System
September 7, 2018, by NCI Staff
A new study has identified what may be an important and previously unknown route by which tumors evade the immune system: They secrete small membrane-encased sacs, called exosomes, that are studded with a protein that dials down the immune response.
The study, led by researchers at the University of Pennsylvania, found that in lab models of the skin cancer melanoma and in humans with the disease, tumor cells release exosomes coated with proteins called PD-L1. These proteins are part of a family of immune checkpoint proteins that bind to partner molecules on immune cells, effectively deactivating them.
The researchers likened the PD-L1-studded exosomes to a fleet of drones engaged in preemptive strikes, moving throughout the body to thwart an antitumor attack before immune cells—namely those known as cytotoxic T cells—ever have a chance to reach the tumor.
8월 8일 네이쳐 지에 발표된 이 연구에서 나온 연구 결과에서, 환자 혈액 샘플에서 엑소좀에 관한 PD-L1의 수치 측정이 치료 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있는 가능성을 높이기도 한다고 연궁의 공동 리더인 샤오웨이 후가 말했다.
이 연구의 결과가 도발적이긴 하지만, PD-L1을 운반하는 엑소좀이 흑색종 환자의 종양에 대한 면역 반응에 어느 정도 영향을 미치는지 아는 것은 아직 시기상조라고 존스 홉킨스 대학의 불름버그-킴멜 암 면역요법 연구소의 부소장인 수잔 토팔리안 박사가 말했다.
Findings from the study, published August 8 in Nature, also raise the possibility that measuring levels of PD-L1 on exosomes in patient blood samples could help to guide treatment decisions, said study co-leader Xiaowei Xu, M.D., Ph.D.
Although the study’s findings are provocative, it’s still too early to know to what extent exosomes carrying PD-L1 influence the immune response against tumors in people with melanoma, said Suzanne Topalian, M.D., associate director of the Bloomberg-Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy at Johns Hopkins University.
"그 결론에 도달하기 전에 해결해야 할 많은 의문점들이 여전히 있다"고 이 연구에 참여하지 않은 토팔리안 박사가 말했다. 그리고 이 연구는 다른 질문들도 제기하고 있다고 그녀는 덧붙였다.
"이러한 엑소좀의 표면에 어떤 다른 종류의 면역 조절 분자가 있을까?"라는 질문도 그 중 하나라고 그녀가 말했습니다.
“There are still many, many questions” to address before reaching that conclusion, said Dr. Topalian, who was not involved in the study. And the study also raises other questions, she added.
Among them, she said: “What other types of immune-modulating molecules might be on the surface of these exosomes?”
증거 궤도의 추적
수년 동안 과학자들은 엑소좀이 세포의 폐기물을 운반하는 분자 쓰레기 운반차의 역할을 엄격히 수능한다고 생각했다. 하지만 엑소좀 같은 세포 바깥의 작은 주머니들이 다양한 생물학적 과정에 영향을 미친다는 것이 명백해졌다고 NCI 암 연구 센터의 의학자인 제니퍼 존스가 말했다.
연구원들은 "생물이 암과 면역체계에 중요한 역할을 한다는 것을 얼마 동안 알고 있었다"고 존스 박사는 말했다. "하지만 어떤 체외 수정체가 무엇을 하는지 아는 것은 어려웠습니다."
Following the Evidence Trail
For many years, scientists thought exosomes served strictly as molecular garbage trucks, transporting waste out of cells. But it’s become clear that extracellular vesicles like exosomes influence a variety of biological processes, said Jennifer Jones, M.D., Ph.D., of NCI’s Center for Cancer Research.
Researchers have known for some time that “exosomes have important roles in cancer and in the immune system,” Dr. Jones said. “But it has been difficult to know which exosomes do what.”
그녀는 "현대 생물 의학 연구 도구의 대부분은 개별 엑소좀 내의 화물에 대한 정확하고 기능적인 분석에 적합하지 않다고 토팔리안 박사가 말했다.
혈액 샘플과 암과 다른 세포에 의해 방출된 다양한 종류의 다른 종류의 소낭에서 PD-L1을 발견했던 몇 가지 초기 연구에 의거하여, 펜실베이니아 팀은 엑소좀이 종양과의 면역체계의 상호작용에 영향을 미치는지 알아보기 위해 광범한 접근법을 사용하였다.
The volume of each exosome is one million times smaller than the volume of a typical cell, she continued, and “most of the tools of modern biomedical research are not suitable for precise and functional analyses of the cargo within individual exosomes.”
Based on some earlier studies that found PD-L1 in blood samples and different types of vesicles released by cancer and other cells, the Penn team used a broad approach to look more closely at PD-L1 in these cellular outcasts to see if they influence the immune system’s interaction with tumors.
종양세포와 엑소좀의 표면에는
멜라노마는 특히 강한 면역 반응을 이끌어 내는 것으로 알려져 있고, 몇몇 면역 체크포인트 억제제는 식약청에 의해 흑색종을 치료하도록 승인 받았다. 그래서 연구자들은 다른 흑색종 세포 주株를 평가하는 것으로 시작했다.
그들은 즉시 자신들이 발견한 것에 놀랐다고 Xu 박사는 말했다.
On the Surface of Tumor Cells and Exosomes
Melanoma is known for eliciting a particularly strong immune response, and several immune checkpoint inhibitors have been approved by the Food and Drug Administration to treat melanoma. So the researchers began by evaluating different melanoma cell lines.
Right away they were surprised by what they found, Dr. Xu said.
흑색종 세포에서 분비된 염색체는 PD-L1을 함유하고 있다고 그들은 확인했다. 더욱이 전이성 흑색종 세포에서 추출한 엑소좀은 초기 혹은 원발 흑색종 종양의 세포보다 훨씬 더 많은 PD-L1을 포함하고 있었다.
그들이 전자 현미경을 사용하여 엑소좀을 더 자세히 보았을 때 정말 놀랐다. PD-L1 단백질은 체내에 없었다. 오히려, 단백질은 그 표면에 옮겨졌고, 단백질의 결합 부분이 종양 세포에서처럼 표면 바깥으로 돌출되었다.
수 박사는 "그렇게 된다면 외부 PD-L1이 T 세포와 직접 상호작용할 수 있기 때문에 매우 흥분되었다."라고 말했다.
Exosomes released from melanoma cells did contain PD-L1, they confirmed. Moreover, the exosomes from metastatic melanoma cells contained far more PD-L1 than cells from an initial, or primary, melanoma tumor.
The surprise came when they used electron microscopy to get a detailed view of the exosomes. The PD-L1 proteins were not inside the exosomes. Rather, the proteins were carried on their surface, with the binding portion of the protein protruding outside the surface—just as it does on tumor cells.
“That got us really excited, because if that’s the case, that means the exosomal PD-L1 can directly interact with T cells,” said Dr. Xu.
추가 실험으로 그 가능성이 확인되었다. 이 연구팀은 엑소좀이 암세포를 직접 죽이는 데 가장 많이 관여하는 세포독성 T세포와 결합할 수 있고 암세포가 증식하고 죽이는 것을 막을 수 있다는 것을 보여주었다.
그들이 그들의 연구를 흑색종 쥐 모델로 옮겼을 때, 연구팀은 또한 표면 위에 PD-L1이 박혀 있는 체세포를 발견했다. 인간의 암을 더 가깝게 모방하는 흑색종 모델을 이용하여, 표면에 PD-L1로 박혀 있는 엑소좀을 주입하는 것은 종양을 더 빠르게 성장시키고 종양과 종양 주변에 T세포와 다른 면역세포의 축적을 감소시켰다.
Further experiments confirmed that possibility. The team showed that the exosomes could bind to cytotoxic T cells—the immune cells most involved in directly killing cancer cells—and prevent them from proliferating and killing cancer cells.
When they moved their work to mouse models of melanoma, the research team also found exosomes studded with PD-L1 on their surface. Using a mouse model of melanoma that more closely mimics human cancer, injecting the mice with exosomes with PD-L1 on their surface made the tumors grow faster and reduced the accumulation of T cells and other immune cells in and around tumors.
치료 바이오마커?
연구팀은 그 다음 흑색종 치료를 받은 사람들에게서 채취한 혈액 샘플을 살펴본 후 PD-L1로 코팅된 엑소좀을 다시 조사했다. 연구팀은 또한 유방암과 폐암으로 치료를 받은 사람들로부터 채취된 혈액 샘플에서 PD-L1을 운반하는 가장 흔한 엑소좀인 세포 외 소낭(작은 주머니)을 발견하였다.
그들의 연구는 흥미로운 가능성을 불러일으켰다. 즉, 엑소좀 표면의 PD-L1 수치는 면역체크포인트 억제제에 가장 잘 반응하는 환자들을 식별하거나 이 약들에 대한 반응을 추적하는데 사용될 수 있다고 Xu 박사는 말했다.
A Treatment Biomarker?
The research team next looked at blood samples collected from people who had been treated for melanoma, and again they saw exosomes coated with PD-L1. They also found extracellular vesicles, most commonly exosomes, carrying PD-L1 in blood samples collected from people who had been treated for breast and lung cancers.
Their work raised an interesting possibility: that levels of PD-L1 on exosomes could be used to potentially identify patients who are most likely to respond to checkpoint inhibitors or to track their response to these drugs, Dr. Xu said.
예를 들어, 그들은 PD-L1의 면역 세포 결합 파트너인 PD-1을 차단하는 검문소 억제제 펨브롤리주맵 (상표명 : 키트루다)으로 흑색종 치료를 받은 사람들로부터 혈액 샘플을 분석했다. 종양이 이 약물에 가장 잘 반응하는 환자들은 반응하지 않은 환자들보다 치료 전에는 훨씬 낮은 엑소좀의 PD-L1 수치를 보였다. 그리고 치료 전 엑소좀의 PD-L1 수준이 가장 높은 환자들은 보다 낮은 수준의 환자들보다 더 나쁜 결과를 얻었다.
그러나 치료 시작 후 측정된 엑소좀의 PD-L1 수준은 전혀 다른 이야기를 하고 있었다. 치료를 시작한 지 3주에서 6주 후에 어느 곳에서든 큰 증가를 보인 환자들은 더 작은 종양 크기를 가진 환자들보다 종양 크기를 줄일 가능성이 훨씬 더 높았다.
For example, they analyzed blood samples from people who had been treated for melanoma with the checkpoint inhibitor pembrolizumab (Keytruda), which blocks PD-1, the immune cell binding partner of PD-L1. Patients whose tumors responded best to the drug had much lower exosomal PD-L1 levels before treatment than those who did not respond. And patients with the highest pretreatment levels of exosomal PD-L1 had worse outcomes than those with lower levels.
Exosomal PD-L1 levels measured after treatment began, however, told a different story. Patients who had large increases anywhere from 3–6 weeks after beginning treatment were much more likely to have reductions in the size of their tumors than those who had smaller increases.
비록 이 연구 결과가 모순되는 것처럼 보이지만, 생물학적으로 의미가 있다고 Xu 박사는 말했다.
"이는 두 가지 다른 과정이 진행되고 있다는 것을 의미한다."라고 그가 설명했다.
치료 전, 엑소좀의 PD-L1 수치는 종양의 크기나 질병의 정도를 반영하는 것일 수 있다. 즉, 만약 혈중에 순환하는 PD-L1 수치가 높다고 하면 많은 종양이 있음을 의미하는데, 그것은 나쁜 예후와 관련이 있다.
Although the findings appear to be contradictory, they make biological sense, Dr. Xu said.
“It means there are two different processes going on,” he explained.
Before treatment, the exosomal PD-L1 levels likely reflect the size of the tumor or extent of the disease. Meaning, if the circulating PD-L1 is high, there’s a lot of tumor, which is associated with a poor prognosis.
펨블롤리주맙으로 치료한 뒤, 엑소좀의 PD-L1(치료 응답자 중에서) 수치의 급격한 증가는 T세포가 활성화되고 있다는 것을 의미하며, IFN 감마처럼 더 많은 사이토킨을 분비한다고 말했다. 시토카인은 면역체계를 자극할 수 있는 분자에게 신호를 보내는 물질이다.
사실, 흑색종 세포 라인에서 연구자들은 IFN-감마로 세포를 치료하는 것이 엑소좀 PD-L1을 증가시켰다는 것을 보여주었다. 그리고 환자의 샘플 분석에서, 그들은 엑소좀 PD-L1 수준이 IFN-감마 수준에 따라 오르락내리락하는 경향이 있다는 것을 발견했다.
After treatment with pembrolizumab, he said, “the rapid increase of exosomal PD-L1 [in treatment responders] means that the T cells are being activated, so they secrete more cytokines like IFN-gamma,” he said. Cytokines are signaling molecules that can stimulate the immune system.
In melanoma cell lines, in fact, the researchers showed that treating the cells with IFN-gamma increased exosomal PD-L1. And in their analysis of patient samples, they found that exosomal PD-L1 levels tended to rise and fall with IFN-gamma levels.
해야 할 더 많은 연구
펜실베이니아 팀은 "생물학적 과정에 영향을 미치는 매우 다양한 엑소좀 개체수의 아주 다양한 레파토리 중에서 한 가지 중요한 엑소좀 군을 찾아내었다. 이러한 매우 작은 패키지를 보다 세부적으로 연구하려면 새로운 연구 도구와 새로운 접근 방식이 필요하다.”고 존스 박사가 말했다.
토팔리안 박사는, 흑색종 환자들의 훨씬 더 많은 샘플과 더 많은 종류의 암을 포함한 추가 연구가 필요하며, 종양 생체검사에서 PD-L1 수치와 종양이 분비하는 엑소좀을 밀접하게 비교하는 연구가 필요하다고 강조했다.
More Work to Do
The Penn team has “identified one important exosome population among a tremendously diverse repertoire of exosome populations that influence biological processes," Dr. Jones said. "New tools and new approaches are needed to study these very small packages in more precise detail.”
Dr. Topalian stressed that further studies are needed, including those that involve a much larger number of samples from patients with melanoma—and more cancer types—and those that closely compare PD-L1 in tumor biopsies and tumor-released exosomes.
예를 들어, 토팔리암 박사의 연구소와 다른 연구자들은 인간의 흑색종의 약 40%만이 표면에 상당한 수준의 PD-L1을 발현하는 종양 세포를 포함하고 있다는 것을 보여주었다. 그녀는 향후 연구를 통하여 동일한 환자에서 추출한 종양의 PD-L1의 양과 엑소좀 사이에 상관관계가 있는지 살펴봐야 한다고 말했다.
또한, 흑색종 환자들의 혈류에 많은 양의 엑소좀 PD-L1이 있다는 생각은 그것이 그 환자들에게 "면역을 억제하는 데 전반적인 효과"를 가지고 있다는 것을 의미한다. "그리고 4기 흑색종의 대부분의 환자들이 전반적으로 면역력을 억제 상태에 있다는 증거는 없다."고 그녀가 말했다.
For example, work by Dr. Topalian’s lab and others has shown that only about 40% of human melanomas contain tumor cells expressing substantial levels of PD-L1 on their surface. Future studies, she said, should look to see if there is a correlation between the amount of PD-L1 in tumors and on exosomes from the same patient.
Also, the idea that there is a large amount of exosomal PD-L1 in the circulation of people with melanoma would imply that it’s having “a global effect on suppressing immunity” in those patients, she said. “And there’s no evidence that most patients with stage IV melanoma are globally immune suppressed.”