암 면역요법의 효과 증진을 위해서는 '탈진' T세포 문제의 극복 중요하다.

2019년 7월 18일 : 국립암연구소 제공

암 면역요법은 종양 세포를 공격하고 죽이는 면역 체계의 주요 킬러인 T세포를 확보 여부에 달려있다. 하지만 면역요법에는 중요한 장애물이 있다. T세포의 살해능력은 사라질 수 있는데, 흔히 탈진이라고 일컬어지는 현상이다.

전 세계의 연구 단체들은 이제 T세포를 강력한 구축함을 암세포를 해치는데 제한된 능력만을 가진, 힘이 고갈된 구경꾼으로 바꾸어 버리는 데 중심적인 역할을 하는 것으로 보이는 몇몇 단백질을 찾아냈다.

6월 17일 네이쳐 지에 발표된 3건과 PNAS에서 처음 발표된 1건을 포함한 일련의 최근 연구에서는 특히 TOX라는 한 단백질에 크게 주목하였다. 하지만 연구원들은 TOX가 독불장군은 아니라고 강조했다. 그TOX는 T세포의 소진 "프로그램"을 조정하기 위해 유전자를 켜거나 끄는 데 도움을 주는 것이 주된 기능인 몇 가지 다른 전사 인자와 함께 작용한다.

네이처에 게재된 연구 중 한 가지를 이끈 세인트루이스 대학의 면역학 연구소장인 존 훼리 박사는 대부분의 연구는 실험실 연구와 마우스 모델에서 수행되었으므로, TOX와 다른 단백질들이 암에 걸린 사람들의 T-세포의 ‘소진’에 어느 정도 영향을 미치는지를 더 잘 이해하기 위해 더 많은 연구가 필요하다고 말했다.

그러나 만약 추가 연구가 T-세포 탈진(피로)을 조절하는 데 TOX와 다른 전사 인자의 역할을 확인한다면, 그것은 암 면역 요법의 효과를 높이기 위한 잠재적 전략의 문을 열 수 있을 것이라고 그는 덧붙였다.

그는 "면역요법을 이용하여 면역반응을 바꾸는 것이 우리의 임무"라고 말했다. T세포의 탈진을 조절하는 사건을 이해하면 "어떻게 해야 하는지 더 잘 이해할 수 있는 길"이라고 말했다.

니즈의 연구 영역

T세포는 단 한 가지 특징만 갖고 있지는 않다. 세포독성 T세포라고 알려진 부분집합체 내에서도 서로 다른 기능을 가진 T세포의 집단이 존재하며, 이들의 주된 임무는 문제적 세포를 죽이는 것이다.

예를 들어, 이펙터(작동) T 세포는 즉시 바이러스에 감염된 세포나 종양 세포와 같은 특정 위협을 찾아 파괴한다. 일부 이펙터 T 세포는 결국 기억력 T 세포로 발전하거나 분화하는데, 이 세포는 인체에 영구적으로 남아 있으면서 동일한 위협이 다시 나타날 경우 신속하게 대처할 수 있다.

그러나 지속적인 바이러스 감염이나 점진적인 암 발병과 같이 면역체계가 장기간 활동할 수밖에 없을 때, 이펙터 T 세포는 기력이 고갈될 수 있다.

기력이 소진된 T세포의 특징 중 하나는 PD-1과 CTLA-4와 같은 관문 단백질의 표면에 많이 나타나서 이들 T세포들을 주저앉힌다는 점이다. 면역 관문 억제제는 이러한 관문 단백질을 차단하며, 그렇게 함으로써 종양에 대한 면역 반응을 높일 수 있다.

그러나 연구에 의하면 탈진된 T세포 내의 관문 단백질의 활동을 차단한다 해도 치유라는 그 목적을 달성하지 못한다는 것을 암시했다. 그리고 이것이 중요한데, 면역세포가 가득 차서 면역요법에 반응할 이상적인 후보자들이 되어야 하는 소위 '핫한 종양'이 종종 "탈진된 T세포로 가득 차 있다"고 웨리 박사는 설명했다.

그래서 연구자들이 더 많은 환자에게 관문 억제제와 같은 면역요법을 더 효과적으로 만드는 데 성공하려면, 탈진된 T세포는 "우리가 더 잘 이해해야 할 중요한 T세포 집단"이라고 그는 말했다.

새로운 용의자

T세포 탈진의 발달에 대해 더 많이 알아내기 위해, 네 가지 연구를 하나하나 분석함으로서 바이러스 감염과 종양 발병을 반복하는 실험을 이용하여 세포독성 T세포에서 발견되는 유전자와 단백질의 차이를 분석했다.

4 그룹에서 발현되는 것 중 가장 큰 차이점 중 하나가 TOX의 유전자가 보였다는 것인데, TOX의 유전자는 일관되게 탈진된 T세포에서는 매우 높게 발현되었지만 이펙터 및 메모리 T 세포에서는 매우 낮은 수준으로 발현되었다.

‘네이처’ 연구 중 한 곳에서, 슬로안 케터링 기념 암 연구센터의 안드레아 쉬팅어 박사의 연구팀은 새로운 바이러스 감염의 실험실 모델에서 TOX 수치가 낮은 것으로 나타났다. 그러나 일단 감염이 더 만성화되면, TOX 수치는 치솟았고, 계속 높은 상태를 유지했다.

또 다른 ‘네이처’ 연구에서는 독일의 뮌헨공대 연구팀과 테네시의 성 주드 아동 연구 병원 연구팀은 TOX가 탈진된 T세포의 형성에 필수적인 것처럼 보인다고 밝혔다.

그러나 단독으로 활동할 수 있는 단백질은 거의 없다. 그리고 PNAS 연구에서 캘리포니아 라졸라 면역연구소의 안자나 라오 박사팀은 NR4A라 불리는 TOX 계열을 포함한 다른 여러 가지 다른 전사적 인자뿐만 아니라 TOX와 관련 단백질인 TOX2 사이에 강한 상호의존성이 있다는 것을 보여주었다. NFAT도 NA4A 중 하나이다.

이전의 연구에서, 라오 박사의 그룹은 NR4A 전사 인자가 탈진된 T세포에서 높은 수준으로 발견된다는 것을 발견했다. 실제로, 그녀는 자신의 그룹이 관여해 온 모든 T세포의 연구에서 TOX, TOX2, NR4A 전사 인자는 모두 "몇 번이고 반복해서" 잘 발현되었다(나타났다)고 강조했다.

무엇이 탈진을 유발하는가?

그렇다면 TOX와 이런 다른 전사적 인자들이 어떻게 탈진을 유발할까?

여러 연구들에서 나온 증거는 후생유전 메커니즘, 즉 세포핵에 있는 유전물질의 분자 포장을 위한 크로마틴의 구조 변화 등을 지적한다. 그러한 변화는 크로마틴의 접근성을 전사 인자와 그 밖의 전사 시스템의 구성요소로 바꾸었다. 크로마틴의 특정 영역이 개방 또는 폐쇄되는지 여부는 궁극적으로 세포에서 어떤 단백질이 생성되는지, 따라서 세포의 행동에 영향을 미칠 수 있다.

예를 들어, 펜실베이니아 대학 주도의 연구에서, 연구원들은 TOX가 크로마틴을 열고 닫는 것과 관련된 몇 가지 특정한 효소와 상호 작용한다는 것을 보여주었다.

국립암연구소의 암 생물학부의 수잔 매카시 박사는 TOX가 이런 방식으로 크로마틴에 영향을 미친다는 사실은 이러한 연구 결과를 잠재적인 치료적 접근법으로 해석하는 관점에서 중요하다고 말했다.

그녀는 "T세포를 다른 상태로 돌리는 것에 대해 어떻게 생각하는가?"라고 말했다.

면역요법의 향상?

실제로 몇몇 연구는 T세포에서 TOX를 제거하면 어떤 일이 일어나는지 실험했다.

시팅거 박사와 그녀의 동료들은 종양에 걸린 쥐에게 TOX의 유전자가 부족하도록 인공적으로 조작한 T세포를 주사했을 때, 연구팀은 T 세포가 암세포의 강력한 킬러가 되기는커녕 오히려 거리가 멀다는 것을 발견했다.

그들은 이 연구결과는 T세포의 탈진이 면역체계의 약점이 아니라 생물학적 자기방어기제라는 생각을 뒷받침한다고 썼다. 시팅거 박사는 보도 자료를 통해 "T세포가 지나치게 자극을 받아 죽는 것을 예방하기 위해 탈진이 생긴다."고 말했다.

닥터 매카시가 동의했다. 사실, 그녀는 이 연구의 결과가 T세포가 소진되는 것은 단지 단계나 불행한 결과가 아니라는 생각을 뒷받침한다고 말했다. 오히려 탈진된 T세포는 아직 할 역할이 남아 있는 T세포의 "분리된 혈통"이다.

한편, 라오박사의 그룹은 다른 접근 방식을 취하여 TOX와 TOX2가 모두 부족하도록 CAR T 세포를 인공적으로 조작했다. 그들이 사용한 CAR T 세포는 그렇지 않으면 이미 식약청이 백혈병과 림프종을 치료하기 위해 승인한 두 가지 치료법과 유사했다.

인공적으로 조작한 CAR T 세포를 사용하여 자리를 확고히 잡은 흑색종 종양에 걸린 생쥐를 치료했을 때, 이 치료법은 표준 CAR T 세포나 TOX 또는 TOX2만 부족한 생쥐보다 훨씬 더 효과적이었다.

그러나 TOX와 TOX2를 없애는 것만이 같은 목적을 위한 유일한 수단이 아닐 수도 있다고 라오 박사는 말했다. 그녀의 그룹의 초기 연구에서, NR4A가 부족한 CAR T 세포는 같은 흑색종의 마우스 모델에서 변하지 않은 CAR T 세포보다 훨씬 더 효과적이었다.

"이것은 다른 전사 인자를 제거하는 것이 어떻게 거의 똑 같은 일을 할 수 있는지를 보여주는 강력한 증거입니다,"라고 그녀는 말했다.

실제적인 관점에서 보면, 이미 탈진한 T세포의 전사적 시스템을 조작할 수 있는 약을 개발하는 것은 특히 어려울 수 있다고 매카시 박사는 말했다. 그래서 이펙터 T 세포를 유전공학적으로 조작할 수 있는 CAR T-세포 치료법과 같은 접근방법이 이 연구 결과를 새로운 치료법으로 변환하는 데 가장 좋은 방법일 수도 있다.

Improving Cancer Immunotherapy: Overcoming the Problem of ‘Exhausted’ T Cells

July 18, 2019, by NCI Staff

Cancer immunotherapy relies on getting T cells—the immune system’s primary killers of infected and diseased cells—to attack and kill tumor cells. But there’s an important stumbling block for immunotherapy: T cells’ ability to kill can fade, a phenomenon often referred to as exhaustion.

Research groups from around the globe have now identified several proteins that appear to play a central role in transforming T cells from powerful destroyers to depleted bystanders with limited capacity to harm cancer cells.

A series of recent studies—including three published June 17 in Nature and one initially published May 31 in PNAS—largely zeroed in on one protein in particular, a transcription factor called TOX. The researchers stressed, however, that TOX isn’t a lone wolf. It works with several other transcription factors—whose primary function is to help turn genes on and off—to orchestrate the exhaustion “program” in T cells.

Much of the research involved work done in lab studies and mouse models, so more research is needed to better understand the extent to which TOX and these other proteins influence T-cell exhaustion in people with cancer, said John Wherry, Ph.D., director of the Institute for Immunology at the University of Pennsylvania, who led one of the Nature studies.

But if additional studies confirm the role of TOX and the other transcription factors in controlling T-cell exhaustion, he added, it could open up potential strategies for boosting the effectiveness of cancer immunotherapies.

With immunotherapy, “our job is to redirect the immune response,” he said. Understanding the events that control T-cell exhaustion “allows us to get a better handle on how to do that.”

A Research Area of Need

T cells don’t come in only one flavor. There are different populations of T cells with different functions, even within the subset known as cytotoxic T cells, whose primary job is to kill problematic cells.

Effector T cells, for instance, immediately seek out and destroy specific threats, like virus-infected cells or tumor cells. Some effector T cells eventually develop, or differentiate, into memory T cells, which can permanently linger in the body to be quickly marshaled if the same threat should ever reappear.

But when the immune system is forced to be active for extended periods, such as with persistent viral infections or the progressive development of cancer, effector T cells can run out of steam.

One hallmark of exhausted T cells is the increased appearance on their surface of checkpoint proteins like PD-1 and CTLA-4, which can cause those T cells to stand down. Immune checkpoint inhibitors block these checkpoint proteins and, in so doing, can rev up the immune response against tumors.

But studies have suggested that blocking the activity of checkpoint proteins in exhausted T cells doesn’t achieve that end. And that’s important, because so-called hot tumors, those that are loaded with immune cells and thus should be ideal candidates to respond to immunotherapy, “are often just full of exhausted T cells,” Dr. Wherry explained.

So if researchers are going to succeed in making immunotherapy treatments like checkpoint inhibitors more effective in more patients, he said, exhausted T cells are “a prominent T-cell population that we need to understand better.”

New Suspects

To learn more about the development of T cell exhaustion, each of the four studies analyzed the differences in the genes and proteins found in cytotoxic T cells, using experiments that replicate viral infections and tumor development.

All the groups found that one of the biggest differences in expression was seen with the gene for TOX, which was consistently expressed at very high levels in exhausted T cells but at very low levels in effector and memory T cells.

In one of the Nature studies, a research team led by Andrea Schietinger, Ph.D., from Memorial Sloan Kettering Cancer Center, showed that, in lab models of a new viral infection, TOX levels remained low. But once the infection became more chronic, TOX levels spiked and remained high.

In another of the Nature studies, a team led by researchers from the Technical University of Munich in Germany and St. Jude Children’s Research Hospital in Tennessee showed that TOX appeared to be essential for the formation of exhausted T cells.

But few proteins can act alone. And in the PNAS study, a research team led by Anjana Rao, Ph.D., of the La Jolla Institute for Immunology in California, showed that there was a strong interdependence among TOX and a related protein, TOX2, as well as several other transcription factors, including a family of them called NR4A, and one called NFAT.

In a previous study, Dr. Rao’s group found that NR4A transcription factors are found at high levels in exhausted T cells. In fact, she stressed, in all of the studies of exhausted T cells her group has been involved in, TOX, TOX2, and NR4A transcription factors were all well represented “over and over again.”

What Causes the Exhaustion?

So how do TOX and these other transcription factors cause exhaustion?

Evidence from several of the studies points to epigenetic mechanisms—that is, changes to the structure of chromatin, the molecular packaging for genetic material in the nucleus of cells. Those changes altered the accessibility of chromatin to transcription factors and other components of the transcription machinery. Whether certain regions of chromatin are open or closed can affect which proteins are ultimately produced in a cell and, thus, a cell’s behavior.

In the Penn-led study, for example, the researchers showed that TOX interacts with several specific enzymes involved in opening and closing chromatin.

The fact that TOX affects chromatin in this manner is important from the perspective of translating these findings into potential therapeutic approaches, said Susan McCarthy, Ph.D., of NCI’s Division of Cancer Biology.

Therapies that affect the behavior of these transcription factors is “how you think about potentially flipping [the T cell] to another state,” she said.

Improving Immunotherapy?

Several of the studies, in fact, tested what would happen if they eliminated TOX in T cells.

When Dr. Schietinger and her colleagues introduced T cells engineered to lack the gene for TOX into mice with tumors, they found that, far from becoming powerful killers of cancer cells, the T cells died off.

The findings, they wrote, support the idea that T cell exhaustion is not an immune system shortcoming, but a biological self-defense mechanism. Exhaustion happens “for a reason,” Dr. Schietinger said in a news release, “to prevent the [T] cells from getting overstimulated and dying.”

Dr. McCarthy agreed. In fact, she said the studies’ findings support the idea that T cells becoming exhausted “is not just a stage or unfortunate consequence.” Rather, exhausted T cells are “a separate lineage” of T cell that still have a role to play.

Dr. Rao’s group, meanwhile, took a different approach, engineering CAR T cells to lack both TOX and TOX2. The CAR T cells they used were otherwise similar to the two therapies already approved by the Food and Drug Administration to treat leukemia and lymphoma.

When they used the engineered CAR T cells to treat mice with established melanoma tumors, the treatment was far more effective than standard CAR T cells or those lacking only TOX or TOX2.

But taking out TOX and TOX2 may not be the only means to the same end, Dr. Rao said. In her group’s earlier study, CAR T cells that lacked NR4A were also much more effective than unaltered CAR T cells in the same mouse model of melanoma.

“That’s a strong demonstration of how [removing] a different transcription factor can do almost exactly the same thing,” she said.

From a practical standpoint, developing drugs that can manipulate the transcriptional machinery of already exhausted T cells in the body may be particularly challenging, Dr. McCarthy said. So approaches like CAR T-cell therapy, where you can genetically engineer effector T cells in the laboratory, she continued, may be the best option for translating these findings into new treatments.