바이오인

 장내 미생물이 항암 치료 효과에 미치는 영향

[요약문]

미생물총(microbiome)은 체내에 존재하는 모든 미생물군의 집합체를 의미한다. 미생물총은 숙주의 신진대사, 면역, 호르몬, 항상성 등의 기능에 중대한 영향을 미친다. 최근, 마우스 모델과 임상 연구를 통해 장과 종양내 미생물이 항암 치료 효과에 미치는 영향이 밝혀지고 있다. 이에 따라, 항암 치료 효과를 개선하기 위한 장과 종양내 미생물을 포함한 미생물총을 표적으로 하는 연구가 부각되고 있다. 본 리뷰에서는, 미생물총이 항암요법과 항암 면역작용에 영향을 미치는 기전에 관하여 알아보고자 한다.

[목차]

1. 서론
2. 본론
  2.1 미생물총과 발암과정(carcinogenesis)
  2.2 종양내 미생물총이 항암 치료 효과에 미치는 영향
   2.2.1 종양내 미생물의 발견
   2.2.2 종양내 미생물총의 긍정적인 영향
   2.2.3 종양내 미생물총의 부정적인 영향
  2.3 장내 미생물총이 전신에 미치는 영향
   2.3.1 장과 GALT의 상호작용
   2.3.2 대사산물
  2.4 장내 미생물총과 항암 치료 효과
   2.4.1 항암화학요법
   2.4.2 방사선요법
   2.4.3 표적항암제
   2.4.4 Cytokine 치료제
   2.4.5 면역관문억제제
   2.4.6 T 세포 치료제
3. 결론

[내용]

1. 서론

 생후 초기, 외부 환경에 노출되며 체내 미생물의 생태계가 형성된다. 이렇게 형성된 미생물총(microbiome)은 체내 면역 기능에 영향을 미쳐 면역 억제 혹은 면역 활성을 유발할 수 있다. 미생물이 면역계와의 상호작용을 통해 암을 포함한 질환에 중대한 영향을 미침이 밝혀지며 미생물에 대한 관심이 증대되고 있다. 최근에는 차세대염기서열분석기술(next generation sequencing, NGS)을 통해 미생물총의 구성을 조사하고, 유전자 정보, 전사체, 단백체, 대사체 등에 대해 분석하며 미생물총에 대한 이해를 넓히고 있다.

미생물의 항상성은 체내 면역체계와의 지속적이고 역동적인 상호작용에 의해 유지된다. 미생물총의 균형은 깨어지기 쉬우며, 그 '불균형(dysbiosis)'은 암을 포함한 만성적인 질환의 원인이 될 수 있다(그림 1). 최근, 마우스 모델과 임상 연구를 통해 종양내뿐만 아니라 장내 미생물이 항암 치료 효과에 미치는 영향을 확인하였다. 미생물은 샘플링이 가능하고, 회복력이 있으며, 표적이 용이하기 때문에, 분변미생물이식(fecal microbiota transplantation, FMT), 건강보조식품과 같은 조절법을 통해 치료 효과를 개선할 수 있는 매력적인 표적으로 부각되고 있다. 본 리뷰에서는 항암 치료 효과와 관련된 종양내 및 장내 미생물총과 면역반응 사이의 상호작용에 대해 알아보고자 한다.

2. 본론

2.1 미생물총과 발암과정(carcinogenesis)

미생물총이 항암 치료 효과에 미치는 영향을 이해하기 위해서, 먼저 발암과정에 미치는 영향을 살펴보자. 여러 가지 요인이 발암의 원인이 되어 비정상적인 세포의 과다한 증식을 유발할 수 있다. 이렇게 형성된 종양은 면역편집(immunoediting) 과정을 거치면서 숙주의 면역감시를 회피하며 성장한다. 다양한 암종에서 미생물총이 면역편집에 영향을 미치는 것으로 밝혀지고 있다. 종양과 미생물의 항원은 면역계의 교차활성을 야기하고 미생물의 특정 분자구조는 패턴 인식 수용체(pattern recognition receptor, PRR)를 활성화하여 체내 면역반응에 영향을 준다. 또한, 미생물은 다양한 암종의 여러 가지 발암요인에 영향을 미치고, 암 특징(cancer hallmarks)을 결정하며, 염증을 조절하고, 숙주 세포의 유전적 안정성에 영향을 줄 뿐만 아니라, 특정 대사물을 생성하여 후성 유전적으로 숙주의 유전자 발현을 조절할 수 있다.

헬리코박터균(Helicobacter pylori; 위암), Fusobacterium nucleatum (F. nucleatum; 대장암)을 포함한 다양한 박테리아가 발암과정에 관여하는 것으로 알려져 있다. 어떻게 균이 암을 유발하는지 그 기전은 아직 명확하게 규명되지 않았으나 몇 가지 가설이 제시되고 있다. 균의 발암-일과성 모델(bacterial driver?passenger model)에서, ‘발암균(driver bacteria)’이란 B2 대장균(Escherichia coli, E. coli)의 경우처럼, 단일 가닥 DNA에 손상을 주고 돌연변이를 증가시키며 감염한 세포에서 군집을 형성(colony formation)하여 유전적 불안정성(genomic instability)을 높여 암을 유발하는 균이다. 또한, 장독소 생성 Bacteroides fragilis 또는 colibactin 독소는 지속적인 Th-17 염증 반응을 유도하여 종양 형성을 촉진한다. 이후 군집은 점진적으로 감소하여, ‘일과성균(passenger bacteria)’ 으로 바뀔 수 있다. 일과성균은 건강한 상태에서는 잘 드러나지 않다가, 국소적으로 선천성 면역을 억제하여 암을 유발할 수 있다.

예를 들어, Staphylococcus gallolyticus는 대장 종양미세환경(tumor microenvironment, TME)에서 종종 발견되는 일과성균으로서, 분화된 상피조직을 통과하여 기저막 콜라겐섬유(비정상적인 대장벽)에 생물막(biofilm)을 형성할 수 있다. 또한, 인유두종바이러스 (HPV), B형 간염 바이러스(HBV), C형 간염 바이러스(HCV), Epstein-Barr 바이러스(EBV), Kaposi의 육종 herpesvirus(KSHV), 제1형 사람 T 세포백혈병바이러스(HTLV-1)와 같은 바이러스도 종양과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 보다 최근에는, 거대세포바이러스(CMV)가 교모세포종(glioblastoma multiforme)에서 확인되었고, 메르켈 세포 폴리마 바이러스(MCPyV)가 메르켈 세포암과 관련 있음이 보고되었다. 바이러스는 형질전환 단백질이나 noncoding RNA를 발현하여 숙주 세포의 신호전달 및 유전자 발현을 조절하여 암을 유발할 수 있다. 또한, 바이러스 DNA가 숙주의 유전체에 삽입되어 암을 유발하기도 한다. 현재 다양한 암종에 대한 마우스 모델에서 미생물이 발암에 미치는 영향이 활발하게 연구되고 있으며 향후 ‘발암균’이 추가로 규명될 것으로 기대된다.

2.2 종양내 미생물총이 항암 치료 효과에 미치는 영향

2.2.1 종양내 미생물의 발견

19세기, 코흐(Koch)와 파스퇴르(Pasteur)는 최초로 종양내 세균을 발견하였다. 1890년, 윌리엄 러셀(William Russell)은 암조직에서 암 기생충을 처음으로 확인하고 이를 학계에 보고하였다. 그러나 20세기 초에는 종양내 미생물이 발암과 관련이 있다는 이론은 주목받지 못했다. 최근 증거가 축적되며 미생물이 면역계와의 상호작용을 통해 실제로 암성장에 기여하고 전신 반응을 조절하는 것으로 인정받고 있다. 예를 들어, 식단과 같은 여러 요인은 종양내 박테리아 구성에 영향을 미칠 수 있고 실제로, 통곡물과 식이 섬유가 풍부한 식단을 섭취하면 F. nucleatum-양성 대장암의 위험을 낮출 수 있는 것으로 밝혀졌다.

미생물이 종양으로 이동하는 기전은 다양하다. 점막 장벽(mucosal barrier)이 손상되면 장내 미생물은 상피 조직에 접근할 수 있으며 혈액을 따라 이동하여 종양에 ‘정착’ 할 수 있다. 종양 조직 내에서 미생물은 암세포나 기질 세포 내로 침투할 수 있으며, 세포 괴사(necrosis) 또는 저산소(hypoxia) 환경에서 영양분(예: purine), chemoattractant(예: aspartate), 비정상적인 신혈관계(neovasculature), 국소적인 면역 억제 등에 의해 그 증식이 촉진된다.

최근에는 미생물과 TME 간의 복잡한 상호작용을 확인하였다. 예를 들어, 박테리아는 PRR과 염증조절복합체(inflammasome)를 통해 선천면역계를 조절하여 종양에 유리한 염증 환경을 조성할 수 있다. 실제로, 유전자 조작한 Salmonella 면역치료제는 TLR4 (toll-like receptor 4) 신호 전달계를 통해 단핵구/대식세포와 호중구의 종양으로의 침투를 유도할 수 있음을 대장암 마우스 모델에서 확인하였다. 비록 미생물의 역할에 대한 논란이 계속되고 있지만, 특정 환경에서 염증성 Th17 CD4+ 림프구와 그에 의한 종양 촉진 cytokine인 IL-17, IL-23의 생성을 조절하여 적응면역계에도 기여하는 것으로 확인하였다. 대장암 마우스 모델에서, 미생물의 생성물에 의해 활성화된 골수 세포는 IL-23을 생성하여 암성장을 촉진하였다. 또한 젖산과 같은 미생물의 생성물은 nuclear factor of activated T cells (NFAT)의 발현을 억제하여 TME를 산성화(acidification)함으로써 종양의 면역 회피(immune escape)에 기여하였다. 게다가, 종양내 병원균은 치료 종류와 기전에 따라 항암 치료 효과에 긍정적인 혹은 부정적인 영향을 미친다. 이에 관해 다음 단락에서 살펴보자.

2.2.2 종양내 미생물총의 긍정적인 영향

 미생물을 이용하여 암을 치료하는 접근법은 생각보다 오래전부터 시도되었다. 1891년, William Coley가 종양내 미생물총이 항암요법으로 사용될 수 있음을 보고하였다. 실제로, 국소 방광암에 대한 표준 치료로 Bacille Calmett-Guerin (BCG)가 사용되고 있다 . 또한, 종양내 미생물총은 종양을 외래 항원으로 인지할 수 있도록 하여 항암 면역반응을 촉진하므로 전신요법, 특히 면역요법의 효과를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 두경부 편평세포암 (HNSCC)에서 HPV는 IFNγ+CD8+ T 림프구와 IL-17+CD8+ T 림프구의 수를 증가시키는 것으로 알려져 있다. HPV+ 세포는 HPV- 세포에 비해 상대적으로 DNA 이중사절단(DNA double strand break, DSB)과 G2 세포주기 정지(G2 cell cycle arrest) 세포가 많아 방사선 감수성(radiosensitivity)이 높다. 또한 항-PD-1/PD-L1 항체 치료에 대한 임상 반응률이 HBV 및 HCV 관련 간세포암, 신세포암, Merkel 세포암에서 높게 나타나고 있다.

이렇듯 치료에 긍정적인 영향을 미치는 기전은 다음과 같다; (i) 면역관문인자(예: PD-L1)의 과발현. EBV+ 위암을 대상으로 한 avelumab 임상시험에서 RNA 염기서열분석 결과로 확인하였다; (ii) 박테리아 항원에 대한 분자 모방(molecular mimicry). HIV-1 임상시험에서 HIV-1의 외피성 단백질인 gp41에 대한 교차반응 항체를 확인하였다; (iii) 선천성면역 및 TLR 매개 체내 반응에 대한 직접적인 관여. FlaB를 분비하도록 유전자 조작한 박테리아를 이용한 대장암 마우스 모델에서 확인하였다; (iv) E. coli 유래 외막낭 (outer-membrane vesicles, OMV)에 의한 급격한 IFN-γ 반응 증가. 대장암 마우스 모델에서 확인하였다; (v) 염증성 cytokine (IL-1α, IL-1β, IL-6) 생성 증가. KSHV에 감염된 사람의 단핵구에서 확인하였다.

종양내 미생물이 전신요법에 미치는 간접적인 영향 외에, 이러한 병원균은 백신이나 T 세포 이식(adoptive T cell transfer, ATC)요법의 직접적인 표적이 될 수 있다. EBV-특이 CD8+ T 세포 치료제는 환자의 항-EBV 면역을 회복시킬 수 있으므로 EBV 관련 암종(비인두암, Hodgkin 림프종, NK/T 세포 림프종)에 대한 치료제로 효과적일 수 있다. 또한 HPV+ HNSCC 및 자궁경부암, CMV+ 교모세포종(glioblastoma multiforme, GBM)에 대한 ATC요법도 개발되고 있다.

2.2.3 종양내 미생물총의 부정적인 영향

 종양내 미생물이 항암 치료에 미치는 부정적인 영향에 대한 기전도 보고되고 있다. MC-26 대장암 마우스 모델에서 나타난 항암제 gemcitabine에 대한 내성이 박테리아 효소인 cytidine deaminase (CDDL)에 의해 유발됨을 확인하였다. CDDL은 사람 대장 조직에서 항암제를 비활성 상태로 변환할 수 있으며 화학요법 이후의 재발과도 관련이 있다. 또한, HCT116, HT29, SW480 세포를 이식한 이종이식 마우스 모델에서 F. nucleatum이 TLR4와 MYD88 선천성 면역 신호 전달계와 autophagy를 활성화할 수 있는 miR-18과 miR-4802를 타겟팅하여 항암제 5-fluorouracil 및 oxaliplatin에 대한 반응을 조절함을 확인하였다.

사람과 마우스 모두에서, 정상 췌장보다 췌장암에 더 많은 미생물이 있다. 종양내 미생물총은 단세포의 TLR을 선택적으로 활성화하여 면역 관용을 유도함을 KC와 KPC 마우스 모델에서 확인하였다. 박테리아를 제거하자: (i) 골수유래 면역억제 세포(myeloid-derived suppressor cells, MDSC)의 감소, (ii) M1 대식세포로의 분화 증가, (iii) Th1으로의 분화 촉진을 포함하여 TME의 면역 특성이 바뀌었다. 또한, 박테리아를 제거하면 PD-1 발현이 증가하여 항-PD-1 면역 치료의 효과가 향상되었다. 이외에도, 면역요법에 대한 반응이 다양한 기전에 의해 저해될 수 있다. 예를 들어, (i) HPV에 감염된 U2OS 세포에서, E6 및 E7에 의해 MHCI 발현이 감소되거나; (ii) 만성 바이러스 감염에 의해 1형 IFN이 지속적으로 생성되어 면역억제 PD-L1과 indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO)이 발현되고 조절 T 세포(T regulatory cell, Treg)가 증가됨을 흑색종 마우스 모델에서 확인하였다; (iii) 단쇄지방산(short-chain fatty acid, SCFA; butyrate, propionate)과 같은 박테리아 대사물은 사람 단세포 유래 수지상세포(dendritic cell, DC)의 염증성 chemokine과 cytokine 생성을 감소시킨다; (iv) 세포치사 팽창성 독소(cytolethal distending toxin, CDT)인 Mycobacterium ulcerans 수용성 인자와 같은 박테리아 독소는 IL-2 생성을 억제하여 림프구의 증식을 제한한다; (v) 종양내 F. nucleatum은 골수성세포를 종양으로 끌어들여 T 세포의 사멸을 유도한다; (vi) F. nucleatum의 Fap2 단백질은 사람 NK 및 T 세포에 TIGIT과 같은 면역 체크포인트 발현을 증가시킨다.

따라서, 종양내 병원균과 숙주 내 면역반응 사이에는 복잡한 상호작용이 존재하며, 암치료에 긍정적이거나 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특정 병원균이 특정 암종에 어떤 영향을 미치는지 알기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

...................(계속)

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