Role of interleukin-7 in radiation-induced lymphopenia

Abstract

목적 : 국소 방사선 요법은 전신적인 림프구 감소로 이어질 수 있으며, 이는 암 환자의 생존률에 안 좋은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 인터루킨 7은 림프구의 항상성에서 중요한 역할을 한다. 그러나 인터루킨 7이 방사선 유발 림프구 감소증을 회복시킬수 있는지 여부는 아직 연구되지 않았다. 우리는 본 연구에서 간암 환자에서 방사선유발 림프구 감소증에 대한 IL-7의 역할을 알아보고자 했다. 또한 방사선 유발 림프구 감소증 동물 모델을 확립하여 외인성 인터루킨 7이 미치는 영향을 확인하였다. 대상 및 방법: 2016-2018년에 방사선치료를 시행한 간세포 암종 환자 99 명을 전향적으로 등록하여 방사선치료 전후에 혈액 인터루킨 7을 수준을 분석하였다. 급성 중증 림프구 감소증은 방사선치료 동안 총 림프구 수 <200 세포/μL로 정의되었다. 콕스 회귀 및 로지스틱 회귀 모델을 사용하여 전체 생존율 및 급성 중증 림프구 감소증에 대한 예측 인자를 찾기 위해 단변량 및 다변량 분석을 수행했다. 동물 모델을 확립하기 위하여 C3H/HeN 마우스의 오른쪽 다리에 방사선 3 Gy를 10회 조사하였다. 방사선치료 후에 10 mg/kg의 인터루킨 7을 피하 주사 하였다. 총 림프구 수와 림프구 아형의 숫자를 혈액에서 측정하였다. 종양 마우스 모델의 경우, HCa-1 세포를 마우스의 오른쪽 허벅지에 피하로 접종하였고 동일한 치료를 하였다. 결과 : 41 명 (41.4 %)의 환자가 급성 중증 림프구 감소증이 발생했다. 급성 중증 림프구 감소증이 발생한 환자는 발생하지 않은 환자보다 생존율이 유의하게 감소되었다(중앙값, 12.0개월 대 23.2 개월, 유의수준 0.002). 림프구 감소증이 2개월 시점에서 회복된 환자는 회복되지 않은 환자보다 우수한 생존율을 보였다(중앙값, 21.8개월 대 10.3 개월; 유의수준 0.042). 급성 중증 림프구 감소증은 생존율에 대한 독립적인 예후 인자였다 (위험도 1.98, 95% 신뢰 구간 1.11-3.54, 유의수준 0.020). 급성 중증 림프구 감소증이 없는 환자는 방사선치료 전 인터루킨 7이 유의하게 더 높았다 (3.02 pg/mL 대 2.07 pg/mL; 유의수준 0.009). 다변량 분석에서, 높은 방사선치료 전 인터루킨 7은 급성 중증 림프구 감소증 발생과 음의 상관관계가 있었다(1pg/mL 증가 당, 위험도 0.32, 95% 신뢰구간, 0.15–0.68, 유의수준 0.003). 인터루킨 7 변화는 급성 중증 림프구 감소증에 대한 피드백 반응으로 나타났다. 급성 중증 림프구 감소증에 있는 경우 인터루킨 7의 변화량이 컸고(0.48 pg/mL) 없는 경우에 작았다 (-0.64 pg/mL, 유의수준 0.001). 방사선치료 후 인터루킨 7은 2 개월째의 총 림프구 수와 유의한 양의 상관관계가 있었다. 마우스 모델에 방사선치료를 시행했을 때 총 림프구 수가 2 일에 처음의 20 %로 현저하게 감소하고 3 주에 걸쳐 점차 회복되는 것을 관찰하였다. 병합치료(방사선치료 및 인터루킨 7) 군에서는 총 림프구 수는 1 주차에서 기준선 수준의 373 %로 급증하였고 3 주에 걸쳐 점차 감소하였다. CD3+, CD19+ B, CD8+ T, CD4+ T 및 Treg 세포에서도 유사한 경향이 관찰되었다. 종양 마우스에서도 같은 경향성을 관찰하였다. 면역조직염색을 했을 때 종양세포에서 T세포 침윤은 인터루킨 7 또는 병합치료 군 및 대조군 또는 방사선치료 군에서 더 컸다. 대조군에 비해 방사선치료 군에서 종양 성장이 유의하게 억제되었으며, 병합치료군에서 더욱 유의하게 억제되었다. 중앙 생존 기간은 방사선치료 군 (56일, 95% 신뢰구간 53-59일, 유의수준 0.0382), 인터루킨 7 군 (36일, 95% 신뢰구간 29-43일, 유의수준 0.0004), 및 대조군 (36일, 95% 신뢰구간 23-49일, 유의수준 <0.0001)보다 병합치료 (도달하지 않음)에서 유의하게 길었다. 결론: 인터루킨 7은 암 환자에서 방사선치료로 유발된 림프구 감소증의 발생과 회복과 관련이 있었다. 마우스 모델에서 방사선치료 후에 외인성 인터루킨 7을 투여한 결과 림프구 수를 증가시킬뿐만 아니라 항종양 효과를 보였다. 외인성 인터루킨 6은 방사선 유발 림프구감소증을 회복시킬 뿐만 아니라 방사선치료와 병합했을 때 치료성적을 향상시킬 수 있다. 이 연구 결과는 앞으로 임상적 연구에서 검증이 필요할 것이다. Purpose: Local irradiation (IR) can lead to systemic lymphocyte depletion, which is associated with poor survival outcomes in cancer patients. Interleukin-7 (IL-7) plays an important role in lymphocyte homeostasis; however, its role in alleviating radiation-induced lymphopenia has not been explored. In this study, we aimed to assess the role of IL-7 in radiation-induced lymphopenia in patients with hepatocellular carcinoma. In addition, we established a radiation-induced lymphopenia animal model and evaluated the effect of exogenous IL-7 administration. Materials and Methods: First, 99 patients with hepatocellular carcinoma treated with RT in 2016–2018 were prospectively enrolled. Blood IL-7 levels was assayed before and after RT. Acute severe lymphopenia (ASL) was defined as a TLC <200 cells/μL during radiotherapy (RT). Univariable and multivariable analyses were performed to identify the predictors of overall survival (OS) and ASL development, using Cox regression and logistic regression models, respectively. Next, C3H/HeN mice received IR of 30 Gy in 10 fractions at the right hind limbs. After IR, 10 mg/kg of IL-7 was injected subcutaneously. Lymphocyte subset counts and total lymphocyte count (TLC) in blood were measured. HCa-1 cells were inoculated subcutaneously into the right thighs of tumor mouse models, which underwent the same treatment. Results: Forty-one (41.4%) patients developed ASL. Patients with ASL had significantly poorer OS than those without (median, 12.0 vs. 23.2 months, p=.002); patients who recovered at 2 months showed better OS than those who did not recover (median, 21.8 vs. 10.3 months; p=.042). ASL was an independent prognostic factor of poor OS (hazard ratio [HR], 1.98; 95% confidence interval [CI], 1.11–3.54, p=.020). Patients without ASL had significantly higher pre-RT IL-7 levels (3.02 pg/mL vs. 2.07 pg/mL; p=.009). On multivariable analysis, high pre-RT IL-7 levels were significantly negatively associated with ASL development (per 1 pg/mL increase: HR, 0.32; 95% CI, 0.15–0.68; p=.003). IL-7 level changes showed feedback response to ASL, with a higher ΔIL-7 (post-RT IL-7 minus pre-RT IL-7; 0.48 pg/mL) in patients with ASL and a lower ΔIL-7 (-0.64 pg/mL) in those without ASL (p<.001). Post-RT IL-7 levels were significantly positively correlated with the TLC at 2 months. In the naïve mouse model, TLC was decreased to 20% on day 2 and gradually recovered to the initial level over three weeks in the IR group, whereas it was markedly increased to 373% on week 1 in the IR+IL-7 group. Similar trends were seen in CD3+, CD8+, CD4+, regulatory T cells, and CD19+ B cell counts. Similar findings were observed in tumor mouse model. T cell infiltration in pathologic specimens was greater in the IL-7 or IR+IL-7 groups than in the control or IR groups. Tumor growth was significantly suppressed in the IR group than in the control group, while the suppression was more heightened in the IR+IL-7 group. Median survival time was significantly longer in the IR+IL-7 group (not reached) than in the IR group (56 days; p=.0382), in IL-7 group (36 days; p=.0004), or in control group (36 days; p<.0001). Conclusion: IL-7 was associated with the development of and recovery from radiation-induced lymphopenia in cancer patients. Administration of exogenous IL-7 after IR not only restored the immune cell counts but also enhanced the anti-tumor effect. Exogenous IL-7 can be beneficial in overcoming radiation-induced lymphopenia and enhancing the treatment outcome in combination with radiotherapy, which needs validation through future clinical studies.