Investigation of the distinctive role of lung macrophage subtypes in airway inflammation

Abstract

폐의 대식세포는 여러 아형으로 구성되며, 염증 상황에서 다양한 역할을 한다. 우리는 급성 호흡기 염증 상황에서 폐포 대식세포의 역할과 만성 호흡기 염증 상황에서 간질 대식세포의 역할에 대해 연구하였다. 본 연구 1부에서, 황색포도상구균 감염 시 폐포 대식세포의 유입이 폐에서 호중구성 염증을 억제하였다. 여러 병원체에 대해 폐포 대식세포는 항상성 유지와 상처 회복에 중요한 역할을 한다고 알려져 있지만, 황색포도상구균 감염 시 폐포 대식세포의 유입 방법과 작용 방법은 잘 알려지지 않았다. 우리는 황색포도상구균 감염 시 폐포 대식세포 유입을 조절하는 NADPH oxidase 4 (NOX4) 의 면역학적 역할을 규명하였다. NOX4 유전자 조작 생쥐는 야생형 생쥐에 비해서 폐포 대식세포의 유입이 감소하였고, 황색포도상구균 감염에 취약했다. 감염 시, 폐포 대식세포를 제거한 생쥐에서 대조군에 비해 호중구의 침윤, 폐 손상 그리고 염증이 증가하였다. 또한 우리의 연구는 황색포도상구균 감염 시 혈관 내피세포의 NOX4 가 ICAM1 발현을 증가시켜 폐포 대식세포 모집을 증가시키는 것을 밝혔다. 위의 결과를 통해, 우리는 혈관 내피세포의 NOX4-ICAM1 axis 를 통한 폐포 대식세포 유입이 급성 호중구 염증의 완화에 필요함을 제시하였다. 본 연구 2부에서, CD39+CD9+ 간질 대식세포는 호중구 세포외 덫 생성 (NETosis) 을 막아, IL-23-T 도움 17 (Th17) 매개된 호중구성 천식을 억제하였다. IL-23-Th17 axis 는 여러가지 염증 상황에서 호중구성 염증에 중요하다고 알려져 있다. 또한 우리의 호중구성 천식은 Th17 활성과 호중구성 염증, 그리고 NETosis 가 증가하는 양상을 보였고, 우리는 호중구성 천식에서 호중구성 염증을 억제할 수 있는 새로운 pathway를 발견하였다. 단일 세포 다중 오믹스 분석을 통해 호중구성 천식에서 감소하고, IL-23 저해 항체 처리 시 증가하는 CD39+CD9+ 간질 대식세포를 확인하였다. CD39+CD9+ 간질 대식세포의 입양 전이 (adoptive transfer) 는 NETosis 와 앞선 호중구성 천식의 양상을 억제하였다. CD39+CD9+ 간질 대식세포는 CD9을 통해 호중구에 부착하고, CD39를 통해 호중구 주위의 ATP 를 분해하여 NETosis 를 막았다. 또한 우리의 결과는 CD39+CD9+ 간질 대식세포가 IL-23-Th17 axis 만큼 효과적인 호중구성 염증 조절자라는 것을 밝혔다. 마지막으로, 심각한 천식 또는 만성 비부비동염을 가진 환자에서 CD39+CD9+ 간질 대식세포가 가벼운 천식 또는 약한 비부비동염 환자에 비해 줄어있었다. 위 결과는, IL23-Th17를 통한 호흡기 염증 질병에서 CD39+CD9+ 간질 대식세포가 세포 치료로 사용 될 가능성을 제시한다. 종합적으로, 우리는 폐에서 대식세포의 특정 아형들이 급성 및 만성 호흡기 염증 상황에서 호중구성 염증을 조절하는 중요한 역할을 한다는 사실을 규명하였다. Lung macrophages comprise several subtypes and play diverse roles in states of inflammation. Here, we investigate the roles of alveolar macrophages (AM) in acute airway inflammation and interstitial macrophages (IM) in chronic airway inflammation. In Part 1, when the lungs are infected with bacteria, alveolar macrophages (AMs) are recruited to the site and play a crucial role in protecting the host by reducing excessive lung inflammation. Despite this pivotal function, the regulatory mechanisms triggering the recruitment of AMs to lung alveoli during an infection remain not fully understood. In our study, we identified a critical role for NADPH oxidase 4 (NOX4) in the recruitment of AMs during S. aureus lung infection. Our findings reveal that NOX4 knockout (KO) mice exhibited decreased recruitment of AMs, accompanied by increased lung neutrophils and injury compared to wild-type (WT) mice, all in response to S. aureus infection. Interestingly, the burden of S. aureus in the lungs showed no significant difference between NOX4 KO and WT mice. Furthermore, we observed that depletion of AMs in WT mice during S. aureus infection led to an increase in the number of neutrophils and lung injury, similar to levels observed in NOX4 KO mice. Additionally, we found that expression of intercellular adhesion molecule-1 (ICAM1) in NOX4 KO mice-derived lung endothelial cells was lower than that in WT mice-derived endothelial cells. Therefore, we conclude that NOX4 plays a crucial role in inducing the recruitment of AMs by controlling ICAM1 expression in lung endothelial cells. This regulation is responsible for resolving lung inflammation during acute S. aureus infection. In Part 2, CD39+CD9+ IMs suppress IL-23/Th17-mediated neutrophilic asthma by inhibiting NETosis. IL-23-Th17 axis is responsible for neutrophilic inflammation in various inflammatory diseases. Here, we discovered a novel potent pathway to suppress neutrophilic inflammation in severe asthma. In our neutrophil- dominant asthma (NDA) model, single-cell multiomics analysis identified a subpopulation of CD39+CD9+ IMs suppressed by IL-23 in NDA conditions, but increased by IL-23 inhibitor. Adoptively transferred CD39+CD9+ IMs suppressed neutrophil extracellular trap formation (NETosis), a representative phenotype of NDA, together with Th17 cell activation and neutrophilic inflammation. CD39+CD9+ IMs first attach to neutrophils in a CD9-dependent manner, and then remove ATPs near neutrophils that contribute to NETosis in a CD39-dependent manner. Our results suggest that CD39+CD9+ IMs are a potent regulator of NETosis in neutrophilic inflammation, comparable to Th17 cells in IL-23-Th17 axis. We finally demonstrated decreased CD39+CD9+ immune cells in patients with severe asthma or chronic rhinosinusitis, suggesting CD39+CD9+ IMs as a potential therapeutic target for IL-23-Th17-mediated airway inflammatory diseases. Taken together, our study demonstrates that specific subtypes of macrophages play crucial roles in regulating neutrophilic inflammation during both acute and chronic airway inflammation in the lung.