Regulation of natural killer cell activity and inflammatory responses by mesenchymal stem cell secretome

Abstract

Mesenchymal stem cells (MSCs) exhibit immunomodulatory properties by secreting a diverse range of soluble factors collectively known as the secretome. This secretome has displayed therapeutic potential not only in autoimmune diseases but also in various other medical conditions. Despite this, the specific key factors within the MSC secretome and their precise mechanisms of action on immune cells remain incompletely understood. While most in vitro experiments use various types of immune cells, studies specifically focusing on natural killer (NK) cells are limited and have yielded inconsistent results. NK cells play a crucial role in directly killing target cells, such as cancer or virus-infected cells, and supporting other immune cells. However, abnormalities in NK cell number and function are observed in autoimmune environments, and the exact cause or its implication in disease progression remain unclear. This study has a dual purpose. First, to elucidate the impact and mechanisms of action of the adipose tissue-derived stem cell (ADSC) secretome on NK cell activity. Second, to analyze the characteristics of NK cells in lupus nephritis (LN), a common complication of systemic lupus erythematosus (SLE), an autoimmune disease, and investigate the in vivo changes and inflammatory regulation mechanisms due to ADSC secretome administration. In Chapter 1, based on previously published data in Stem Cell Research & Therapy (November 2023), we conducted in vitro experiments utilizing human-derived NK cells and observed that the ADSC secretome selectively inhibited effector functions of NK cells induced by IL-2 while maintaining normal proliferation. This effect was associated with a decrease in the expression of NK cell surface activating receptors (NKG2D, NKp30, NKp46) and IL-2 receptors (CD25, CD132), along with an increase in the expression of the inhibitory receptor CD96. Intracellularly, the ADSC secretome upregulated the negative regulators CIS and DUSP4, thereby interfering with the IL-2 signaling pathway in NK cells. In Chapter 2, through ex vivo experiments utilizing mouse splenic NK cells, we observed that their activity and receptor expressions closely resembled those of human NK cells. Furthermore, upon employing NZB/W F1 mice with lupus nephritis, we observed infiltration of their NK cells into the target organ, the kidney, albeit displaying an exhaustion phenotype with dysfunction. While NK cells may paly a protective role in the lupus environment by eliminating autoreactive immune cells, their function appears impared due to prolonged inflammation over time. Moreover, the administration of the ADSC secretome mitigated the inflammatory response and preserved renal structure and function. This occurred as the ADSC secretome reduced the abundance of inflammatory immune cells in both the spleen and kidneys, and upregulated the suppressed regulatory function of NK cells, partially restoring the NK cell phenotype towards a normal state. In conclusion, the ADSC secretome selectively modulates NK cell activity by suppressing effector functions while maintaining cell proliferation when NK cells are transiently stimulated. Additionally, it induces the recovery of suppressed NK cell function by regulating the expression of surface receptors to a normal phenotype in chronic inflammation. Therefore, the MSC secretome holds the potential as an immune modulator, targeting inflammatory and autoimmune diseases mediated by NK cells.

중간엽줄기세포(MSCs)는 면역조절 특성을 지니고 있으며, 분비단백체라고 불리는 이들의 수용성 물질들을 세포 밖으로 분비함으로써 자가면역질환에 치료 효과를 줄 수 있다. 그러나 분비단백체내 특정 주요 인자와 이들이 면역세포에 대해 작용하는 구체적인 메커니즘은 완전히 알려져 있지 않다. 이를 밝히기 위한 시험관 내 (in vitro) 실험에는 대부분 면역세포가 사용되어 왔으나, 자연살해세포(NK 세포)를 사용한 실험은 매우 드물며, NK 세포를 활용한 일부 연구에서 조차 일치하지 않는 결과를 보여왔다. NK 세포는 암이나 감염 환경에서 암세포, 바이러스에 감염된 세포 등 표적 세포를 직접 죽이거나 다른 면역 세포들의 활성을 돕는 기능을 갖는다. 하지만 자가면역 환경에서는 NK 세포 수 및 기능 이상이 관찰되며, 명확한 원인이나 이로 인한 질병 진행 관여 측면에서는 여전히 불분명하다. 본 연구의 목적은 첫째, 지방 조직에서 유래한 중간엽줄기세포 분비단백체 (ADSC secretome)가 NK 세포 활성에 미치는 영향과 그 작용 기전을 밝히는 것에 있다. 둘째, 자가면역질환 중 하나인 루푸스 신염에서 NK 세포의 특성을 분석하고, ADSC 분비단백체 투여로 인한 생체 내 (in vivo) NK 세포의 변화와 염증 조절 기전을 밝히는 것에 있다. 1장에서는, 인간 유래 NK 세포를 이용한 시험관 내 실험에서 ADSC 분비단백체 처치 효과와 그 작용 기전을 밝혔다. 이 내용은 2023년 11월에 ‘Stem Cell Research & Therapy’ 학술지에 게재된 데이터를 기반하였다. ADSC 분비단백체는 IL-2에 의한 NK 세포의 정상적인 증식은 유지시키되 효과 기능만을 특이적으로 억제하였다. 이는 NK 세포 표면 활성 수용체 NKG2D, NKp30, NKp46 및 IL-2 수용체 CD25, CD132의 발현은 감소시키고, 억제 수용체 중 유일하게 CD96의 발현을 증가시킴으로써 NK 세포 활성 조절에 기여하는 것으로 여겨진다. NK 세포 내부에서는 ADSC 분비단백체가 음성 조절 단백질 CIS와 DUSP4의 발현을 증가시켜 IL-2의 신호 전달 경로 중 JAK1, JAK3의 인산화는 CIS가, STAT5, AKT의 인산화는 DUSP4가 저해함으로써 NK 세포의 활성을 특이적으로 억제할 것으로 여겨진다. 2장에서는, 먼저 실험용 생쥐 유래 NK 세포를 이용한 시험관 내 실험에서 ADSC 분비단백체 처치 효과를 확인하였다. 생쥐의 NK 세포 역시 ADSC 분비단백체에 의해 사람의 NK 세포와 동일한 변화를 나타냈다. 다음으로 자가면역질환인 루푸스 신염 동물모델 생쥐를 이용하여 루푸스 신염 환경의 NK 세포의 특성과 ADSC 분비단백체에 의한 생체 내 변화를 관찰하였다. 루푸스 신염의 NK 세포는 표적 장기인 신장으로 상당히 축적되었는데, 온전한 기능을 하지 못하는 탈진 표현형 (exhaustion phenotype)을 나타냈다. 이는 NK 세포가 자가반응성 세포들을 제거함으로써 루푸스 환경에서 조직 보호 기능을 수행하나, 오랜 기간 지속적인 염증 자극으로 인해 기능 장애가 나타난 것으로 여겨진다. 게다가 ADSC 분비단백체를 투여하면 염증 반응이 완화되고 신장 구조와 기능이 온전하게 유지되었는데, 이는 ADSC 분비단백체가 비장과 신장 내 염증 세포들의 증식을 억제하면서, 동시에 NK 세포를 정상 표현형으로 회복시킴으로써 억제되었던 NK 세포의 조절 기능을 상향조절하는 것으로 여겨진다. 결론적으로, ADSC 분비단백체는 NK 세포의 활성이 일시적으로 증가할 때에는 효과 기능을 특이적으로 억제하고, 만성 염증으로 인해 제 기능을 하지 못할 때에는 효과 기능을 향상시킴으로써 주변의 환경에 따라 면역 반응을 조절하는 것으로 여겨진다. 따라서 MSC 분비단백체는 NK 세포 기능 조절을 통해 염증성 및 자가면역질환을 표적으로 하는 면역조절제로서의 잠재력을 기대할 수 있다.