Dissection of host factors regulating pathological and protective immune responses in murine models of tuberculosis

Abstract

마우스 모델에서 결핵 감수성 및 항결핵 면역 반응을 조절하는 숙주 면역 인자 연구 결핵(Tuberculosis, TB)은 Mycobacterium tuberculosis (Mtb) 감염으로 인하여 발생하는 높은 위험성을 지닌 폐 감염 질환으로, 전 세계적으로 매년 약 150만 명의 사망자를 지속적으로 발생시키는 극도로 위험한 질병이다. 결핵으로 인하여 야기되는 다양한 위험 인자들을 극복하기 위해서는 결핵의 병인 기전을 정확하게 이해하고 효과적인 결핵 예방 및 치료 수단을 개발할 수 있어야 하며, 그에 따라 항결핵 면역 반응 및 이러한 면역 반응의 수립에 기여하는 각각의 면역학적 요소들에 대한 심층적인 탐구가 필수적이다. In vitro 및 in vivo 실험들을 포괄하는 다양한 실험 및 연구들을 바탕으로, 결핵의 병인 기전 및 항결핵 면역 반응에 대한 이해도를 높이고 결핵에 대한 강력한 예방 및 치료 전략의 발전을 이끌어내는 것이 본 연구의 궁극적인 목표이다. 결핵 면역 병인(TB immunopathogenesis)의 맥락 하에서 결핵에 대한 면역 반응들을 깊이 이해하기 위해, 본 연구는 NADPH 산화효소 2 (NOX2) 결핍 (Nox2-/-) 마우스 모델을 활용하는 새로운 접근법을 채택하였다. Nox2-/- 마우스 모델은 Mtb 감염을 통해 유도되는 면역 반응의 변화에 대한 연구를 수행하고 결핵에 대한 유전적 특이성을 지닌 환자들에게 특이적인 결핵 제어 전략을 연구하기에 적합한 모델로 판단되었다. Nox2-/- 마우스 모델의 결핵 면역 병인에 관여하는 요소들에 대한 연구는 숙주가 결핵균에 대응하는 데 있어 필수적이거나 혹은 유해한 새로운 경로 및 요소를 탐구할 수 있는 새로운 기회가 될 것이라고 판단되며, 결핵 면역 병인에 대한 포괄적인 이해도를 높이는 데도 큰 기여를 할 이라고 여겨진다. 또한 본 연구는 유전적 변이를 지닌 결핵에 취약한 환자들을 위해서 적용될 수 있는 숙주 지향 치료 요법 (host directed therapy) 의 가능성을 수립할 수 있는 기회로도 작용할 것이다. 제1장은 NADPH 산화효소 2 결핍이 숙주의 면역 반응에 미치는 영향을 포괄적으로 설명한다. 이 장은 NOX2 결핍으로 인하여 야기되는 다양한 면역학적 현상들에 주목하였으며, 특히 결핵균과 같은 세포 내 병원체 (intracellular pathogen) 에 대한 높은 취약성, 호중구 및 큰포식세포 기능의 결여, 면역 세포들의 비정상적인 활성화 및 과도한 염증 반응의 발생 등의 현상에 중점을 두었다. 후속 장들에서는 NOX2가 결여된 Nox2-/- 마우스가 결핵균에 감염되었을 때 이와 같은 비정상적인 면역 반응들이 발현하는지에 대한 여부를 확인하고, NOX2 결핍에 의하여 야기된 비정상적 면역 반응들이 Nox2-/- 마우스의 결핵 면역 병인에 어떤 역할을 수행하는지에 대해서 세부적으로 연구할 것이다. 제2장은 결핵에 대한 취약성을 보이는 수컷 Nox2-/- 마우스 모델의 수립 및 결핵의 면역 병인 진행과 관련된 면역학적 요소들을 스크리닝하는 과정에 초점을 맞추었다. 강력한 병원성을 지닌 임상 균주인 Mtb K 균주를 마우스에 감염시킨 결과, 수컷 Nox2-/- 마우스는 야생형 (Wild Type, WT) 마우스 및 암컷 Nox2-/- 마우스와 비교하였을 때 유의미하게 악화된 결핵 병변 및 진전을 보이는 것으로 확인되었다. 결핵에 취약한 수컷 Nox2-/- 마우스에서는 NOX2가 결핍으로 인하여 발생하는 대표적인 표현형들인 과도한 폐 염증 및 폐 내 면역세포 구성 비율의 불균형을 관찰할 수 있었으며, 그 중에서도 특히 결핵 심각성과 매우 강한 상관관계를 보이는 면역학적인 요소인 호중구들의 과도한 폐 유입이 두드러졌다. 본 장에서는 해당 호중구들이 WT 마우스의 호중구와 표현형적, 기능적인 차이를 보인다는 점을 규명하고 해당 호중구들이 수컷 Nox2-/- 마우스에 결핵 취약성을 부여하는 직접적인 요소임을 증명하였다. 제3장은 폐내 호중구의 병원성과 유해한 미성숙 호중구 생성에 필요한 면역학적 기전에 대하여 심층적으로 다루었다. 이 장은 미성숙한 폐 호중구의 표현형을 규명하고, 이러한 미성숙 호중구가 결핵 면역 병인에 있어 매우 중요한 요소임을 검증하였다. 본 장에서는 다양한 in vivo 연구를 통하여 어떠한 면역학적 인자가 미성숙 폐 호중구의 폭발적인 증가에 기여하는지 규명하였으며, 이를 통해 결핵균 감염에 의하여 유도된 G-CSF가 미성숙한 호중구의 형성에 가장 핵심적인 역할을 한다는 사실을 증명하였다. 본 연구 내용을 통하여 결핵 취약성을 조절하기 위해 G-CSF - 미성숙 호중구 축을 표적으로 하는 면역 치료의 가능성을 제시할 수 있었다. 제4장은 결핵에 대한 저항성을 나타내는 다른 마우스 모델을 활용하여 항결핵 면역을 조절하는 새로운 접근법을 연구하였다. 본 장에서는 새로운 TB 저항성 마우스 모델인 콜레스테롤 25-하이드록실레이즈 (Cholesterol 25-hydroxylase, CH25H) 가 결여된 Ch25h-/- 마우스의 결핵 면역 병인 기전을 분석하고 이를 결핵 예방에 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. 본 장은 CH25H의 결여로 인하여 발생하는 선천적 면역 세포의 기능 변화가 수지상세포에 특이적으로 나타나며, 이들로 인해서 결핵균에 대한 방어에 있어 매우 중요한 역할을 끼치는 Th1 면역 반응이 증강된다는 사실을 새롭게 조명하였다. 또한, 이러한 발견을 바탕으로 통해 CH25H 의 결여 시 BCG 백신의 효능이 마우스 모델에서 크게 증가하며 효능이 장기적으로 유지된다는 점을 규명하여 결핵 예방에 대한 면역학적 활용 방안을 또한 제시하였다. 본 연구에서 조명한 NOX2, 미성숙 폐 호중구, G-CSF, CH25H 와 같은 다양한 숙주 요소들을 표적으로 하는 결핵 치료 및 예방 방식 전략들을 수립함으로서 결핵을 치료하고 예방하는 데에 매우 큰 기여를 할 수 있을 것으로 여겨진다.

Tuberculosis (TB) is a severe pulmonary infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection, posing a persistent global public health. In order to advance understanding of TB pathogenesis and devise novel, efficacious preventive measures, there is an imperative need for in-depth exploration of anti-TB immunity mechanisms and host factors. To deepen our understanding of immune responses in the context of tuberculosis (TB) immunopathogenesis, we employed a novel approach by utilizing a NADPH Oxidase 2 (NOX2) knockout (Nox2-/-) mouse model. This model resembles X-linked Chronic Granulomatous Disease (CGD) in human patients and is known to exhibit susceptibility to intracellular pathogens, including Mtb. Additionally, we employed another knockout mouse model, the Cholesterol 25-hydroxylase (CH25H) knockout mouse, which has been reported to demonstrate resistance to intracellular pathogens. By utilizing these distinct mouse models with opposing responses to intracellular pathogens, we aimed to identify critical host factors contributing to susceptibility or resistance against Mtb infection and to elucidate the underlying mechanisms. Chapter I provides a comprehensive overview of immune alterations caused by NADPH Oxidase 2 deficiency, which exhibits altered immune responses across a spectrum of pathogens. This chapter delves into the immunological characteristics of NOX2 deficiency, exploring both innate and adaptive immunity, with a particular emphasis on deficiencies in phagocytosis, dysregulation of immune cell populations, and excessive inflammation. Subsequent chapters will focus on how Mtb infection induces irregular immunologic characteristics in mouse models and whether these uncontrolled immune features influence tuberculosis susceptibility or anti-tuberculosis immunity in vivo. Chapter II focuses on the establishment of a tuberculosis (TB)-susceptible male Nox2-/- mouse model and the screening process of host factors correlated with TB progression. Through in vivo challenge with the highly virulent Mtb K strain, male Nox2-/- mice displayed exacerbated TB pathogenesis compared to wild type (WT) mice and female Nox2-/- mice. We could conclude that the disrupted immune tolerance observed in male Nox2-/- mice following Mtb challenge, characterized by the dominance of pathogenic immature lung neutrophils and uncontrolled inflammation, is hypothesized to be the reason for TB susceptibility in this mouse model. Furthermore, we analyzed the functional and phenotypic properties of atypical Nox2-/- lung neutrophils and concluded that these cells are key drivers of TB pathogenesis in the susceptible male Nox2-/- mouse model. Chapter III delves into the pathogenic role of pulmonary neutrophils and the underlying immunologic mechanisms required for the generation of detrimental immature neutrophils. To identify specific immunologic factors contributing to the uncontrolled generation of pathogenic neutrophils, excessive cytokines upregulated by Mtb infection in male Nox2-/- mice were neutralized using cytokine-specific mAbs. We concluded that G-CSF, rather than other pro-inflammatory cytokines, is the key factor driving the generation of pathogenic immature lung neutrophils. This chapter highlights the pivotal role of G-CSF and pulmonary neutrophil generation in TB pathogenesis and proposes the therapeutic potential of targeting the G-CSF–immature neutrophil axis to modulate TB susceptibility. Chapter IV presents a novel approach to modifying anti-TB immunity through the use of a distinct mouse model. Our study revealed that CH25H deficiency, an interferon-stimulated gene (ISG), alters dendritic cell functionality and enhances Th1 immunity, a critical component of effective defense against Mtb infection. Furthermore, we demonstrated that CH25H deficiency significantly boosts the efficacy of BCG vaccination by promoting Th1 memory responses and sustaining prolonged anti-TB immunity established by BCG immunization in vivo. These findings provide a new perspective on anti-TB immunity by leveraging a unique TB-resistant mouse model with ISG deficiency. Collectively, these findings advance our understanding of the immunological factors that underpin TB pathogenesis in susceptible animal models or individuals. By elucidating the intricate mechanisms of immune dysfunction in TB susceptibility, this research provides valuable insights that can inform future studies and therapeutic strategies.