Re:Re:Re:급성, 만성 염증에서의 마크로파지 분극화(Macrophage polarization in acute and chronic inflammation)

[문형철]

beyond reason

REVIEW ARTICLE

Front. Immunol., 01 February 2019 | https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.00119

The Immunology of Macrophage Activation Syndrome

Courtney B. Crayne1, Sabrin Albeituni2, Kim E. Nichols2 and Randy Q. Cron1*

• 1Pediatric Rheumatology, University of Alabama Birmingham, Birmingham, AL, United States
• 2Department of Oncology, St. Jude Children's Research Hospital, Memphis, TN, United States

Synonymous with secondary hemophagocytic lymphohistiocytosis, macrophage activation syndrome (MAS) is a term used by rheumatologists to describe a potentially life-threatening complication of systemic inflammatory disorders, most commonly systemic juvenile idiopathic arthritis (sJIA) and systemic lupus erythematosus (SLE). Clinical and laboratory features of MAS include sustained fever, hyperferritinemia, pancytopenia, fibrinolytic coagulopathy, and liver dysfunction. Soluble interleukin-2 receptor alpha chain (sCD25) and sCD163 may be elevated, and histopathology often reveals characteristic increased hemophagocytic activity in the bone marrow (and other tissues), with positive CD163 (histiocyte) staining. A common hypothesis as to the pathophysiology of many cases of MAS proposes a defect in lymphocyte cytolytic activity. Specific heterozygous gene mutations in familial HLH-associated cytolytic pathway genes (e.g., PRF1, UNC13D) have been linked to a substantial subset of MAS patients. In addition, the pro-inflammatory cytokine environment, particularly IL-6, has been shown to decrease NK cell cytolytic function. The inability of NK cells and cytolytic CD8 T cells to lyse infected and otherwise activated antigen presenting cells results in prolonged cell-to-cell (innate and adaptive immune cells) interactions and amplification of a pro-inflammatory cytokine cascade. The cytokine storm results in activation of macrophages, causing hemophagocytosis, as well as contributing to multi-organ dysfunction. In addition to macrophages, dendritic cells likely play a critical role in antigen presentation to cytolytic lymphocytes, as well as contributing to cytokine expression‎. Several cytokines, including tumor necrosis factor, interferon-gamma, and numerous interleukins (i.e., IL-1, IL-6, IL-18, IL-33), have been implicated in the cytokine cascade. In addition to broadly immunosuppressive therapies, novel cytokine targeted treatments are being explored to dampen the overly active immune response that is responsible for much of the pathology seen in MAS.

요약문

다양성과 유연성은 마크로파지의 대표적인 두 가지 특징이다. 넓은 스펙트럼의 마크로파지 분극화 양 끝에는 M1 (classically activated macrophages)과 M2 (alternatively activated macrophages)라는 두 가지 마크로파지가 존재하는데, M1 마크로파지는 전-염증성(pro-inflammatory) 특징을 가지고 우리 몸을 침입한 세균을 방어하는데 주요한 역할을 한다. 반면에 M2 마크로파지는 항-염증성(anti-inflammatory) 반응과 조직의 리모델링에 연관이 되어 있다. 

마크로파지의 분극화 전환은 염증성 질환의 초기, 생성, 그리고 휴지기를 조절하기에 관심이 높아지고 있다. 이 보고서에서는 감염성 질환, 패혈증, 동맥맥경화증, 비만, 암, 천식에서 마크로파지 분극화의 특성과 기능에 대해 이야기하고자 한다. 그리고 마크로파지의 분극화 조절로 인한 세포의 단뱡항성 형질전환이 염증성 질환의 치료에 효과를 주는 방법에 대해서도 살펴보고자 한다.

키워드: macrophage polarization, M1, M2, acute inflammation, chronic inflammation
분야: Genomics, Immunology

출처: [BRIC View, 급성, 만성 염증에서의 마크로파지 분극화(Macrophage polarization in acute and chronic inflammation), 이욱빈], https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2740

1. 서론

M1 마크로파지(classically activated macrophages)와 M2 마크로파지(alternatively activated macrophages)로 변화된 형질을 우리는 마크로파지 분극화(macrophage polarization)라고 부른다. 본 주제인 염증성 질환에서 나타나는 분극화된 마크로파지의 특징을 알아보기에 앞서, M1과 M2 마크로파지는 어떻게 발견되었는지 살펴보도록 하자. 마크로파지는 병원균을 제거하기 위해 대식작용을 하는 세포로 Elie Metchnikoff에 의해 처음으로 알려졌다. 1905년, 그는 감염된 동물에서 얻은 마크로파지가 정상의 동물에서 얻은 마크로파지보다 박테리아를 죽이는 능력이 향상된 것을 확인하였는데, 이것은 마크로파지 활성화에 대한 첫 번째 보고였다. 그 후로 오랫동안 많은 과학자들은 ‘어떻게 마크로파지는 더 효과적인 박테리아 킬러로 변할 수 있는가’라는 질문에 대해 답을 찾고자 하였다. 

그리고 1983년, 림프구에서 생성되는 인터페론 감마(interferon-γ (IFNγ))가 휴지기의 마크로파지를 변화시킬 수 있는 매개체임을 처음 찾게 되었다[1]. 인터페론 감마는 마크로파지의 대식작용과 항원 표식 능력(antigen presenting capacity), 전염증성 사이토카인 발현 능력 등을 더욱 강하게 만들어 주었다. 이러한 항세균성 마크로파지 활성화 현상을 현재 우리는 고전적으로 활성화된 마크로파지(classically activated macrophages, CAM) 혹은 M1 마크로파지라고 부른다(그림 1).


그림 1. 타임라인: 마크로파지 분극화의 연구[2]

1989년 헬퍼 T 세포가 Th1와 Th2 구분된다는 발견이 있은 후, Abramson은 Th2에서 생산된 IL-4가 마크로파지를 또 다른 형질로 활성화시킨다는 사실을 발견하였다[3]. 인터페론 감마와 달리 IL-4는 활성 산소와 IL-1β 생성을 억제시키고 주조직 적합 복합체 분자 class II (Major Histocompatibility Complex class II antigens, MHC-II)의 발현을 증가시켰다. 

또한 1992년에 IL-4/IL-13에 의해 MR-1 (mannose receptor 1)의 발현이 증가되는 것을 발견하였는데, 이처럼 MHC-II와 MR-1의 발현이 증가된 마크로파지를 대안적으로 활성화된 마크로파지(alternatively activated macrophages, AAM)혹은 M2 마크로파지라고 부르기 시작했다(그림 1). 이후, 다양한 연구를 통해 면역 복합체(immune complex, IC), IL-1, TGF-β, IL-10, 글루코코르티코이드 등의 자극에 의해서도 대안적 마크로파지 활성화가 일어나는 것을 관찰하였는데, IL-4/IL-13에 의한 활성화와 비슷한 성질을 보였기에 이러한 마크로파지를 M2-like 형질이라고 구분하기도 한다(그림 2, 그림 3).


그림 2. 마크로파지 분극화에서 M1과 M2 마크로파지의 특징[4]

그림 3. 마크로파지 분극화에 대한 모식도[5]



M1과 M2 마크로파지가 주로 발현하는 유전자 그룹을 구분해 보면, M1 마크로파지에서는 염증성 사이토카인의 발현이 증가되는데 TNF-α, IL-1, IL-6, 산화 질소와 활성 산소의 중간 생성물들을 대표적으로 발현한다. 반면에 M2 마크로파지는 Fizz1 (resistin-like-α), Arg1 (Arginase1), Ym1 (chitinase 3-like 3), IL-10, Mrc1(CD206)과 같은 유전자 발현을 증가시키는데, 이러한 유전자들은 기생충 침입, 조직 리모델링, 그리고 종양의 증식(면역제어 기능)과 연관되어 있다[6]. 이러한 마크로파지 분극화에는 중요 전사조절인자들이 관여하는데, STATs, IRFs, NF-κB, AP1, PPAR-γ, CREB 등이 상호간의 조절을 통해 다양한 염증성 질환에서 마크로파지 분극화를 조절하고 있다(그림 4). 이 보고서에서는 이와 같은 다양한 급성, 만성 염증성 질환에서 마크로파지의 분극화가 어떻게 이루어지고 있는지 살펴보고자 한다.


그림 4. 마크로파지 분극화를 조절하는 전사조절인자들의 상호관계[2]

2. 본론

2.1 급성 염증

2.1.1 박테리아 감염

우리 몸이 병원균에 감염이 되면, 혈관을 돌아다니고 있던 염증성 단핵구들(monocytes)은 병원균이 감염된 지역으로 이동하고 마크로파지로 분화하게 된다. 이 때 그 조직에 원래 존재하던 휴지기 마크로파지(resident macrophages)와 항상성 상태를 유지하며 분화하게 된다. 일반적으로, 박테리아 감염의 초기 상황에서는 마크로파지가 M1 형질으로 분화된다. 박테리아 표면에 pathogen associated molecular patterns (PAMPs)가 있다면 마크로파지에 있는 Toll-like receptors (TLRs)와 같은 선천성 면역 수용체는 이 PAMPs를 인식하고, 많은 양의 염증성 매개체나 사이토카인들(TNF-α, IL-1, 산화질소 NO 등)을 생성하여 침입한 외부 물질을 죽이고 적응성 면역(adaptive immunity)를 활성화시키도록 한다[7]. 이러한 메커니즘은 살모넬라(Salmonella typhi, Salmonella typhimurium), 리스테리아(Listeria monocytogenes), 그리고 초기 감염 상황의 결핵균과 같은 마이코박테리아(Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium ulcerans, Mycobacterium avium)들에서 이미 알려져 있다. 만약 마크로파지에 의한 염증 반응이 빨리 조절되지 못하면, 사이토카인 폭풍이 발생해 결국 병원균에 의한 심각한 패혈증이 일어날 수도 있다[8]. 

너무 강한 염증 반응의 반대 급부로 마크로파지는 세포사멸이나 M2 형질로의 분극화를 꾀하여 숙주의 심각한 상해를 피하거나 상처 치료를 촉진하기도 한다. 예를 들어, 장티푸스 환자의 혈액 세포에서 마이크로 어레이와 전사 프로파일링을 했을 때, 치료 중이거나 완치 상황이 되면 M1 유전자나 M1-관련 유전자에서 M2 유전자로 발현이 변하는 것을 알 수 있다[9]. 그람 음성 박테리아의 세포 벽에 존재하는LPS 같은 경우 초기 감염 시 매우 강한 전-염증성(pro-inflammatory) 반응을 일으킨다. 하지만, 감염이 지속되는 경우, 우리 몸은 LPS-관용 상태로 바꾸는데 이때, 마크로파지가 M2 형질로 분극화된다. LPS-관용에 의한 M2로의 형질전환에서 NF-κB의 p50 subunit이 중요한 역할을 담당한다[10]. 하지만 상해가 줄어들면서 M2 형질의 마크로파지는 면역억제 상태(immunosuppressive state)를 만들게 되는데, 이렇게 되면 오히려 다시 감염되기 쉬운 약한 상태가 되어 재발의 위험을 보이기도 한다. 

2.1.2 바이러스 감염

마크로파지 분극화는 바이러스 감염과도 연관이 되는데, M2 형질의 마크로파지가 염증을 억제하고, 조직의 상처 치유를 촉진시키는 일을 한다. 인플루엔자 바이러스는 마크로파지의 대식 기능을 증가시키게 하는데, 이것은 자가사멸된 세포들을 청소하고 염증 반응 종식을 촉진하는 M2 마크로파지의 대표적 특징이다. 사스(severe acute respiratory syndromes, SARS) 바이러스 감염에서, M2 마크로파지는 면역반응을 조절하고 STAT 전사조절인자에 의해 나타나는 섬유증 폐질환의 진행을 막는데 중요한 역할을 한다[11]. 

급성 바이러스 감염에서, 마크로파지는 혈관에서부터 몰려와 TNF-α 등의 염증성 사이토카인들을 내뿜으며 침입한 병원균을 죽이는 강력한 킬러의 역할을 담당한다. 하지만 조직에 원래 존재하던 휴지기 마크로파지는 바이러스 감염 시 완전히 다른 역할을 수행하는데, 예를 들어 쿠퍼 세포(Kupffer cells, KCs)는 scavenger receptor를 통해 자가사멸한 간세포(hepatocytes)를 청소하면서 바이러스에 감염된 간의 손상을 억제한다. 그렇기 때문에 쿠퍼 세포는 만성 바이러스와 연관된 질병에 있어서 병리학적으로 중요한 역할을 수행한다[12]. 그리고 HIV-1 바이러스 감염 시 휴지기 마크로파지가 주요 감염 타겟인데, 이 휴지기 마크로파지는 바이러스 저장고 역할을 하면서 HIV-1을 위험 물질로부터 보호하고 있다가 HIV-1 유래 신경성 질환(HIV-associated neurocognitive disorders, HAND)을 유도하기도 한다[13].

그림 5. 여러 질병들에서 대표되는 마크로파지 분극화[14]


2.1.3 기생충 감염

기생충 감염은 M1과 M2 마크로파지가 모두 연관되어 있는데, 기생충 감염 모델의 기간이나 서브 타입에 따라 조금씩 다르게 나타난다. 일반적으로는 기생충에 감염되면 M2 형질로 마크로파지가 빠르게 변화하는 것으로 관찰된다. 예를 들어, Taenia crassiceps라고 하는 장에 기생하는 기생충에 감염되면 초기에는 Th1-driven M1 형질의 마크로파지 반응을 보인다. 하지만 시간이 지남에 따라 Th2-driven IL-4-mediated M2 형질의 마크로파지가 우세하게 되고, 이것이 기생충의 번식을 억제시킨다[15]. 

기생충에 의한 육아종 생성 과정에서 M2 마크로파지는 T세포 반응을 억제제시키고, 다핵성의 자이언트 세포 생성과 섬유증을 제어하는 역할을 하면서 기생충 감염으로 나타나는 다양한 병리학적 현상들을 제어할 수 있다고 알려져 왔다. 이러한 M2 마크로파지에서 발현되는 C-type lectin receptors (CLRs) 계열의 선천성 면역 수용체가 중요한 역할을 한다는 보고가 많이 되어 있다. 예를 들면 Leishmania infantum 기생충 감염 시, CLRs인 Dectin-1과 mannose receptor에 의해 각각 Sykp47phox와 아라키도닉산-NADPH 옥시데이즈 신호가 활성화되어 활성산소를 만들어내고, Syk-과 연관된 신호인 IL-1β의 생성이 증가된다. 반대로 또다른 CLRs인 SIGNR3는 류코트리엔(leukotriene, LTB) 4- IL-1β 축의 생성 억제를 통해 기생충의 복원을 돕는다고 알려졌다. 이처럼 CLRs는 마크로파지 분극화의 중요 조절자로써, Leishmania infantum 기생충 감염 시 치료의 잠재적 타겟이 될 수 있다. 

REVIEW ARTICLE

Front. Immunol., 26 March 2018 | https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.00590

C-Type Lectin Receptors in Antiviral Immunity and Viral Escape

Marta Bermejo-Jambrina1,2†, Julia Eder1†, Leanne C. Helgers1†, Nina Hertoghs1†, Bernadien M. Nijmeijer1†, Melissa Stunnenberg1† and Teunis B. H. Geijtenbeek1*

• 1Department of Experimental Immunology, Amsterdam Infection and Immunity Institute, Academic Medical Center, University of Amsterdam, Amsterdam, Netherlands
• 2Division of Hygiene and Medical Microbiology, Medical University of Innsbruck, Innsbruck, Austria

C-type lectin receptors (CLRs) are important pattern recognition receptors involved in recognition and induction of adaptive immunity to pathogens. Certain CLRs play an important role in viral infections as they efficiently interact with viruses. However, it has become clear that deadly viruses subvert the function of CLRs to escape antiviral immunity and promote infection. In particular, viruses target CLRs to suppress or modulate type I interferons that play a central role in the innate and adaptive defense against viruses. In this review, we discuss the function of CLRs in binding to enveloped viruses like HIV-1 and Dengue virus, and how uptake and signaling cascades have decisive effects on the outcome of infection.

Arg1 유전자의 경우 M2 마크로파지 분화를 확인하는 주요 마커일 뿐만 아니라, 기생충 감염 시 면역 반응을 조절하는 역할을 한다고도 알려져 있다. 골수성 세포 특이적으로 Arg1이 결핍된 마우스에 Schistosoma mansoni를 감염시킨 경우, 장에서 Th1/Th17 사이토카인과 NOS2 레벨이 증가되고 내독소혈증을 나타내는 것을 확인하였다[16]. 하지만 Arg1 저해제를 사용하거나 다른 세포 타입에서 Arg1을 없앤 경우에 기생충 감염시의 표현형이 다르게 나오기도 하였기 때문에 Arg1의 기능에 대해서 일반적으로 이야기하기는 어렵다고 하겠다. 

2.1.4 패혈증

패혈증은 급성 외상이나 감염에 의해 발생한 염증 반응이 조절되지 못하고 사이토카인 폭풍이 되어 전신성 염증 반응으로 나타나는 질병이다. 리스테리아(Listeria monocytogenes)나 살모넬라(Salmonella typhi, Salmonella murium) 같은 박테리아에 대한 반응으로 M1-형질의 염증 반응은 패혈증의 초기 방어 메커니즘이다. 하지만 감염 초기에서 후기로 시간이 지나면서 조직 손상을 피하기 위해 마크로파지 분극화의 M1/M2나 이동이 일어나기도 하는데, 이러한 변화는 염증을 줄이고, 조직 재생을 유도한다. 물론, 약물 치료를 하는 동안 M1/M2의 변이를 보이기도 한다. 한편으로는 이러한 변이에 의한 면역 억제력이 강화된 결과 패혈증에 더 쉽게 노출될 수 있다는 보고도 있다. LPS-유도 관용 모델을 이용하여 실험한 결과, M1/M2 변이가 일어나고, M2 유전자 발현 프로파일이 보이는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 이러한 리프로그래밍된 표현형은 과도한 염증 반응을 보호하는 메커니즘으로 보이지만, 한편으로는 2차 감염에 대한 민감도가 훨씬 높아져서 감염에 의한 사망률을 증가시키는 위험성을 보이기도 하였다[17]. 

2.2 만성 염증 

2.2.1 동맥경화증

동맥경화증은 만성 염증 질환의 일종으로 동맥 내부에 apoprotein B 지질단백질이 쌓여서 동맥이 좁아지는 질병이다. 단핵구(monocytes)와 마크로파지는 동맥경화증 발달에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. apoprotein B 지질단백질이 쌓이게 되면, 내피세포에서 키모카인을 분비하게 되는데, 단핵구들은 이 키모카인을 인식하고 혈관에서 몰려온다. 이 단핵구들은 M1 마크로파지로 변하여 콜레스테롤을 삼키게 되는데 이것이 죽상 경화반(atherosclerotic plaque)이라고 부르는 구조를 형성하게 된다. 질병이 진행됨에 따라 죽상 경화반은 점점 커져서 상처입기 쉽게되고, 파열되기도 하는데, 이렇게 되면 결과적으로 심근 경색, 뇌졸증 등으로 발현된다. 죽상경화증 (atherosclerosis) 마우스모델에서 키모카인을 차단하여 단핵구가 몰려들지 못하게 하면 동맥경화가 느리게 진행된다는 사실로 보아 죽상경화증(atherosclerosis) 생성에 마크로파지가 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다[18]. 

심근경색 환자들에게서 M1 마크로파지의 특징인 전-염증성 사이토카인의 수치가 증가되어 있는 것이 발견되는데, 시험관 실험 결과 M1 마크로파지는 민무늬근육세포(smooth muscle cell)의 증식을 유도하고, 혈관에 작용하는 산화질소(NO), endothelins, eicosanoids를 만들어내어 결과적으로 지질단백질 산화에 중요한 역할을 한다. M2 마크로파지의 경우 혈관 신생 영역이나 지질 코어의 바깥 부분에 위치해 있으면서 자가사멸한 M1 마크로파지를 청소하는 대식작용을 한다. 이러한 M2 마크로파지는 염증 반응을 종식시키는데 주요 역할을 담당한다. 만약 M2의 이러한 기능이 충분히 수행되지 못할 경우, 죽은 M1 마크로파지는 쌓여서 자가사멸 후 괴사(postapoptotic necrosis)를 일으킨다. M1 마크로파지 괴사 코어의 형성은 결국 파열되기 쉬운 플라크를 형성시켜 죽상경화증을 더욱 악화시키게 된다[19](그림 6).


그림 6. 동맥경화증에서 M1, M2 마크로파지의 기능[19]

이처럼 마크로파지의 분화가 동맥경화증에 중요한 역할을 하고 있는 것을 보면, 마크로파지 분극화 조절을 통한 동맥경화증과 심혈관질환의 치료법을 찾는 것도 가능할 것이다.

2.2.2 비만

비만은 지방의 무게가 지나치게 많이 나가는 것을 말하는데, 이러한 비만은 과다한 지방으로 생기는 물질 대사 조절 문제를 동반한 2차적인 합병증을 주로 야기시킨다. 비만은 만성적으로 낮은 수준의 염증 상태를 보인다고 알려져있다[20]. 지방조직이 염증 반응을 유도하는 기폭제 역할을 한다고 생각되는데, 지방세포 (adipocytes), preadipocytes, 내피세포, 그리고 마크로파지와 림프구 등의 면역 세포들이 주로 담당한다고 보고 있다. 비만에서 지방세포는 CCL2, TNF-α, 지방산(free fatty acids, FFAs)와 같은 전-염증성 물질들을 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생된 물질들은 지방조직 마크로파지(adipose tissue macrophage, ATM)가 몰려와서 활성화되도록 만든다. 이렇게 활성화된 ATM은 다시 전-염증성 물질을 내뿜고, 염증 상황을 지속시킴으로써 인슐린이 지방세포에 작용하게 하는 것을 막고 인슐린 저항성을 유발한다. (인슐린이 분비되면 평소는 닫혀 있던 지방세포의 문이 열리고 포도당이 지방세포 내로 들어갈 수 있게 되므로 혈액 내의 당 수치를 떨어뜨린다. 마찬가지로, 지방세포는 인슐린의 영향으로 살쪄간다고 할 수 있다.)

비만 마우스 모델에서 ATM을 분석해보면 이 세포는 TLR4/NF-κB와 JNK1 신호호전달체계가 활성화된 전형적인 M1 형질을 보인다[21]. ATM은 전-염증성 사이토카인을 생성하여 인슐린 저항성이 생기게 한다. 하지만 마른 마우스의 지방조직에서도 꽤 많은 수의 마크로파지가 존재하는데, 이 마크로파지들은 M2 형질을 보인다. 2010년에 발표된 연구에서 만성적으로 몸무게가 적은 마우스의 지방조직에서 M2 형질을 보이는 F4/80+CD11c-CD301+ 마크로파지가 증가하는 것을 관찰했는데, 이 세포가 지방분해를 촉진시키고 염증을 막고 인슐린 민감성을 증가시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다[22]. 2011년에는 온도가 떨어져서 추위에 적응해야 할 때 M2 형질과 비슷한 ATM활성화가 일어난다는 연구 결과가 나왔다[23]. 이 때 갈색지방조직에 있는ATM은 catecholamine을 분비하여 열발생에 관련된 유전자인 PP ARγ coactivator 1a (Ppargc1a), uncoupling protein 1 (Ucp1), acyl-CoA synthetase long-chain family member 1 (Acsl1)의 발현을 증가시키고, 백색지방조직의 지방 분해가 촉진시켰다.


그림 7. 비만의 지방 조직에서 마크로파지의 분극화 양상[24]

이처럼 마우스 모델을 통해 살펴본 연구 결과, 건강하고 마른 지방조직은 그 속에 상주하는 M2 마크로파지가 존재하여 조직 항상성을 유지한다. 하지만 비만을 유도하게 되면, M1 마크로파지가 몰려오기 전에 다양한 면역 세포들(호중구, mast cell, CD8+ T 림프구 등)이 지방조직으로 몰려온다. 또한 비대한 지방세포는 염증성으로 변하거나 괴사하게 되는데, 이렇게 되면 M1 마크로파지가 몰려오기 더 좋은 환경을 만들게 된다(crown-like라고 부르는 구조가 형성된다). 결국 이러한 양상으로 변하다 보면 M1이 M2보다 압도적으로 수가 많아지며 만성 비만이 되는 것이고, 비만은 M1/M2 마크로파지의 밸런스의 변화와 연관된다고 할 수 있겠다[24](그림 7). 

2.2.3 암

다른 만성 염증들과 비슷하게, 암과 연계된 염증은 여러 염증 매개체들(사이토카인, 키모카인, 프로스타글란딘)과 면역세포들에 의해 발생하여 종양 주변을 둘러싼 미세환경을 관장하는 역할을 하는데 proliferation, survival, migration등에 기여한다[25]. 

종양 관련 마크로파지(Tumor-associated macrophages, TAM)는 암에 침투된 면역세포들 중에서 가장 핵심 구성 세포인데, 암의 형성에 중요한 역할을 한다[26]. 암의 초기 발생 단계에서 TAM은 다량의 염증 매개체들을 배출하여 염증 환경을 조성하고 종양이 자라나도록 유도한다. 종양이 자라서 악성 종양(malignancy)이 되면, TAM은 암의 혈관신생(angiogenesis), 침투(invation), 전이(metastasis)가 일어나도록 도와주고, 항암 면역력을 억제시킨다. 종양이 전이가 되면, TAM은 타겟 조직에 침투하여 종양 세포가 안착할 수 있도록 돕기도 한다. 뿐만 아니라, 어떤 TAM은 자신의 표현형을 변화시켜 종양의 extravasation, 생존, 그리고 이후의 성장까지 도움을 주기도 한다[27]. 

• Review
• Open Access
• Published: 28 February 2017

Tumor-associated macrophages: from basic research to clinical application

• Li Yang & 
• Yi Zhang 

Journal of Hematology & Oncology volume 10, Article number: 58 (2017) Cite this article

• 34k Accesses

• 182 Citations

• 1 Altmetric

• Metrics details

Abstract

The fact that various immune cells, including macrophages, can be found in tumor tissues has long been known. With the introduction of concept that macrophages differentiate into a classically or alternatively activated phenotype, the role of tumor-associated macrophages (TAMs) is now beginning to be elucidated. TAMs act as “protumoral macrophages,” contributing to disease progression. TAMs can promote initiation and metastasis of tumor cells, inhibit antitumor immune responses mediated by T cells, and stimulate tumor angiogenesis and subsequently tumor progression. As the relationship between TAMs and malignant tumors becomes clearer, TAMs are beginning to be seen as potential biomarkers for diagnosis and prognosis of cancers, as well as therapeutic targets in these cases. In this review, we will discuss the origin, polarization, and role of TAMs in human malignant tumors, as well as how TAMs can be used as diagnostic and prognostic biomarkers and therapeutic targets of cancer in clinics.

갑상선, 폐, 간에서 발생한 암의 경우, TAM의 증가와 나쁜 예후의 연관성이 보고되고 있기도 하다[27, 28]. TAM의 수 증가와 고전적인 Hodgkin’s 림프종 환자의 짧은 수명이 연관이 있다는 최근 실험 결과도 있다[29]. 그러므로 TAM의 수와 개체군 특성은 종양의 위험성 측정에 중요한 바이오마커가 될 수 있다[30]. 

비록 예전의 가설에서는 M1이 초기의 퇴행하는 종양과 자라나는 종양의 괴사 지역에서 TAM의 역할을 수행할 것으로 여겨졌지만, TAM의 생물학적 특성이 M2-like 역할을 하는 것으로 최근 몇몇 결과에서 보고되고 있다. TAM은 초기 NO와 ROS의 발생이 적어서 M1 형질 마크로파지의 표식과 같은 모습을 보인다. 하지만, M1 신호인 LPS, TNF-α와 같은 물질에 대한 반응에서 TAM은 NF-κB의 활성화가 잘 일어나지 않고, IL-12, IL-1β, TNF-α, IL-6와 같은 사이토카인의 발현도 적다. 오히려 M2의 마커인 Arg1, Ym1, FIZZ1, MRC1은 TAM에서 모두 발현되고 있었다[31]. 그럼에도 불구하고, 가장 많이 받아들여지고 있는 TAM에 대한 견해는 종양의 미세환경에 있는 다양한 다른 침투된 백혈구와 매개물질 및 신호들이 TAM과 상호작용하여 구별되는 형질인 TAM이이 형성되며, 이것이 M1/M2로 지정되어 양쪽 끝의 형질로 표현된다는 것이다[27]. 

TAM은 종양의 다른 단계에서 각기 다른 형질을 보여준다. 초기에 성장하는 종양에서 TAM은 NF-κB 신호를 활성화시키며 M1과 비슷한 역할을 보여준다. 간암의 경우에는, Kupffer 세포라고 알려진 마크로파지가 순환하고 있는 종양세포를 잡아먹고 죽이는 역할을 하여 M1과 비슷한 기능을 수행하는데, Kupffer 세포를 없앤 들쥐 모델에서는 전이가 증가한다는 보고도 있다 [32]. 하지만 종양의 성장 동안 TAM 은 M2와 비슷한 형질로 변환이 일어나고, NF-κB 신호도 억제된다. 암의 침투와 이동 단계에서 IL-4를 발생시키는 CD4+ T 세포와 종양세포에 의해 TAM은 M2 마크로파지로 전환되고 종양세포의 침투를 도와주는데 중요한 역할을 담당한다[33]. CSF-1 (colony-stimulating factor)은 마크로파지의 분화 계통을 조절할 때 작용하는 중요한 인자로써 마크로파지를 끌어들이는 역할도 한다. CSF-1의 농도가 높은 종양은 예후가 좋지 않으며, CSF-1은 종양 부위 최전선에 있는 조직에서 발현이 발견된다. 그런데, TAM은 종양세포가 만드는 CSF-1의 자극에 의해 몰려와서 EGF (epidermal growth factor)를 합성하는데, 이것은 또한 종양세포의 이동을 활성화 시킨다. 또 다른 종양세포의 침투를 조절하는 TAM의 역할로써 MMP (matrix metalloproteinase) 발현을 들 수 있는데, TAM에 의해 발현된 MMP2와 MMP9에 의해 매트릭스가 헐거워지고 이 덕택에 종양세포는 가두어져 있던 매트릭스에서 빠져나올 수 있게 된다[34]. 한마디로, 마크로파지의 구별되는 형질이 종양의 각각 다른 단계에서 종양의 활성화를 조절하고 있고, 이를 통해 미래의 치료용 타겟으로 마크로파지가 매력적이라고 할 수 있겠다(그림 8).


그림 8. 종양의 발달과 마크로파지 분극화[35]

TAM 분극화는 종양 미세환경에서의 구조적 위치에 의해서도 또한 영향을 받는다. 예를 들어, 고형 종양의 저산소존에 있는 TAM은 M2 형질의 마커인 Arg1을 발현하는데, 이러한 현상이 혈관 근처 위치에 있는 TAM에서는 발견되지 않는다. 저산소존에서 Arg1이 높게 발현되는 것은 hypoxia-inducible factor (HIF)-1과 HIF-2와 관계가 있는데, 이것은 염증성 간세포성의 암과 대장암 모델에서 TAM의 억제 능력을 조절하고 TAM을 불러오는데 도움을 주는 것으로 보고 되었다. 비슷하게, 종양 미세환경에서 종양-침윤-림프구가 발생하는 사이토카인은 TAM의 분극화에 중요한 역할을 한다. 예를 들면, 종양-침윤 Th2 CD4+ T 세포가 내는 IL-4/IL-13은 M2 마크로파지 형성을 돕는다. 뿐만 아니라, 종양의 성장 과정에서 HMGB1과 같은 중개 물질은 TAM의 외부 공간으로 이동하여 TLR 수용체에 붙어서 전-염증성 형질로 전환을 유도하기도 한다. 

면역 반응의 양방향 조절자로써 TAM은 암 치료의 주요 표적이 될 수 있다. TAM은 다양한 종양의 각기 다른 단계에서 키포테라피, 방사선 치료, 단일 클론 항체를 이용한 혈관 타겟 치료, 면역치료의효 효율을 조절하기도 한다. 사실, M1 형질은 종양의 초기 단계에서 암을 공격하는 역할을 하고, M2 형질은 암의 성장과 전이를 유도하기 때문에 암 면역 치료 방법의 좋은 표적이 될 수 있다. 하지만 아직까지 M1과 M2 마크로파지를 특이적으로 제거하여 역할을 밝힌 확실한 연구 결과가 없다는 점에서 좀 더 많은 연구를 통해 마크로파지의 분극화가 암 촉진에 미치는 영향에 대해 정확하게 밝혀져야 할 것이다. 

2.2.4 천식

천식은 만성 염증질환으로써 개발도상국과 선진국 모두에서 넓게 퍼져 있는 질병이다. 폐포 마크로파지의 형질 제어가 제대로 되지 않을 경우 천식의 병인이 되기도 한다[36]. 현재까지 M2 형질 마크로파지는 천식으로 발전하는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 사실, M2 마크로파지는 폐 조직의 미세환경에서 조직 재생과 항상성의 회복에 유익한 효과가 있다(그림 9). 하지만 많은 양의 M2 마크로파지는 세포 보충과 점액 분비를 증가시켜서 폐 기도의 과다 민감성을 불러 일으키기도 한다.


그림 9. 상처 치유 상황에서의 마크로파지 분극화[15]

한 연구에서는 곰팡이 유도 천식 마우스 모델에 M2 마트로파지를 폐에 이식해주었더니 염증반응과 콜라젠 퇴적이 모두 증가하여 천식의 병리 생리적 과정이 더 촉진된다는 것을 확인하였다[37]. 마크로파지 분극화 연구가 많이 진행되면서, M1 형질 마크로파지가 천식 발생에 영향을 준다는 보고도 늘어나고 있다. 글루코코르티코이드 치료에 저항성을 가지는 환자와 같이 심각한 천식의 경우에 마크로파지는 M1 형질을 보이는데, IL-1β, TNF-α, NO와 같은 전-염증성 매개체들이 많이 생산되어 폐 상처를 더욱 악화시키고 있었다. 예를 들어, allergen 유도 기도 질환 마우스 모델에서 M1 마크로파지에 의해 생성된 NO는 DNA 손상을 가하고 염증을 유발하며 점액 생성을 증가시켜 폐상처를 더욱 증가시킨다고 보고되었다[38]. 이처럼, 마크로파지 분극화의 밸런스 조절은 천식 임상 치료에 있어서 새로운 해결책을 제공할 수 있을 것으로 예상된다. 

3. 결론

마크로파지 분극화라는 개념은 Metchinikiff에 의한 마크로파지 활성화에 대한 발견으로부터 80년 가까이 지난 1992년에 처음 정립되었다. 전통적 형태가 아닌 새로운 형태로 활성화된 마크로파지는 STAT, IRF, NF-κB, AP1, PPAR-γ, CREB과 같은 신호조절자들을 통해 많은 염증성 질환의 초기, 생성, 혹은 휴지기 상황에서 항-염증성 매개체들을 분비하고, 조직 재생을 유도하며, 면역반응을 조절하기도 하였다. 이렇게 새로운 마크로파지 활성화가 발견된 이후, 많은 과학자들은 마크로파지가 어떻게 M1/M2로 전환되는지 메커니즘을 찾는 연구를 진행해왔고, 이를 토대로 마크로파지 분극화 조절을 염증 질환의 새로운 치료제로 사용할 수 있는지에 대해 많은 관심을 기울이고 있다.

하지만, 아직까지는 마크로파지 분극화에 대한 연구 진행에 있어서 몇 가지 문제점들을 가지고 있다. 

첫 번째는 염증성 질환에서 마크로파지의 표현형을 정확하게 구별할 수 있는 세포 마커가 더 필요하다는 것이다. 최근의 연구에서도 TAM의 마커로써 CD68이 맞는 것인지에 대한 논란이 있는 것으로 보아 아직까지 마크로파지가 어떤 방향으로 활성화되었는지 확인하는 마커가 정확히 정립되지 않았다는 문제가 있다. 

두 번째는 아직까지 사람의 마크로파지(primary cell of human macrophages)를 쉽게 얻기 힘들다는 것이다. 그러므로 많은 사람에 대한 마크로파지 연구는 세포주를 이용하여 진행되고 있고, 이것은 임상적으로 연구를 전환했을 때 연구결과가 정확히 일치하지는 않는 문제가 있다. 

세 번째는, 사람과 마우스의 마크로파지가 다른점이 있다는 것이다. 예를 들면, M2 마크로파지의 마커로 Arg1을 이야기하고 있지만 이것은 마우스 마크로파지에서 발현이 되는 것이고, 사람의 마크로파지에서는 시험관에서 M2로 분극화시켜도 발현이 되지 않는다. 이처럼 마우스와 사람의 마크로파지가 어떻게 다른지 연구가 충분히 되지 않는다면, 마우스 모델을 기반으로 치료용 연구를 진행할 경우 이것을 임상 연구로 바로 연결하기 힘들 것이다.

그럼에도 불구하고, 과학자들은 마크로파지 분극화를 치료용 타겟으로 이용하고자 많은 노력을 하고 있다. anti-CSF-1 항체나 anti-CSF1R, 혹은 CSF1R 저해제를 이용해 CSF1 신호를 억제하는 연구가 대표적이다. CSF1R를 저해하였을 때 마우스 모델에서 종양의 크기가 비약적으로 감소한 연구 결과가 있는데, CSF1R의 저해는 TAM을 사멸시키지 않고, GM-CSF에 의해 조절되는 항암 활성을 가지는 상태로 변화 시켰다(그림 8). 또, PPAR-γ는 비만과 당뇨에서 M2 분극화의 주요 분자인데, PPAR-γ 저해제는 M2 분극화를 억제하여 마우스 지방세포의 인슐린 민감성을 증가 시켜주었다[39]. 이러한 연구 결과들은 마크로파지의 분극화를 조절하여 인체 암치료나 비만 혹은 다른 염증성 질환의 치료를 위한 중요한 복합요법이 될 수 있음을 뒷받침해준다. 

이처럼 신호 전달체계에서 혹은 지역 미세환경에서 표적 분자에 의해 염증 질환의 초기, 생성, 혹은 마지막 단계를 조절할 수 있는 적절한 형질로 마크로파지가 분화 혹은 전환(분극화)시킬 수 있다면 마크로파지 분극화 조절이라는 분야는 다양한 염증성 질환을 치료할 수 있는 매력적인 분야가 될 것으로 생각된다. 이를 위해서는 각각의 염증성 질환에서 마크로파지의 분극화가 어떻게 일어나고 분극화된 마크로파지는 어떻게 면역을 조절하는지 세부 기작에 대한 더 심도 있는 연구가 필요하다.

출처: [BRIC View, 급성, 만성 염증에서의 마크로파지 분극화(Macrophage polarization in acute and chronic inflammation), 이욱빈], https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2740