Role of hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) in myeloid cells regulating pre-metastatic niche formation in the irradiated lung

Abstract

암 전이는 암으로 인한 사망의 가장 큰 원인이다.최근에 보고된 연구 결과에 따르면 암세포 전이는 골수 선조 계열 세포들이 암 전이가 일어날 장기에 형성하는 pre-metastatic niche로 인해 촉진되는 것으로 알려져 있다. 또한, pre-metastatic niche 형성 과정에서 주된 역할을 하는 것으로 밝혀진 많은 요소들이 전사 인자인 저산소 유도인자 (Hypoxia inducible factor-1; HIF-1)의 영향을 받는 하위 유전자로 보고되었다. 여러 종류의 암 중에서도 폐암은 사망률 1위를 차지하고 있으며, 특히 폐는 암 전이가 가장 흔하게 발생하는 장기 중 하나이다. 폐암의 경우 방사선을 이용한 치료법이 널리 사용되고 있다. 그러나 최근 몇몇의 연구들을 통해, 방사선 치료에 사용되는 이온화 방사선이 저산소 유도인자의 대표적 하위 유전자인 관 내피 성장 인자(Vascular Endothelial Growth Factor; VEGF)를 과발현시켜잠재적으로 암 전이를 촉진하는 기작이 보고 된 바 있다.이와 같은 연구 결과에 비추어 볼 때, 방사선 조사 된 장기에서 암 전이가 유도되는 과정 중 골수 선조 계열 세포의 HIF-1이 pre-metastatic niche 형성에 중요한 역할을 할 것으로 사료된다.그러나 지금까지는 방사선 조사된 장기에서 증가하는 암 전이와 그에 대한 면역적 기작은 연구가 미미한 실정이었다. 따라서 본 연구에서는 골수 선조 계열 세포에서의 HIF-1이 pre-metastatic niche 형성을 통하여 방사선이 조사된 폐에서 암 전이를 조절함을 검증하고, 기작을 규명하고자 실험을 진행하였다. 이를 위해서, 골수 선조 계열 세포 특이적으로 Hif-1α를 억제한 새로운 마우스 모델(Hif-1α 결여 마우스)을 사용하여 임상과 유사한 암 전이 모델을 구축하였다. Luciferase를 발현하는 유전자 조작 암 세포를 정맥 주사하여 암 세포의 전이를 확인한 결과, 방사선을 조사한 폐에서 Hif-1α 결여 마우스가 야생형에 비해 암 전이가 현저하게 증가한 것을 확인했다. 그러나, 폐부 방사선 조사를 하지 않았을 때에는 암 전이의 차이를 보이지 않음을 확인했다. 또한, 야생형 혹은 Hif-1α 결여 마우스의 골수를 이식한 마우스에서만 두 그룹 간에 암 전이가 억제되는 결과를 확인하여, 골수 유래 세포가 이러한 암 전이 조절 기전에 중요한 역할을 수행함을 밝혔다. 나아가, 방사선 조사 후 암 전이가 증가한 Hif-1α 결여 마우스의 폐에서 폐포 대식세포의 충원이 감소하는 것을 확인했다. 폐포 대식세포는 대식작용을 통해 암 세포를 제거할 뿐 아니라, 암 세포를 살해할 수 있는 T 림프구와 자연살해 세포를 활성화 시킬 수 있는 면역세포이다. 실제로 방사선을 조사한 폐에서 획득한 폐포 대식세포에서 Hif-1α가 현저하게 감소하는 것을 확인했으며, 야생형 에 비해 HIF-1이 결여된 폐포 대식세포에서 대식작용이 감소하는 것을 확인했다. 이러한 결과는 기존에 알려진 암 성장과 전이를 촉진하는 암 세포의 HIF-1과는 반대로, 골수에서 유래한 폐포 대식세포의 HIF-1은 방사선이 조사 된 폐에서 암 전이를 억제할 수 있다는 새로운 결과를 도출했다.또한, 이러한 암 전이 억제 기전은 HIF-1을 통한 폐포 대식세포의 암세포 대식작용에 의한 것임을 보임으로써, 새로운 세포치료제타깃으로써폐포 대식세포의 가능성을 제시했다.

Recent evidence suggests that metastasis is proceeded by pre-metastatic niche, a site where bone marrow-derived cells (BMDC), particularly myeloid cells (monocytes, macrophages) form cluster preparing for the arrival of cancer cells in metastatic prone organs. Furthermore, many molecules involved in forming pre-metastatic niche by myeloid cells have been identified, some of which include vascular endothelial growth factor (VEGF), lysyl oxidase (LOX), and S100A8. Since VEGF, LOX, and S100A8 are downstream target of hypoxia-inducible factor, a major transcription factor stabilized under hypoxic conditions, I investigated a role of HIF-1 in myeloid cells in pre-metastatic niche formation by using our novel strain of myeloid-specific knockout (KO) mice deficient for Hif-1α. To study BMDCs, I performed bone marrow transplantation (BMT) from GFP (green fluorescent protein)-expressing myeloid specific Hif-1α knockout(Hif-1α KO) or GFP-expressing littermate control to the whole body irradiated wild-type (WT) mice. These mice were then subjected to Lewis lung carcinoma (LLC) primary tumor implantation followed by whole chest irradiation to facilitate the BMDC recruitment. Lastly, luciferase-expressing LLC were intravenously administered to induce the lung metastasis. In these mice, I found to my surprise that mice receiving Hif-1α KO BM had a significantly increased lung metastasis, suggesting that HIF-1 in myeloid cells is required to protect the lung from metastasis. I also found that while total GFP+ BMDC did not differ between mice receiving Hif-1α KO or littermate control BM, BM-derived alveolar macrophages (GFP+F4/80+CD11c+CD11b-)were decreased in the irradiated lung of myeloid-specific Hif-1α deficient mice. Because alveolar macrophages are specialized immune cells phagocytosing numerous airborne antigens, I hypothesized that HIF-1 deficient alveolar macrophages may be impaired in phagocytosis and this may be responsible for the increased lung metastasis. Indeed alveolar macrophages isolated from bronchoalveolar lavage fluid of Hif-1α KO mice demonstrated a decreased level of phagocytosis. I am currently investigating whether we could modulate phagocytic activities of alveolar macrophages to see if they regulate the lung metastasis. In conclusion, my findings demonstrate that HIF-1 in alveolar macrophages may regulate the tumor metastasis through tumor phagocytosis, indicating that proper activation of HIF in alveolar macrophages is required to protect the lung from the metastasis.