Cytokine-based therapeutic approaches for cancer treatment

Abstract

Cytokine-based strategies have emerged as adjunctive approaches to improve anti-tumor immunity, particularly in tumors resistant to immune checkpoint inhibitors or adoptive cell therapies. In this study, I examined cytokine-related approaches: first, the investigation of IL2-mediated regulation of cancer cells in the context of immune escape, and second, the development of an IL36 receptor agonist antibody that activates immune cells. IL2 was identified through functional screening of interleukin family cytokines as a molecule that reduces small extracellular vesicle (sEV) secretion in melanoma cells. Moreover, IL2 significantly decreased the expression of programmed death-ligand 1 (PD-L1), both on the surface of melanoma cells (cPD-L1) and within secreted sEVs (ePD-L1), which are known to play key roles in suppressing T cell function in the tumor microenvironment. This regulation of IL2 may act beyond its known role as an immune cell activator by directly modulating tumor-intrinsic pathways. These results were consistently observed in both mouse and human cancer cells in vivo. Mechanistically, these effects were dependent on IL2R–MEK/ERK signaling. In vivo, IL2 effectively reduced tumor size and its regulatory effects on cancer cells were maintained in a melanoma mouse model. Notably, IL2-mediated regulation was observed in lung cancer patient-derived clinical samples. Based on this, IL2 was found to modulate immune escape pathways in tumor cells and enhance their susceptibility to CD8+ T cell-mediated cytotoxicity. In the second part, to develop an IL36 receptor agonist antibody, I first established a fluorescence-based reporter system and performed activity-based screening. Then, a novel IL36 receptor agonist antibody named 14-13 was identified using a membrane-tethered antibody library and a GFP-based NF-κB reporter system. Clone 14-13 activated IL36 receptor-mediated signaling in reporter cells. Additionally, 14-13 promoted cytokine secretion from CD4+ and CD8+ T cells, and enhanced NK cell survival in both human and mouse immune cells. 14-13 showed dose-dependent anti-tumor activity in a syngeneic melanoma model without inducing systemic toxicity in vivo. In conclusion, IL2 regulates vesicle-mediated immune evasion by acting directly on tumor cells, while the IL36 receptor agonist antibody activates immune responses through IL36 signaling. These two strategies demonstrate the potential of cytokine-based approaches for future cancer immunotherapy. |기존 면역 항암제인 면역관문억제제 (immune checkpoint inhibitors) 및 CAR-T 세포 치료제는 암 치료제로서 매우 유망하다고 알려져있으나 일부 종양에서 내성을 보이며 한계를 보이고 있다. 이에 따라, 사이토카인과의 병용요법을 통한 기존 암 치료제의 효능을 증가시키는 새로운 접근법이 주목받고 있다. 본 연구에서는 두 가지 사이토카인 기반 전략을 제시했다. 면역세포 활성제로 알려진 인터루킨-2 (Interleukin-2, IL2)가 암 세포에 직접 작용해 면역 회피를 억제할 수 있는 새로운 기전을 규명했다. 둘째, 면역 세포를 활성화할 수 있는 인터루킨-36 (Interleukin-36, IL36) 수용체 매개 신호를 활성화할 수 있는 IL36 수용체 작용제 항체를 개발했다. 첫 번째 연구에서는, 막 결합 사이토카인 라이브러리를 이용하여 흑색종 세포의 세포 외 미세 소포체 (sEVs)의 분비를 억제할 수 있는 후보 사이토카인을 탐색한 결과, IL2가 가장 강력한 억제 효과를 나타냈다. 재조합 IL2를 인간과 마우스 유래 흑색종 세포에 각각 처리했을 때 종과 전이 능력에 관계없이 모두 sEV 분비 및 세포 와 sEV의 프로그램된 사망 리간드-1 (PD-L1) 발현을 모두 억제했다. 이러한 IL2의 암 세포에 대한 효과는 IL2 수용체-MEK/ERK 신호경로를 통해 매개됨을 확인했다. 나아가, IL2를 암세포 표면에 링커를 통해 고정시킨 형태로 마우스에 주입한 결과, 암 크기의 유의미한 감소를 확인했다. 더불어, 암 조직에서 sEV 분비 마커 및 PD-L1의 발현, sEV 표면의 PD-L1의 발현이 감소함을 확인했다. 이러한 결과는 IL2 수용체를 발현하는 폐암 세포주 및 폐암 환자 유래 암세포에서도 동일하게 관찰되어 IL2의 암세포 조절 효과가 흑색종 뿐 아니라 다양한 암 종 및 임상 샘플로도 확장할 수 있었다. 두번째 연구에서는 면역 반응을 유도할 수 있는 IL36 수용체 매개 신호 전달을 표적으로 하는 인간 유래 작용제 항체를 개발했다. IL36은 수지상세포, T 세포 및 NK 세포를 활성화시킬 수 있는 사이토카인으로, 기존 재조합 단백질 형태로는 반감기가 짧고 활성이 높아 과도한 면역 반응을 유도한다는 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해, 안정성과 반감기를 향상시키고 과도한 활성을 조절할 수 있는 IL36 수용체 작용제 항체를 개발하고자 했다. 형광 기반 IL36 리포터 세포를 구축하고 인간 파지 라이브러리를 이용해 IL36 수용체에 결합할 수 있는 각각의 파지 풀을 확보한 후에 형광 기반 활성 스크리닝을 수행한 결과. 14-13 클론을 유효 물질로 선정했다. 14-13은 인간과 마우스의 IL36 수용체와 결합하며 NF-κB 신호 전달을 효과적으로 하며 T 세포와 NK 세포의 활성을 유도함을 확인했다. 흑색종 마우스 모델에서 14-13가 전신 독성 없이 효과적으로 항 종양 효능을 보임을 확인했다. 결과적으로, 이 연구에서는 인간과 마우스에 모두 작용하며 IL36 수용체 매개 신호 전달을 통해 효과적으로 종양 미세환경에서 면역세포의 활성화를 유도할 수 있는 유망한 치료제인 IL36 수용체 작용제 항체를 제안한다. 결론적으로 본 연구는 사이토카인 기반의 암 치료 전략을 제시했으며, 특히 IL2의 암세포 조절 기전을 규명하고 IL36 수용체 작용제 항체를 개발함으로써 사이토카인 기반 면역치료의 가능성을 확장했다. 이런 전략은 기존 면역 치료제의 한계를 극복하고 그 효능을 증진시킬 수 있는 새로운 치료 옵션으로 활용될 수 있을 것이다.