PTPN22 녹아웃이 NK 세포 및 CAR-NK 세포 치료의 지속성과 세포독성을 향상시키는 메커니즘 규명

적응성 NK 세포 이식 요법은 혈액 악성 종양 및 고형 종양 치료에서 유망한 것으로 간주되지만, 종양 미세환경 (TME) 내의 면역 억제, 염증, 저산소증 등의 요인으로 인해 세포 기능 부전과 지속성 감소가 큰 과제로 남아 있습니다. 특히 만성 염증성 사이토카인에 노출된 상태에서는 NK 세포의 활성화 수용체가 다운레귤레이션되고 세포 사멸이 유도되기 쉬운 것으로 알려져 있습니다. 기존 연구는 세포 표면의 면역 체크포인트에 초점이 맞춰져 있었으나, 염증성 TME 하에서 NK 세포 기능을 조절하는 세포 내 체크포인트의 역할은 충분히 규명되지 않았습니다.

PTPN22(Protein Tyrosine Phosphatase Non-Receptor Type 22) 는 T 세포 및 수지상 세포 등 적응 면역 세포에서 중요한 조절 인자로 알려져 있지만, 자연 면역 세포인 NK 세포에서의 기능은 불명확했습니다. 본 연구에서는 PTPN22가 염증성 TME 하에서 NK 세포 기능을 억제하는 새로운 세포 내 체크포인트일 가능성에 주목하여 그 역할을 규명하는 것을 목표로 했습니다.

본 연구를 통해 PTPN22는 종양 침윤 NK 세포에서 고발현되며, 그 고발현은 환자의 예후 불량과 상관관계가 있음이 밝혀졌습니다. 또한, PTPN22 고발현 NK 세포는 염증성 및 면역 억제적인 TME에서 기능 부전 (고갈) 시그니처를 보이는 것이 확인되었습니다. 유전자 결손 (PTPN22KO) 또는 약리학적 억제를 통해 NK 세포 및 CAR-NK 세포의 세포독성과 염증성 사이토카인 생성이 현저히 증강되었으며, 종양에 대한 항종양 활성이 향상됨이 확인되었습니다.

메커니즘 분석 결과, PTPN22 결손은 염증성 조건 하에서 STAT3의 인산화를 유지하고 FAS 매개 아포토시스 민감도를 낮추어 NK 세포의 기능 지속성을 높이는 것으로 나타났습니다. in vivo 실험에서 PTPN22 결손형 항 CD19/CAR-NK92 세포는 Nalm6 백혈병 모델에서 대조군에 비해 우수한 항백혈병 활성을 보이며 마우스의 생존 기간을 유의하게 연장시켰습니다.

연구에서는 단일 세포 RNA 시퀀싱 (scRNA-seq) 데이터와 TCGA 데이터베이스를 활용하여 PTPN22 발현 패턴과 임상 예후 간의 상관관계를 평가했습니다. 기능 분석에는 CRISPR/Cas9을 통한 PTPN22 녹아웃 플랫폼을 구축하여 NK92 세포, 1 차 인간 NK 세포, CAR-NK 세포에 대해 유전자 결손과 약리학적 억제를 모두 적용했습니다.

• CRISPR/Cas9 RNP 복합체를 이용한 비바이러스성 유전자 편집으로 NK92 세포 및 1 차 NK 세포에서의 PTPN22 고효율 녹아웃 달성.
• 항 CD19 및 항 MSLN(Mesothelin) 을 표적으로 하는 CAR-NK 세포 제작과 PTPN22 결손 조합을 통한 기능 평가.
• NOD/SCID/IL2rg-/- (NSG) 마우스를 이용한 Nalm6 백혈병 이종이식 모델을 통한 in vivo 치료 효과 및 생존율 평가.
• 염증성 사이토카인 (TNF-α, IL-6, TGF-β 등) 존재 하에서의 세포 기능 유지 능력 및 STAT3 신호와 FAS 발현의 분자 메커니즘 분석.

본 연구는 세포 표면 체크포인트 억제뿐만 아니라 세포 내 조절 기전을 표적으로 하는 접근이 면역 세포 치료의 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 특히, 염증성 TME 하에서도 기능하는 '견고한' NK 세포나 CAR-NK 세포를 제작하는 전략으로서 PTPN22 유전자 편집은 매우 유망합니다. 이는 혈액암뿐만 아니라 고형 종양에 대한 세포 치료의 극복해야 할 과제인 '기능 지속성 부재'에 대한 해결책이 될 수 있습니다.

또한, PTPN22 억제제의 병용 요법이나 PTPN22 결손 세포를 이용한 차세대 세포 치료제 개발에서 중요한 타겟으로 위치할 수 있습니다. 염증성 사이토카인에 의한 세포 사멸을 회피하고 STAT3 신호를 유지하는 메커니즘 규명은 다른 면역 세포 치료의 최적화에도 적용 가능한 지식을 제공합니다.

본 연구 성과의 검증과 응용에는高度한 유전자 편집 기술과 적절한 동물 모델이 필수적입니다. Cyagen에서는 CRISPR/Cas9 기술을 활용한 PTPN22 녹아웃 세포주 제작 및 CAR-NK 세포 제작/평가 서비스를 제공합니다. 또한, 본 연구에서 사용된 것과 같은 면역 결핍 마우스 (NSG 마우스) 를 이용한 이종이식 모델(Xenograft) 은 세포 치료의 유효성을 평가하기 위한 표준 전임상 모델로 활용 가능합니다.

더불어, 염증성 TME를 모방한 조건 하에서의 세포 기능 평가 및 인간화 마우스 모델을 이용한 임상과 더 가까운 환경에서의 평가도 가능합니다. 특정 유전자를 결손시킨 세포주나 특정 항원을 표적으로 하는 CAR 발현 세포 제작부터 in vivo 효능 평가까지 일관된 전임상 연구 지원 체계를 갖추고 있습니다.

PTPN22는 NK 세포 및 CAR-NK 세포의 기능을 제한하는 새로운 세포 내 체크포인트임이 최초로 규명되었습니다. PTPN22 결손은 STAT3 신호 유지와 FAS 매개 아포토시스 억제를 통해 염증성 종양 미세환경 하에서도 세포의 살상 능력과 지속성을 높이는 것이 확인되었습니다. 이 지식은 차세대 세포 면역 치료 개발에서 유전자 편집을 활용한 세포 기능 증강 전략의 중요성을 재인식시키는 것이며, 임상 적용으로의 길을 제시하는 중요한 연구입니다.