통계에 따르면 60세 이상의 성인 4명 중 1명은 만성 신장 질환(CKD, Chronic Kidney Disease)을 앓고 있으며 이 질환의 특징은 신장 기능 상실과 섬유증입니다. 급성 신장 손상은 세뇨관 상피 세포(TEC, Tubular Epithelial Cell)의 강력한 재생 능력 덕분에 되돌릴 수 있습니다. 하지만 신장이 과도하게 손상되면 TEC도 효과를 발휘하지 못하고 결과적으로 섬유증과 염증이 발생하여 신장 기능이 지속적으로 손상됩니다.
따라서 신장 재생을 촉진하는 방법은 매우 중요한 연구 주제가 되었습니다. 최근 듀크-싱가포르 국립대학교 의학원을 포함한 여러 기관의 연구진은 TEC의 IL11 신호 경로가 신장 재생 정체의 주요 병리학적 요인임을 발견하고 IL11이 신장의 내생적 재생을 회복할 수 있는 잠재적 치료 타깃이 될 수 있음을 밝혔습니다. 이 연구 성과는 'Nature Communications' 저널에 실렸습니다.
사진 출처: 'Nature Communications'
（https://doi.org/10.1038/s41467-022-35306-1）
연구 자료 및 방법
이 연구에서 연구진은 엽산에 의해 유발된 급성 신장 손상을 겪은 마우스 모델에서 일련의 분석을 진행했으며 일측성 요관 폐색(UUO, UnILateral Ureteral Obstruction) 마우스 모델에서 결과를 검증했습니다. 또한 연구진은 IL11-EGFP 마우스(Cyagen 제공) 및 TEC 특이성 IL11ra1 녹아웃 마우스를 사용하였습니다. 연구진은 Western blot 분석을 통해 TEC와 신장 조직에서 여러 단백질의 발현 수준을 분석하고 하이드록시프롤린 분석(HPA, Hydroxyproline Analysis)를 통해 콜라겐 함량을 측정하여 신장 섬유증 수준을 평가했습니다.
기술 방법
01 손상된 세뇨관 상피 세포(TEC, Tubular Epithelial Cell)는 IL11을 생성하고 IL11은 이 세포에서 간질로의 전환을 유도합니다.
02 ll11−/마우스는 급성 신장 손상으로부터 보호되며 IL11 중화 항체는 급성 신장 손상을 예방하거나 치료할 수 있습니다.
03 IL11은 ERK/p90RSK/GSK3β/SNAI1 신호 경로를 통해 세뇨관 상피 세포의 간질 전환을 자극합니다.
04 인간의 만성 신장 질환 모델에서 IL11 중화 항체는 신장 질환 병변을 역전시키고 세뇨관 상피 세포의 증식을 촉진합니다.
연구 결과
1. IL11은 세뇨관 상피 세포의 간질 전환을 유도했습니다.
신장 섬유증 과정에서 TEC는 일부 상피 간질 전환(pEMT)을 거쳐 상피 세포의 표현형을 잃고 완전한 간질 세포 표현형을 갖추지 못합니다. 신장이 손상되면 TEC이 증식하는지 또는 전환하는지에 따라 신장이 재생되는지 흉터가 생기는지를 결정합니다. 연구진은 최근 인터류킨11(IL11)이 섬유증 세포를 촉진시키는 인자이며 IL11가 마우스의 급성 신장 손상 모델의 신장 섬유증을 촉진시킨다는 것을 발견했습니다. 따라서 연구진은 IL11이 EMT에 필요한 ERK 신호 경로를 활성화할 수 있으며 이는 신장 질환을 일으키는 병리학적 요인이 될 수 있다고 가정하였습니다.
손상된 신장에서 IL11의 기원을 조사하기 위해 연구진은 Cyagen에서 제공한 유전자 변형 마우스를 사용하여 IL11 유전자 위치에 EGFP 유전자를 녹아웃했습니다. 급성 신장 손상 후, IL11은 먼저 상피에서 검출되었고 이후 주로 간질에서 발현되었습니다. pEMT 유도제 TGFβ를 사용하여 TEC를 자극한 후 연구진은 이것이 IL11의 분비를 강력하게 유도한다는 것을 발견했으며 이는 pEMT를 겪은 TEC에서 IL11의 활성에 자가 분비 고리가 존재함을 시사합니다. IL11이 TEC를 자극할 때 STAT3가 활성화되고 SNAI1이 증가하며 상피 세포 마커 E-Cadherin이 감소하는 것은 IL11이 TEC의 간질 전환을 유도함을 나타냅니다.
이어서 연구진은 IL11에 의해 자극된 TEC의 RNA 시퀀싱을 진행했습니다. 주성분 분석(PCA, Principal Component Analysis)은 시간에 따른 유전자 발현 변화를 보여주었습니다. TGFβ 신호, IL6/JAK/STAT3 신호, mTORC1 신호, 염증 및 IFNγ 반응 등을 포함한 일련의 유전자 마커의 명확한 증가는 IL11이 TEC의 염증 유발 및 간질 유전자 발현을 유도함을 나타냅니다.
2. IL11 중화 항체는 급성 신장 손상을 예방하고 치료할 수 있습니다.
그다음으로 연구진은 IL11 녹아웃 마우스(KO, Knockout Mouse)와 야생형 대조군 마우스(WT, Wild Type Mouse)를 사용하여 복막 내 엽산을 주입해 급성 신장 손상을 유도했습니다. 그 결과, WT 마우스 신장 중의 IL11 mRNA와 IL11 단백질 수준이 증가했지만 KO 마우스에서는 검출되지 않았습니다. 엽산 유도 28일 후, WT 마우스는 KO 마우스에 비해 신장이 현저히 더 작고 무게가 가벼우며 콜라겐 함량과 섬유증 정도가 더 높았습니다(그림 1). WT 마우스의 신장 중 중간엽 세포 마커 αSMA 및 파이브로넥틴(FN1)은 상향되었지만 KO 마우스는 그렇지 않았습니다. 이러한 데이터는 ll11 녹아웃 마우스가 급성 신장 손상의 영향을 받지 않는다는 것을 시사합니다.
ll11 녹아웃 마우스는 급성 신장 손상의 영향을 받지 않습니다[1]
IL11 중화 항체(X203)가 심각한 신장 손상 후 신장의 구조와 기능을 보호하는지를 확인하기 위해 연구진은 마우스 몸에 실험을 진행했으며 엽산 주입 전날 X203을 사용했습니다. 생화학적 분석과 조직학적 분석을 통해 연구진은 이러한 예방성의 X203 치료 방법이 마우스의 신장 콜라겐을 감소시키고 혈액 요소성 질소(BUN, Blood Urea Nitrogen)와 혈청 크레아티닌 수준을 감소시켜 신장 기능의 개선을 반영한다는 것을 발견했습니다(그림 2). 동시에 X203은 염증, 섬유증 및 세뇨관 손상 마커를 감소시킬 수 있습니다. 시판 중인 다른 항체인 MAB218도 유사한 효과를 였지만 X203만큼 효과적이지 않았습니다. 또한, 신장 손상 3일 후에 X203을 투여해도 이러한 항체는 급성 신장 손상을 치료할 수 있었습니다.
TGFβ는 TEC의 간질 전환, 신장 섬유증 및 신부전에도 매우 중요하므로 연구진은 급성 신장 손상 모델에서 X203 및 TGFβ 항체(클론 번호 1D11)의 역할을 비교하고자 했습니다. 연구진은 X203과 1D11 치료 모두 신장 섬유증을 감소시킬 수 있지만 X203은 섬유증을 더 많이 감소시킬 수 있음을 발견했습니다(그림 2). 또한 1D11 치료는 신장 섬유증을 감소시킬 수 있지만 염증과 세뇨관 손상을 악화시킵니다. 반면, X203은 이러한 부작용이 없습니다.
급성 신장 손상 후 X203, MAB218 및 TGFβ 항체의 치료 효과 비교[1]
이후 연구진은 일측성 요관 폐색(UUO, UnILateral Ureteral Obstruction) 모델을 사용하여 단독 실험을 진행했습니다. 이 모델은 엽산 유발 급성 신장 손상 모델과 완전히 다릅니다. 연구진은 IL11가 손상 후의 TEC에서 동일하게 상향 조정되고 상피 간질 전환 및 신장 섬유증에 핵심적인 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 마찬가지로 IL11 중화 항체 X203은 신장 섬유증을 역전시키고 염증 및 세뇨관 손상을 감소시킬 수 있습니다.
3. IL11 중화 항체는 만성 신장 질환을 역전시킬 수 있습니다
TEC에서 IL11의 작용 메커니즘을 조사하기 위해 연구진은 다음으로 인간 원시 신장 TEC에서 일련의 실험을 수행했습니다. 신호 수준에서 연구진은 TGFβ1과 IL11이 모두 pERK, pp90RSK, pGSK3β, SNAI1, ZEB 및 αSMA의 발현을 증가시키고 E-Cadherin, Cyclin D1 및 PCNA를 하향 조정한다는 것을 발견했습니다. 동시에 pEMT 및 신장 질환에 중요한 여러 인자는 모두 TEC가 IL11을 분비하도록 유도하고 Collagen 1, SNAI1 및 αSMA를 증가시킵니다. 이러한 데이터는 IL11이 ERK/p90RSK/GSK3β/SNAI1 신호 경로를 통해 인간 신장 TEC의 간질 전환을 자극하여 신장 섬유증을 촉진함을 시사합니다.
연구진은 TEC에서 IL11 신호 전달을 억제하면 신장 손상을 예방할 수 있다고 추측하여 TEC에서 IL11ra1을 특이적으로 녹아웃한 마우스(CKO, Conditional Knockout Mouse)를 만들어 이 마우스를 엽산 유도 급성 신장 손상 모델에 사용했습니다. 대조군과 비교했을 때, CKO 마우스는 병을 유발하는 신호가 감소했고 간질 및 상피 마커의 변화가 약화되었으며 손상으로 인한 염증, 신장 섬유증, 신부전을 피할 수 있었습니다(그림 3).
세뇨관 상피 세포에서 IL11ra1의 녹아웃은 급성 신장 손상을 방지했습니다.[1]
마지막으로 연구진은 인류 만성 신장 질환 모델에서 IL11 항체 치료 방법을 테스트했습니다. 연구진은 X203이 TEC의 증식과 신장의 실질적인 재생을 촉진하고 신장 섬유증과 pEMT 표현형을 역전시키며 신장의 무게와 기능을 회복시킨다는 것을 발견했습니다.
연구 결론
결론적으로 위의 데이터는 IL11에 의해 유도된 세뇨관 상피의 간질 전환은 중요한 신장 질환의 병리학적 요인임을 시사합니다. IL11 항체는 급성 신장 손상 및 만성 신장 질환 마우스 모델에서 신장 기능 장애를 예방, 치료 및 역전시킬 수 있습니다. 이는 IL11가 병리학적으로 변화된 신장의 내생적 회복을 촉진할 수 있는 잠재적 치료 타깃임을 시사합니다.
원문 검색:
[1]Widjaja, A.A., Viswanathan, S., Shekeran, S.G. et al. Targeting endogenous kidney regeneration using anti-IL11 therapy in acute and chronic models of kidney disease. Nat Commun 13, 7497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35306-1
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