고효율 인간 NK 세포 면역 재구성 마우스 모델: NKG-hIL15 & huHSC-NKG-hIL15 마우스

면역요법은 체내의 면역세포를 동원하여 면역 체계가 종양 세포를 인식하고 죽이며, 파괴하는 능력을 향상시키는 방식으로 작동합니다. 마우스와 인간의 면역 체계 사이의 차이로 인해, 면역요법은 일반적으로 인간화 면역 시스템(HIS) 마우스 모델을 사용한 전임상 연구에서 평가됩니다.^[1-2] 대표적인 인간화 접근법은 NKG 마우스와 같은 중증 면역결핍 마우스 모델에 인간 조혈모세포(HSCs)를 이식하는 것입니다. CAR-T 및 종양 침윤 림프구(TIL) 요법과 같은 초기 면역 요법은 주로 T세포를 통해 작용했습니다. 최근 몇 년간 CAR-NK 및 ADCC와 같은 자연살해세포(NK세포) 기반의 면역요법이 주목을 받고 있습니다. 동시에, NK 세포 관련 타겟이 면역 체크포인트(immune checkpoint) 요법 개발에서 인기를 끌고 있습니다.
이러한 치료법은 인간 NK 세포의 개입이 필요하지만, 일반적으로 사용되는 인간화 면역 시스템 모델은 인간 NK 세포의 비율이 낮아 이러한 요법을 평가하는 데 불리합니다.^[2-3] 따라서 인간 NK 세포를 효율적으로 재구성할 수 있는 모델이 이 연구 분야에서 중요한 초점이 되었습니다.

그림 1. 다양한 인간화 면역 시스템 마우스 모델의 개발 방법 및 해당 세포 재구성 유형.^[3]

효율적인 NK 세포 재구성에는 인간화된 IL-15가 필요합니다

NK 세포는 면역 방어 메커니즘을 빠르게 인식하고 개시하여 병변 세포 및 암세포를 신속하게 제거할 수 있습니다.

다른 면역 세포와 비교할 때, NK 세포는 종양 및 바이러스 감염 세포를 죽이는 데 더 효율적이고 효과적입니다. 그러나 기존의 중증 면역결핍 마우스 모델은 인간 NK 세포의 발달을 지원하는 데 필요한 요소가 부족하여 이러한 마우스 모델의 인간 면역 시스템 재구성에서 NK 세포의 비율이 낮습니다. 

Interleukin-15(IL-15)는 T 세포와 NK 세포의 활성화 및 증식을 조절하는 cytokine입니다. 연구에 따르면 IL-15는 NK 세포의 분화, 기능 및 생존에 중요한 역할을 합니다. 충분한 인간 IL-15를 제공하면 마우스 체내에서 인간 NK 세포의 안정적인 기능을 유지할 수 있습니다.^[4-5] 따라서 중증 면역결핍 마우스에서 IL15 유전자를 인간화하면, 재구성 과정에서 HSC가 NK 세포 계통(cell lineage)으로 분화되고 T 세포 증식을 더욱 촉진하는 데 도움이 됩니다.^[6]

그림 2. Interleukin-15(IL-15)는 조혈모세포/전구세포가 NK 세포로 분화하는 것을 조절하는 중요한 cytokine입니다. ^[4]

Cyagen에서 개발한 NKG-hIL15 마우스(제품 코드: C001513)는 인간 IL15 유전자를 NKG 마우스에 knock-in된 2세대 중증 면역 결핍 마우스 모델로, 인간 줄기세포 이종이식(xenotransplant)이 효과적으로 인간 NK 세포를 재구성할 수 있도록 합니다. 이를 위해 인간 조혈 줄기세포(CD34+ HSC)를 NKG-hIL15 마우스에 이식하여 인간화 면역 시스템(HIS) 마우스 모델(제품 코드: C001526)을 개발했습니다. huHSC-NKG 마우스에 비해 huHSC-NKG-hIL15 마우스 모델은 다양한 면역 세포를 재구성할 수 있으며, 인간 NK 세포의 재구성 비율을 크게 증가시킵니다. 따라서 NKG-hIL15와 huHSC-NKG-hIL15 마우스 모델은 NK 세포 타겟팅 면역치료 및 전임상 약물 평가 연구 개발을 위한 강력한 연구 모델입니다. 이러한 모델들의 상세한 표현형 정보는 아래와 같습니다.

1. NKG-hIL15 마우스에서 인간 IL-15 단백질 발현에 대한 검출

NKG-hIL15 마우스는 NKG 마우스에 비해 인간 IL-15 단백질의 현저한 발현을 나타냅니다.

그림 3. 5주령의 암컷 homozygous NKG-hIL15 마우스와 NKG 마우스에서 진행한 인간 IL-15 단백질의 ELISA 검출.

2. huHSC-NKG-hIL15 마우스는 정상적인 성장과 생존율을 유지합니다

huHSC-NKG-hIL15 인간 면역 재구성 모델은 NKG-hIL15 마우스에 인간 CD34+ (huCD34+) 조혈모줄기세포(HSCs)를 이식함으로써 개발됩니다. huHSC-NKG-hIL15 마우스는 정상적인 성장을 유지하며, 체중이 점차 증가하고 이식 후 225일에 약 78%의 생존율을 보입니다.

그림 4. huCD34+ HSCs 이식 후 4주령의 암컷 homozygous NKG-hIL15 마우스의 생존율.

3. huHSC-NKG-hIL15 마우스는 다양한 면역세포 유형을 효율적으로 재구성합니다

huHSC-NKG-hIL15 마우스에서는 인간 백혈구(leukocyte)가 제3주차에 말초혈액에서 빠르게 재구성됩니다. 인간 T 세포는 제11주차에 재구성이 시작되며, 그 비율은 점차 증가하여 제27주차에 약 25%에서 안정화됩니다. 인간 B 세포의 비율은 제3주차부터 변동이 시작되어 제17주차 이후 안정화됩니다.
특히, 인간 NK 세포는 제3주차에서 제5주차 사이에 빠르게 재구성되고 제17주차 이후 안정화되어 제27주차에 약 20%의 재구성 비율로 유지됩니다. 

그림 5. huHSC-NKG-hIL15 마우스의 말초 혈액에서 다양한 면역 세포의 재구성

4. huHSC-NKG-hIL15 마우스는 다양한 발달 단계에서 NK 세포의 재구성을 달성합니다

재구성 과정에서 huHSC-NKG-hIL15 마우스는 말초 혈액에서 다양한 발달 단계의 NK 세포를 나타냅니다. 여기에는 NKG2D+ NK 세포와 KIR3DL+ NK 세포가 포함됩니다.(NKG2D는 NK 세포의 초기 발달 단계에서 발현되며, mature NK 세포에서도 활성 상태를 유지합니다. KIR3DL은 NK 세포의 중기에서 후기 발달 단계에서 발현됩니다.) huHSC-NKG-hIL15 마우스 모델은 CD57이 NK 세포의 최종 maturation 단계에서 발현됨에 따라 mature CD57+ NK 세포의 재구성을 성공적으로 달성했습니다.

그림 6. huHSC-NKG-hIL15 마우스의 다양한 발달 단계에서 NK 세포의 재구성.

개요

인간 IL15 유전자를 NKG 마우스에 knock-in하여 개발된 NKG-hIL15 마우스(제품 코드: C001513)는 높은 수준의 인간 IL15 단백질을 성공적으로 발현하는 2세대 중증 면역 결핍 모델입니다. NKG-hIL15 마우스에서 인간 IL-15의 발현은 인간 줄기세포 이식으로부터 다양한 인간 면역 세포, 특히 NK 세포의 효과적인 재구성을 가능하게 합니다.

이 목표를 달성하기 위해, huHSC-NKG-hIL15 인간화 면역 시스템(HIS) 마우스 모델(제품 코드: C001526)은 인간 조혈모세포(CD34+ HSC)를 NKG-hIL15 마우스에 이식하여 개발됩니다. 이를 통해 huHSC-NKG-hIL15 마우스는 정상적인 성장과 생존을 유지하며, 다양한 면역 세포를 재구성하면서 재구성된 인간 NK 세포의 비율을 크게 증가시킵니다. 따라서 NKG-hIL15 및 huHSC-NKG-hIL15 마우스 모델은 NK 세포 타겟팅 면역치료 연구 및 전임상 약물 평가에 강력한 연구 지원을 제공합니다.

추가로 Cyagen은 다양한 유형의 면역결핍 및 인간화 면역 시스템 재구성 모델을 제공하고 있습니다. 또한 암 치료 연구의 다양한 영역에서 연구원의 실험 요구를 충족시키기 위해 Cyagen에서 다양한 종양 세포주와 관련 이식 모델을 제공하고 있습니다.

Cyagen의 면역결핍 마우스 모델

Cyagen의 인간화 면역 시스템 마우스 모델

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참고문헌:
[1]Chuprin J, Buettner H, Seedhom MO, Greiner DL, Keck JG, Ishikawa F, Shultz LD, Brehm MA. Humanized mouse models for immuno-oncology research. Nat Rev Clin Oncol. 2023 Mar;20(3):192-206.
[2]Walsh NC, Kenney LL, Jangalwe S, Aryee KE, Greiner DL, Brehm MA, Shultz LD. Humanized Mouse Models of Clinical Disease. Annu Rev Pathol. 2017 Jan 24;12:187-215.
[3]Genomab Biotech. “Human immune system (HIS) mice.”, Retrieved May 23, 2024, from https://www.genomab.com/the-mouse-with-human-immune-system
[4]Liquitaya-Montiel AJ, Mendoza L. Dynamical Analysis of the Regulatory Network Controlling Natural Killer Cells Differentiation. Front Physiol. 2018 Aug 2;9:1029.
[5]Huntington ND, Legrand N, Alves NL, Jaron B, Weijer K, Plet A, Corcuff E, Mortier E, Jacques Y, Spits H, Di Santo JP. IL-15 trans-presentation promotes human NK cell development and differentiation in vivo. J Exp Med. 2009 Jan 16;206(1):25-34.
[6]Katano I, Nishime C, Ito R, Kamisako T, Mizusawa T, Ka Y, Ogura T, Suemizu H, Kawakami Y, Ito M, Takahashi T. Long-term maintenance of peripheral blood derived human NK cells in a novel human IL-15- transgenic NOG mouse. Sci Rep. 2017 Dec 8;7(1):17230.