건선(Psoriasis) 표적 약물 평가 모델 - B6-hIL-17A 마우스

건선(Psoriasis) 표적 약물 평가 모델 — B6-hIL-17A 인간화 마우스 모델을 소개합니다. 이 모델은 건선 치료의 효과적이고 효율적인 임상 translation을 위한 전임상 질환 모델링에 개선된 플랫폼을 제공합니다. 먼저, 건선의 병리를 이해하고 연구자들이 B6-hIL-17A 인간화 마우스 모델에서 효과적인 치료법을 식별하는 데 어떻게 도움이 되는지 알아보겠습니다.

건선이란 무엇인가요? 

건선은 피부 세포가 빠르게 생성되어 피부 표면에 쌓이고 염증을 일으키는 만성 재발성 자가면역 피부 질환입니다. "심상성건선(Psoriasis Vulgaris)"이라고도 알려진 판상 건선(Plaque Psoriasis)은 전체 건선 환자의 약 80%가 앓고 있는 가장 흔한 유형입니다.

건선의 주요 증상으로는 팔꿈치, 무릎, 허리, 두피와 같은 부위에 가장 흔히 나타나는 가렵고, 피부가 벗겨지는 등의 발진이 있습니다. 전 세계적으로 약 1억 2,500만 명 건선 환자가 있으며, 이는 전 세계 인구의 2~3%에 해당합니다. ^[1]

건선은 면역, 유전, 환경 및 내분비 요인과 관련이 있으며, 피부 세포의 비정상적인 증식과 분화로 이어져 피부 표면에 피부 세포가 과도하게 축적되는 결과를 초래합니다.

건선의 기전과 치료법은 피부과 연구에서  핵심적인 주제로 남아 있으며, 현재 완치할 수 있는 치료법은 아직 없습니다. 환자들은 주로 유발 요인 파악, 국소 치료, 광선치료법, 전신 치료, 생활 습관 변화 등을 통해 증상을 관리하고 조절하려고 노력합니다.

그림 1. 정상 피부층과 건선 피부층의 차이에 대한 개략도 ^[2]

면역 조절 장애와 건선

연구에 따르면 염증과 자가 면역이 건선의 발병과 진행에 중요한 역할을 한다고 합니다. 환자의 T 세포는 건강한 피부 세포를 공격하고 다른 면역 세포를 끌어들여 피부 내 염증과 조직 손상을 일으킵니다. 이로 인해 표피의 각질형성세포(Epidermal Keratinocytes)가 과도하게 증식하고 무질서하게 분화하여 며칠마다 새로운 피부 세포가 생성되고 피부 표면에 축적되어 플라크라고 알려진 비늘 모양의 건조하고 융기된 피부 패치가 생깁니다.

Interleukin-23/Interleukin-17(IL-23/IL-17) 경로는 건선의 자가 면역 반응에서 중심적인 역할을 하며, IL-23은 Th17 세포를 활성화하여 전염증성 사이토카인(Pro-inflammatory cytokine) IL-17의 생성을 자극합니다. 각질세포(Keratinocyte)에서 IL-17A는 수용체(Receptor)에 결합하여 각질세포의 증식을 자극하고 염증 매개체와 화학주성인자(Chemotactic factors)의 방출을 유도하여 염증 반응을 유발합니다. 따라서 IL-17A는 염증성 질환 치료의 중요한 타겟이며, IL-17A를 타겟으로 하는 단클론 항체가 건선 환자에서 치료 효과를 나타낸다는 것이 입증되었습니다.^[3]

그림 2.  IL-23/IL-17 경로가 건선 피부에서 표피 각질세포에 미치는 영향 ^[4]

Cyagen은 IL-17A에 대한 표적 치료 연구를 위해 B6-hIL-17A 인간화 마우스 모델(제품 코드: C001510)을 개발했습니다. 이 모델은 Imiquimod(IMQ) 유도를 사용하여 건선 모델로 성공적으로 확립되었으며, 인간 IL-17A에 대한 표적 약물을 평가하는 데 적용합니다.

모델 구축 및 약물 효능 평가 개략도 

Imiquimod(IMQ) 크림을 바르면 마우스 모델에서 사람의 건선과 유사한 피부 손상과 염증이 유도되어 전임상 연구 모델에서 흔히 사용되는 유도 방법입니다. 반면, Ixekizumab은 IL-17A에 결합하고 중화하여 염증을 완화하는 인간화 항체로, 건선 및 기타 자가면역 질환 치료에 사용됩니다. B6-hIL-17A 인간화 마우스 모델은 효과적이고 효율적인 임상 translation을 위해 건선 치료법의 전임상 질환 모델링을 위한 개선된 플랫폼을 제공합니다.

그림 3. IMQ 유도 및 Ixekizumab 효능 검증의 실험 프로토콜을 사용하여 B6-hIL-17A 마우스 건선 모델 확립

마우스 모델의 성장 곡선

IMQ를 투여한 그룹과 투여하지 않은 그룹 모두에서 B6-hIL-17A 마우스와 야생형 마우스의 체중 변화 경향은 본질적으로 일치합니다.

그림 4. B6-hIL-17A 마우스와 야생형 마우스의 성장 곡선

IMQ는 B6-hIL-17A 마우스에서 건선 유사 표현형 유도 성공 

IMQ 연고를 연속으로 바른 지 세 번째 날에 B6-hIL-17A 마우스의 피부는 눈에 띄는 피부의 벗겨짐과 피부 표면 거칠기가 나타났으며 일부 부위는 홍반이 보였고 피부 두께는 정상보다 약간 더 두꺼워졌습니다. 증상이 가장 심각한 부위에서 피부는 벗겨져 나갔습니다. Ixekizumab으로 치료한 후 B6-hIL-17A 마우스의 피부 상태는 현저히 개선된 것으로 나타났습니다.

그림 5. 8주령 야생형 마우스, B6-hIL-17A 마우스, Ixekizumab으로 치료한 B6-hIL-17A

마우스(IMQ 유도 3일째)의 피부 상태 비교

IMQ 유도는 B6-hIL-17A 마우스에서 인간 IL-17A 단백질의 높은 발현으로 이어집니다.

IMQ 유도는 마우스에서 면역 세포의 활성화와 증식을 유발하여 IL17A의 발현을 증가시킵니다. ELISA 결과에 따르면 IMQ로 유도된 B6-hIL-17A 마우스는 20 pg/mL 이상의 인간 IL-17A 단백질을 발현하는 반면, 유도되지 않은 B6-hIL-17A 마우스는 검출 가능한 수준의 인간 IL-17A 단백질 발현이 되지 않았습니다(그림 6).

Ixekizumab으로 치료한 후, B6-hIL-17A 마우스의 인간 IL-17A 단백질 발현은 현저히 감소하여 대조군 그룹의 마우스의 수준과 유사해졌습니다.

그림 6. 8주령 암컷 B6-hIL-17A 마우스와 야생형 마우스에서 인간 IL-17A 단백질 발현의 ELISA 결과

건선 부위 및 중증도 지수(PASI) 

건선 부위 및 중증도 지수(Psoriasis Area and Severity Index, PASI) 측정 도구에 따라 다양한 마우스 그룹에서 피부 병변의 면적과 중증도를 정량화했습니다. 그 결과에 따르면 IMQ를 적용한 후 B6-hIL-17A 마우스는 피부 병변, 피부의 벗겨짐, 홍반, 피부 주름과 같은 증상이 발생했습니다. Ixekizumab으로 치료한 후, B6-hIL-17A 마우스의 피부 손상과 염증 상태는 치료제 용량에 따라 완화되었습니다. 고용량 Ixekizumab 치료 그룹에서 PASI 점수가 치료받지 않은 그룹에 비해 현저히 낮았습니다.

그림 7. IMQ 처리 및 Ixekizumab 치료 후 8주령 B6-hIL-17A 마우스와 야생형 마우스의 PASI 점수

Ixekizumab가 B6-hIL-17A 마우스의 조직병리학적 상태를 효과적으로 개선합니다.

IMQ를 적용한 후 B6-hIL-17A 마우스의 피부는 각질층(피부의 가장 바깥층)의 과각화증(Hyperkeratosis) 또는 과소각화증(Parakeratosis), 과립층(Granular layer)의 얇아짐 또는 소실, 유극층(Spinous layer)의 두꺼워짐, Rete ridges의 늘어짐 또는 변동, 진피에서 단핵 세포(Mononuclear cells) 또는 다핵 세포(Multinuclear cells)의 침윤 등 건선과 유사한 조직 병리학적 표현형을 나타냈습니다. Ixekizumab으로 치료한 후, B6-hIL-17A 마우스의 피부에서 이러한 증상이 현저히 개선되었으며, 치료 효과는 치료제 용량에 의존성 있다는 것으로 나타났습니다. 

그림 8. 8주된 암컷 B6-hIL-17A 마우스와 야생형 마우스 대조군의 피부에서 H&E 염색, 조직학적 점수 및 표피 두께 측정 

결론

정상적인 조건에서 B6-hIL-17A 마우스는 ELISA 검사를 통해 검출 가능한 미량의 인간 IL-17A 단백질을 나타낼 수 있습니다. Imiquimod(IMQ)로 유도하면 이 마우스는 인간 IL-17A 단백질을 고도 발현으로 피부 거친정도, 피부의 벗겨짐, 홍반, 피부 주름과 같은 건선과 유사한 표현형을 나타냅니다.

Ixekizumab로 치료하면 B6-hIL-17A 마우스에서 IMQ에 의해 유도된 건선 유사 조직 병리학적 표현형을 효과적으로 억제할 수 있으며, 마우스 모델의 체내 인간 IL-17A 단백질 수준을 현저히 감소시킬 수 있습니다. 치료 효과는 치료제 용량 의존성을 보입니다. 따라서 IMQ-induced B6-hIL-17A 마우스 모델은 건선과 같은 IL-17A 관련 자가면역 질환의 기전을 연구하고 IL17A 표적 치료제의 효능을 평가하는 데 효과적인 모델입니다.

Cyagen은 B6-hIL-17A 마우스 모델과 같은 기존 마우스 모델 외에도 자연 발생 및 약물 유발성 질환 모델을 포함하는 자가면역 및 염증성 질환과 관련된 다양한 인간화 마우스 모델을 제공합니다. Cyagen의 맞춤형 동물 모델 프로젝트에 대한 무료 상담을 통해 연구자분들의 전임상 연구를 향상시킬 수 있습니다.

참고 문헌:

[1]National Psoriasis Foundation. (n.d.). Psoriasis statistics. Retrieved December 30, 2023, from https://www.psoriasis.org/psoriasis-statistics/
[2]DUOBRII. (n.d.). Psoriasis Facts. Retrieved December 30, 2023, from https://www.duobrii.com/psoriasisfacts/
[3]Griffiths CEM, Armstrong AW, Gudjonsson JE, Barker JNWN. Psoriasis. Lancet. 2021 Apr 3;397(10281):1301-1315.
[4]Hawkes JE, Chan TC, Krueger JG. Psoriasis pathogenesis and the development of novel targeted immune therapies. J Allergy Clin Immunol. 2017 Sep;140(3):645-653.
[5]Craig S, Warren RB. Ixekizumab for the treatment of psoriasis: up-to-date. Expert Opin Biol Ther. 2020 Jun;20(6):549-557.