Targeting LSD1 inhibits gastric cancer by reprogramming macrophages and restoring T-cell response

기술 요약: LSD1 표적화는 대식세포의 재프로그래밍 및 T세포 반응 회복을 통해 위암을 억제한다

문제 제기
위암(GC)은 전 세계적으로 주요한 암 사망 원인으로 남아 있으며, 진행된 단계의 질병은 5년 생존율이 10% 미만이다. 면역요법을 포함한 다각적 치료가 성과를 개선해 왔으나, 늦은 진단, 약물 내성, 면역 관문 억제제에 대한 낮은 반응률로 인해 임상적 이점은 제한적인 경우가 많다. 핵심적인 장벽은 종양이 면역 체계를 회피하는 능력이다. Lysine-specific demethylase 1 (LSD1/KDM1A)은 다양한 악성 종양에서 과발현되어 종양 진행을 유도하지만, 위암 종양 면역 미세환경(TIME)을 형성하는 구체적인 역할은 아직 완전히 정의되지 않았다. 또한, 기존의 LSD1 억제제, 특히 페닐시클로프로필아민 기반 약제들은 선택성과 독성 측면에서 문제를 안고 있으며, 가역적 억제제들은 충분한 효능이 부족한 경우가 많다. 따라서 위암의 면역 회피를 극복하기 위해 면역 미세환경을 효과적으로 재프로그래밍할 수 있는 새롭고 강력하며 선택적인 LSD1 표적 약제가 절실히 필요하다.

연구 방법론
본 연구는 계산 화학, 분자 생물학 및 면역학을 결합한 다각적인 접근 방식을 채택하였다:

1. 신약 발견 및 설계: 퀴나졸린 기반 리드 화합물(Z-1)에서 시작하여, 생체 등가체 교체(ring nitrogen을 carbon으로 치환)를 통해 퀴놀린 골격을 생성하였다. 골격의 R1, R2, R3, R4 위치에 대해 체계적인 구조-활성 관계(SAR) 연구를 수행하였다. 분자 도킹 시뮬레이션(PDB 2V1D 사용)을 통해 FAD 결합을 모방하는 방식으로 LSD1 활성 부위와의 결합 상호작용을 최적화하였다.
2. 유전적 조작: LSD1 결실의 내재적 효과를 연구하기 위해 CRISPR-Cas9을 사용하여 LSD1 녹아웃(KO) 마우스 전위두암(MFC) 세포 및 인간 위암 세포주(AGS, MKN45)를 생성하였다.
3. **단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq): 면역 기능이 있는 마우스의 피하 종양에서 추출한 CD45+ 종양 침윤 림프구(TILs)를 프로파일링하여 면역 세포 집단과 그 상태(예: M1/M2 대식세포, 소진된 CD8+ T 세포)를 특성화하였다.
4. In Vitro 공배양 시스템: PMA 유도 THP-1 대식세포와 일차 T 세포를 처리하기 위해 위암 세포(WT vs. KO vs. 약물 처리군)의 배양 상등액(CM)을 사용하였다. 이를 통해 대식세포 분극화(M0에서 M1/M2로)와 T 세포 활성화/소진 마커(CD69, CD25, PD-1, LAG-3, TIM-3)를 평가하였다.
5. In Vivo 모델: C57BL/6 (615) 마우스를 이용한 동종 피하 종양 모델을 구축하였다. 대식세포를 제거하기 위해 클로드레이트 리포좀, PLX3397 또는 anti-CSF1R 항체를 사용하였고, CD8+ T 세포를 제거하기 위해 anti-CD8α 항체를 사용하는 선택적 결핍 전략을 활용하였다. 리드 화합물인 KL-1을 경구 투여하여 종양 성장 억제 및 면역 조절 효과를 평가하였다.

주요 기여

• 기전적 통찰: 본 연구는 종양 내재적 LSD1이 면역 회피를 촉진하는 새로운 메커니즘을 규명하였다. 즉, LSD1은 M0 대식세포를 종양 촉진형 M2 표현형으로 유도하며, 이는 다시 CD8+ T 세포의 소진을 유도하는 상호작용 루프를 조절한다. 반대로, LSD1 결실은 대식세포를 항종양형 M1 표현형으로 기울게 하고 CD8+ T 세포의 기능을 회복시킨다.
• 신규 억제제 개발: 저자들은 일련의 퀴놀린 기반 가역적 LSD1 억제제를 설계하고 합성하였다. 리드 화합물인 KL-1(화합물 29)은 높은 효능(IC50 = 18 nM)을 보였으며, FAD 경쟁적 상호작용 및 주요 잔기(Glu801, Ser289, Gly287)와의 수소 결합을 포함하는 특이적 결합 모드를 나타냈다.
• 치료적 검증: 본 연구는 LSD1의 약리학적 억제가 유전적 결실 표현형을 재현하여, 면역 미세환경을 재프로그래밍함으로써 위암 성장을 효과적으로 억제함을 입증하였다.

결과

• LSD1 결실에 의한 면역 재프로그래밍: MFC 종양의 scRNA-seq 결과, LSD1 KO 종양은 M2 대식세포와 소진된 CD8+ T 세포(CD8+ Tex)의 감소와 함께 M1 대식세포 및 활성화된 CD8+ T 세포의 유의미한 증가를 보였다.
• 대식세포-T 세포 축: In vitro 실험을 통해 LSD1 KO 세포의 배양 상등액(CM)이 M0 대식세포를 M1 표현형(높은 CD80/CD86, 낮은 CD206/CD163)으로 유도하고 M2 분극화를 감소시킴을 확인하였다. 결정적으로, M1 편향은 CD8+ T 세포 소진을 막는 데 필수적이었다. 대조군 세포에 의해 유도된 M2 대식세포와 공배양하면 소진 마커(LAG-3, PD-1, TIM-3)가 높게 나타났으나, LSD1 KO 세포의 CM으로 처리된 M2 대식세포는 이러한 소진을 유도하지 못했다.
• KL-1 효능: 위암 세포에서 KL-1 처리는 유전적 결실의 효과를 재현하여, M1 분극화를 촉진하고 CD8+ T 세포 활성화를 유도하는 동시에 소진 마커를 억제하였다.
• In Vivo 효능 및 의존성: 동종 마우스 모델에서 KL-1 처리는 종양 성장을 유의미하게 억제하였다. 이 효능은 면역 체계에 의존적이었다:
  • 대식세포를 결핍시키면 KL-1의 항종양 효과가 부분적으로 역전되었다.
  • CD8+ T 세포를 결핍시키면 KL-1의 치료 효능이 완전히 상실되었다.
  • KL-1 처리는 종양 내 M1 대식세포와 기능적 CD8+ T 세포를 증가시키고 M2 대식세포를 감소시켰다.
  • CD8+ T 세포를 결핍시키면 대식세포의 분극화(M1/M2 비율) 변화가 사라졌는데, 이는 T 세포 또한 이 맥락에서 대식세포 표현형에 영향을 미치는 상호 조절 루프가 존재함을 시사한다.
• 안전성: KL-1 처리된 마우스의 주요 장기에 대한 조직학적 분석(H&E 염색) 결과, 생체 내 독성의 징후는 나타나지 않았다.

의의
본 논문은 LSD1을 위암의 면역 재프로그래밍을 위한 다룰 수 있는 후성유전적 노드로 제시한다. LSD1이 M2 대식세포를 통한 CD8+ T 세포의 소진을 통해 항종양 면역을 억제한다는 메커니즘을 밝힘으로써, 본 연구는 LSD1을 직접적인 종양 억제뿐만 아니라 면역 조절제로 타겟팅할 근거를 제공한다. KL-1을 이 메커니즘을 성공적으로 수행하는 강력하고 가역적이며 선택적인 억제제로 식별한 것은 이를 유망한 임상 후보 물질로 확립한다. 연구 결과는 LSD1 억제가 기존 면역요법과 병용될 경우, 대식세포 재프로그래밍을 통해 T 세포의 세포독성 잠재력을 회복함으로써 위암의 내성을 극복할 수 있음을 시사한다. 저자들은 환자 유래 scRNA-seq 데이터의 부재와 OT-I 마우스를 이용한 추가적인 인과관계 연구의 필요성 등 한계점을 인정하면서도, 본 연구가 위암에서 LSD1-M2-CD8+ T 세포 축에 대한 기초적인 이해를 제공한다고 강조한다.