고열 유도 열 충격 단백질을 이용한 나노 암 면역 요법
아미랑 닥터스 칼럼 - 논문 내용 정리
Heat Shock Protein 의 생성을 억제하기 위해 온열치료 시간을 제한해야 하지 않냐는 질문을 받습니다. 논문 내용을 보시면 아시겠지만 결론적으로 HSP 의 생성은 온열치료의 효과를 상승시킵니다. 그 이유는 세포외 HSP 이 많을수록 암 단백질을 인식하여 우리 면역계가 더 잘 활성화 되기 때문입니다. 중요한 것은 온열치료의 온도와 유지 시간인데 이 논문에서 43도에 도달하고 그 시간이 길수록 세포외 HSP 이 증가한다는 데이터를 내어 놓았습니다.
배경
화학 요법, 수술 및 방사선과 결합된 온열 요법을 활용하는 나노 요법은 다양한 유형의 암을 치료하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 암 치료는 일반적으로 종양 부담을 줄이는 데 중점을 둡니다. 그럼에도 불구하고 종양에 적절한 열 에너지를 제한하고 정상 조직에 영향을 주지 않으면서 재발과 전이를 피하기 위해 완전한 종양 절제를 얻는 것은 여전히 어려운 일입니다. 결과적으로 이러한 문제를 피하기 위해 대체 종양 살해 메커니즘을 확보하는 것이 중요합니다. 연구에 따르면 세포외 열충격 단백질(HSP)이 종양 세포 괴사 동안 항종양 면역을 활성화시키는 것으로 나타났습니다. 그러한 유도된 면역은 또한 종양 퇴행 및 재발 및 전이 감소에 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 하지만, 좁은 범위의 열 용량만이 최적의 항종양 면역 결과를 얻을 수 있는 것으로 보고되었습니다. 따라서 세포외 열 충격 단백질이 생성되는 방식을 이해하는 것이 중요합니다.
재료 및 방법
본 연구에서는 열 충격 단백질 합성 메커니즘과 세포 사멸 모델을 통합한 예측 모델을 제안하여 온열요법 암 면역 요법에서 열 충격 단백질의 관여와 죽은 종양 세포와의 관계를 설명합니다. 이 새로운 모델은 다양한 온도 및 가열 지속 시간을 포함하여 보다 광범위한 조건 세트에 대해 죽은 종양 세포에 의해 열적으로 방출된 세포외 열 충격 단백질에 대한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다.
결과
우리의 모델은 항종양 면역 자극, 종양 퇴행 촉진 및 전이 감소를 위한 최대 열 충격 단백질을 생성하기 위한 최적의 열 매개변수를 예측할 수 있습니다. 온도 상승과 함께 세포외 열 충격 단백질 농도와 증가된 죽은 세포 수 사이의 비선형 관계는 좁은 범위의 열 선량만이 최적의 항종양 면역 결과를 생성할 수 있음을 보여줍니다.
결론
우리의 예측 모델은 종양 퇴행을 촉진하고 전이를 줄이는 것을 목표로 항 종양 면역 활성화와 관련된 열 충격 단백질을 생성하기 위한 최적의 온도와 노출 시간을 예측할 수 있습니다.
핵심용어: #나노치료제, #나노의학, #온열요법, #열충격단백질, #면역항암제
Background
Nano-therapeutic utilizing hyperthermia therapy in combination with chemotherapy, surgery, and radiation is known to treat various types of cancer. These cancer treatments normally focus on reducing tumor burden. Nevertheless, it is still challenging to confine adequate thermal energy in a tumor and obtain a complete tumor ablation to avoid recurrence and metastasis while leaving normal tissues unaffected. Consequently, it is critical to attain an alternative tumor-killing mechanism to circumvent these challenges. Studies have demonstrated that extracellular heat shock proteins (HSPs) activate antitumor immunity during tumor cell necrosis. Such induced immunity was further shown to assist in regressing tumor and reducing recurrence and metastasis. However, only a narrow range of thermal dose is reported to be able to acquire the optimal antitumor immune outcome. Consequently, it is crucial to understand how extracellular HSPs are generated.
Materials and methods
In this work, a predictive model integrating HSP synthesis mechanism and cell death model is proposed to elucidate the HSP involvement in hyperthermia cancer immune therapy and its relation with dead tumor cells. This new model aims to provide insights into the thermally released extracellular HSPs by dead tumor cells for a more extensive set of conditions, including various temperatures and heating duration time.
Results
Our model is capable of predicting the optimal thermal parameters to generate maximum HSPs for stimulating antitumor immunity, promoting tumor regression, and reducing metastasis. The obtained nonlinear relation between extracellular HSP concentration and increased dead cell number, along with rising temperature, shows that only a narrow range of thermal dose is able to generate the optimal antitumor immune result.
Conclusion
Our predictive model is capable of predicting the optimal temperature and exposure time to generate HSPs involved in the antitumor immune activation, with a goal to promote tumor regression and reduce metastasis.
Keywords: #nano-therapeutic, #nanomedicine, #hyperthermia, #heat #shock #protein, #cancer #immunotherapy
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6016258/
Nano-therapeutic cancer immunotherapy using hyperthermia-induced heat shock proteins: insights from mathematical modeling
Nano-therapeutic utilizing hyperthermia therapy in combination with chemotherapy, surgery, and radiation is known to treat various types of cancer. These cancer treatments normally focus on reducing tumor burden. Nevertheless, it is still challenging ...
www.ncbi.nlm.nih.gov
암 치료를 위한 나노 의학과 온열 요법의 조합에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 예를 들어, 금나노막대와 레이저 조사를 외부 열원으로 활용하여 온열치료와 화학요법을 병행하면 세포 생존율이 90% 이상 증가하는 것으로 나타났습니다. 1 암 치료를 위한 교류 자기장 온열요법은 또한 관심 있는 세포를 선택적으로 표적화하고 국소 가열을 유도하는 동시에 주변의 건강한 조직에 2차 영향을 최소화하는 능력으로 인해 효과적인 치료 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 2 자성 나노입자와 통합된 약물 전달 시스템은 원하는 약물 방출을 수행하기 위해 교류 자기장 하에서 유도 가열을 활용할 수도 있습니다. 2자성 나노입자의 정맥 주사를 투여했을 때 교류 자기장 온열요법 후 훨씬 개선된 종양 절제가 달성되었습니다. 3 또한, 이질적인 종양 세포 반응으로 인해 비표적 기관에서 심각한 부작용을 우회하기 위해 온열 요법과 병용 치료를 사용하는 메토트렉세이트 결합 자성 나노 입자를 사용했습니다. 4 이러한 고열 연구는 주로 종양 세포를 직접 죽이는 데 초점을 맞췄습니다. 그러나 완전한 종양 제거를 달성하여 전이를 피하기 위해 정확한 종양 절제술을 시행하는 것은 여전히 문제가 있습니다. 결과적으로, 이러한 문제를 피하기 위해 온열 요법 활성화 면역 조절과 같은 대체 종양 살해 메커니즘을 달성하는 것이 암 치료에 중요합니다. 5
암 치료를 위해 면역 요법과 온열 요법의 조합에 대한 관심이 급속도로 증가하고 있습니다. 온열 요법으로 치료한 원발성 종양은 열 유발 항종양 면역 반응으로 인해 치료되지 않은 원격 전이의 자연 퇴행을 초래했습니다. 5 세포외 열 충격 단백질(HSP)에 의해 활성화된 항종양 면역 반응을 유도하기 위해 식별된 종양에 적용되는 국소 온열 치료가 잠재적으로 재발 및 전이의 위험을 감소시키는 것으로 입증되었습니다. 6 또한 환자의 혈청 내 HSP 수치는 교대 자기장 온열요법 후 유의하게 증가하는 것으로 나타났으며 HSP의 증가된 혈청 수치는 더 나은 생존율을 가져왔습니다. 7
HSP는 열, 추위 및 자외선에 대한 노출을 포함하여 스트레스가 많은 조건에 대한 노출에 대한 반응으로 세포에서 생성되는 단백질 계열입니다. HSP는 분자량에 따라 명명됩니다. 예를 들어, 70킬로달톤 HSP(HSP70s)는 거의 모든 살아있는 유기체에 존재하는 보존된 유비쿼터스 HSP 계열입니다. HSP70은 단백질 폴딩을 위한 세포 기구의 중요한 부분이며 스트레스로부터 세포를 보호하는 데 도움이 됩니다. 이 연구에서는 우리가 제안한 모델과 보고된 실험 데이터의 비교뿐만 아니라 세포외 환경에서 의 면역원성 특성으로 인해 HSP70에 초점을 맞출 것입니다 . 9따라서 지금부터 HSP70을 HSP로 간단히 표기하겠습니다. 연구에 따르면 온열요법으로 유발된 괴사성 세포 사멸은 HSP 방출과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 세포 괴사 시 세포 외 공간으로 분비되는 10개의 HSP는 위험 신호로 작용하여 적응성 항종양 면역 메커니즘을 유발합니다. 고열에 의한 열 스트레스를 받는 종양은 괴사성 종양 세포에서 방출된 세포외 HSP에 의해 보호되는 종양 항원의 방출로 이어졌습니다. HSP 종양-항원 복합체는 종양 항원의 제시를 촉진하고 항종양 면역을 유도하며 면역 세포를 활성화합니다. 11 많은 HSP-항원 복합체가 항원제시세포(APC)에 결합하여 이를 활성화합니다. 12일단 APC가 HSP-항원 복합체를 식균하면 APC는 항원을 세포독성 T 세포에 제시하고 적응 면역 반응을 시작할 수 있습니다. 13 HSP와 APC의 상호 작용은 HSP 함유 백신의 개발을 주도했습니다. 항원을 수지상 세포에 직접 전달하도록 설계된 백신은 인상적인 면역 반응을 생성하고 종양 공격으로부터 보호하는 것으로 나타났습니다. 14 초상 자성 산화철 나노입자를 기반으로 하는 HSP 함유 나노백신은 신경아교종에 대한 HSP 수용체의 과발현 및 항종양 반응의 강화로 인해 종양 표적화에서 월등한 개선을 입증했습니다. 15 , 16 결과적으로 HSP는 종양 표적화 및 항종양 면역 활성화를 도울 수 있습니다.
온도가 면역 체계에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 중요합니다. 열 유발 세포 괴사는 종종 외부에서 가해지는 열 스트레스에 의해 매개되며, 이는 또한 열 스트레스를 받는 암세포를 보호하기 위해 HSP의 상향 조절을 유도합니다. 17 , 18 온도가 43°C 이하인 중등도 온열요법은 세포 내 HSP 발현을 유도하여 향후 온열요법 치료를 견딜 수 있는 세포 내 HSP가 보유한 능력인 내열성을 촉진하는 것으로 보고되었습니다. 19 결과적으로 온열 치료의 적용 가능성 은 세포 손상을 방지하여 세포 사멸을 억제하는 데 도움이 되는 세포 내 HSP의 상향 조절로 인한 내열성으로 인해 처음에는 제한적일 수 있습니다 . 5연구에 따르면 HSP 방출은 41°C에서 시작하여 43°C에서 최대에 도달하고 45°C에서 완전히 감소합니다. 9 43°C 이상의 온도에서 온열요법은 단백질 변성을 유발하여 세포 사멸로 이어집니다. 21 또한 원발성 종양을 43°C가 아닌 45°C로 가열했을 때 이차성 종양에 대한 내성이 형성되지 않는 것으로 관찰되었다. 13이러한 결과로 인해 약 41°C의 고온이 적용될 때 HSP 합성이 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 증가는 주로 세포내 HSP 유도에 의해 기여됩니다. HSP의 생산은 세포외 HSP의 방출로 인해 약 43°C에서 최대에 도달하고 온도가 더 올라가면 감소합니다. 가열 노출 시간과 관련하여 연구에 따르면 세포주나 조직이 약 40°C~50°C의 온도에 노출될 때 장기간 열 노출 후에만 비가역적인 세포 손상이 발생하는 것으로 나타났습니다. 5 세포 또는 조직을 42°C 이상의 온도로 1시간 이상 가열하면 심각한 세포 사멸이 발생할 수 있습니다. 22이 결과는 최대 세포외 HSP 생성을 달성하기 위한 최적 온도와 관련된 예측된 대략적인 노출 시간으로 작용할 수 있습니다. 더욱이, HSP는 세포 괴사 동안 세포외 공간으로 분비되는 것으로 생각되는 반면, 분비는 여전히 세포 사멸 없이 일어나는 것으로 관찰되었습니다. 23 이러한 이유로 분비경로의 존재가 제안되었습니다. 23
본 연구는 항종양 면역학적 과정에 관여하는 세포외 HSP의 분비와 합성 및 괴사세포와의 관계를 조사하였습니다. 세포 외 HSP만이 면역 활성화에 참여하기 때문에 연구는 세포 독성 온도에 도달한 후 괴사 세포에서 방출되는 세포 외 HSP에 초점을 맞출 것입니다. 이러한 맥락에서 우리는 HSP 합성과 세포 사멸을 통합하여 세포외 HSP의 양을 고려할 수 있는 새로운 모델을 제안합니다. 또한 가열된 종양이 적응 면역 반응을 유도하기 위한 최적 온도 범위가 좁은 것으로 보고된 바 있습니다. 13이러한 온도 의존성은 다른 온도가 유도된 면역 반응에 다른 수준의 영향을 제공하고 상대적으로 좁은 범위의 열량에 대한 온도 영향을 이해해야 할 필요성을 강조한다는 것을 나타냅니다. 따라서 제안된 모델은 항종양 면역을 자극하는 온도 민감도 문제를 해결하기 위해 열 매개변수에 대한 보다 면밀한 분석을 제공할 것입니다. 모델 매개변수를 분석하여 열 스트레스 하에서 세포 사멸과 관련이 있고 가장 큰 항종양 면역 결과를 가져오는 세포외 HSP의 방출을 최적화하는 가열 온도 및 노출 시간을 찾을 것입니다.
면역 활성화를 위한 세포외 HSP의 방출을 달성하기 위해서는 임계 온도를 초과해야 하며, 종양 세포에 대한 세포 독성 온도는 42.5°C 이상인 것으로 보고되었습니다. 34 마우스 흑색종 세포주 9 에서 HSP 연구 에 따르면 HSP 방출 시작은 41°C에서 시작되었고 43°C에서 최대에 도달했으며 방출은 45°C에서 완전히 감소했습니다. 또한, 원발성 종양을 43℃로 가열하면 항종양 면역이 활성화되고 재도전 저항성을 유도하는 것으로 나타났다. 13 이러한 in vitro 결과와 관련하여 제안된 [HSP] 세포 사멸 모델을 분석하여 시뮬레이션 결과가 실험 데이터와 일치하는지 확인했습니다.그림 2다음 중 하나를 조정하여케이에프¯¯¯¯~ 0.15 min -1 또는 kb ~ 0.62 min -1 , 최대 HSP 합성은 43°C에서 달성될 수 있습니다 . HSP 합성의 개시는 약한 열 스트레스(<43°C) 하에서 이루어졌는데, 이는 세포 내 HSP로 인해 가장 약한 세포 시스템에 존재하는 내열성 효과의 결과입니다. 이러한 세포내 HSP는 종양 세포 세포 독성에 대한 온도에 아직 도달하지 않았기 때문에 활성화된 항종양 면역에 기여하지 않습니다. 42.5°C 이상의 온도에서 가열된 HSP는 죽은 종양 세포에서 방출되어 세포외 환경으로 이동하여 세포 독성 종양 세포에서 방출된 항원을 인식하고 항종양 면역을 활성화합니다. 그것은에서 볼 수 있습니다그림 2최대 HSP 합성은 세포 독성 온도인 43°C에서 달성되며, 온도가 지속적으로 증가하면 점진적으로 감소합니다. 이 결과는 다시 세포외 HSP 합성이 온도 증가에 선형적으로 반응하지 않음을 시사합니다. 더 온화한 세포 독성 가열 온도가 더 높은 것보다 더 자극적일 수 있다는 우리의 이전 주장에 동의합니다. 종양 세포 괴사를 일으키기에 충분한 온화한 온도는 조직 반응의 정확한 예측이 달성될 수 없는 경우 주변 조직의 과열을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 보다 집중적이고 국소적인 온열 치료와 함께 훨씬 더 온화한 온도(≤42.5°C)는 잠재적으로 동일한 항종양 면역 효율을 달성할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 35림프구 기능과 같은 열과 같은 온열 노출 하에서 면역 조절 활동이 아닌 세포 독성 온도에서 면역 활성화 모델을 개발하려는 우리의 특별한 관심에서, 36 전신 온열 치료보다 국소 온열 치료에 이 모델을 사용하는 것이 더 타당합니다.
전통적인 암 치료는 일반적으로 종양 부담을 줄이는 데 초점을 맞추는 반면, 전이성 종양에 대한 전신적 자기 방어 자극은 많이 고려되지 않았습니다. 6 세포 내 HSP의 세포 보호 샤페론 역할로 인해 열 스트레스를 받는 암세포를 보호하는 경향이 있습니다. 결과적으로 이전 연구는 종종 표적 종양 영역에서 HSP 발현을 최소화하는 데 중점을 둡니다. 11 이전 작업에서 우리는 무독성, 생체 적합성 자기 나노입자를 사용하여 자기 공명 나노테라노스틱 온열요법을 개발하여 병변을 표적으로 삼고 축적하여 초기 병변 감지를 위한 향상된 대비를 생성하고 열을 생성하여 온열요법을 통해 직접 또는 열 활성화 및 제어를 통해 간접적으로 병변 세포를 죽였습니다. 약물 방출.38 – 43 본 연구에서는 온열치료가 직접적인 세포살상 효과에 초점을 맞추는 대신 열처리된 괴사성 종양세포에서 분비되는 세포외 HSP에 의해 활성화되는 항종양 면역체계를 유도하는 역할을 한다. 이러한 면역은 모든 전이를 감지하고 공격할 것으로 예상됩니다. 우리는 다양한 온도와 노출 시간에서 HSP 합성을 조사하기 위해 세포외 HSP 발현과 세포 사멸 모델을 통합합니다.
이 모델은 대략 100분의 노출 시간으로 43°C에서 최대 세포외 HSP 합성을 생성했으며, 이는 세포 또는 조직이 1시간 이상 동안 ≥42°C의 온도로 가열될 때 얻은 상당한 세포 사멸과 일치합니다. . 제안된 모델과 시험관 내 데이터 사이에서 43°C에서 최대 세포외 HSP 합성을 달성하는 데 필요한 노출 시간의 불일치 결과는 다른 세포주4, 32의 가능한 영향 또는 HSP의 세포외 공간으로의 가능한 분비 경로로 인한 것일 수 있습니다 . 43°C에서 달성된 최대량은 온도가 더 올라가면 HSP 합성이 감소하여 세포외 HSP 합성이 온도 증가에 선형적으로 반응하지 않음을 시사합니다. 이러한 결과는 더 온화한 세포 독성 가열 온도가 더 높은 온도보다 더 자극적일 수 있음을 확인합니다. 결론적으로, 우리 모델은 종양 퇴행을 촉진하고 전이를 줄이는 것을 목표로 항종양 면역 활성화에 관여하는 HSP를 생성하기 위한 최적의 온도와 노출 시간을 예측할 수 있습니다.
