Role of Fc-fused interleukin-7 in the mobilization of hematopoietic stem cells

DoctorHematopoietic stem cell (HSC) transplantation is a procedure that reestablishes hematopoietic function by infusing healthy HSCs into patients with severe hematological disorders. In clinical practice, peripheral blood stem cells (PBSCs) mobilized from the bone marrow (BM) have been established as the preferred source of HSCs. Today, granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) is widely used as a standard agent for mobilization to collect donor PBSCs. However, G-CSF-based regimens fail to achieve sufficient mobilization at a high rate, highlighting a clinical need to develop new therapies for HSC mobilization. Herein, I aimed to investigate the role of interleukin-7 (IL-7) on stem cell mobilization by applying hybrid Fc-fused long-acting recombinant human IL-7 (rhIL-7-hyFc) and propose it as a novel mobilizing agent. In the first part of this study, I demonstrated that a single dose of rhIL-7-hyFc successfully mobilizes HSCs from the BM to the periphery. Mobilized HSCs by rhIL-7-hyFc have in vivo long-term reconstituting capacity and multipotency, indicating that the HSCs can reestablish entire hematopoiesis after transplantation. Furthermore, analysis of samples from a phase 1 clinical trial of rhIL-7-hyFc showed that rhIL-7-hyFc treatment also mobilizes CD34+ HSCs in healthy volunteers. In the second part of this study, I investigated a detailed mechanism of how rhIL-7-hyFc mobilized HSCs. HSCs do not express IL-7 receptor (IL-7R), so rhIL-7-hyFc indirectly modulates HSCs via other IL-7R-expressing cells. Using cell-specific IL-7R-deficient mouse models, I demonstrated that BM pro-B cells are essential mediators in rhIL-7-hyFc-induced mobilization. In response to rhIL-7-hyFc, pro-B cells downregulated a retention-associated signal VLA-4 in BM HSCs, which is considered a potential mechanism for egress from the BM. In the third part of this study, I evaluated the mobilization efficiency of rhIL-7-hyFc compared to conventional therapies in the clinic. Interestingly, rhIL-7-hyFc mobilized repopulating HSCs more efficiently than G-CSF. Furthermore, rhIL-7-hyFc worked synergistically with conventional therapies, G-CSF and AMD3100. Collectively, these data indicate that rhIL-7-hyFc is an effective mobilizing agent for HSCT as monotherapy and potentially as combinational therapy with G-CSF and AMD3100. Together with the analysis of human samples, these findings suggest that rhIL-7-hyFc may have clinical applications for HSCT.조혈모세포 이식은 난치성/재발성 혈액 질환의 핵심적인 치료법으로, 최근 전 세계적으로 매년 약 8만 건 이상 시행되고 있다는 점에서 의료적 수요가 매우 큰 치료법이다. 조혈모세포는 공급원에 따라 골수, 제대혈, 말초혈액으로 구분되며, 최근에는 골수 내 존재하는 조혈모세포를 말초혈액으로 이동시키는 촉진제 (조혈모세포 가동화 촉진제) 투여 후 혈액 내에서 조혈모세포를 채취하는 방법이 주로 사용되고 있다. 전통적 방식의 골수 이식과 비교하여, 말초혈액 조혈모세포 채집이 안전성이 높고 이식 후 질병의 예후가 좋다는 점에서, 조혈모세포를 말초혈액으로 효과적으로 가동화시키는 방법에 대한 임상적 가치가 부각되고 있다. 조혈모세포 가동화는 골수 내 조혈모세포의 기능을 유지 및 보호하는 조직화된 미세환경인 니쉬(niche) 인자들의 작용을 방해하는 기전을 통해 유도된다. 현재 임상에 적용중인 가동화 표준 처리법은 G-CSF 기반의 단독 또는 AMD3100 및 화학요법과의 병용 투여이지만, 많게는 40%의 환자군에서 가동화 실패 현상이 나타난다는 한계점을 지닌다. 따라서 현재의 가동화 전략에 대한 대안으로 효율적이며 가동화 실패 현상이 적은 새로운 약제 개발의 중요성이 대두되고 있고, 이에 본 연구에서는 새로운 가동화 약제로 IL-7의 역할을 규명하고자 하였다. 기존의 재조합 IL-7 단백질의 낮은 생리활성의 한계점을 개선하고자, 본 연구에서는 높은 생리 활성 및 우수한 생체 지속성을 보이는 혼성항체 결합 형태의 IL-7 (rhIL-7-hyFc)를 단회 투여하여 조혈모세포 가동화 현상 및 구체적 기전을 밝히고자 하였다. 그 결과, 생쥐 모델에서 rhIL-7-hyFc는 장기조혈재생능력 및 다중분화능을 지닌 조혈모세포를 말초혈액으로 가동화시킴을 확인하였고, 이는 rhIL-7-hyFc 투여 후 채집한 조혈모세포가 이식 후 모든 조혈 과정을 재구성하여 정상 상태로 회복시킬 수 있다는 점을 시사한다. 이를 바탕으로 rhIL-7-hyFc의 임상 적용 가능성을 평가하고자 하였고, 건강 성인 대상 임상 1상 혈액 검체를 분석하여 rhIL-7-hyFc가 인간 조혈모세포인 CD34양성세포를 혈액 내로 가동화함을 확인하였다. 조혈모세포는 IL-7 수용체(IL-7R)를 발현하지 않는다는 점에서, 이러한 조혈모세포의 가동화는 IL-7R를 발현하는 다른 세포군에 의해 유도됨을 예상할 수 있었다. 골수 내 IL-7R를 발현하는 세포는 주로 림프구 전구세포, 발달 단계의 B 세포 (pre-pro B, pro-B, pre-B 세포) 및 성숙 T 세포이기 때문에, 세포 자체가 결핍되거나 세포 특이적 IL-7R결핍 모델을 사용하여 rhIL-7-hyFc의 조혈모세포 가동화 기능의 기전을 규명하고자 하였다. 먼저 림프구 초기 세포 (pre-pro-B, pro-B)를 제외하고 대부분의 림프구가 결핍된 Rag-1 결핍 동물 모델에서, 정상 생쥐와 동일한 수준의 조혈모세포 가동화 기능이 나타남을 확인하였다. 가동화가 확인된 정상 생쥐 및 Rag-1 결핍 모델에서 골수 내 림프구 초기 세포의 변화를 확인한 결과, rhIL-7-hyFc 투약 후 pro-B 세포가 크게 증가한 것을 확인하였고, rhIL-7-hyFc 용량에 따라 증가한 골수 내 pro-B 세포와 조혈모세포의 가동화 정도가 높은 상관관계를 보인다는 것을 확인하였다. Pro-B 세포는 조혈모세포의 필수 니쉬 인자인 CXCR4, c-KIT, VLA-4를 공통으로 발현하고, 가장 많은 수의 조혈모세포가 위치하고 있는 혈관성 니쉬(perisinusoidal niche)에서 조혈모세포와 매우 근접하게 위치해 있다고 보고된 바 있다. 이러한 pro-B 세포의 rhIL-7-hyFc 가동화 기능에서의 역할을 확인하고자, pro-B 특이적 IL-7R 결핍 동물 모델을 확립하였다. 그 결과, pro-B 특이적 IL-7R 결핍 모델에서 정상 생쥐와 다르게 조혈모세포 가동화가 유도되지 않음을 확인하였고, 또한 rhIL-7-hyFc 투여가 조혈모세포가 발현하는 중요 니쉬 인자 중 VLA-4를 pro-B 세포 특이적으로 감소시킴을 확인하였다. 이는 rhIL-7-hyFc 가동화 기능에서 골수 pro-B 세포가 필수적인 매개체이며 조혈모세포 니쉬 조절을 통해 가동화를 유도할 수 있음을 시사한다. 다음으로 rhIL-7-hyFc의 가동화 효능을 평가하기 위해, 표준 치료제와 효능 비교를 진행하였다. rhIL-7-hyFc단회 투여는 G-CSF 단독 투여보다 조혈재생능력을 지닌 조혈모세포를 높은 수준으로 가동화 시켰고, G-CSF의 효율을 높이기 위해 임상에서 사용되는 G-CSF 및 AMD3100 병용 투여와 유사한 수준으로 가동화 기능을 하는 것을 확인했다. 더불어, rhIL-7-hyFc가 임상 표준치료제인 G-CSF와 AMD3100과 병용투여 시 시너지효과를 보임을 통해, rhIL-7-hyFc의 우수한 가동화 능력 확인했다. 결론적으로, rhIL-7-hyFc은 기존의 표준치료제보다 이식 후 조혈 과정을 정상화 시킬 수 있는 가장 상위의 세포인 조혈모세포를 효과적으로 가동화 시킴을 보였고, 표준치료제와 병용 투여를 통해 그 기능을 향상 시킬 수 있음을 보였다. 임상 검체 분석을 바탕으로 rhIL-7-hyFc의 임상 적용 가능성을 확인하였고, 이는 rhIL-7-hyFc이 새로운 조혈모세포 가동화 촉진제로 사용될 수 있음을 제시한다