A Study on GITR Signaling and Innate Lymphoid Cell Activation in an Atopic Dermatitis-Like Animal Model = 아토피 피부염 유사 동물 모델에서의 GITR 신호 전달과 선천성 림프구세포 활성에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Atopic dermatitis, a chronic allergic skin disease, is a result of the intricate interplay between disrupted skin barrier function and immunological irregularities. While previous research has mainly focused on the DC-Th2 axis to investigate the pathogenesis of atopic dermatitis, recent studies have unveiled the potential pathogenic involvement of innate lymphoid cells (ILCs). ILCs, a newly recognized class of immune cells residing in various tissues, produce a range of cytokines in response to immune stimuli. Although ILCs are primarily regulated by alarmins such as IL-33, there is emerging evidence indicating that immune checkpoint receptor-ligand interactions also modulate ILC function. Therefore, exploring the role of immune checkpoint-related molecules in ILCs is crucial for comprehending the pathogenesis and exploring new treatment approaches. In this study, I established two mouse models of atopic dermatitis using MC903 and house dust mite (HDM) ointment to investigate changes and the roles of ILCs in atopic dermatitis. Within atopic dermatitis lesions, the number of ILCs increased and the function of the cells enhanced, concomitant with a significant upregulation of GITR expression. Consistent with prior research, GITR serves as a co-stimulatory molecule, and there was a positive correlation between the level of GITR expression and the production of IL-5 and IL-13 by ILCs. Furthermore, GITR expression was positively correlated with disease severity indicators in atopic dermatitis, such as epidermal thickness and mast cell counts. GITRL, the specific ligand of GITR, was also found to be increased within atopic dermatitis lesions. To further investigate the specific cell type interacting with GITR+ ILCs, GITRL+ cells from skin tissue were analyzed using flow cytometry. Notably, GITRL was predominantly expressed on keratinocytes, and the interaction between GITR and GITRL stimulated the effector functions of ILCs. Blocking GITR- GITRL interaction with an anti-GITRL antibody attenuated the progression of atopic dermatitis, confirming the vital role of GITR in activating ILCs within the skin of atopic dermatitis. This study suggests that ILCs express higher levels of GITR in atopic dermatitis, and their interaction with GITRL+ keratinocytes activates ILCs, exacerbating atopic dermatitis. In summary, the interaction between GITR+ ILCs and GITRL+ keratinocytes leads to ILC activation and the exacerbation of atopic dermatitis. These findings enhance our understanding of the roles of ILCs in atopic dermatitis and may contribute to the identification of novel therapeutic targets. Keywords: Innate lymphoid cell, Glucocorticoid-induced TNF receptor (GITR), Immune checkpoint receptor, Atopic dermatitis Student Number: 2022-21396

국문 초록 (Abstract)

아토피 피부염은 피부 장벽 기능의 이상과 면역학적 이상의 복잡한 상호작용의 결과로 발생함. 아토피 피부염의 병인에 대해 이전 연구들은 수지상세포와 보조 T 세포 사이의 상호작용에 중점을 두었으나 최근 연구에서 선천성 림프구세포 역시 잠재적인 역할을 수행할 수 있다는 증거가 제시됨. 선천성 림프구세포는 다양한 조직에 상주하는 새로운 종류의 면역 세포로, 면역 자극에 대한 반응으로 다양한 사이토카인을 생성함. 선천성 림프구세포는 주로 IL-33와 같은 알라민에 의해 조절되지만 면역 관문 수용체 - 리간드 상호작용도 기능을 조절할 수 있음이 밝혀지고 있음. 따라서 선천성 림프구세포에서 발현하는 면역 관문 연관 분자의 역할을 탐구하는 것은 아토피 피부염의 병인을 이해하고 새로운 치료 방법을 발견하는 데 도움이 될 수 있음.
본 연구에서는 MC903과 집먼지 진드기 추출액 연고를 사용하여 두 가지 아토피 피부염 마우스 모델을 유도하였고 아토피 피부염에서 선천성 림프구세포의 변화와 역할을 분석함. 아토피 피부염 병변에서는 선천성 림프구의 수가 증가하고 그 기능이 강화되며, 상당한 수준의 GITR 발현 증가를 확인함. GITR이 선천성 림프구세포를 활성화한다는 이전 연구 결과에 맞게, GITR 발현 수준과 선천성 림프구세포의 IL-5 및 IL-13 분비능 사이에 양의 상관관계가 있었음. 게다가 GITR 발현 수준은 피부 두께 및 피부 비만세포 수와 같은 아토피 피부염의 중증도 지표와 양의 상관관계를 보였음. GITR의 리간드인 GITRL도 역시 아토피 피부염 병변 내에서 증가하였음. GITR을 발현하는 선천성 림프구세포와 상호 작용하는 세포를 확인하기 위해 유세포 분석을 사용하여 피부 조직 내 GITRL 발현 세포를 분류함. GITRL은 주로 각질형성세포에서 발현되었으며, GITR과 GITRL의 상호 작용은 선천성 림프구세포의 사이토카인 분비능을 자
극하였음. 이러한 결과는 아토피 피부염의 피부에서 더 높은 수준의 GITR을 발현하는 선천성 림프구세포가 각질형성세포와의 상호작용을 통해 활성화되고 아토피 피부염을 악화시키는 것을 시사함.
본 연구자는 GITR을 발현하는 선천성 림프구세포와 GITRL을 발현하는 각질형성세포 간의 상호작용은 선천성 림프구세포의 활성화와 아토피 피부염의 악화로 이어짐을 확인하였음. 따라서 본 연구를 통하여 아토피 피부염에서 선천성 림프구세포의 역할에 대한 이해를 증진시킬 수 있으며, 더 나아가 새로운 치료 목표를 제공하는데 도움이 될 것임.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT 1
• LIST OF FIGURES 5
• ABBREVIATIONS 7
• INTRODUCTION 9
• 1. Innate lymphoid cells
• 2. ILCs in atopic dermatitis
• 3. Regulation of ILCs in allergic disease via immune checkpoint related molecule
• MATERIALS AND METHODS 19
• 1. Mouse
• 2. Atopic dermatitis model
• 3. Single cell isolation for flow cytometry analysis
• 4. Flow cytometry analysis
• 5. Antibodies for flow cytometry
• 6. Histologic analysis and immunofluorescence imaging
• 7. ILC isolation
• 8. Skin tissue processing for analysis of gene expression differences between skin layers
• 9. Co-culture system
• 10. In vivo anti-GITRL antibody treatment
• 11. Quantitative real-time PCR
• 12. Statistics
• RESULTS 25
• 1. GITR signaling of ILCs enhanced in MC903-induced atopic dermatitis model
• 2. ILCs were activated by GITR-GITRL interaction in HDM-induced atopic dermatitis model
• 3. GITRL on keratinocytes augmented cytokine production of ILCs in atopic dermatitis
• 4. Blocking GITR-GIRL interaction inhibited ILCs activation and disease progression of atopic dermatitis
• DISCUSSION 50
• CONCLUSION 54
• REFERENCES 56
• ABSTRACT (Korean) 65