Part 1.
Although asthma, a chronic inflammatory airway disease, is relatively well-managed by inhaled corticosteroids, the side effects associated with the long-term use of these agents precipitate the need for alternative therapeutic options based on different modes of action. Bilirubin, a potent endogenous antioxidant and anti-inflammatory molecule, have been shown to ameliorate asthmatic symptoms, however, its clinical translation has been limited owing to its water insolubility and associated potential toxicity. Here we report the first application of bilirubin-based nanoparticles (BRNPs), composed of PEGylated bilirubin, as a nanomedicine for the treatment of allergic lung inflammatory disease. In the present study, the anti-asthmatic effects of BRNPs were assessed in a mouse model of fungal allergen-induced asthma. Because allergen-specific type 2 T-helper (Th2) cells play a key role in the pathogenesis and progression of allergic asthma, the effects of BRNPs on Th2 immune responses were investigated both in vivo and in vitro. Compared with unconjugated bilirubin (UCB), treatment with BRNPs in vivo suppressed the symptoms of experimental asthma and dramatically ameliorated Th2-related allergic lung inflammation. Consistent with these results, BRNPs mediated a reduction of Th2 cell populations and the expression of related cytokines by antibody-stimulated CD4+ T cells in vitro. Therefore, our results establish BRNPs as an important immunomodulatory agent that may be useful as a therapeutic for allergic lung inflammatory disease and other immune-mediated disorders.
Part 2.
Asthma is a chronic inflammatory disease of the lower airways characterized by recurrent airway obstruction and wheezing. There are several causes of asthma, however, in an immunological aspect, the main cause of asthma is an allergen such as house dust mite, fungal protease, and pollen. One of the most important characteristics of allergens is a protease from fungi and the enzyme activity of the protease is thought to be critical to induce the Th2-mediated immune responses. Generally, protease activity of Aspergillus oryzae is strong enough to develop allergic asthma. By manipulating protease activity, we secured a fundamental know-how to develop asthma vaccine, which can also control the differentiation and function of Th cells and induce immune stimulation and/or tolerance. Thus, we cloned the cDNA of protease-inactive mutant A. oryzae protease and optimized codons for bacterial expression. Expressed and purified mutant A. oryzae protease was being lost protease activity and administrated into mice. In the group of mice administrated with a mutant protease, allergic responses were not induced compared to a group of mice administrated with wild-type A. oryzae protease. Immune tolerance rather than immune stimulation was observed in mutant A. oryzae protease administrated group. Additionally, we observed a decreased asthma phenotypes by pre-treatment of mutant A. oryzae protease in allergen-induced asthmatic mice. Through this study, we will develop asthma vaccines for the prevention and/or therapeutics for the disease and validate the effectiveness of the newly developed asthma vaccines in allergic asthma models.
구성1.
만성 염증 기도 질환인 천식은 흡입용 스테로이드에 의해 비교적 잘 조절이 되지만, 이들 물질의 장기간 사용에 따른 부작용들은 다른 작용 양식에 근거한 근본적 치료 방안의 필요성을 촉발시킨다. 항산화 및 항염증 효과가 탁월한 물질인 빌리루빈이 천식 증상을 개선한다는 선행연구가 있지만, 빌리루빈의 물에 대한 불용성과 잠재적 독성 때문에 빌리루빈의 임상적 적용에는 제한 점이 있다. 따라서, 알레르기 폐 염증 질병의 치료를 위하여 빌리루빈을 페길레이션 시켜 구성된 빌리루빈 나노파티클을 합성하여 처음으로 나노의학으로써 적용해보았다. 진균류 프로테아즈 알레르겐으로 천식을 유도한 동물모델에서 빌리루빈 나노파티클의 항 천식 효과를 평가하였다. 알레르겐 특이적 Th2 도움 T세포가 알레르기 천식의 발병과 진행에 중요한 역할을 하기 때문에, Th2 면역반응에서 빌리루빈 나노파티클의 효과를 생체 내 그리고 생체 외 모델을 이용하여 확인해 보았다. 유리 빌리루빈과 비교하였을 때, 빌리루빈 나노파티클이 생체 내에서 보다 뛰어나게 천식 증상을 억제하고 Th2 관련 알레르기 폐 염증을 개선하였다. 이 결과와 일치하게, 생체 외에서도 빌리루빈 나노파티클이 항 CD3/CD28 항체로 자극한 CD4 T세포에 의한 Th2 세포 군집과 관련 싸이토카인의 감소를 매개하였다. 따라서, 이들 결과는 빌리루빈 나노파티클이 알레르기 폐 염증성 질환과 다른 면역관련 질환의 치료제로 유용할 수 있는 면역조절제로서 작용할 수 있음을 확립하였다.
구성2.
천식은 반복되는 기도 폐쇄와 천명이 특징이고 하기도에 발병하는 만성염증 질환이다. 하지만, 면역학적 측면에서 보면 명확한 천식의 발병원인이 있는데, 이는 집 먼지 진드기, 진균류 단백질 가수분해효소, 꽃가루와 같은 알레르겐이 대표적이다. 알레르겐의 가장 중요한 특징 중 하나는 단백질 가수분해 효소이고 이러한 단백질 가수분해 효소의 효소 활성이 Th2 도움 T세포가 매개하는 면역반응을 유도하는데 중요하다고 고려된다. 일반적으로, Aspergillus oryzae의 단백질 가수분해효소 활성이 알레르기 천식을 발병 시키기에 충분하다. 단백질 가수분해효소 활성을 억제하여, 우리는 도움 T세포의 분화와 기능을 조절하고 면역 관용을 유도하는 천식 백신 개발의 핵심적인 노하우를 획득하였다. 그래서, 우리는 단백질 가수분해효소를 불활성화시킨 돌연변이 Aspergillus oryzae 단백질 가수분해효소의 cDNA를 클로닝하고 박테리아에서 발현시키기 위해 코돈 최적화 시켰다. 발현시키고 정제한 돌연변이 Aspergillus oryzae 단백질 가수분해효소는 효소 활성을 잃어 버렸고 이것을 생쥐에 투여해 보았다. 정상 Aspergillus oryzae 단백질 가수분해효소를 처리한 생쥐 그룹과 비교하였을 때, 돌연변이 가수분해효소를 투여한 생쥐 그룹에서 알레르기 반응이 유도되지 않았다. 돌연변이 가수분해효소를 투여한 생쥐 그룹에서 면역 자극보다는 오히려 면역 관용이 관찰 되었다. 추가적으로 알레르겐으로 천식을 유도한 마우스에 돌연변이 Aspergillus oryzae 단백질 가수분해효소를 선 처리하였을 때, 천식증상이 감소하는 것을 관찰하였다. 이 연구를 통하여, 우리는 질병의 예방적 혹은 치료적 천식 백신을 개발 할 것이고 알레르기 천식 모델에서 새롭게 개발한 천식 백신의 효과를 검증 할 것이다.
