前言

細(xì)胞因子，如白介素和干擾素，調(diào)節(jié)著生理學(xué)的各個(gè)方面，包括免疫、發(fā)育、生長(zhǎng)和組織修復(fù)。鑒于細(xì)胞因子在健康和疾病中的核心作用，人們已經(jīng)做了許多嘗試來(lái)利用細(xì)胞因子進(jìn)行治療。

然而，盡管人類基因組中編碼了許多細(xì)胞因子，但在臨床上成功應(yīng)用細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑的例子依然很少。這在很大程度上是由于天然細(xì)胞因子的復(fù)雜生物學(xué)特性，通常會(huì)對(duì)多種細(xì)胞類型產(chǎn)生抵消作用。盡管這種多重作用對(duì)于確保體內(nèi)平衡和調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的自然生物功能至關(guān)重要，但它阻礙了臨床發(fā)展。

最近結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程和受體藥理學(xué)的研究為細(xì)胞因子受體激活機(jī)制提供了新的見解，表明細(xì)胞因子功能的許多方面都是高度可調(diào)的。過(guò)去5年來(lái)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界致力于使用廣泛的蛋白質(zhì)工程方法來(lái)調(diào)整細(xì)胞因子功能，并已開發(fā)出基于機(jī)制的蛋白質(zhì)工程策略，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞因子受體活性的系統(tǒng)“調(diào)節(jié)”。這些原理構(gòu)成了細(xì)胞因子藥理學(xué)新領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

細(xì)胞因子生物學(xué)概述

細(xì)胞因子是分泌的生長(zhǎng)因子，通過(guò)與細(xì)胞表面受體的胞外結(jié)構(gòu)域（ECD）結(jié)合，以類似于其他單通道跨膜受體的方式，啟動(dòng)靶細(xì)胞上的信號(hào)傳遞。

細(xì)胞因子受體在細(xì)胞膜上存在明顯的配體依賴性二聚化。受體ECD的二聚化將細(xì)胞內(nèi)受體相關(guān)的Janus激酶（JAKs）定位到適當(dāng)?shù)姆较蚝袜徑�位置，以進(jìn)行信號(hào)傳遞。二聚化的JAK以及受體細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域上的酪氨酸殘基去磷酸化，從而能夠招募信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（STAT）蛋白的轉(zhuǎn)錄因子。在受體結(jié)合后，STAT蛋白又被受體結(jié)合的JAK磷酸化，從而觸發(fā)STAT二聚化、核移位和轉(zhuǎn)錄激活。盡管這種信號(hào)級(jí)聯(lián)看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但人類基因組編碼約40個(gè)不同的細(xì)胞因子受體、4個(gè)JAK和7個(gè)STAT，從而形成一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，能夠引發(fā)多種多樣的生物學(xué)結(jié)果。

細(xì)胞因子受體信號(hào)機(jī)制的結(jié)構(gòu)和功能研究表明，大多數(shù)細(xì)胞因子都包含高親和力和低親和力受體結(jié)合位點(diǎn)。這導(dǎo)致了受體激活的兩步模型，其中細(xì)胞因子首先與高親和力受體亞單位結(jié)合，然后通過(guò)低親和力結(jié)合位點(diǎn)從細(xì)胞膜的其他地方招募第二受體亞單位。這種順序的、不對(duì)稱的結(jié)合可以通過(guò)基于機(jī)制的工程策略來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的活性。在許多情況下，高親和力受體亞單位是一種細(xì)胞因子特異性受體，它決定了細(xì)胞因子的細(xì)胞特異性以及劑量敏感性或EC50。相比之下，低親和力受體亞單位通常在多種細(xì)胞因子之間共享，主要影響復(fù)雜組裝的效率，進(jìn)而影響受體信號(hào)的最大強(qiáng)度（Emax）和持續(xù)時(shí)間。

細(xì)胞因子療法

細(xì)胞因子拮抗劑在臨床上取得了顯著的成功，例如在阻斷TNF－α、IL－6、IL－17和IL－23的促炎作用方面。相比之下，免疫調(diào)節(jié)性細(xì)胞因子或細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑在很大程度上還沒(méi)有被廣泛采用作為治療藥物。

在美國(guó)臨床批準(zhǔn)的第一批細(xì)胞因子是促炎性1型和2型干擾素，即1986年的IFNα2b（毛細(xì)胞白血�。┖�1991年的IFN－γ（慢性肉芽腫）。然而，它們的使用僅限于范圍較窄的疾病和患者群體，這在很大程度上是因?yàn)槠浒踩�性�?/p>

同樣，細(xì)胞因子IL－2在1992年和1996年被臨床批準(zhǔn)用于腎細(xì)胞癌和轉(zhuǎn)移性黑色素瘤，雖然IL－2在少數(shù)患者（8－10％）中誘導(dǎo)持久反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)引起嚴(yán)重甚至致命的副作用，限制了其更廣泛的臨床應(yīng)用。最近，對(duì)IL－2Rα（CD25）親和力改良IL－2變體和其他形式（如聚乙二醇化或抗體融合）也已進(jìn)入到臨床階段。但目前的證據(jù)表明，這些方法并沒(méi)有顯著提高IL－2治療的療效或耐受性。

除干擾素和IL－2外，其他幾種免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子也已進(jìn)入臨床試驗(yàn)，包括IL－7、IL－10、IL－12、IL－18、IL－21和IL－22，但迄今為止未能獲得美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)。這主要是由于這些分子廣泛的細(xì)胞多效性引起的有害促炎癥副作用。事實(shí)上，迄今為止最成功的細(xì)胞因子藥物是促紅細(xì)胞生成素（EPO）、血小板生成素（TPO）、粒細(xì)胞集落刺激因子（G－CSF）和粒細(xì)胞－巨噬細(xì)胞集落刺激因素（GM－CSF），這些都是造血調(diào)節(jié)因子，其受體表達(dá)在更為有限的細(xì)胞類型亞群上。

最近降低細(xì)胞因子療法毒性的努力主要集中在通過(guò)各種途徑選擇性靶向疾病組織，包括局部細(xì)胞因子注射、溶瘤病毒產(chǎn)生細(xì)胞因子、過(guò)繼轉(zhuǎn)移細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子、前細(xì)胞因子，以及和腫瘤靶向抗體或結(jié)合蛋白融合的細(xì)胞因子。盡管這些技術(shù)有助于限制細(xì)胞因子的細(xì)胞多效性并減輕對(duì)周圍組織的非靶向毒性，但還需要需要新的方法來(lái)開發(fā)細(xì)胞因子受體信號(hào)的自然調(diào)節(jié)機(jī)制，以便精確控制細(xì)胞因子功能并釋放其全部治療潛力。

細(xì)胞因子受體親和力、結(jié)構(gòu)和組成

細(xì)胞因子功能受其結(jié)合受體、與這些受體的親和力以及產(chǎn)生的信號(hào)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)靶向這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（受體親和力、受體結(jié)構(gòu)和受體組成）可能會(huì)進(jìn)一步增加細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑的細(xì)胞類型或功能選擇性。最終，細(xì)胞因子藥理學(xué)的目標(biāo)是調(diào)節(jié)細(xì)胞因子受體信號(hào)，以減少細(xì)胞和功能的多效性，從而增強(qiáng)這些重要信號(hào)分子的治療效果。

受體親和力

親和力改造的工程化細(xì)胞因子通常分為五個(gè)非相互排斥的類別：超級(jí)激動(dòng)劑、部分激動(dòng)劑、選擇性激動(dòng)劑、偏向性激動(dòng)劑和抗誘餌激動(dòng)劑。

超級(jí)激動(dòng)劑是能夠增強(qiáng)其受體親和力的配體，從而增強(qiáng)相對(duì)于內(nèi)源性配體的信號(hào)傳導(dǎo)效應(yīng)。超級(jí)激動(dòng)劑可用于提高細(xì)胞因子效力，尤其是在受體表達(dá)水平較低的細(xì)胞類型上。目前已設(shè)計(jì)出各種細(xì)胞因子的超級(jí)激動(dòng)劑變體，包括IFN－α、IFN－λ、IL－2、IL－4、IL－6、IL－10、IL－13和IL－22。

部分激動(dòng)劑是能夠在飽和配體濃度下引發(fā)次一級(jí)的細(xì)胞反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)不同于相應(yīng)天然細(xì)胞因子的功能特征。在某些情況下，在次一級(jí)的信號(hào)水平下，可能會(huì)出現(xiàn)療效提高和毒性降低，許多GPCR配體就是如此。

一個(gè)突出例子是IL－2，它驅(qū)動(dòng)細(xì)胞毒性CD8＋T細(xì)胞的增殖，但也誘導(dǎo)耗竭表型，從而限制癌癥免疫治療的療效。因此，人們開發(fā)出一種稱為H9T的變體，降低了γc的親和力，與野生型IL－2相比，H9T促進(jìn)了CD8＋T細(xì)胞的擴(kuò)增，同時(shí)在體外將細(xì)胞保持在TCF1＋干細(xì)胞樣狀態(tài)。用H9T體外培養(yǎng)CD8＋T細(xì)胞可增強(qiáng)過(guò)繼轉(zhuǎn)移后的抗腫瘤活性，表明部分激動(dòng)劑可改變多效性細(xì)胞因子的關(guān)鍵功能特性。

細(xì)胞因子由于作用于多種細(xì)胞類型的能力，從而可能導(dǎo)致非靶向毒性或相互抵抗的細(xì)胞反應(yīng)。選擇性激動(dòng)劑利用各種配體工程策略來(lái)縮小治療相關(guān)細(xì)胞因子的細(xì)胞類型特異性。

例如，IL－10是炎癥反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，抑制炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生以及單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞抗原提呈的能力。然而，IL－10還可以驅(qū)動(dòng)免疫刺激效應(yīng)，包括CD8＋T細(xì)胞產(chǎn)生IFN－γ和顆粒酶B，這限制了IL－10在自身免疫性疾病中的療效。人們通過(guò)設(shè)計(jì)了與IL－10Rβ親和力降低的IL－10變體，利用免疫細(xì)胞群體中IL－10Rβ表達(dá)水平的自然差異，這些變體在T細(xì)胞、B細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞上起到弱化的作用，但在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞上具有完全的功能。由于這種髓系選擇性，這些變體保留了抑制體內(nèi)全身炎癥的能力，但不再刺激細(xì)胞毒性T細(xì)胞的功能。

細(xì)胞因子多效性的另一個(gè)主要來(lái)源是細(xì)胞因子受體激活多個(gè)下游信號(hào)通路和STAT轉(zhuǎn)錄因子的能力。在許多情況下，這些不同的信號(hào)輸出可以促進(jìn)相反的生物反應(yīng)，而偏向性激動(dòng)劑是分離這些不同信號(hào)反應(yīng)并增強(qiáng)治療所需反應(yīng)的一種有希望的途徑。

最近開發(fā)了一種具有增強(qiáng)治療特性的工程化細(xì)胞因子IL－22偏向激動(dòng)劑。IL－22主要作用于上皮細(xì)胞，誘導(dǎo)STAT1、STAT3和STAT5轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。其中IL－22介導(dǎo)的STAT3激活驅(qū)動(dòng)IL－22的關(guān)鍵組織保護(hù)和再生功能，而STAT1激活驅(qū)動(dòng)促炎效應(yīng)。利用IL－22受體復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的IL－22變體與共享受體IL－10Rβ的親和力降低。至關(guān)重要的是，這類變體保留了激活STAT3的能力，但不再激活STAT1或STAT5。因此，這類IL－22變體在急性胰腺炎和腸道輻射損傷的情況下促進(jìn)了組織保護(hù)和體內(nèi)修復(fù)，但不再引起野生型IL－22特有的局部或全身炎癥。

細(xì)胞因子治療效果的另一個(gè)潛在限制因素是存在天然拮抗劑，例如可溶性誘餌受體。免疫刺激性IL－1家族細(xì)胞因子IL－18就是一個(gè)例子，它被誘餌受體IL－18BP抑制，限制了IL－18的抗腫瘤作用。為了克服這一點(diǎn)，人們開發(fā)了IL－18的抗誘餌激動(dòng)劑，該變異體不再與IL－18BP結(jié)合，但仍與信號(hào)受體IL－18R1結(jié)合。與野生型IL－18不同，這種抗誘餌的IL－18激動(dòng)劑（DR－18）在多個(gè)小鼠腫瘤模型中誘導(dǎo)了強(qiáng)大的抗腫瘤免疫反應(yīng)。

受體結(jié)構(gòu)

研究表明，調(diào)節(jié)細(xì)胞因子受體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以顯著改變下游信號(hào)和功能反應(yīng)，這為細(xì)胞因子功能的藥理控制開辟了一條全新的途徑。利用工程受體結(jié)合蛋白作為替代配體，產(chǎn)生了與不同幾何結(jié)構(gòu)的細(xì)胞因子受體結(jié)合的激動(dòng)劑。

例如EpoR受體，研究人員使用了共價(jià)連接的二聚體ScFv，稱為diabodies，可以誘導(dǎo)具有多種可能的間距和方向的受體二聚體。從而發(fā)現(xiàn)了幾種激活EpoR信號(hào)的配體，其STAT激活程度不同，從部分激動(dòng)到拮抗。

受體組成

使用嵌合細(xì)胞因子受體的初步研究發(fā)現(xiàn)，非天然細(xì)胞因子對(duì)能夠誘導(dǎo)STAT信號(hào)。這些合成因子引發(fā)了與其親代細(xì)胞因子相關(guān)的不同信號(hào)反應(yīng)，并在外周血單核細(xì)胞中誘導(dǎo)了獨(dú)特的基因表達(dá)程序。合成因子的組合可能性表明，新的細(xì)胞因子配體具有獨(dú)特的細(xì)胞類型特異性和下游信號(hào)傳導(dǎo)，這是一個(gè)尚未探索的空間。

細(xì)胞因子開發(fā)的未來(lái)方向和挑戰(zhàn)

從頭開始的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)

開發(fā)未來(lái)細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑的一個(gè)有希望的途徑是利用從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)來(lái)補(bǔ)充上述各種組合配體工程策略。最近采用了一種新的計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)獨(dú)立于IL－2Rα／IL－15Rα信號(hào)的IL－2和IL－15類似物。這些合成的類似物，相對(duì)于其天然細(xì)胞因子，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)拓?fù)�，在小鼠腫瘤模型中顯示出增強(qiáng)的穩(wěn)定性和改進(jìn)的療效，目前正在一期臨床試驗(yàn)中對(duì)多種癌癥類型進(jìn)行單獨(dú)或聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)阻斷（NCT04659629）的測(cè)試。另外，其主要的挑戰(zhàn)是非人類氨基酸序列可能增加免疫原性風(fēng)險(xiǎn)。

改善藥代動(dòng)力學(xué)／藥效學(xué)特性

目前，在改善細(xì)胞因子的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特性方面正在取得重大進(jìn)展，這也將是其未來(lái)臨床成功的關(guān)鍵決定因素。特別是，通過(guò)Fc融合或PEGylation延長(zhǎng)半衰期，以及通過(guò)工程化T細(xì)胞或“掩蔽”細(xì)胞因子，有可能大大提高細(xì)胞因子的安全性和有效性。然而，值得注意的是，這些修飾本身也可能影響細(xì)胞因子信號(hào)活性，例如通過(guò)高分子量聚乙二醇（PEG）化產(chǎn)生的空間位阻。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>

未來(lái)細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑開發(fā)的一個(gè)中心考慮是應(yīng)該使用哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)篩選和測(cè)試新的細(xì)胞因子。體外試驗(yàn)中，受體表達(dá)和內(nèi)化率是影響工程化細(xì)胞因子活性的關(guān)鍵決定因素。此外，將這些臨床前研究與單細(xì)胞測(cè)序和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)中的新方法相結(jié)合，將對(duì)反應(yīng)的細(xì)胞特異性和異質(zhì)性提供更深入的見解。然而，與所有藥物類別一樣，小鼠模型實(shí)驗(yàn)在預(yù)測(cè)人類療效方面的能力有限。因此，含有不同免疫細(xì)胞群的人源性器官樣培養(yǎng)物的新進(jìn)展也可能有助于評(píng)估未來(lái)新的細(xì)胞因子類藥物。

免疫原性

免疫原性的潛力是所有蛋白質(zhì)療法的重要考慮因素，工程化細(xì)胞因子也不例外。治療誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)可能會(huì)限制療效和安全性。已知幾個(gè)參數(shù)可能會(huì)影響蛋白藥物免疫原性，包括非自然序列，聚集和降解的傾向，以及翻譯后修飾的存在。因此，必須特別注意非人類蛋白質(zhì)，如從頭設(shè)計(jì)的細(xì)胞因子，可能更容易引起免疫原性。然而，迄今為止，進(jìn)入臨床的突變細(xì)胞因子相對(duì)較少，免疫原性對(duì)該類藥物的安全性和療效的限制程度仍有待觀察。

小結(jié)

最近的十幾年來(lái)，細(xì)胞因子藥物持續(xù)成為臨床開發(fā)的熱點(diǎn)。然而，除了少數(shù)造血來(lái)源的細(xì)胞因子外，細(xì)胞因子的臨床應(yīng)用受到其生物學(xué)固有的復(fù)雜多樣性的極大限制。目前，隨著對(duì)細(xì)胞因子受體結(jié)構(gòu)信息的研究深入，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子受體親和力、結(jié)構(gòu)和組成，使得設(shè)計(jì)新型細(xì)胞因子受體激動(dòng)劑成為可能。通過(guò)將免疫學(xué)和對(duì)這些細(xì)胞因子藥理學(xué)的新見解相結(jié)合，以及創(chuàng)新的基于結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)策略，新興的細(xì)胞因子藥理學(xué)領(lǐng)域?qū)⒆罱K釋放基于細(xì)胞因子療法的全部潛力。

參考文獻(xiàn)：

1．Emergingprinciples of cytokine pharmacology and therapeutics． Nat Rev Drug Discov．2022Sep 21．

       原文標(biāo)題 : 細(xì)胞因子藥理學(xué)和治療應(yīng)用的新見解