前言

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

然而，盡管人類基因組中編碼了許多細胞因子，但在臨床上成功應(yīng)用細胞因子受體激動劑的例子依然很少。這在很大程度上是由于天然細胞因子的復(fù)雜生物學(xué)特性，通常會對多種細胞類型產(chǎn)生抵消作用。盡管這種多重作用對于確保體內(nèi)平衡和調(diào)節(jié)細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)的研究為細胞因子受體激活機制提供了新的見解，表明細胞因子功能的許多方面都是高度可調(diào)的。過去5年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界致力于使用廣泛的蛋白質(zhì)工程方法來調(diào)整細胞因子功能，并已開發(fā)出基于機制的蛋白質(zhì)工程策略，從而實現(xiàn)細胞因子受體活性的系統(tǒng)“調(diào)節(jié)”。這些原理構(gòu)成了細胞因子藥理學(xué)新領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

細胞因子生物學(xué)概述

細胞因子是分泌的生長因子，通過與細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，啟動靶細胞上的信號傳遞。

細胞因子受體在細胞膜上存在明顯的配體依賴性二聚化。受體ECD的二聚化將細胞內(nèi)受體相關(guān)的Janus激酶（JAKs）定位到適當?shù)姆较蚝袜徑�位置，以進行信號傳遞。二聚化的JAK以及受體細胞內(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。盡管這種信號級聯(lián)看起來很簡單，但人類基因組編碼約40個不同的細胞因子受體、4個JAK和7個STAT，從而形成一個復(fù)雜的信號系統(tǒng)，能夠引發(fā)多種多樣的生物學(xué)結(jié)果。

細胞因子受體信號機制的結(jié)構(gòu)和功能研究表明，大多數(shù)細胞因子都包含高親和力和低親和力受體結(jié)合位點。這導(dǎo)致了受體激活的兩步模型，其中細胞因子首先與高親和力受體亞單位結(jié)合，然后通過低親和力結(jié)合位點從細胞膜的其他地方招募第二受體亞單位。這種順序的、不對稱的結(jié)合可以通過基于機制的工程策略來調(diào)節(jié)細胞因子的活性。在許多情況下，高親和力受體亞單位是一種細胞因子特異性受體，它決定了細胞因子的細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胞因子之間共享，主要影響復(fù)雜組裝的效率，進而影響受體信號的最大強度（Emax）和持續(xù)時間。

細胞因子療法

細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)性細胞因子或細胞因子受體激動劑在很大程度上還沒有被廣泛采用作為治療藥物。

在美國臨床批準的第一批細胞因子是促炎性1型和2型干擾素，即1986年的IFNα2b（毛細胞白血�。┖�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為其安全性。

同樣，細胞因子IL－2在1992年和1996年被臨床批準用于腎細胞癌和轉(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)，同時也會引起嚴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）也已進入到臨床階段。但目前的證據(jù)表明，這些方法并沒有顯著提高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)細胞因子也已進入臨床試驗，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食品和藥物管理局（FDA）的批準。這主要是由于這些分子廣泛的細胞多效性引起的有害促炎癥副作用。事實上，迄今為止最成功的細胞因子藥物是促紅細胞生成素（EPO）、血小板生成素（TPO）、粒細胞集落刺激因子（G－CSF）和粒細胞－巨噬細胞集落刺激因素（GM－CSF），這些都是造血調(diào)節(jié)因子，其受體表達在更為有限的細胞類型亞群上。

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

細胞因子受體親和力、結(jié)構(gòu)和組成

細胞因子功能受其結(jié)合受體、與這些受體的親和力以及產(chǎn)生的信號復(fù)合物結(jié)構(gòu)的影響。通過靶向這三個關(guān)鍵參數(shù)（受體親和力、受體結(jié)構(gòu)和受體組成）可能會進一步增加細胞因子受體激動劑的細胞類型或功能選擇性。最終，細胞因子藥理學(xué)的目標是調(diào)節(jié)細胞因子受體信號，以減少細胞和功能的多效性，從而增強這些重要信號分子的治療效果。

受體親和力

親和力改造的工程化細胞因子通常分為五個非相互排斥的類別：超級激動劑、部分激動劑、選擇性激動劑、偏向性激動劑和抗誘餌激動劑。

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

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

一個突出例子是IL－2，它驅(qū)動細胞毒性CD8＋T細胞的增殖，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促進了CD8＋T細胞的擴增，同時在體外將細胞保持在TCF1＋干細胞樣狀態(tài)。用H9T體外培養(yǎng)CD8＋T細胞可增強過繼轉(zhuǎn)移后的抗腫瘤活性，表明部分激動劑可改變多效性細胞因子的關(guān)鍵功能特性。

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

例如，IL－10是炎癥反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，抑制炎性細胞因子產(chǎn)生以及單核細胞和巨噬細胞抗原提呈的能力。然而，IL－10還可以驅(qū)動免疫刺激效應(yīng)，包括CD8＋T細胞產(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。人們通過設(shè)計了與IL－10Rβ親和力降低的IL－10變體，利用免疫細胞群體中IL－10Rβ表達水平的自然差異，這些變體在T細胞、B細胞和自然殺傷細胞上起到弱化的作用，但在單核細胞和巨噬細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，但不再刺激細胞毒性T細胞的功能。

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

最近開發(fā)了一種具有增強治療特性的工程化細胞因子IL－22偏向激動劑。IL－22主要作用于上皮細胞，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IL－22的關(guān)鍵組織保護和再生功能，而STAT1激活驅(qū)動促炎效應(yīng)。利用IL－22受體復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計的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了組織保護和體內(nèi)修復(fù)，但不再引起野生型IL－22特有的局部或全身炎癥。

細胞因子治療效果的另一個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家族細胞因子IL－18就是一個例子，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，人們開發(fā)了IL－18的抗誘餌激動劑，該變異體不再與IL－18BP結(jié)合，但仍與信號受體IL－18R1結(jié)合。與野生型IL－18不同，這種抗誘餌的IL－18激動劑（DR－18）在多個小鼠腫瘤模型中誘導(dǎo)了強大的抗腫瘤免疫反應(yīng)。

受體結(jié)構(gòu)

研究表明，調(diào)節(jié)細胞因子受體拓撲結(jié)構(gòu)可以顯著改變下游信號和功能反應(yīng)，這為細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)的細胞因子受體結(jié)合的激動劑。

例如EpoR受體，研究人員使用了共價連接的二聚體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信號的配體，其STAT激活程度不同，從部分激動到拮抗。

受體組成

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

細胞因子開發(fā)的未來方向和挑戰(zhàn)

從頭開始的蛋白質(zhì)設(shè)計

開發(fā)未來細胞因子受體激動劑的一個有希望的途徑是利用從頭設(shè)計蛋白質(zhì)來補充上述各種組合配體工程策略。最近采用了一種新的計算方法來設(shè)計獨立于IL－2Rα／IL－15Rα信號的IL－2和IL－15類似物。這些合成的類似物，相對于其天然細胞因子，具有獨特的結(jié)構(gòu)拓撲，在小鼠腫瘤模型中顯示出增強的穩(wěn)定性和改進的療效，目前正在一期臨床試驗中對多種癌癥類型進行單獨或聯(lián)合免疫檢查點阻斷（NCT04659629）的測試。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。

改善藥代動力學(xué)／藥效學(xué)特性

目前，在改善細胞因子的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)特性方面正在取得重大進展，這也將是其未來臨床成功的關(guān)鍵決定因素。特別是，通過Fc融合或PEGylation延長半衰期，以及通過工程化T細胞或“掩蔽”細胞因子，有可能大大提高細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胞因子信號活性，例如通過高分子量聚乙二醇（PEG）化產(chǎn)生的空間位阻。

實驗?zāi)Ｐ?/strong>

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

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，工程化細胞因子也不例外。治療誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)可能會限制療效和安全性。已知幾個參數(shù)可能會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)計的細胞因子，可能更容易引起免疫原性。然而，迄今為止，進入臨床的突變細胞因子相對較少，免疫原性對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，細胞因子藥物持續(xù)成為臨床開發(fā)的熱點。然而，除了少數(shù)造血來源的細胞因子外，細胞因子的臨床應(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，隨著對細胞因子受體結(jié)構(gòu)信息的研究深入，通過調(diào)節(jié)細胞因子受體親和力、結(jié)構(gòu)和組成，使得設(shè)計新型細胞因子受體激動劑成為可能。通過將免疫學(xué)和對這些細胞因子藥理學(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)計策略，新興的細胞因子藥理學(xué)領(lǐng)域?qū)⒆罱K釋放基于細胞因子療法的全部潛力。

參考文獻：

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

       原文標題 : 細胞因子藥理學(xué)和治療應(yīng)用的新見解