orthogonal IL-2在改善過繼性免疫細胞療法中的應用
過繼性免疫細胞療法 (Adoptive Cell Transfer Therapy, ACT) 是指將收集的患者的自己免疫細胞 (殺傷性 T 細胞)，在體外培養(yǎng)改造后，使其靶向殺傷功能增強，再回輸到患者體內，從而來消滅腫瘤細胞。過繼性免疫細胞療法可分為工程 T 細胞受體 (TCR) 治療、嵌合抗原受體 (CAR) T 細胞治療、自然殺傷細胞（NK）治療和腫瘤浸潤淋巴細胞 (TIL) 治療。
Fig. 1. 過繼免疫療法的 CAR-T 和 TCR 療法[1]
CAR 技術：將人為設計的針對某種腫瘤相關抗原或者腫瘤特異性抗原單鏈抗體-CAR 通過基因工程方法引入 T 細胞表面重新定向 T 細胞的免疫反應
臨床結果表明，ACT 療法在血液瘤已經表現出優(yōu)秀的成績[2]；但實體瘤異質性大，很少只表達一種腫瘤特異性抗原[7]，并且瘤內免疫抑制檢查點的信號的限制，ACT 療法在實體瘤治療中的使用還是有很大局限。
此外，過繼性免疫細胞回輸入體內后不久可能就逐漸死亡，無法在體內有效增殖，使得治療持續(xù)時間較短。在接受過繼性免疫細胞治療之前要通過大劑量的化療或放療來清除體內免疫抑制細胞，以延長過繼性免疫細胞在體內的生存時間。但大劑量化療或放療帶來的副作用也非常明顯，比如口腔炎、粘膜炎、腹瀉、嘔吐、脫發(fā)等[8]。
通過向患者體內輸入共刺激因子 IL-2，誘導 T 細胞成為廣譜殺傷性細胞，來改善 T 細胞的存活、功能和抗腫瘤活性，也是一種輔助治療手段[1][3]。但是，IL-2 的作用多效且復雜，IL-2R 也不止只存在于殺傷性 T 細胞，由于缺乏選擇性，直接輸入 IL-2 可能會導致其他非殺傷 T 細胞的激活，如 IL-2 還可激活 Treg 細胞從而抑制免疫作用。輸入高劑量 IL-2 會造成嚴重的毒性，比如毛細血管滲漏綜合征，這可能是由血管內皮細胞驅動的[3]。
Orthogonal receptor 正交細胞因子受體是正常受體的一種突變形式，可選擇性地結合突變的細胞因子，而不與正常的細胞因子結合。
2018 年在 Science 期刊發(fā)表的論文 “Selective targeting of engineered T cells using orthogonal IL-2 cytokine-receptor complexes”。研究人員同時改造 T 細胞的共刺激受體 IL-2R 和 IL-2，使得經過改造的 IL-2 只與改造過的 T 細胞 IL-2R 結合，而不與體內其他 T 細胞表面的 IL-2R 結合，從而避免產生毒副作用 (Fig.2a-b)。
研究人員首先通過點突變破壞 IL-2 和 IL-2Rβ 的結合 (IL-2Rβ 鏈是 IL-2 信號轉導所必需的，可獨立結合 IL-2) ，然后從中篩選出 2 個具有和改造 orthoIL-2R 結合功能的 orthoIL-2 突變體 (1G12 和 3A10)。其中 1G12 既可以激活 ortho T細胞，也可以激活野生型 T 細胞 (效力顯著低于野生型 IL-2)。3A10 可以激活 ortho T 細胞，而不激活野生型 T 細胞。
隨后，在過繼轉移模型中，研究人員將供體小鼠的野生型和 orthoIL-2Rβ 改造的 T 細胞 (Thy1.1+) 混合，過繼轉移至受體小鼠 (Thy1.2+) 體內。
在該模型中，注射野生型 IL-2 和 orthoIL-2 突變體后，IFNγ+ T 細胞均會增多，細胞殺傷力增強。但是野生型 IL-2 會上調具有抑制免疫殺傷作用的 PD-1 和 TIM-3 的表達，orthoIL-2 突變體則不會，這說明 orthoIL-2 突變體不抑制免疫殺傷作用 (Fig. 3a-3b)。此外，在黑色素瘤的動物模型中，過繼轉移 orthoIL-2Rβ Pmel-1 改造的 T 細胞和注射 orthoIL-2 突變體的小鼠腫瘤生長速度更慢，生存情況也得到了改善 (Fig. 3c-d)。這些結果證實了 orthoIL-2/IL-2 Rβ 具有良好的治療作用。
Fig. 3. orthoIL-2 突變體增強抗腫瘤反應[4]
a-b. 在 Fig. 2 的過繼轉移模型中，小鼠脾臟中 IFN-γ 陽性野生型或 orthoIL-2Rβ CD8+ T 細胞數量和細胞表面 PD-1 和 TIM-3 的表達水平。c-d. 荷瘤小鼠 (B16-F10 腫瘤) 在野生型或 orthoIL-2Rβ Pmel-1 改造的 CD8+ T 細胞和 IL-2 或 orthoIL-2 (1G12) 處理條件下腫瘤的體積變化和存活率
受此啟發(fā)，研究人員又改造了其他來自 γc (細胞因子受體共同的 γ 鏈) 家族的細胞因子 (IL-2、IL-4、IL-7、IL-9 和 IL-21，共同調控免疫細胞的發(fā)育、增殖、存活和分化[4]) 的受體，2022 年，Anusha Kalbasi 教授團隊在 Nature 發(fā)表了題為 “Potentiating adoptive cell therapy using synthetic IL-9 receptors” 的文章。通過使用嵌合的正交細胞因子受體重新利用 IL-9 受體信號，使 T 細胞獲得了新的功能，從而提高了 T 細胞對難以治療的實體腫瘤的抗腫瘤活性。
Fig. 4. 野生型 IL-2Rβ，改造的 orthoIL-2Rβ
或 γc 家族改造受體的示意圖[5]
研究人員將 γc 家族細胞因子的受體 ICD 模塊替換為 orthoIL-2Rβ 的 ICD 模塊，改造出 o4R、o7R、o9R 和 o21R。用 MSA-IL-2 以及 MSA-oIL-2 刺激 T 細胞，發(fā)現 MSA-oIL-2 刺激 o9R 改造的 T 細胞引起了 STAT1、STAT3 和 STAT5 的明顯磷酸化且 o9R 和 o21R 改造的 T 細胞高表達 CD62L+、Fas (CD95) 和 Sca-1，具有優(yōu)越的抗腫瘤活性。
IL-9R 是 γc 家族細胞因子受體家族中研究較少的成員，與其他的 γc 鏈細胞因子不同，IL-9 信號在自然狀態(tài)下的 T 細胞中通常不活躍[4]。研究人員推測 o9R 改造的 T 細胞可能具有治療效果，并通過 “Pmel 模型” 來驗證這一猜想 (Fig. 5a)。研究人員發(fā)現 MSA-oIL-2 處理的 o9R Pmel T 細胞在該模型中具有更好的抗腫瘤效果 (Fig. 5b-5c)。此外，MSA-IL-2的毒性作用在注射后 5 天后就可以觀察到，而 MSA-oIL-2 沒有明顯毒性作用，荷瘤鼠存活率明顯升高。研究人員還觀察到在過繼轉移 5 天后，與 o2R Pmel T 細胞相比，o9R Pmel T 細胞浸潤更大 (Fig. 5d)。除了改善腫瘤浸潤，o9R Pmel T 細胞還具有更強的體外細胞殺傷能力。
Fig. 5. o9R 信號使 Pmel T 細胞在無淋巴耗竭的情況下具有抗腫瘤功效[5]。
a．Pmel 模型示意圖。從小鼠脾臟中分離出 Pmel-1 T 細胞，分別改造為 o2R 和 o9R Pmel T 細胞，然后過繼轉移至黑色素瘤荷瘤鼠體內。荷瘤鼠接受輻照，或 MSA-IL-2 和 MSA-oIL-2 治療 5 天。b-c. 腫瘤體積變化曲線和小鼠的存活率 。d. 與 o2R Pmel T細胞相比，o9R Pmel T 細胞浸潤更大。
此外，研究人員還發(fā)現 MSA-oIL-2 導致 o2R 和 o9R Pmel 改造的 T 細胞的表型顯著分化 (14 個簇中有 8 個差異明顯) (Fig. 6a)。o9R Pmel T 細胞獲得 TSCM 表型 (Sca-1, CD127, Fas 和 CD62L；在過繼細胞治療中以其優(yōu)越的抗腫瘤活性而聞名的細胞亞群[6])。
Fig. 6. MSA-oIL-2 使 o9R Pmel T 細胞獲得 TSCM 表型[5]
a. MSA-oIL-2 (5 μM) 體外處理 o2R 和 o9R Pmel T 細胞 48h 后 opt-SNE 簇的分布。b. o2R 和 o9R Pmel T 細胞在 MSA-IL-2(50 nM) 或 MSA-oIL-2 (5 μM) 處理后基因表達的熱圖
研究人員還使用了一種具有免疫治療抗性的胰腺癌模型 (PDA7940b，表達間皮素）驗證這一體系在 CAR-T 治療中的作用。
在胰腺癌動物模型 (PDA7940b) 中，單獨使用 Ad-oIL-2 腺病毒載體或 CAR-o2R 或 CAR-o9R T 細胞治療對控制腫瘤生長無效，然而，Ad-oIL-2+CAR-o2R T 細胞+化療組 (67% 腫瘤完全消退) 或 Ad-oIL-2+CAR-o9R T 細胞+化療組 (50% 腫瘤完全消退) 的聯(lián)合治療有明顯抑瘤效果 (Fig. 7b)。在沒有化療組的情況下，Ad-oIL-2+CAR-o9R T 細胞抑瘤效果更加明顯，腫瘤完全消退率為 42%。此外 CAR-o9R T 細胞在體外對胰腺癌細胞也顯示出優(yōu)越的抗腫瘤功效 (Fig. 7c)。CAR-o9R T 細胞的殺傷腫瘤效力更強。
a. PDA7940b 腫瘤過繼轉移治療的模型示意圖。b-c. 在 CTX 處理或沒有CTX 處理的條件下 PDA7940b 腫瘤的個體生長曲線, CR：完全緩解；Tox：毒性；Relapse：復發(fā)。d. 在 CTX 治療小鼠第 9 天是腫瘤浸潤的 CAR-T 細胞的數量
總結：
研究人員通過改造的 IL-2 細胞因子—受體平臺通過對 TCR-T 細胞和 CAR-T 細胞中的 o9R 信號進行特異性刺激，可提高T細胞的抗腫瘤活性，即使是在抗免疫治療的頑固腫瘤模型或缺少化療/放療的嚴苛環(huán)境下仍保持優(yōu)越的抑瘤活性。
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參考文獻
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