Nature综述：细胞因子设计策略梳理

PREFACE

前言

细胞因子是由免疫细胞（如单核、巨噬细胞、T细胞、B细胞、NK细胞等）和某些非免疫细胞（内皮细胞、表皮细胞、纤维母细胞等）经刺激而合成、分泌的一类具有广泛生物学活性的小分子蛋白质。

细胞因子以自分泌和旁分泌的方式调节影响着先天和适应性免疫的无数细胞反应，且在癌症、自身免疫、传染病的发生发展和消除过程中发挥着重要作用。

然而，由于细胞因子的多效性、复杂的生物学特性、严重的剂量限制毒性等，阻碍了其作为治疗手段的开发。

为充分发挥细胞因子作为治疗剂的潜力，在过去的5年中，业界通过使用各种蛋白质工程方法来调整细胞因子功能，使得相关免疫治疗的安全性和有效性有了进一步提高。

工程细胞因子及其治疗应用

这些发展得益于人们对细胞因子的结构生物学、药物化学和药理学的加深了解。

近日发表于Nature Reviews Drug Discovery的综述文章中，从药理学角度探讨了如何改进细胞因子功能，帮助实现新的治疗策略开发。

01基于细胞因子的疗法

使用重组细胞因子治疗癌症已有很长的历史，可以说是第一个成功的癌症免疫疗法：1986年，重组IFNα-2b被批准用于治疗毛细胞白血病；1992年，FDA批准了大剂量IL-2治疗转移性肾细胞癌，1998年批准了转移性黑色素瘤的适应症。

除干扰素和 IL-2 外，其他几种免疫调节细胞因子包括 IL-7、IL-10、IL-12、IL-18、IL-21和IL-22均已进入临床试验，但尚未获得美国FDA批准上市。除了多效性，天然细胞因子的在体内极短的半衰期和脱靶效应，也是细胞因子作为治疗剂面临的主要挑战。

目前已有许多工程化手段被用于修饰调控细胞因子产品，包括Fc融合或聚乙二醇化用以延长半衰期等。将细胞因子掺入工程化T细胞的策略，即“细胞因子装甲CAR”，能够实现细胞因子的靶向递送，有可能大大提高细胞因子的安全性和有效性。

值得注意的是，这些半衰期延长和组织靶向策略可以与调节细胞因子药理学的方法相结合。事实上，所有这些策略的创新组合可能对于最终实现基于细胞因子的疗法的全部潜力是必要的。

02细胞因子的药理学调节策略

细胞因子药理学的目标是调节细胞因子受体信号传导，以减少细胞和功能多效性，从而增强这些重要信号分子的治疗效果。

细胞因子通过与相应跨膜受体结合来开启信号转导，并促进受体二聚化。这种胞外二聚事件使受体胞内结构域发生构象改变，导致JAKs的激活和磷酸化，一旦被激活，JAKs磷酸化细胞因子受体胞内结构域内的酪氨酸残基，并作为STAT转录激活因子的结合位点。受体-JAK复合体随后招募STAT并对其进行磷酸化，导致STAT二聚并转位到细胞核，从而启动细胞因子应答基因的转录。

细胞因子信号传导机制和多效性

细胞因子受体信号传导与受体的亲和力，以及产生的信号复合物的结构息息相关。因此，我们可以通过调节三个关键药理学参数：受体亲和力、受体几何形状和受体组成，来改善细胞因子功能，增强治疗效果。

细胞因子药理学中的三个可调参数

2.1受体亲和力

当前已开发出了亲和力增加的超级激动剂（Super agonists），相对于内源性配体增强了信号传导作用。鉴于受体亲和力在控制剂量敏感性和下游信号传导方面的重要性，超级激动剂可用于增加细胞因子效力，特别是对于天然具有低水平受体表达的细胞类型。定向进化技术已被用于筛选大量突变细胞因子，该方法现已用于设计各种细胞因子的超级激动剂变体，包括 IFNα 66、IFNλ 67、IL-2、IL -4、IL-6、IL-10、IL-13和IL-22等。

细胞因子多效性的一个重要来源是它们作用于多种细胞类型的能力，不过我们可以利用免疫细胞类型之间反应阈值的自然差异，来克服其多效性。基于此，各种配体工程策略已被开发用于赋予细胞因子对细胞类型的选择性。例如，最近发现IL-2的Treg细胞选择性可以通过调节对 γ c的亲和力来实现。STK-012已进入了一项 I 期临床试验，分析其单独或与 pembrolizumab 联合用于各种实体瘤类型的安全性和耐受性 (NCT05098132)。

细胞因子治疗功效的另一个潜在限制因素是可溶性诱骗受体这样的天然拮抗剂的存在，例如，免疫刺激性IL-1 家族细胞因子IL-18，它被诱骗受体 IL-18BP抑制，导致重组IL-18 在癌症中的临床试验显示几乎没有效果。基于定向进化的设计开发的IL-18 变体——诱骗抗性激动剂DR-18（ST-067）能够不与 IL-18BP 结合，但仍保留与信号受体 IL-18R1的结合。目前，DR-18（ST-067）正在针对多种癌症类型的 I/II 期临床试验中进行评估（NCT04787042）。

通过控制受体亲和力来调节细胞因子功能的示例

2.2受体几何形状

调节细胞因子受体几何形状的一种方法是利用抗体片段靶向细胞因子受体的胞外结构域（ECD），这些片段可以以不同的方式组合以产生不同的受体形态。尽管在某些情况下，靶向细胞因子受体的传统单克隆抗体可以作为激动剂，但Fab片段和Fc区域之间灵活的linker使得特定受体几何形状难以形成。为了减少受体之间的灵活性和距离，可采用共价连接的二聚抗体可变片段（称为双价抗体，diabodies）作为替代配体。作为概念验证，当前通过筛选靶向EpoR的双价抗体已确定了几种激活EpoR信号传导的配体，能够实现不同程度的STAT激活，从部分激活到拮抗。

通过控制受体几何结构调整细胞因子功能

尽管双价抗体可以有效地重新定向受体几何形状以产生不同的信号转导结果，但它们需要重链和轻链的适当配对。利用只有重链可变区组成的单域抗体，也称为纳米抗体（VHH抗体），在单个结合位点内编码特异性，从而能够通过纳米抗体串联表达产生异二聚体激动剂。

基于纳米抗体的替代细胞因子

2.3受体组成

合成细胞因子来自两个细胞因子变体的融合，每个变体只结合一个受体亚单位，从而形成新型的合成型细胞因子。其招募受体形成二聚体（这些二聚体不是由内源性细胞因子形成而且自然界没有发现）并激活不同的信号级联，如有研究者利用合成的细胞因子促进IL-4Rα/IFNAR2 或者 IL-2Rβ/IL-4Rα 异源二聚体的形成。

通过控制受体组成调节细胞因子功能

嵌合细胞因子即将一种细胞因子的受体结合位点结合到另一种细胞因子上。这种方法已成功用于开发嵌合细胞因子IC7，其中来自细胞因子LIF的LIFR结合位点被移植到IL-6上，取代了其中一个gp130结合位点。IC7代表了治疗2型糖尿病的有效策略，并突出了嵌合细胞因子在增强细胞因子治疗功能上的潜力。

SUMMARY

小结

随着对细胞因子受体结构信息的日益了解，现在通过调节细胞因子受体亲和力、几何形状和组成，已经浮现出越来越多的新型细胞因子治疗策略。虽然我们分别介绍了这些类别中的每一个，但同时调节多个参数也可能会进一步增加细胞因子受体激动剂的功能。然而，对于不同细胞因子不同的信号传导如何在生理和疾病环境中发挥功能，仍有很多需要了解。通过将结合细胞因子药理学的加深理解，与基于结构的蛋白质设计创新，有望最终释放出基于细胞因子的疗法的全部潜力。