IL-2 治疗是第一个被证明有效的免疫疗法。1984 年 11 月，一名转移性黑素瘤的患者接受重组 IL-2 输注，几个月后，肿瘤完全消失【1】。然而，最新的一项研究发现，IL-2 还具有「阴阳两面」！

2021 年 1 月 11 日，中国医学科学院北京协和医学院黄波教授团队在 Nature Immunology 杂志在线发表了题为：IL-2 regulates tumor-reactive CD8+ T cell exhaustion by activating the aryl hydrocarbon receptor  的研究论文【2】。

这项研究发现肿瘤微环境中的 IL-2 可诱导 CD8+ T 细胞耗竭，进而抑制抗肿瘤免疫反应！

起初，作者希望研究缺乏 IL-2 信号是否会导致肿瘤浸润性 T 细胞进入耗竭状态。但是令人意外的是，TCGA 数据库分析发现，IL-2 表达与多种肿瘤中 T 细胞耗竭相关基因高度正相关。

这些结果暗示 IL-2 信号传导可能促进 T 细胞耗竭，这促使作者进一步地研究了 IL-2 对体内肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）耗竭的影响。

耗竭的 CD8+ T 细胞通常会表达多个抑制性受体（IR，如 PD-1、CD39、TIM-3、LAG-3 和 TIGIT），并减少效应细胞因子（如 IFN-γ、TNF）和穿孔素 / 颗粒酶 B（PFR / GrB）的释放。小鼠模型实验发现，给予 IL-2 可以增强 CD8+T 细胞的耗竭，而阻断 IL-2 信号则可以抑制 CD8+T 细胞耗竭的发生。

之前的研究表明，IL-2 与 IL-2R 的结合导致 JAK1 和 JAK3 的募集和激活，从而进一步激活 STAT1、STAT3、STAT5、PI3K 和 MAPK 信号从而发挥效应功能。作者使用了多种抑制剂来抑制这些信号通路，发现只有 STAT5 抑制剂能显著消除 IL-2 上调抑制性受体表达的作用。

进一步地，IL-2 可通过激活 STAT5 来上调 CD8+ T 细胞中色氨酸羟化酶 1（TPH1）的表达，并伴有 TPH1 催化产物 5 - 羟基色氨酸（5-HTP）水平的升高。敲低 TPH1 可抑制 CD8+ T 细胞的耗竭，而在培养基中添加 5-HTP 可促进 CD8+ T 细胞耗竭的发生。

这些结果表明 IL-2 信号通过 STAT5-TPH1 通路促进 5-HTP 产生，导致 CD8+ T 细胞耗竭的发生。

接下来，作者研究了 5-HTP 是如何引起 CD8+ T 细胞耗竭的？

芳香烃碳氢化合物受体（AhR）是一种重要的胞质转录因子，先前的研究表明 5-HTP 可结合 AhR，并促进 AhR 入核发挥功能。

在 IL-2 处理的 CD8+ T 细胞中可观察到 AhR 核转位的发生，抑制 AhR 可逆转 IL-2 诱导的 T 细胞耗竭。进一步的实验证实，5-HTP 激活的 AhR 可与多种抑制性受体基因的启动子结合，进而促进其表达。

这些结果表明，IL-2 信号诱导产生的 5-HTP 能够激活 AhR，后者直接调节 CD8+ T 细胞耗竭的发生。这一机制在小鼠模型和临床样本中也得到了证实。

接下来，作者研究了肿瘤微环境中 IL-2 的细胞来源。首先，作者发现肿瘤细胞不会表达 IL-2，流式细胞术分析发现，肿瘤微环境中 IL-2 主要由 T 细胞表达。

在进一步的研究中，作者发现在 MC38 肿瘤的早期阶段（4×4 mm），IL-2 主要由 CD8+ T 细胞表达，而在后期阶段（8×8 mm），CD4+T 细胞成为 IL-2 的主要来源。

与此一致的是，瘤内注射 IL-2 增加了 MC38 小肿瘤中 CD3+ T 和 CD8+ T 细胞的数量，但对耗竭型 CD8+ T 细胞没有影响。相反，在大肿瘤中注射 IL-2 可减少中 CD8+ T 细胞总数，但增加耗竭型 T 细胞数量。去除 MC38 大肿瘤（8×8 mm）中的 CD4 + T 细胞可减轻 CD8 + T 细胞的耗竭。

这些结果表明，伴随肿瘤的发展，CD4+ T 细胞可能通过释放 IL-2 介导 CD8+ T 细胞的耗竭的发生。

IL-2 是免疫学研究领域的核心细胞因子，其为 T 细胞增殖、生长提供关键信号。但在本研究中，作者发现 IL-2 还可介导 CD8+ T 细胞耗竭的发生。

机制上，肿瘤微环境中 CD4+ T 细胞分泌的 IL-2 能够激活 CD8+ T 细胞中的 STAT5，进而诱导 CD8+ T 细胞中色氨酸羟化酶 1（TPH1）的表达，TPH1 可催化色氨酸生成 5 - 羟色氨酸（5HTP），而 5-HTP 结合芳香烃碳氢化合物受体（AhR），促进 AhR 入核，并直接上调免疫抑制性受体（IR，如 PD-1、 TIM3、 LAG3、CD39 等）的表达，从而诱导 T 细胞耗竭的发生。

这一分子机制不仅存在于小鼠肿瘤模型中，在癌症患者中也得到了验证。

在审稿环节中，审稿人提出了一个非常重要的问题：「业内普遍认为 IL-2 是促进 T 细胞生长的因子，为什么此项研究却提出 IL-2 导致 T 细胞衰竭呢？」

本文的第一作者、中国医学科学院基础医学研究所副研究员刘玉英表示：「我们发现，在肿瘤早期，阻断 IL-2 信号，能促进肿瘤生长，这提示早期 IL-2 信号发挥抗肿瘤的作用。但是在肿瘤中晚期，阻断 IL-2 信号，则能抑制肿瘤生长，这又提示 IL-2 有抑制性功能。」

「这项研究工作回答了肿瘤免疫非常核心的基本问题，不仅对当前的肿瘤免疫治疗具有指导意义，而且还有助于发展新的肿瘤免疫疗法。」本文的通讯作者黄波教授表示。

参考资料：

1. S. A. Rosenberg, IL-2: the first effective immunotherapy for human cancer. J Immunol 192, 5451-5458 (2014).

2. Y. Liu et al., IL-2 regulates tumor-reactive CD8+ T cell exhaustion by activating the aryl hydrocarbon receptor. Nature Immunology,  (2021).