细胞因子药理学和治疗应用的新见解

前言

细胞因子，如白介素和干扰素，调节着生理学的各个方面，包括免疫、发育、生长和组织修复。鉴于细胞因子在健康和疾病中的核心作用，人们已经做了许多尝试来利用细胞因子进行治疗。

然而，尽管人类基因组中编码了许多细胞因子，但在临床上成功应用细胞因子受体激动剂的例子依然很少。这在很大程度上是由于天然细胞因子的复杂生物学特性，通常会对多种细胞类型产生抵消作用。尽管这种多重作用对于确保体内平衡和调节细胞因子的自然生物功能至关重要，但它阻碍了临床发展。

最近结合结构生物学、蛋白质工程和受体药理学的研究为细胞因子受体激活机制提供了新的见解，表明细胞因子功能的许多方面都是高度可调的。过去5年来，学术界和工业界致力于使用广泛的蛋白质工程方法来调整细胞因子功能，并已开发出基于机制的蛋白质工程策略，从而实现细胞因子受体活性的系统“调节”。这些原理构成了细胞因子药理学新领域的基础。

细胞因子生物学概述

细胞因子是分泌的生长因子，通过与细胞表面受体的胞外结构域（ECD）结合，以类似于其他单通道跨膜受体的方式，启动靶细胞上的信号传递。

细胞因子受体在细胞膜上存在明显的配体依赖性二聚化。受体ECD的二聚化将细胞内受体相关的Janus激酶（JAKs）定位到适当的方向和邻近位置，以进行信号传递。二聚化的JAK以及受体细胞内结构域上的酪氨酸残基去磷酸化，从而能够招募信号转导子和转录激活子（STAT）蛋白的转录因子。在受体结合后，STAT蛋白又被受体结合的JAK磷酸化，从而触发STAT二聚化、核移位和转录激活。尽管这种信号级联看起来很简单，但人类基因组编码约40个不同的细胞因子受体、4个JAK和7个STAT，从而形成一个复杂的信号系统，能够引发多种多样的生物学结果。

细胞因子受体信号机制的结构和功能研究表明，大多数细胞因子都包含高亲和力和低亲和力受体结合位点。这导致了受体激活的两步模型，其中细胞因子首先与高亲和力受体亚单位结合，然后通过低亲和力结合位点从细胞膜的其他地方招募第二受体亚单位。这种顺序的、不对称的结合可以通过基于机制的工程策略来调节细胞因子的活性。在许多情况下，高亲和力受体亚单位是一种细胞因子特异性受体，它决定了细胞因子的细胞特异性以及剂量敏感性或EC50。相比之下，低亲和力受体亚单位通常在多种细胞因子之间共享，主要影响复杂组装的效率，进而影响受体信号的最大强度（Emax）和持续时间。

细胞因子疗法

细胞因子拮抗剂在临床上取得了显著的成功，例如在阻断TNF－α、IL－6、IL－17和IL－23的促炎作用方面。相比之下，免疫调节性细胞因子或细胞因子受体激动剂在很大程度上还没有被广泛采用作为治疗药物。

在美国临床批准的第一批细胞因子是促炎性1型和2型干扰素，即1986年的IFNα2b（毛细胞白血病）和1991年的IFN－γ（慢性肉芽肿）。然而，它们的使用仅限于范围较窄的疾病和患者群体，这在很大程度上是因为其安全性。

同样，细胞因子IL－2在1992年和1996年被临床批准用于肾细胞癌和转移性黑色素瘤，虽然IL－2在少数患者（8－10％）中诱导持久反应，同时也会引起严重甚至致命的副作用，限制了其更广泛的临床应用。最近，对IL－2Rα（CD25）亲和力改良IL－2变体和其他形式（如聚乙二醇化或抗体融合）也已进入到临床阶段。但目前的证据表明，这些方法并没有显著提高IL－2治疗的疗效或耐受性。

除干扰素和IL－2外，其他几种免疫调节细胞因子也已进入临床试验，包括IL－7、IL－10、IL－12、IL－18、IL－21和IL－22，但迄今为止未能获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准。这主要是由于这些分子广泛的细胞多效性引起的有害促炎症副作用。事实上，迄今为止最成功的细胞因子药物是促红细胞生成素（EPO）、血小板生成素（TPO）、粒细胞集落刺激因子（G－CSF）和粒细胞－巨噬细胞集落刺激因素（GM－CSF），这些都是造血调节因子，其受体表达在更为有限的细胞类型亚群上。

最近降低细胞因子疗法毒性的努力主要集中在通过各种途径选择性靶向疾病组织，包括局部细胞因子注射、溶瘤病毒产生细胞因子、过继转移细胞产生细胞因子、前细胞因子，以及和肿瘤靶向抗体或结合蛋白融合的细胞因子。尽管这些技术有助于限制细胞因子的细胞多效性并减轻对周围组织的非靶向毒性，但还需要需要新的方法来开发细胞因子受体信号的自然调节机制，以便精确控制细胞因子功能并释放其全部治疗潜力。

细胞因子受体亲和力、结构和组成

细胞因子功能受其结合受体、与这些受体的亲和力以及产生的信号复合物结构的影响。通过靶向这三个关键参数（受体亲和力、受体结构和受体组成）可能会进一步增加细胞因子受体激动剂的细胞类型或功能选择性。最终，细胞因子药理学的目标是调节细胞因子受体信号，以减少细胞和功能的多效性，从而增强这些重要信号分子的治疗效果。

受体亲和力

亲和力改造的工程化细胞因子通常分为五个非相互排斥的类别：超级激动剂、部分激动剂、选择性激动剂、偏向性激动剂和抗诱饵激动剂。

超级激动剂是能够增强其受体亲和力的配体，从而增强相对于内源性配体的信号传导效应。超级激动剂可用于提高细胞因子效力，尤其是在受体表达水平较低的细胞类型上。目前已设计出各种细胞因子的超级激动剂变体，包括IFN－α、IFN－λ、IL－2、IL－4、IL－6、IL－10、IL－13和IL－22。

部分激动剂是能够在饱和配体浓度下引发次一级的细胞反应，进而引发不同于相应天然细胞因子的功能特征。在某些情况下，在次一级的信号水平下，可能会出现疗效提高和毒性降低，许多GPCR配体就是如此。

一个突出例子是IL－2，它驱动细胞毒性CD8＋T细胞的增殖，但也诱导耗竭表型，从而限制癌症免疫治疗的疗效。因此，人们开发出一种称为H9T的变体，降低了γc的亲和力，与野生型IL－2相比，H9T促进了CD8＋T细胞的扩增，同时在体外将细胞保持在TCF1＋干细胞样状态。用H9T体外培养CD8＋T细胞可增强过继转移后的抗肿瘤活性，表明部分激动剂可改变多效性细胞因子的关键功能特性。

细胞因子由于作用于多种细胞类型的能力，从而可能导致非靶向毒性或相互抵抗的细胞反应。选择性激动剂利用各种配体工程策略来缩小治疗相关细胞因子的细胞类型特异性。

例如，IL－10是炎症反应的主要调节因子，抑制炎性细胞因子产生以及单核细胞和巨噬细胞抗原提呈的能力。然而，IL－10还可以驱动免疫刺激效应，包括CD8＋T细胞产生IFN－γ和颗粒酶B，这限制了IL－10在自身免疫性疾病中的疗效。人们通过设计了与IL－10Rβ亲和力降低的IL－10变体，利用免疫细胞群体中IL－10Rβ表达水平的自然差异，这些变体在T细胞、B细胞和自然杀伤细胞上起到弱化的作用，但在单核细胞和巨噬细胞上具有完全的功能。由于这种髓系选择性，这些变体保留了抑制体内全身炎症的能力，但不再刺激细胞毒性T细胞的功能。

细胞因子多效性的另一个主要来源是细胞因子受体激活多个下游信号通路和STAT转录因子的能力。在许多情况下，这些不同的信号输出可以促进相反的生物反应，而偏向性激动剂是分离这些不同信号反应并增强治疗所需反应的一种有希望的途径。

最近开发了一种具有增强治疗特性的工程化细胞因子IL－22偏向激动剂。IL－22主要作用于上皮细胞，诱导STAT1、STAT3和STAT5转录反应。其中IL－22介导的STAT3激活驱动IL－22的关键组织保护和再生功能，而STAT1激活驱动促炎效应。利用IL－22受体复合体的结构，设计的IL－22变体与共享受体IL－10Rβ的亲和力降低。至关重要的是，这类变体保留了激活STAT3的能力，但不再激活STAT1或STAT5。因此，这类IL－22变体在急性胰腺炎和肠道辐射损伤的情况下促进了组织保护和体内修复，但不再引起野生型IL－22特有的局部或全身炎症。

细胞因子治疗效果的另一个潜在限制因素是存在天然拮抗剂，例如可溶性诱饵受体。免疫刺激性IL－1家族细胞因子IL－18就是一个例子，它被诱饵受体IL－18BP抑制，限制了IL－18的抗肿瘤作用。为了克服这一点，人们开发了IL－18的抗诱饵激动剂，该变异体不再与IL－18BP结合，但仍与信号受体IL－18R1结合。与野生型IL－18不同，这种抗诱饵的IL－18激动剂（DR－18）在多个小鼠肿瘤模型中诱导了强大的抗肿瘤免疫反应。

受体结构

研究表明，调节细胞因子受体拓扑结构可以显著改变下游信号和功能反应，这为细胞因子功能的药理控制开辟了一条全新的途径。利用工程受体结合蛋白作为替代配体，产生了与不同几何结构的细胞因子受体结合的激动剂。

例如EpoR受体，研究人员使用了共价连接的二聚体ScFv，称为diabodies，可以诱导具有多种可能的间距和方向的受体二聚体。从而发现了几种激活EpoR信号的配体，其STAT激活程度不同，从部分激动到拮抗。

受体组成

使用嵌合细胞因子受体的初步研究发现，非天然细胞因子对能够诱导STAT信号。这些合成因子引发了与其亲代细胞因子相关的不同信号反应，并在外周血单核细胞中诱导了独特的基因表达程序。合成因子的组合可能性表明，新的细胞因子配体具有独特的细胞类型特异性和下游信号传导，这是一个尚未探索的空间。

细胞因子开发的未来方向和挑战

从头开始的蛋白质设计

开发未来细胞因子受体激动剂的一个有希望的途径是利用从头设计蛋白质来补充上述各种组合配体工程策略。最近采用了一种新的计算方法来设计独立于IL－2Rα／IL－15Rα信号的IL－2和IL－15类似物。这些合成的类似物，相对于其天然细胞因子，具有独特的结构拓扑，在小鼠肿瘤模型中显示出增强的稳定性和改进的疗效，目前正在一期临床试验中对多种癌症类型进行单独或联合免疫检查点阻断（NCT04659629）的测试。另外，其主要的挑战是非人类氨基酸序列可能增加免疫原性风险。

改善药代动力学／药效学特性

目前，在改善细胞因子的药代动力学和药效学特性方面正在取得重大进展，这也将是其未来临床成功的关键决定因素。特别是，通过Fc融合或PEGylation延长半衰期，以及通过工程化T细胞或“掩蔽”细胞因子，有可能大大提高细胞因子的安全性和有效性。然而，值得注意的是，这些修饰本身也可能影响细胞因子信号活性，例如通过高分子量聚乙二醇（PEG）化产生的空间位阻。

实验模型

未来细胞因子受体激动剂开发的一个中心考虑是应该使用哪些实验模型来筛选和测试新的细胞因子。体外试验中，受体表达和内化率是影响工程化细胞因子活性的关键决定因素。此外，将这些临床前研究与单细胞测序和空间转录组学中的新方法相结合，将对反应的细胞特异性和异质性提供更深入的见解。然而，与所有药物类别一样，小鼠模型实验在预测人类疗效方面的能力有限。因此，含有不同免疫细胞群的人源性器官样培养物的新进展也可能有助于评估未来新的细胞因子类药物。

免疫原性

免疫原性的潜力是所有蛋白质疗法的重要考虑因素，工程化细胞因子也不例外。治疗诱导的免疫反应可能会限制疗效和安全性。已知几个参数可能会影响蛋白药物免疫原性，包括非自然序列，聚集和降解的倾向，以及翻译后修饰的存在。因此，必须特别注意非人类蛋白质，如从头设计的细胞因子，可能更容易引起免疫原性。然而，迄今为止，进入临床的突变细胞因子相对较少，免疫原性对该类药物的安全性和疗效的限制程度仍有待观察。

小结

最近的十几年来，细胞因子药物持续成为临床开发的热点。然而，除了少数造血来源的细胞因子外，细胞因子的临床应用受到其生物学固有的复杂多样性的极大限制。目前，随着对细胞因子受体结构信息的研究深入，通过调节细胞因子受体亲和力、结构和组成，使得设计新型细胞因子受体激动剂成为可能。通过将免疫学和对这些细胞因子药理学的新见解相结合，以及创新的基于结构的蛋白质设计策略，新兴的细胞因子药理学领域将最终释放基于细胞因子疗法的全部潜力。

参考文献：

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

原文标题:细胞因子药理学和治疗应用的新见解