orthogonal IL-2在改善過繼性免疫細(xì)胞療法中的應(yīng)用

 
過繼性免疫細(xì)胞療法 (Adoptive Cell Transfer Therapy, ACT) 是指將收集的患者的自己免疫細(xì)胞 (殺傷性 T 細(xì)胞)，在體外培養(yǎng)改造后，使其靶向殺傷功能增強，再回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，從而來消滅腫瘤細(xì)胞。過繼性免疫細(xì)胞療法可分為工程 T 細(xì)胞受體 (TCR) 治療、嵌合抗原受體 (CAR) T 細(xì)胞治療、自然殺傷細(xì)胞（NK）治療和腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞 (TIL) 治療。

Fig. 1. 過繼免疫療法的 CAR-T 和 TCR 療法^[1]

CAR 技術(shù)：將人為設(shè)計的針對某種腫瘤相關(guān)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(xì)胞表面重新定向 T 細(xì)胞的免疫反應(yīng)

 

臨床結(jié)果表明，ACT 療法在血液瘤已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)秀的成績^[2]；但實體瘤異質(zhì)性大，很少只表達(dá)一種腫瘤特異性抗原^[7]，并且瘤內(nèi)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(xì)胞回輸入體內(nèi)后不久可能就逐漸死亡，無法在體內(nèi)有效增殖，使得治療持續(xù)時間較短。在接受過繼性免疫細(xì)胞治療之前要通過大劑量的化療或放療來清除體內(nèi)免疫抑制細(xì)胞，以延長過繼性免疫細(xì)胞在體內(nèi)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(nèi)輸入共刺激因子 IL-2，誘導(dǎo) T 細(xì)胞成為廣譜殺傷性細(xì)胞，來改善 T 細(xì)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(fù)雜，IL-2R 也不止只存在于殺傷性 T 細(xì)胞，由于缺乏選擇性，直接輸入 IL-2 可能會導(dǎo)致其他非殺傷 T 細(xì)胞的激活，如 IL-2 還可激活 Treg 細(xì)胞從而抑制免疫作用。輸入高劑量 IL-2 會造成嚴(yán)重的毒性，比如毛細(xì)血管滲漏綜合征，這可能是由血管內(nèi)皮細(xì)胞驅(qū)動的^[3]。

 

Orthogonal receptor 正交細(xì)胞因子受體是正常受體的一種突變形式，可選擇性地結(jié)合突變的細(xì)胞因子，而不與正常的細(xì)胞因子結(jié)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(xì)胞的共刺激受體 IL-2R 和 IL-2，使得經(jīng)過改造的 IL-2 只與改造過的 T 細(xì)胞 IL-2R 結(jié)合，而不與體內(nèi)其他 T 細(xì)胞表面的 IL-2R 結(jié)合，從而避免產(chǎn)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(jié)合 (IL-2Rβ 鏈?zhǔn)?IL-2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需的，可獨立結(jié)合 IL-2) ，然后從中篩選出 2 個具有和改造 orthoIL-2R 結(jié)合功能的 orthoIL-2 突變體 (1G12 和 3A10)。其中 1G12 既可以激活 ortho T細(xì)胞，也可以激活野生型 T 細(xì)胞 (效力顯著低于野生型 IL-2)。3A10 可以激活 ortho T 細(xì)胞，而不激活野生型 T 細(xì)胞。 
 
 
隨后，在過繼轉(zhuǎn)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(xì)胞 (Thy1.1⁺) 混合，過繼轉(zhuǎn)移至受體小鼠 (Thy1.2⁺) 體內(nèi)。

 

在該模型中，注射野生型 IL-2 和 orthoIL-2 突變體后，IFNγ⁺ T 細(xì)胞均會增多，細(xì)胞殺傷力增強。但是野生型 IL-2 會上調(diào)具有抑制免疫殺傷作用的 PD-1 和 TIM-3 的表達(dá)，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(zhuǎn)移 orthoIL-2Rβ Pmel-1 改造的 T 細(xì)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(jié)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(yīng)^[4]

a-b. 在 Fig. 2 的過繼轉(zhuǎn)移模型中，小鼠脾臟中 IFN-γ 陽性野生型或 orthoIL-2Rβ CD8⁺ T 細(xì)胞數(shù)量和細(xì)胞表面 PD-1 和 TIM-3 的表達(dá)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(xì)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(xì)胞因子受體共同的 γ 鏈) 家族的細(xì)胞因子 (IL-2、IL-4、IL-7、IL-9 和 IL-21，共同調(diào)控免疫細(xì)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(xì)胞因子受體重新利用 IL-9 受體信號，使 T 細(xì)胞獲得了新的功能，從而提高了 T 細(xì)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(xì)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(xì)胞，發(fā)現(xiàn) MSA-oIL-2 刺激 o9R 改造的 T 細(xì)胞引起了 STAT1、STAT3 和 STAT5 的明顯磷酸化且 o9R 和 o21R 改造的 T 細(xì)胞高表達(dá) CD62L⁺、Fas (CD95) 和 Sca-1，具有優(yōu)越的抗腫瘤活性。

 

IL-9R 是 γc 家族細(xì)胞因子受體家族中研究較少的成員，與其他的 γc 鏈細(xì)胞因子不同，IL-9 信號在自然狀態(tài)下的 T 細(xì)胞中通常不活躍^[4]。研究人員推測 o9R 改造的 T 細(xì)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(xiàn) MSA-oIL-2 處理的 o9R Pmel T 細(xì)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(zhuǎn)移 5 天后，與 o2R Pmel T 細(xì)胞相比，o9R Pmel T 細(xì)胞浸潤更大 (Fig. 5d)。除了改善腫瘤浸潤，o9R Pmel T 細(xì)胞還具有更強的體外細(xì)胞殺傷能力。
 

Fig. 5. o9R 信號使 Pmel T 細(xì)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(xì)胞，分別改造為 o2R 和 o9R Pmel T 細(xì)胞，然后過繼轉(zhuǎn)移至黑色素瘤荷瘤鼠體內(nèi)。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(xì)胞相比，o9R Pmel T 細(xì)胞浸潤更大。

 

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn) MSA-oIL-2 導(dǎo)致 o2R 和 o9R Pmel 改造的 T 細(xì)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(xì)胞獲得 TSCM 表型 (Sca-1, CD127, Fas 和 CD62L；在過繼細(xì)胞治療中以其優(yōu)越的抗腫瘤活性而聞名的細(xì)胞亞群^[6])。

 

Fig. 6. MSA-oIL-2 使 o9R Pmel T 細(xì)胞獲得 TSCM 表型^[5]

a. MSA-oIL-2 (5 μM) 體外處理 o2R 和 o9R Pmel T 細(xì)胞 48h 后 opt-SNE 簇的分布。b. o2R 和 o9R Pmel T 細(xì)胞在 MSA-IL-2(50 nM) 或 MSA-oIL-2 (5 μM) 處理后基因表達(dá)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(dá)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(xì)胞治療對控制腫瘤生長無效，然而，Ad-oIL-2+CAR-o2R T 細(xì)胞+化療組 (67% 腫瘤完全消退) 或 Ad-oIL-2+CAR-o9R T 細(xì)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(xì)胞抑瘤效果更加明顯，腫瘤完全消退率為 42%。此外 CAR-o9R T 細(xì)胞在體外對胰腺癌細(xì)胞也顯示出優(yōu)越的抗腫瘤功效 (Fig. 7c)。CAR-o9R T 細(xì)胞的殺傷腫瘤效力更強。
 

 

 

總結(jié)：

研究人員通過改造的 IL-2 細(xì)胞因子—受體平臺通過對 TCR-T 細(xì)胞和 CAR-T 細(xì)胞中的 o9R 信號進(jìn)行特異性刺激，可提高T細(xì)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(yán)苛環(huán)境下仍保持優(yōu)越的抑瘤活性。

 

相關(guān)產(chǎn)品

Ionomycin Ionomycin (SQ23377) 誘導(dǎo)蛋白激酶 C (PKC) 激活。

Cyclophosphamide Cyclophosphamide 是一種 DNA 烷化劑，具有抗腫瘤及免疫抑制活性。

Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) 是一種佛波酯，是蛋白激酶 C (PKC) 和 SphK 的激活劑。

IL-2 Protein, Mouse (E. coli) IL-2 Protein, Mouse (E. coli) 是一種免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子，具有促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖存活的功能。

IL-4 Protein, Mouse (CHO) IL-4 Protein, Mouse (CHO) 來源于 CHO 細(xì)胞，促進(jìn) B 淋巴細(xì)胞的增殖，分化和細(xì)胞表面蛋白調(diào)節(jié)。

IL-7 Protein, Mouse (CHO) IL-4 Protein, Mouse (CHO) 來源于 CHO 細(xì)胞，促進(jìn) B 淋巴細(xì)胞的增殖，分化和細(xì)胞表面蛋白調(diào)節(jié)。

IL-9 Protein, Mouse (CHO) IL-9 Protein, Mouse (CHO) 來源于 CHO 細(xì)胞，TH2 細(xì)胞因子家族的成員。

IL-21 Protein, Mouse (129a.a) (E. coli) IL-21 Protein, Mouse (129a.a)可調(diào)節(jié)固有免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答。

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參考文獻(xiàn)

1. Rosenberg SA, Restifo NP. Adoptive cell transfer as personalized immunotherapy for human cancer. Science. 2015;348(6230):62-68. 

2. Martinez M, Moon EK. CAR T Cells for Solid Tumors: New Strategies for Finding, Infiltrating, and Surviving in the Tumor Microenvironment. Front Immunol. 2019;10:128. 

3. Poust, J. C., Woolery, J. E., & Green, M. R. (2013). Management of toxicities associated with high-dose interleukin-2 and biochemotherapy. Anti-Cancer Drugs, 24(1), 1–13.

4. Sockolosky JT, Trotta E, Parisi G, et al. Selective targeting of engineered T cells using orthogonal IL-2 cytokine-receptor complexes. Science. 2018;359(6379):1037-1042.

5. Kalbasi A, Siurala M, Su LL, et al. Potentiating adoptive cell therapy using synthetic IL-9 receptors. Nature. 2022;607(7918):360-365. 

6. Leonard WJ, Lin JX, O'Shea JJ. The γc Family of Cytokines: Basic Biology to Therapeutic Ramifications. Immunity. 2019;50(4):832-850.

7. Krishna S, Lowery FJ, Copeland AR, et al. Stem-like CD8 T cells mediate response of adoptive cell immunotherapy against human cancer. Science. 2020;370(6522):1328-1334.

8. Hauner K, Maisch P, Retz M. Nebenwirkungen der Chemotherapie [Side effects of chemotherapy]. Urologe A. 2017 Apr;56(4):472-479. German