《自然》亮点:新型细胞因子IL-18,肿瘤免疫治疗迎来新进展

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今日,顶尖学术期刊《自然》发表了一篇有关IL-18在肿瘤免疫疗法领域研究进展的论文。这篇备受关注的论文来自耶鲁大学免疫系的Aaron Ring教授团队 (第一作者为周挺博士)。

IL-18(interleukin-18)在1993年被Nakamura等人发现【1】,并随后在1995年被Okamura等人克隆出来【2】。因其具有强烈的诱导细胞产生γ干扰素(IFN-γ)功能,开始被称为干扰素诱导因子(IFN-γ Inducing Factor, IGIF),后被重新命名为IL-18,归属于IL-1家族。

早期的研究发现,IL-18和其同家族成员IL-1β比较类似,都属于先天预警分子(alarmin)。IL-18在细胞内以非活性前体方式(pro-IL-18)大量存在于上皮细胞、巨噬细胞和树突细胞中,在炎症发生时被重组的NLRP3炎症小体组分caspase-1切割成为活性IL-18迅速释放【3】。IL-18通过结合其异源二聚体受体 (IL-18Rα/Rβ) 介导MyD88-NFκΒ信号通路。由于其受体在自然杀伤细胞(NK)上的高表达,IL-18因此能够刺激NK细胞分泌产生IFN-γ,并具有广阔的免疫调节功能。

由于IL-18能够诱导免疫细胞的增殖并活性增强的特性,近年来其在抗肿瘤上的作用被广泛研究。譬如IL-18被报道通过增强NK细胞的ADCC效应从而杀伤肿瘤【4】,与免疫检查点抑制剂有协同效应【5】以及被装进CAR-T载体中作为效应分子【6】。在一项2016年结束的研究重组IL-18治疗霍奇金淋巴瘤的临床试验中,IL-18显示出了良好的安全性,但是对于肿瘤没有有效性【7】。IL-18的强免疫激活特性和临床试验结果的巨大反差,引起了Aaron Ring团队的兴趣。

他们首先通过生物信息学和免疫学实验证实,IL-18及其受体在肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)中的表达上调(图1a和1b),暗示了IL-18跟机体抗肿瘤的免疫力的相关性。随后他们分析临床试验失败的研究报告发现,具有超高亲和力的IL-18假受体(decoy receptor)IL-18BP,在病人体内被大量诱导表达【8,9】。这一现象也被Aaron Ring团队通过多种手段包括人体肿瘤免疫组化(图1c)、血清蛋白测定以及小鼠模型中证实,并通过IL-18BP敲除的小鼠模型确定了其能够抑制IL-18的抗肿瘤效果。

▲图1:IL-18受体和IL-18BP在肿瘤中诱导表达(图片来源:参考资料[13])

Ring博士使用蛋白质定向进化和酵母展示等手段改造蛋白质的功能,曾经成功开发过IL-2突变体“super-2”【10】、SIRPα突变体【11】和PD1突变体【12】等案例。基于以上发现,Aaron Ring团队通过定向进化手段改造了IL-18突变体DR-18(decoy-resistant IL-18),使其能够保持IL-18原有的信号激活功能而不被IL-18BP抑制(图2)。

▲图2:定向进化改造DR-18(图片来源:参考资料[13])

与野生型IL-18相比,改造后的DR-18在多种小鼠肿瘤模型中均显示出良好的抗肿瘤活性,其单独疗效甚至优于抗PD-1单药治疗,且与抗PD-1联合用药展现出良好的协同效应(图3)。

▲图3:DR-18单药和PD-1抑制剂联用均显示良好的抗肿瘤效果(MC38模型)(图片来源:参考资料[13])

通过单细胞测序,研究人员发现DR-18处理的老鼠肿瘤微环境和PBS以及野生型IL-18的截然不同,它极大的激活了肿瘤内多种免疫细胞,包括T淋巴细胞、巨噬细胞以及中性粒细胞等(图4a)。尤其是对于肿瘤杀伤最重要的CD8 T细胞,DR-18将绝大部分肿瘤浸润CD8 T细胞重塑成高表达效应分子和共刺激分子的强效应细胞群 (cluster CD8_1, TEFF),而其他两项对照组却以耗竭CD8 T细胞群为主 (cluster CD8_2, TEX) (图4b)。

▲图4:DR-18重塑肿瘤微环境(图片来源:参考资料[13])

进一步深入的免疫学实验发现的DR-18抗肿瘤的作用机制可总结为:1)DR-18增加了各类淋巴细胞浸润肿瘤;2)DR-18极大的增强了CD8 TIL的效应功能,使其成为多功能效应细胞且能同时分泌多种效应因子(图5a);3)DR-18增加肿瘤内高表达TCF1的CD8干细胞样前体(机体持续免疫治疗应答所需的一类细胞)的数目(图5b),并其诱导向多功能性效应CD8 T细胞分化,减少向表达TOX的衰竭型CD8 T细胞分化(图5c);4)DR-18抗肿瘤效果依赖于CD8 T细胞,且DR-18直接作用于表达IL-18受体的CD8 TIL来杀伤肿瘤;5)此外,DR-18还通过促进NK细胞的活性和成熟性,以有效治疗MHC-Ⅰ表达缺失从而对抗PD-1治疗耐药的肿瘤。

▲图5:DR-18促进CD8 TILs效应功能和记忆前体的分化(图片来源:参考资料[13])

在IL-18课题进行基础研究的同时,其转化研究也在紧锣密鼓的进行。由于鼠源和人源的IL-18对其受体交叉活性极低,Aaron Ring团队还重新改造成功了人源DR-18。改造后的人源DR-18显示出了良好的拮抗hIL-18BP的抑制功能(图6a),并能同时对于人源(图6b)和猴源细胞(图6c)具有信号激活能力,为临床前开发打下基础。DR-18的全球专利在2019年获批,并授权于以Aaron Ring为创始人的Simcha Therapeutics生物科技公司,药明康德公司致力于成为全球医药健康产业最高、最宽和最深的能力和技术平台,也积极投资了Simcha Therapeutics。截止目前为止,大部分临床前开发工作以及药物生产流程接近完成,研究型新药申请将在2020年底递交,1期临床试验将在2021年开展。

▲图6:人源DR-18功能验证(图片来源:参考资料[13])

细胞因子治疗有着辉煌的过去,它是最早的被FDA批准用于肿瘤的免疫治疗药物,譬如,IFNα-2a (Roferon-A)和IFNα-2b (Intron-A)在1986年被批准用于多种淋巴瘤,高剂量IL-2 (Proleukin)在1992和1998年被批准用于转移性黑色素瘤和肾癌。遗憾的是,彼时至今,仍未有新的细胞因子治疗获批。目前细胞因子研究集中在两方面,一方面大量临床试验研究已批准的细胞因子与传统化疗手段的联用,另一方面是开发新型的靶点和制剂。譬如Nektar公司的聚乙二醇交联IL-2 (NKTR-214)、礼来公司(收购ARMO)的聚乙二醇交联IL-10 (Pegilodecakin),以及Altor的IL-15/IL-15Rα/IgG1 Fc融合蛋白(ALT-803),这些研究赋予了细胞因子治疗新的希望,但是其起伏不定的临床试验结果还需要更长时间的观望。因此,本篇论文对于IL-18这个靶点,以及整个细胞因子免疫治疗领域,都具有重大的意义。论文中的实验结果不仅重新肯定了IL-18治疗的潜力,而且发现了IL-18BP是这一靶点的主要障碍,还提供了克服这一障碍的潜在有效手段。让我们恭喜Aaron Ring团队,也希望这一研究成果能够尽早转化为临床癌症疗法,造福广大病患。

Aaron Ring团队介绍

Aaron Ring博士2008年本科毕业于耶鲁大学分子生物物理和生物化学系,导师为Richard Lifton;2016年博士毕业于斯坦福大学结构生物学系 (MD&PhD),导师为Chris Garcia和Irving Weissman。博士期间,他研发了著名的CD122-biased IL-2突变体“super-2”(Nature, 2012),已授权给Medicenna Therapeutics进行开发。他还研发了高亲和力SIRPα拮抗突变体(Science, 2013),已授权给ALX Oncology 进行开发,产品代号为ALX-148。由于他在基础和转化研究上的诸多成就,他在2016年被福布斯杂志评为医药健康领域年度“30岁以下30人”。同在2016年,他获得NIH Director’s Early Independence Award (DP5)以及Pew-Stewart Scholar,跳过博士后训练阶段,博士毕业直接加入全美排名第一的耶鲁大学免疫系任助理教授。截止目前为止,Ring博士拥有22项全球专利,同时是Forty Seven, Inc、ALX Oncology和Ab Initio Therapeutics三家生物公司的co-founder。他在2018年独立设立Simcha Therapeutics公司,同时兼任董事会主席。

周挺博士为Aaron Ring实验室第一位博士后,是组内IL-18课题最主要负责人。他于2006年本科毕业于中国农业大学;2014年博士毕业于中科院生物物理所,博士期间工作阐明了DNA去甲基化中间产物5hmC识别的分子机制(Molecular cell, 2014);2014年9月至2016年11月在耶鲁大学分子细胞发育生物学系进行博士后训练,研究丙肝病毒特殊菌株的强致病机理(JVI, 2017);2016年11月加入Aaron Ring实验室,负责IL-18课题从体外的定向改造到体内免疫学机理鉴定(除单细胞测序外)的所有工作。同时,他还辅助Ring博士全面参与了IL-18的临床转化。因其在IL-18研究中的贡献,周挺博士曾获得耶鲁大学癌症中心2018年度圆桌会议优秀研究奖以及2019年Immuno-Oncology Young Investigator Forum (IOYIF) 优秀博士后研究奖。周挺博士还是IL-18全球专利的主要发明人之一。

参考资料:

[1] Nakamura K, Okamura H, Nagata K, Komatsu T, Tamura T. Purification of a factor which provides a costimulatory signal for gamma interferon production. Infect Immun. 1993;61(1):64-70.

[2] Okamura, H. et al. Cloning of a new cytokine that induces IFN-gamma production by T cells. Nature 378, 88-91, doi:10.1038/378088a0 (1995).

[3] Mantovani A, Dinarello CA, Molgora M, Garlanda C. Interleukin-1 and Related Cytokines in the Regulation of Inflammation and Immunity. Immunity. 2019; doi:10.1016/j.immuni.2019.03.012.

[4] Srivastava S, Pelloso D, Feng H, et al. Effects of interleukin-18 on natural killer cells: costimulation of activation through Fc receptors for immunoglobulin. Cancer Immunol Immunother. 2013;62(6):1073-1082. doi:10.1007/s00262-013-1403-0.

[5] Ma, Z. et al. Augmentation of Immune Checkpoint Cancer Immunotherapy with IL18. Clin Cancer Res 22, 2969-2980, doi:10.1158/1078-0432.CCR-15-1655 (2016).

[6] Hu, B. et al. Augmentation of Antitumor Immunity by Human and Mouse CAR T Cells Secreting IL-18. Cell Rep 20, 3025-3033, doi:10.1016/j.celrep.2017.09.002 (2017).

[7] Tarhini, A. A. et al. A phase 2, randomized study of SB-485232, rhIL-18, in patients with previously untreated metastatic melanoma. Cancer 115, 859-868, doi:10.1002/cncr.24100 (2009).

[8] Novick, D. et al. Interleukin-18 binding protein: a novel modulator of the Th1 cytokine response. Immunity 10, 127-136 (1999).

[9] Aizawa, Y. et al. Cloning and expression of interleukin-18 binding protein. FEBS Lett 445, 338-342, doi:10.1016/s0014-5793(99)00148-9 (1999).

[10] Levin, A. M. et al. Exploiting a natural conformational switch to engineer an interleukin-2 'superkine'. Nature 484, 529-533, doi:10.1038/nature10975 (2012).

[11] Weiskopf K, Ring AM, Ho CC, et al. Engineered SIRPα variants as immunotherapeutic adjuvants to anticancer antibodies. Science. 2013;341(6141):88-91. doi:10.1126/science.1238856.

[12] Maute RL, Gordon SR, Mayer AT, et al. Engineering high-affinity PD-1 variants for optimized immunotherapy and immuno-PET imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(47):E6506-E6514. doi:10.1073/pnas.1519623112.

[13] Zhou et al., (2020), IL-18BP is a secreted immune checkpoint and barrier to IL-18 immunotherapy, Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2422-6

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