IL-2和IL-15的肿瘤免疫中的调节作用及其应用前景

2021
02/03

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基于IL-2和IL-15在体内扩增和激活效应淋巴细胞的能力,它们的治疗潜力正在不断被开发。同时,在协同免疫增强的联合策略中它们的作用也越来越受到关注。

前言

免疫系统的稳态依赖于两个主要组成部分:先天性和适应性免疫应答,这两种免疫应答受一系列细胞因子的调节。细胞因子受体γ链(γc)家族是研究最广泛的细胞因子之一,包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21。这组细胞因子显示出广泛的多效性作用,调节先天性和适应性免疫系统,共同促进各种免疫细胞群的发展,调节细胞分化,并根据细胞环境促进生存或诱导凋亡。

IL-2是第一个被发现在T细胞发育和扩增中起重要作用的家族成员,IL-15与IL-2具有许多共同的生物学活性,包括刺激T细胞和NK细胞的增殖和活化、诱导B细胞免疫球蛋白合成和支持细胞毒性效应细胞分化。

尽管有这些相似之处,IL-2和IL-15在体内也显示出不同的功能,特别是在适应性免疫反应中。例如,调节性T细胞(Treg)的发育和维持需要IL-2,而IL-2与活化诱导的细胞死亡(AICD)密切相关。相比之下,IL-15是支持自然杀伤(NK)细胞和记忆CD8+T细胞持久性的主要力量,而其对Treg细胞的确切作用仍有争议。它不介导AICD,而是抑制IL-2诱导的AICD。

基于IL-2和IL-15在体内扩增和激活效应淋巴细胞的能力,它们的治疗潜力正在不断被开发。同时,在协同免疫增强的联合策略中它们的作用也越来越受到关注。

IL-2和IL-15的生物学特性

IL-2和IL-15是I型四α螺旋束细胞因子,属于γ受体细胞因子家族。这组细胞因子共享相同的受体亚单位γc,并表现出调节先天性和适应性免疫应答的多效性作用。

IL-2是这个家族中第一个被鉴定的细胞因子,它最初是从活化的人类T细胞培养上清中发现的,是一种介导T细胞增殖的可溶性因子。IL-2也是FDA批准用于癌症治疗的第一种细胞因子。虽然在抗原刺激下主要由CD4+和CD8+T细胞分泌,但活化的树突状细胞(DC)、肥大细胞和NKT细胞也产生少量的IL-2。

IL-15也与IL-2具有某些类似的功能,包括刺激活化的T细胞增殖、产生细胞毒性效应T细胞以及激活和维持NK细胞。它们还促进B细胞诱导免疫球蛋白合成和调节淋巴稳态。然而,与IL-2不同,IL-15 mRNA在各种组织中均有表达,包括造血细胞和非造血细胞,如角质形成细胞、神经细胞、基质细胞和成纤维细胞。与广泛的IL-15 mRNA表达不同,成熟的IL-15蛋白产生主要局限于DC和单核细胞/巨噬细胞。

IL-2和IL-15的受体都是异源三聚体,除了细胞因子受体亚单位γc(也称为IL-2Rγ或CD132)外;它们也共享β亚单位,这里称为IL-2/15Rβ(也称为CD122)。IL-2和IL-15的第三个也是独特的受体亚单位分别是IL-2Rα和IL-15Rα。

除细胞表面表达外,IL-2Rα还以可溶性形式(sIL-2R)存在于某些疾病中,包括炎症性疾病、移植排斥反应和大多数恶性疾病。血清sIL-2R水平升高与疾病进展和预后相关。

IL-15Rα作为IL-15受体复合物的独特组分,主要在单核细胞和树突状细胞上表达。与其他γc家族细胞因子不同的是,IL-15作为细胞因子首先与IL-15Rα表达细胞结合,然后,IL-15/IL-15Rα复合物递呈给激活的T细胞或NK细胞上的IL-2/15Rβ和γc,形成高亲和力免疫突触,其诱导信号与IL-2R相似。

由于共享受体亚单位(IL-2/15 Rβγ),IL-2和IL-15触发几个类似的下游信号通路,包括Janus激酶(JAKs)信号转导蛋白和转录激活蛋白(STATs),JAK1与IL-2/15Rβ相互作用,JAK3与γc相互作用。

IL-2和IL-15的单药及融合蛋白

重组IL-2首先作为一种有效的肿瘤免疫治疗方法,被FDA批准用于转移性肾细胞癌和晚期黑色素瘤患者。然而,严重的不良反应和免疫抑制Treg细胞的优先扩增限制了重组IL-2在癌症治疗中的应用。          

 人们做了各种努力来降低毒性和防止Treg细胞的靶向效应。例如,一种IL-2超因子,也称为“super-2”,被设计成与IL-2Rβγ的结合亲和力增强,这使得它能够不受IL-2Rα表达的影响而发挥作用。与野生型IL-2相比,超因子诱导细胞毒性T细胞表达增强,但诱导Treg细胞表达减少。

一些新开发的包含IL-2和IL-2Rα的融合蛋白,如ALKS 4230,可以选择性地激活带有中间受体的效应细胞,在小鼠肿瘤模型中表现出优越的肿瘤控制效果和较低的毒性。

THOR-707是Synthorx公司产品,通过向宿主细胞转入非天然氨基酸,在该位点实现定点PEG偶联,和IL-2Rα低亲和力,但是和IL-2Rβγ有接近天然的亲和力,选择性激活CD8+T细胞,不激活Treg。

Cergutuzumab amunaleukin(CEA-IL2V,RG7813)是靶向癌胚抗原(CEA)的特异性抗体与IL-2的融合蛋白,目前正在与阿替唑珠单抗(NCT02350673)联合进行临床试验研究。

RO7284755是一种与抗PD-1抗体融合的IL-2变体 ,目前正在进行一项I/II期安全性和抗肿瘤活性研究(NCT04303858)。

NKTR-214(也被称为Bempegaldesleukin)是第二代的IL-2工程化合物,已经被广泛研究并进行了多项临床试验。这种修饰的细胞因子的六条可释放的PEG链可以掩盖与IL-2Rα相互作用的IL-2区域,从而介导效应细胞的偏向激活。在第一个人类I期临床研究(NCT02869295)中,NKTR-214在晚期实体瘤患者中表现出良好的耐受性和显著的临床活性。

ALT-803是另一种包含IL-15突变体(IL-15N72D)和IL-15RαSu/Fc的二聚体蛋白,已被证明在小鼠模型中具有优异的抗肿瘤活性。在第一个人类I期试验(NCT01885897)中,ALT-803治疗具有良好的耐受性,19%的血液恶性肿瘤患者观察到临床反应。最近进行了另一个剂量递增I期试验,评估ALT-803联合nivolumab治疗晚期非小细胞肺癌(NSCLC)患者的安全性和有效性(NCT02523469);未记录剂量限制性毒性,21名患者中有6名获得客观响应。正在进行第二阶段患者的连续招募。

BJ-001是由博际生物自主研发并拥有全球专利的世界首个肿瘤靶向性IL-15融合蛋白。其设计不仅克服了重组IL-15半衰期短的缺点,更重要的是通过其结构域中的肿瘤靶向分子使其在αvβ3,αvβ5和αvβ6整合素高表达的肿瘤中富集,从而具有降低系统毒性,增强疗效的潜力。

ImmunityBio的N-803是一种新型IL-15超级激动剂复合物。与体内天然的非复合IL-15相比,N-803具有改善的药代动力学特性,以及在淋巴组织中更长的持久性和增强的抗肿瘤活性。目前,N-803正在临床试验中治疗NMIBC成人患者。此前,N-803曾获得FDA授予的快速通道资格。

为了进一步增强IL-15的治疗指数,已经开发了几种抗体融合蛋白,它们是靶向肿瘤相关抗原的抗体,以特异性地将IL-15定向到TME,或者改善ADCC。抗CD20或抗GD2抗体的融合在小鼠模型中大大增强了其抗肿瘤效力。

Sushi-IL15-Apo是一种与poliprotein a-I偶联以定向肿瘤细胞上SR-BI的三联重组蛋白,其临床前研究显示,这种嵌合蛋白对肿瘤的ADCC活性得到改善。

最近,一组研究人员使用一种新的计算策略设计了一种IL-2的模拟物,称为neoleukin-2/15(Neo-2/15)。重组蛋白能与IL2-Rβγ结合,但缺乏与IL-2Rα或IL-15Rα的结合位点,导致细胞毒性CD8+T细胞优先扩增。当用于小鼠癌症模型时,无论是作为单一疗法还是与过继细胞疗法联合使用,Neo-2/15都显示出强大的肿瘤控制能力,而只有轻微的免疫原性和毒性。

IL-2和IL-15的联合免疫疗法

即使随着IL-2和IL-15改良制剂的发展,单药治疗的临床总有效率仍然较低,因此更多的工作集中在探索与其他治疗药物的协同作用上。免疫检查点抑制剂(ICIs),特别是PD-1/PD-L1阻断剂,在过去的十年里,已经彻底改变了癌症免疫治疗的方法。多项研究表明,IL-2联合抗PD-1/PD-L1抗体治疗可显著增强小鼠模型中的CD8+T细胞反应。

PIVOT-02是一项剂量递增研究,评估晚期实体瘤患者NKTR-214加Nivolumab的耐受性和免疫活性(NCT02983045),无论基线PD-L1状态如何,联合用药的耐受性良好,并显示出令人鼓舞的临床疗效。目前,正在临床试验中评估ICIs与IL-2或IL-15联合应用的几种治疗策略的安全性和有效性(表1和表2),其中一些试验已显示出有希望的初步结果。

另外,IL-2已广泛用于过继转移的CAR-T细胞或ACT的TIL的体外扩增和体内持久性。然而,由于其独特的作用,激活NK细胞和CD8+T细胞而不诱导Treg细胞,IL-15可能优于IL-2。细胞因子和ACT的组合目前正在多种癌症类型的多个临床试验中进行评估,包括不同剂量的IL-2(NCT02414945,NCT04052334)或使用IL-15和IL-2作为NK细胞输注的佐剂(NCT03669172,NCT03213964)。

除上述联合方案外,还设计了使用临床批准的抗肿瘤药物与IL-2或IL-15协同作用的其他方法,包括增强ADCC的药物,如rituximab(NCT 02384954)或alemtuzumab(NCT 02689453),联合卡介苗膀胱内注射治疗膀胱癌(NCT02138734,NCT0302825),或联合立体定向放射治疗(SBRT)(NCT0236954,NCT01884961)。

展望

以IL-2或IL-15为基础的细胞因子治疗具有扩增和激活效应T细胞和NK细胞的能力,为传统癌症治疗后的患者提供了替代性的免疫治疗选择。我们对IL-2和IL-15及其受体系统生物学的新知识有助于制定合理的策略来改善其临床应用,改良的细胞因子,如超抗原、免疫细胞因子,甚至是通过计算机方法从头构建的模拟蛋白,目前正在进行评估;其中一些已经在临床前和临床环境中表现出令人鼓舞的反应。

优化IL-2和IL-15治疗用途的另一个大规模研究方法是联合治疗,采用细胞因子疗法与其他抗肿瘤药物(如ICIs、肿瘤靶向单克隆抗体和BCG)联合,并辅以化疗或放疗,或作为过继细胞疗法的辅助剂。随着多项相关临床试验的开展,这些潜在协同作用的结果令人期待,这无疑将为今后的临床实践提供更多的见解。

参考文献:

  1. Immunomodulatory Effects of IL-2 and IL-15; Implications for Cancer Immunotherapy. Cancers (Basel). 2020 Nov 30;12(12):3586.

  2. 本文来自小药说药,作者小药说药。

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关键词:
肿瘤免疫,IL-2,IL-15

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