细胞因子药理学和治疗学原则

细胞因子是分泌型信号蛋白   ，在免疫反应的启动、维持和解决中发挥着重要作用。虽然细胞因子在癌症、自身免疫和感染性疾病方面有重要作用，但基于细胞因子的治疗方法应用一直受限。主要原因在于细胞因子能够作用于众多不同类型的细胞并引起不同生物反应，从而导致剂量限制的毒性或缺乏疗效。目前，研究者正通过应用结构生物学、药物化学和经典受体药理学的见解，系统地 "调整"细胞因子受体的活性，开发新的基于细胞因子的治疗方法。本篇综述强调了这些努力所阐明的细胞因子受体药理学的原则，并讨论了这些原则如何能使新的和改进的基于细胞因子的治疗方法得以临床转化。    

01   细胞因子概述

细胞因子是分泌的生长因子 ，通过与细胞表面受体的细胞外结构域 （ECDs） 接触 来启动对靶细胞的信号传导，其方式与其他单通道跨膜受体如受体酪氨酸激酶 （RTKs） 相似。研究表明，细胞因子受体在质膜上是配体依赖性二聚化，即细胞因子首先与高亲和力的受体亚单位接触，然后通过低亲和力的结合点从细胞膜的其他地方招募第二个受体亚单位。受体ECD的这种二聚化使细胞内受体相关的JAKs聚集在一起，它们通过其pseudokinase结构域进行二聚化，将激酶结构域定位到一个适当的方向和距离，以便进行信号传递。 二聚体的JAKs 相互之间以及受体胞内结构上的酪氨酸残基进行反式磷酸化，使转录因子信号转导和转录激活者 （STAT） 得以被招募。受体结合后，STAT蛋白反过来被受体结合的JAKs磷酸化，引发STAT二聚化、核转位和转录激活 （图1a） 。这种连续的、不对称的结合可以被基于机制的工程策略所利用，以调节细胞因子的活性。

图1 细胞因子信号传导的机制和多态性的来源

02   基于细胞因子的治疗方法  

细胞因子拮抗剂已经取得了显著的临床成功，例如在阻断肿瘤坏死因子-α（TNFα）、IL-6、IL-17和IL-23的促炎症作用方面。相比之下，免疫调节性细胞因子或细胞因子受体激动剂除了有限的实验性使用外，基本没有被广泛采用为治疗药物。一些具有狭窄的生物功能和少数目标细胞类型的天然细胞因子可能是合适的药物，但大多数细胞因子是高度多变的，可能需要大量的改变来赋予它们类似药物的特性。

表1工程化细胞因子及其治疗应用实例

03  细胞因子中的受体药理学及其可调控参数

细胞因子生物学的一个关键特征是存在共享受体亚基，如常见的γ链（γ）、gp130和IL-10Rβ，它们可以在不同背景下与多种细胞因子配体接合。细胞因子受体和配体的高度模块化性质大大增强了这些自然系统的多变性和冗余性，并强调了受体亚单位组成在决定细胞因子功能方面的重要性。细胞因子的功能受到它们所结合的受体、它们对这些受体的亲和力以及由此产生的信号复合物的结构的影响。（图2）

图2 细胞因子受体药理学的可调控参数

1.受体亲和力

在细胞因子信号复合物结构的指导下，细胞因子对其受体的亲和力已被系统地改变。工程化的细胞因子的潜在功能是多种多样的，它们通常根据亲和力被分为五个非相互排斥的类别： 超级激动剂、部分激动剂、细胞类型选择性激动剂、偏向激动剂和抗诱饵激动剂 。 超级激动剂 是对其受体有更大亲和力的配体，相对于内源性配体，其信号效应更强。超级激动剂可用于提高细胞因子的效力，特别是在自然情况下受体水平表达低的细胞类型上。这种方法现在已经被用来设计各种细胞因子的超级激动剂变体，包括IFNα、IFNλ、IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、IL-13和IL-22。 细胞因子受体部分激动剂 ，这些激动剂即使在配体浓度达到饱和时也能引起近乎最大的细胞反应，但能够引起与相应天然细胞因子不同的功能特征。因此，部分激动剂具有可以改变多效细胞因子的关键功能特性。 细胞因子多态性的一个重要来源是其作用于多种细胞类型的能力 ，导致脱靶毒性或反作用的细胞反应。为了克服这个问题，研究者利用了免疫细胞类型之间反应阈值的自然差异，从而克服了与天然细胞因子有关的细胞多态性 （图3a、b、c） 细胞因子多变性的另一个主要来源是细胞因子受体激活多种下游信号通路和STAT转录因子的能力。功能选择性/偏向性的细胞因子受体激动剂可以将不同的信号反应脱钩，并分离或加强治疗上所需的反应。例如，利用IL-22受体复合物的结构，IL-22的变体被设计为对共享受体IL-10Rβ的亲和力降低。变体中有些保留了激活STAT3的能力，但不再激活STAT1或STAT5。 细胞因子疗法疗效的另一个潜在限制因素是天然拮抗剂的存在 ，如可溶性诱饵受体。免疫刺激性IL-1家族细胞因子IL-18，它被诱饵受体IL-18BP所抑制。诱饵受体IL-18BP在人类肿瘤中被上调，限制了IL-18的抗肿瘤作用。研究者通过定向进化的方法来产生一种IL-18变体 （诱饵抗性激动剂DR-18） ，它不再与IL-18BP结合，但保留与信号受体IL-18R1的结合。

图3 通过控制受体亲和力调整细胞因子的功能

2.受体的几何形状

使用工程受体结合蛋白作为替代配体，已经产生了以不同几何形状诱导细胞因子受体参与的激动剂。这些研究表明，调节细胞因子受体的拓扑结构可以大大改变下游的信号和功能反应，为细胞因子功能的药理控制开辟了一条全新的途径。（图4）

图4 通过控制受体的几何形状来调整细胞因子的功能。

调节细胞因子受体几何形状的一种方法是设计针对细胞因子受体ECD的抗体片段。为了尽量减少受体之间的灵活性和距离，研究人员使用了共价连接的二聚体抗体可变片段，称为 二抗体 ，作为替代配体。二抗体拥有两个受体结合位点，并能诱导受体二聚体具有广泛的二聚体间距和方向 （图4） 。 尽管二抗体可以有效地调整受体的几何形状以产生不同的信号结果，但它们需要重链和轻链的适当配对，这使得异构激动剂的产生变得困难。从仅有重链抗体 （VHHs） 的可变区域衍生出的单域片段，也被称为 纳米抗体 ，在一个单一的结合位点内编码特异性，使得通过串联纳米抗体的表达产生异二聚体激动剂 （图5） 。针对不同细胞因子受体的纳米抗体可以以组合的方式配对，提供具有不同受体结合位点和方向的潜在替代细胞因子。 基于抗体的方法的一个缺点是受体结合蛋白之间的灵活性，这妨碍了对几何方向的精确控制。为了克服这个问题，研究者开发了一种基于合成设计的安克林重复蛋白 （DARPin） 支架的替代细胞因子受体模块。使用 DARPins ，二聚体之间的距离、角度和方向可以系统地逐步改变，从而实现对受体拓扑结构的精确控制 （图5） 。

图5 基于纳米抗体的代用细胞因子

3.受体组成

细胞因子受体通常由一个对特定细胞因子具有特异性的独特受体和一个能与多种细胞因子作用的共享受体组成。有关嵌合细胞因子受体的初步研究发现，非天然的细胞因子对也能够诱导STAT信号传导。以非自然组合方式配对不同细胞因子受体亚基的合成激酶，可以实现对多种STAT配对的选择性激活，理论上可以实现对不同转录程序的定向激活。(图6)

组装非天然细胞因子受体复合物的另一种方法是使用嵌合的细胞因子蛋白，其中可以将一种细胞因子的受体结合位点嫁接到另一种细胞因子。这种方法已经成功地用于开发嵌合细胞因子IC7，其中来自细胞因子LIF的LIFR结合位点被嫁接到IL-6上，替换了它的一个gp130结合点，从而改善了患者的葡萄糖耐量和预防肝脏脂肪变性。

图6 通过控制受体组成来调整细胞因子的功能

04   VHL基因和蛋白  

1.新的蛋白设计

未来细胞因子受体激动剂的开发，一个有潜力的途径是使用新的蛋白质设计来补充上述各种组合配体工程策略。随着人工智能和基于机器学习的蛋白质结构预测方面取得的快速进展，似乎有可能开发出许多新的、甚至更复杂的从头设计的细胞因子。新的细胞因子的潜在的优势包括增强的稳定性，然而，主要的潜在缺点是非人类氨基酸序列可能会增加免疫原性的风险以及潜在的制造难度。

2.实验模型

开发未来细胞因子受体激动剂的一个核心考虑因素是应该使用哪些实验模型来筛选和测试新的活性。细胞对细胞因子的反应性在疾病发展过程中或对治疗的反应中可以通过受体表达、内化或诱导负反馈介质（如SOCS蛋白和酪氨酸磷酸酶）的变化进行动态调节。小鼠模型的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类患者源性器官培养物的新进展可能有助于评估未来基于细胞因子的新药物。

3.免疫原性

免疫原性的可能性是所有蛋白质治疗剂的一个重要考虑因素，工程细胞因子也不例外。由于药物中和抗体，治疗引起的免疫反应会限制其疗效，而由于诱发炎症反应，则会限制安全性。

05   总结与展望   

细胞因子作为治疗药物来说，少数情况下，外源性细胞因子的补充能够给人体带来益处，但其临床效用受到其生物学固有的复杂多变性和冗余性的限制。越来越多的   细胞因子受体复合物   的结构信息使人们能够设计出能够调节细胞因子受体亲和力、几何形状和组成的新型细胞因子受体激动剂。新配体的功能分析揭示了对细胞因子信号机制的基本认识，同时也产生了新的治疗分子，可能克服了与野生型细胞因子有关的诸多限制。目前通过整合基础免疫学、物理化学和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有望最终释放出基于细胞因子的治疗方法的全部潜力。     参考文献 1. Saxton, R. A., Glassman, C. R. & Garcia, K. C. Emerging principles of cytokine pharmacology and therapeutics. Nat Rev Drug Discov 1–17 (2022) doi:10.1038/s41573-022-00557-6.

作者：Murphy

编辑人：Transparent

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©2021 医药速览 保留所有权利   来源：医药速览 2022-10-12    

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