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▎药明康德内容团队编辑
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).
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[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).
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[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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