Cell：K药联合治疗失败的元凶或是它

来源：BioArt

Epacadostat——吲哚胺-2,3-双加氧酶1（IDO1）的选择性抑制剂；pembrolizumab（也称Keytruda，K药）——PD-1抑制剂。两者的联用曾在晚期黑色素瘤的1-2期临床试验中表现出极具前景的抗肿瘤活性，然而，它们联用的3期临床试验却失败了【1】。原因却未知。

联合治疗无疑将成为免疫疗法未来发展的必然趋势。那么，为什么要将上述两种药进行联用呢？

IDO1/2或者色氨酸-2,3-双加氧酶（TDO2）所启动的犬尿素途径是人类细胞主要的色氨酸（Trp）分解代谢途径，可以产生芳烃受体（AHR）激动剂犬尿氨酸（Kyn）和犬尿喹啉酸（KynA）。AHR是一种配体激活的转录因子，它能使细胞通过感知来自环境、饮食、微生物和细胞代谢的化合物来适应不断变化的环境【2】。与配体结合后，AHR转运到细胞核，在那里与ARNT形成异二聚体，并通过与外源反应元件（XRE）结合来诱导转录【3】。AHR的靶点可以调节多种生物过程，包括血管生成、造血、药物和脂质代谢、细胞运动和免疫调节，在发育、免疫和癌症等过程中都发挥着重要作用。除了外源物质，来自植物、微生物或内源性代谢产物等的天然的配体也可以成为AHR的有效激动剂，而Trp代谢产物Kyn和KynA就是这样一类重要的内源性AHR配体【4】。

癌细胞通常表达高水平的IDO1和TDO2，以更好地利用Trp分解代谢介导的AHR激活途径。Kyn-AHR信号通路可以增强癌细胞的恶性表型，尤其是增强癌细胞活性。此外，Kyn-AHR信号通路也被认为可以通过诱导以下过程来抑制T细胞的增殖和功能：1）调节性T细胞（Treg）分化【5】；2）CD8+ T细胞上程序性细胞死亡蛋白1（PD1）的表达【6】；3）CD8+ T细胞的细胞死亡【7】；4）免疫抑制肿瘤相关巨噬细胞的募集【8】。由此可见，抑制Trp分解代谢酶（TCE）可以成为一种很有前途的既能靶向抑制癌细胞恶性程度、也能靶向治疗肿瘤免疫抑制的策略。因此，也就出现了开篇所述的IDO1小分子抑制剂作为免疫检查点阻断（ICB）药物的辅助物而联用的临床试验。然而3期临床试验的失败，虽然其部分原因可能是由于缺乏基于IDO1表达水平的患者分层，却也给予我们警醒——Trp分解代谢在癌症中的作用远不止我们现在所知道的，激活AHR的其他途径也有可能影响IDO1抑制剂的作用，对其进行深入的理解或将能为免疫治疗提供新机会。

基于以上，2020年8月19日，来自德国癌症研究中心的Christiane A. Opitz研究团队在Cell上在线发表文章 IL4I1 Is a Metabolic Immune Checkpoint that Activates the AHR and Promotes Tumor Progression ，利用一种泛组织AHR特征信号，在32个实体肿瘤中，揭示了白介素-4-诱导-1（IL4I1）是比IDO1或TDO2更频繁地与AHR活性相关的分子，其可以通过产生吲哚代谢物和KynA来激活AHR。而ICB治疗可诱导AHR激活酶IL4I1的活性，并通过其对适应性免疫的抑制作用来促进肿瘤进展，由此解释了ICB和IDO1抑制剂联用的临床试验失败的可能原因，为癌症治疗打开了新世界的大门。

为了寻找人类肿瘤中激活AHR的新介质，本文的研究人员将基因表达分析和自然语言处理（NLP）相结合，开发了一个泛组织AHR特征信号以检测多个AHR配体和不同细胞类型对AHR活性的影响（图1）。出人意料的是，分析研究发现在人类肿瘤中，AHR活性与L-氨基酸氧化酶IL4I1（已知主要催化苯丙氨酸Phe氧化脱氨生成苯丙酮酸PP，同时生成H2O2和NH3）的关联比其他任何一种TCE（包括已知的AHR激活因子IDO1和TDO2）的关联都更强。

在恶性胶质瘤（GBM）细胞中异位表达IL4I1，AHR特征信号增强，IL4I1来源的代谢物则增加了AHR的核定位及其下游靶基因转录，从而激活AHR。而IL4I1的表达下调则呈现相反的结果。值得注意的是，在AHR敲低时，IL4I1的表达也减少了，表明IL4I1本身也是AHR的靶基因。而在低表达IDO1的CAS-1细胞中，研究也证实了IL4I1介导的AHR调节效应是独立于TDO2的，由此证明IL4I1是更有效的AHR激活酶。

进一步地，研究人员开始探索IL4I1对AHR功能的影响。研究表明IL4I1可以促进肿瘤细胞的运动能力，抑制外周血单核细胞（PBMC）中T细胞和分离的CD8+ T细胞的增殖。同时，研究发现，高IL4I1水平与胶质瘤病人（包括恶性与早期患者）的总生存率降低密切相关。而IL4I1高表达的胶质瘤病人组均表现出较高的AHR活性，证实了IL4I1与胶质瘤AHR活性和生存结果密切相关。

那么，IL4I1到底是通过哪种代谢产物激活AHR的呢？研究发现，IL4I1可以分别将细胞培养基中的Phe、酪氨酸（Tyr）和Trp转变为PP、羟基苯丙酮酸（HPP）和吲哚-3-丙酮酸（I3P）。而只有I3P可以在多种细胞类型中以一种AHR依赖方式显著上调AHR靶基因的表达，并且诱导AHR的入核及XRE驱动活性，且所需浓度远低于已知的AHR激活剂Kyn和KynA。同时，I3P以一种AHR依赖性方式增加GBM细胞的运动性，激活CD8+ T细胞中的AHR，从而抑制T细胞增殖，而这是通过I3P代谢产物KynA和吲哚-3-乙醛（I3A）实现的。由此证实，I3P作为一种新的单体代谢物，介导了IL4I1和AHR驱动的肿瘤恶性特征。

研究人员发现，与正常组织相比，在大多数肿瘤中，IL4I1在原发癌组织中表达增强，在弥漫性大B细胞淋巴瘤中表达最强。与原位癌相比，IL4I1水平和AHR活性在转移癌中增强。同时，在大多数肿瘤中，IL4I1的表达高于IDO1或TDO2，突出显示IL4I1是肿瘤中主要的TCE，并且其可以在低氧肿瘤微环境（TME）中激活AHR。在IL4I1高表达的肿瘤中，抑制性免疫细胞如骨髓来源的抑制细胞（MDSC）和Treg富集。采用类似侵袭性慢性粒细胞白血病（CLL）的动物模型TCL1 AT小鼠进行研究，证实了IL4I1在肿瘤免疫逃逸中起着重要作用，TEM中IL4I1的缺失可以减缓CD8+ 效应T细胞的衰减，PD1介导的CD8+ T细胞功能增强，从而表明IL4I1是一个抑制适应性免疫反应的代谢免疫检查点。

最后，让我们回归开篇的问题，IDO1抑制剂和ICB药物的联用的3期临床试验为什么会失败？本文的研究人员发现，由于IL4I1的免疫抑制作用，它可以规避对ICB药物的应答。同时，ICB药物可以诱导IL4I1的水平和AHR活性增加，从而使癌细胞对ICB产生抵抗。而IDO1抑制剂对IL4I1酶活性并没有影响，因此IL4I1可以介导癌细胞在ICB背景之下的IDO1抑制剂抵抗。通过激活AHR，IL4I1表现出了一种针对ICB和/或IDO1抑制剂的代谢抵抗机制，这大概就是失败的原因之一吧。或许将IL4I1作为一个新的肿瘤治疗靶点可以解决这一问题，值得一提的是，本文提供的泛组织AHR特征信号的利用，也将有助于筛选适用于靶向TCE或AHR活性治疗的病人。

参考文献（向上滑动阅览）

1. Long, G.V., Dummer, R., Hamid, O., Gajewski, T.F., Caglevic, C., Dalle, S., Arance, A., Carlino, M.S., Grob, J.J., Kim, T.M., et al. (2019). Epacadostat plus pembrolizumab versus placebo plus pembrolizumab in patients with unresectable or metastatic melanoma (ECHO-301/KEYNOTE-252): a phase 3, randomised, double-blind study. Lancet Oncol. 20, 1083–1097.

2. Rothhammer, V., and Quintana, F.J. (2019). The aryl hydrocarbon receptor: an environmental sensor integrating immune responses in health and disease. Nat. Rev. Immunol. 19, 184–197.

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6. Liu, Y., Liang, X., Dong, W., Fang, Y., Lv, J., Zhang, T., Fiskesund, R., Xie, J., Liu, J., Yin, X., et al. (2018). Tumor-Repopulating Cells Induce PD-1 Expression in CD8+ T Cells by Transferring Kynurenine and AhR Activation. Cancer Cell 33, 480–494.

7. Greene, L.I., Bruno, T.C., Christenson, J.L., D’Alessandro, A., Culp-Hill, R. Torkko, K., Borges, V.F., Slansky, J.E., and Richer, J.K. (2019). A role for tryptophan- 2,3-dioxygenase in CD8 T-cell suppression and evidence of tryptophan catabolism in breast cancer patient plasma. Mol. Cancer Res. 17, 131–139.

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