細胞因子IL-2在近30年前獲得美國FDA的批準，成為抗癌免疫療法。隨后的研究發現它在通過調節性T細胞（Treg）調節免疫耐受方面也具有重要的作用。而IL-2與它的受體結合的晶體結構的解析，為激發細胞類型特異性IL-2候選療法的開發提供了重要的結構學信息。如今，多款IL-2生物制品已經進入臨床開發階段。近日，Nature Reviews Immunology上的一篇綜述對改造IL-2，治療癌癥和自身免疫疾病的4大策略進行了盤點。

IL-2的信號傳導

IL-2是主要由CD4陽性T細胞分泌的多功能細胞因子。它通過與IL-2受體（IL-2R）結合調節免疫反應。IL-2R分為兩種類型，高親和力IL-2R由三個亞基構成，α鏈（CD25），β鏈（CD122）和γ鏈（CD132）。高親和力IL-2R主要表達在Treg細胞，新近激活的CD4陽性和CD8陽性效應T細胞，部分自然殺傷（NK）細胞和NKT細胞表面。中等親和力的IL-2R由兩個亞基組成（CD122和CD132），主要表達在CD8陽性記憶T細胞和大多數NK細胞表面。IL-2R信號傳導不但影響效應T細胞、Treg細胞，NK細胞等細胞的增殖，而且塑造它們的功能活性。

▲表達高親和力IL-2R（右）和中親和力IL-2R（左）的淋巴細胞類型（圖片來源：參考資料[1]）

未經改造的IL-2雖然曾經獲得批準治療腎細胞癌和黑色素瘤，但是使用高劑量IL-2治療癌癥面對多重障礙。天然IL-2的半衰期很短（<15分鐘），導致需要靜脈輸注非常高劑量的IL-2，這會引起嚴重的非特異性毒性。而且，由于IL-2同時可以激活Treg，而腫瘤微環境中的Treg通常起到免疫抑制的作用，因此可能抵消IL-2激發的抗癌免疫反應。因此，目前的研究方向是通過對IL-2進行蛋白工程改造，開發只激活特定淋巴細胞類型的IL-2類似物。

改造IL-2的四大策略

改造生成與特定淋巴細胞類型結合的IL-2類似物離不開對IL-2和IL-2R亞基相互作用的理解。IL-2與高親和力IL-2R的結合可以分為兩步：低濃度IL-2首先與CD25高親和力結合形成二元復合體，這個二元復合體再與CD122和CD132構成的復合體結合而生成穩定的四元復合體。

高濃度的IL-2可以直接與CD122和CD132構成的復合體結合而生成三元復合體。對IL-2的改造如果增強了它與CD25的結合能力，會讓IL-2傾向與高親和力受體相結合，而如果增強IL-2與CD122結合的能力，則會讓它傾向與中親和力受體相結合。目前進入臨床開發階段的IL-2類似物包含了四種改造IL-2的策略。

IL-2突變體

IL-2突變體通過引入基因突變，改變IL-2蛋白表面的特定氨基酸。對IL-2和IL-2R復合體的晶體結構研究已經解析出IL-2與不同IL-2R亞基結合過程中起到關鍵作用的氨基酸。通過對這些氨基酸進行修改，可以生成傾向與高親和力受體或中親和力受體結合的IL-2突變體。

這類突變體的一個例子是安進（Amgen）公司的efavaleukin alfa。這款在研療法將攜帶特定突變的IL-2與抗體的Fc端融合在一起，構成的融合蛋白不但具有更長的半衰期，而且傾向與高親和力受體相結合。這讓它能夠促進Treg細胞的增生，從而恢復自身免疫疾病患者的免疫平衡。目前，它正在2b期臨床試驗中用于治療系統性紅斑狼瘡（SLE）和潰瘍性結腸炎患者。

圖片來源：安進官網

在SLE患者獲得的初步結果顯示，efavaleukin alfa可以選擇性擴展血液循環中的Treg細胞。

聚乙二醇修飾的IL-2

將聚乙二醇（PEG）偶聯在IL-2蛋白表面可以延長IL-2蛋白的半衰期。而通過控制聚乙二醇在IL-2表面偶聯的位置和數量，可以構建出傾向與高親和力受體或者中親和力受體結合的IL-2類似物。比如，Nektar Therapeutics公司開發的bempegaldesleukin（NKTR-214）在IL-2與CD25結合的界面附近平均偶聯了6個PEG鏈。這種PEG修飾方式有效地阻斷了它與高親和力IL-2R受體的結合，讓bempegaldesleukin更傾向于激活CD8陽性記憶T細胞和NK細胞。

百時美施貴寶和Nektar公司已經達成研發協議在多個腫瘤類型中評估bempegaldesleukin與抗PD-1抗體Opdivo聯用的效果。目前有5項具有注冊性潛力的臨床試驗正在進行中，不過日前百時美施貴寶宣布，這一組合療法治療黑色素瘤的3期臨床試驗未達到主要終點。

有些PEG修飾的IL-2（比如bempegaldesleukin）存在的一個缺陷是PEG修飾的位點在不同蛋白分子之間并不一致，這可能導致部分IL-2蛋白不能選擇性激活CD8陽性T細胞和NK細胞，從而影響候選療法的功效。為了解決這個問題，有些生物技術公司在IL-2表面引入非天然氨基酸，將PEG鏈偶聯在這些非天然氨基酸上。這種方法能夠精確定位PEG在IL-2表面的偶聯位置，可能生成同質化更強的IL-2類似物。賽諾菲公司的SAR444245（曾名為THOR707）就是這樣一款IL-2類似物。它通過在IL-2蛋白與CD25結合的界面上引入非天然氨基酸，將PEG鏈精準連接在IL-2表面，阻斷IL-2與CD25的結合。賽諾菲表示這款IL-2類似物可能具有“best-in-class”的潛力。目前它在多項2期臨床試驗中接受檢驗，與PD-1抑制劑或其它抗癌療法聯用，治療多種不同的癌癥類型。

▲SAR444245簡介（圖片來源：賽諾菲官網）

IL-2免疫復合體

IL-2與抗IL-2單抗結合構成復合體也是延長IL-2蛋白半衰期，并且調節IL-2的受體結合選擇性的一種方式。靶向IL-2的單克隆抗體通過與IL-2的特定表位結合，可以阻斷IL-2與CD25或者CD122的結合，從而賦予它們選擇性與高親和力IL-2R或者中親和力IL-2R結合的能力。

Anaveon公司開發的選擇性IL-2R激動劑ANV419就采取這種模式。它將靶向IL-2與CD25結合位點的單克隆抗體與IL-2融合在一起，從而阻斷了IL-2與CD25的結合。這款融合蛋白仍然具有和中親和力IL-2R受體結合的能力，因此可以選擇性激活CD8陽性記憶T細胞和NK細胞。與抗體的結合也延長了它的半衰期。

▲ANV419作用機制示意圖（圖片來源：Anaveon公司官網）

Anaveon公司去年年底完成約1.2億美元的B輪融資，投資方包括輝瑞和諾華的風險投資部。

IL-2-CD25融合蛋白

另一種讓IL-2選擇性與中親和力IL-2R受體結合的策略是將IL-2與可溶性CD25融合在一起，形成的融合蛋白無法再與細胞表面的CD25結合，從而阻斷了與高親和力IL-2R的結合。

Alkermes公司開發的nemvaleukin alfa（ALKS 4230）就是這樣一款融合蛋白。它通過選擇性與中親和力IL-2R受體結合，在激活CD8陽性記憶T細胞和NK細胞的同時不會激活Treg細胞。

▲Nemvaleukin alfa的作用機制（圖片來源：參考資料[7]）

這款在研療法已經獲得美國FDA授予的兩項快速通道資格，分別用于與抗PD-1抗體聯用，治療含鉑化療耐藥卵巢癌，和粘膜黑色素瘤。臨床開發已經進入2期和3期臨床試驗階段。

不同改良IL-2策略的利弊

綜述作者表示，這些不同改造IL-2的策略也有各自的利弊。比如，IL-2突變體通過改變IL-2表面的氨基酸，可以有效賦予IL-2蛋白與特定IL-2R結合的選擇性，然而它的一個潛在隱患是引入的基因變異可能導致生成的IL-2突變體被人體的免疫系統認為是外來蛋白，引發針對IL-2突變體的免疫反應，從而降低潛在療法的療效。

PEG修飾IL-2， IL-2免疫復合體和IL-2-CD25融合蛋白理論上可以在不引入突變的情況下賦予IL-2的選擇性，從而減少了候選療法的免疫原性。不過它們也有各自的不足之處，PEG修飾的位點如果不確定，可能導致產物的異質性，影響整體療效。IL-2免疫復合體可能在血液循環中釋放游離IL-2，導致刺激其它不想刺激的免疫細胞。

雖然我們有多種策略改造IL-2，賦予它們選擇性激活抗癌免疫反應或者抑制過度活躍免疫反應的能力，但是哪種策略更為安全和有效，仍然需要后續臨床試驗來驗證。目前多種IL-2類似物已經進入臨床開發階段，綜述作者表示，未來幾年我們將見證這些IL-2改造的進展能否帶來有效的抗癌和治療自身免疫疾病的創新療法。

參考資料：

[1] Hernandez et al., (2022). Engineering IL-2 for immunotherapy of autoimmunity and cancer. Nature Reviews Immunology, https://doi.org/10.1038/s41577-022-00680-w

[2] Amgen Business Review. Retrieved March 9, 2022, from https://investors.amgen.com/static-files/6d823d7d-2fd1-405a-8c0e-22aa91bee682

[3] Nektar Therapeutics Corporate Presentation. Retrieved March 9, 2022, from https://ir.nektar.com/static-files/7818281a-1882-4952-9ebc-7680643f109a

[4] Sanofi Oncology ASCO Event. Retrieved March 9, 2022, from https://www.sanofi.com/-/media/Project/One-Sanofi-Web/Websites/Global/Sanofi-COM/Home/common/docs/investors/2021_06_04_ASCO_Slides_FINAL.pdf?la=en&hash=A961668213E13C37545571B90B46939B

[5] Anaveon. Retrieved March 9, 2022, from https://anaveon.com/our-approach/

[6] Alkermes to Present Data on Nemvaleukin Alfa at the Society of Gynecologic Oncology 2022 Annual Meeting on Women's Cancer. Retrieved March 9, 2022, from https://www.prnewswire.com/news-releases/alkermes-to-present-data-on-nemvaleukin-alfa-at-the-society-of-gynecologic-oncology-2022-annual-meeting-on-womens-cancer-301492162.html

[7] Lopes, et al., (2021). Pharmacokinetics and Pharmacodynamic Effects of Nemvaleukin Alfa, a Selective Agonist of the Intermediate-Affinity IL-2 Receptor, in Cynomolgus Monkeys. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics, https://doi.org/10.1124/jpet.121.000612

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