細胞因子藥理學和治療應用的新見解

細胞因子，如白介素和干擾素，調節著生理學的各個方面，包括免疫、發育、生長和組織修復。鑒于細胞因子在健康和疾病中的核心作用，人們已經做了許多嘗試來利用細胞因子進行治療。

然而，盡管人類基因組中編碼了許多細胞因子，但在臨床上成功應用細胞因子受體激動劑的例子依然很少。這在很大程度上是由于天然細胞因子的復雜生物學特性，通常會對多種細胞類型產生抵消作用。盡管這種多重作用對于確保體內平衡和調節細胞因子的自然生物功能至關重要，但它阻礙了臨床發展。

最近結合結構生物學、蛋白質工程和受體藥理學的研究為細胞因子受體激活機制提供了新的見解，表明細胞因子功能的許多方面都是高度可調的。過去5年來，學術界和工業界致力于使用廣泛的蛋白質工程方法來調整細胞因子功能，并已開發出基于機制的蛋白質工程策略，從而實現細胞因子受體活性的系統“調節”。這些原理構成了細胞因子藥理學新領域的基礎。

細胞因子是分泌的生長因子，通過與細胞表面受體的胞外結構域（ECD）結合，以類似于其他單通道跨膜受體的方式，啟動靶細胞上的信號傳遞。

細胞因子受體在細胞膜上存在明顯的配體依賴性二聚化。受體ECD的二聚化將細胞內受體相關的Janus激酶（JAKs）定位到適當的方向和鄰近位置，以進行信號傳遞。二聚化的JAK以及受體細胞內結構域上的酪氨酸殘基去磷酸化，從而能夠招募信號轉導子和轉錄激活子（STAT）蛋白的轉錄因子。在受體結合后，STAT蛋白又被受體結合的JAK磷酸化，從而觸發STAT二聚化、核移位和轉錄激活。盡管這種信號級聯看起來很簡單，但人類基因組編碼約40個不同的細胞因子受體、4個JAK和7個STAT，從而形成一個復雜的信號系統，能夠引發多種多樣的生物學結果。

細胞因子受體信號機制的結構和功能研究表明，大多數細胞因子都包含高親和力和低親和力受體結合位點。這導致了受體激活的兩步模型，其中細胞因子首先與高親和力受體亞單位結合，然后通過低親和力結合位點從細胞膜的其他地方招募第二受體亞單位。這種順序的、不對稱的結合可以通過基于機制的工程策略來調節細胞因子的活性。在許多情況下，高親和力受體亞單位是一種細胞因子特異性受體，它決定了細胞因子的細胞特異性以及劑量敏感性或EC50。相比之下，低親和力受體亞單位通常在多種細胞因子之間共享，主要影響復雜組裝的效率，進而影響受體信號的最大強度（Emax）和持續時間。

細胞因子拮抗劑在臨床上取得了顯著的成功，例如在阻斷TNF-α、IL-6、IL-17和IL-23的促炎作用方面。相比之下，免疫調節性細胞因子或細胞因子受體激動劑在很大程度上還沒有被廣泛采用作為治療藥物。

在美國臨床批準的第一批細胞因子是促炎性1型和2型干擾素，即1986年的IFNα2b（毛細胞白血病）和1991年的IFN-γ（慢性肉芽腫）。然而，它們的使用僅限于范圍較窄的疾病和患者群體，這在很大程度上是因為其安全性。

同樣，細胞因子IL-2在1992年和1996年被臨床批準用于腎細胞癌和轉移性黑色素瘤，雖然IL-2在少數患者（8-10%）中誘導持久反應，同時也會引起嚴重甚至致命的副作用，限制了其更廣泛的臨床應用。最近，對IL-2Rα（CD25）親和力改良IL-2變體和其他形式（如聚乙二醇化或抗體融合）也已進入到臨床階段。但目前的證據表明，這些方法并沒有顯著提高IL-2治療的療效或耐受性。

除干擾素和IL-2外，其他幾種免疫調節細胞因子也已進入臨床試驗，包括IL-7、IL-10、IL-12、IL-18、IL-21和IL-22，但迄今為止未能獲得美國食品和藥物管理局（FDA）的批準。這主要是由于這些分子廣泛的細胞多效性引起的有害促炎癥副作用。事實上，迄今為止最成功的細胞因子藥物是促紅細胞生成素（EPO）、血小板生成素（TPO）、粒細胞集落刺激因子（G-CSF）和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因素（GM-CSF），這些都是造血調節因子，其受體表達在更為有限的細胞類型亞群上。

最近降低細胞因子療法毒性的努力主要集中在通過各種途徑選擇性靶向疾病組織，包括局部細胞因子注射、溶瘤病毒產生細胞因子、過繼轉移細胞產生細胞因子、前細胞因子，以及和腫瘤靶向抗體或結合蛋白融合的細胞因子。盡管這些技術有助于限制細胞因子的細胞多效性并減輕對周圍組織的非靶向毒性，但還需要需要新的方法來開發細胞因子受體信號的自然調節機制，以便精確控制細胞因子功能并釋放其全部治療潛力。

細胞因子功能受其結合受體、與這些受體的親和力以及產生的信號復合物結構的影響。通過靶向這三個關鍵參數（受體親和力、受體結構和受體組成）可能會進一步增加細胞因子受體激動劑的細胞類型或功能選擇性。最終，細胞因子藥理學的目標是調節細胞因子受體信號，以減少細胞和功能的多效性，從而增強這些重要信號分子的治療效果。

受體親和力

親和力改造的工程化細胞因子通常分為五個非相互排斥的類別：超級激動劑、部分激動劑、選擇性激動劑、偏向性激動劑和抗誘餌激動劑。

超級激動劑是能夠增強其受體親和力的配體，從而增強相對于內源性配體的信號傳導效應。超級激動劑可用于提高細胞因子效力，尤其是在受體表達水平較低的細胞類型上。目前已設計出各種細胞因子的超級激動劑變體，包括IFN-α、IFN-λ、IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、IL-13和IL-22。

部分激動劑是能夠在飽和配體濃度下引發次一級的細胞反應，進而引發不同于相應天然細胞因子的功能特征。在某些情況下，在次一級的信號水平下，可能會出現療效提高和毒性降低，許多GPCR配體就是如此。

一個突出例子是IL-2，它驅動細胞毒性CD8+T細胞的增殖，但也誘導耗竭表型，從而限制癌癥免疫治療的療效。因此，人們開發出一種稱為H9T的變體，降低了γc的親和力，與野生型IL-2相比，H9T促進了CD8+T細胞的擴增，同時在體外將細胞保持在TCF1+干細胞樣狀態。用H9T體外培養CD8+T細胞可增強過繼轉移后的抗腫瘤活性，表明部分激動劑可改變多效性細胞因子的關鍵功能特性。

細胞因子由于作用于多種細胞類型的能力，從而可能導致非靶向毒性或相互抵抗的細胞反應。選擇性激動劑利用各種配體工程策略來縮小治療相關細胞因子的細胞類型特異性。

例如，IL-10是炎癥反應的主要調節因子，抑制炎性細胞因子產生以及單核細胞和巨噬細胞抗原提呈的能力。然而，IL-10還可以驅動免疫刺激效應，包括CD8+T細胞產生IFN-γ和顆粒酶B，這限制了IL-10在自身免疫性疾病中的療效。人們通過設計了與IL-10Rβ親和力降低的IL-10變體，利用免疫細胞群體中IL-10Rβ表達水平的自然差異，這些變體在T細胞、B細胞和自然殺傷細胞上起到弱化的作用，但在單核細胞和巨噬細胞上具有完全的功能。由于這種髓系選擇性，這些變體保留了抑制體內全身炎癥的能力，但不再刺激細胞毒性T細胞的功能。

細胞因子多效性的另一個主要來源是細胞因子受體激活多個下游信號通路和STAT轉錄因子的能力。在許多情況下，這些不同的信號輸出可以促進相反的生物反應，而偏向性激動劑是分離這些不同信號反應并增強治療所需反應的一種有希望的途徑。

最近開發了一種具有增強治療特性的工程化細胞因子IL-22偏向激動劑。IL-22主要作用于上皮細胞，誘導STAT1、STAT3和STAT5轉錄反應。其中IL-22介導的STAT3激活驅動IL-22的關鍵組織保護和再生功能，而STAT1激活驅動促炎效應。利用IL-22受體復合體的結構，設計的IL-22變體與共享受體IL-10Rβ的親和力降低。至關重要的是，這類變體保留了激活STAT3的能力，但不再激活STAT1或STAT5。因此，這類IL-22變體在急性胰腺炎和腸道輻射損傷的情況下促進了組織保護和體內修復，但不再引起野生型IL-22特有的局部或全身炎癥。

細胞因子治療效果的另一個潛在限制因素是存在天然拮抗劑，例如可溶性誘餌受體。免疫刺激性IL-1家族細胞因子IL-18就是一個例子，它被誘餌受體IL-18BP抑制，限制了IL-18的抗腫瘤作用。為了克服這一點，人們開發了IL-18的抗誘餌激動劑，該變異體不再與IL-18BP結合，但仍與信號受體IL-18R1結合。與野生型IL-18不同，這種抗誘餌的IL-18激動劑（DR-18）在多個小鼠腫瘤模型中誘導了強大的抗腫瘤免疫反應。

受體結構

研究表明，調節細胞因子受體拓撲結構可以顯著改變下游信號和功能反應，這為細胞因子功能的藥理控制開辟了一條全新的途徑。利用工程受體結合蛋白作為替代配體，產生了與不同幾何結構的細胞因子受體結合的激動劑。

例如EpoR受體，研究人員使用了共價連接的二聚體ScFv，稱為diabodies，可以誘導具有多種可能的間距和方向的受體二聚體。從而發現了幾種激活EpoR信號的配體，其STAT激活程度不同，從部分激動到拮抗。

受體組成

使用嵌合細胞因子受體的初步研究發現，非天然細胞因子對能夠誘導STAT信號。這些合成因子引發了與其親代細胞因子相關的不同信號反應，并在外周血單核細胞中誘導了獨特的基因表達程序。合成因子的組合可能性表明，新的細胞因子配體具有獨特的細胞類型特異性和下游信號傳導，這是一個尚未探索的空間。

從頭開始的蛋白質設計

開發未來細胞因子受體激動劑的一個有希望的途徑是利用從頭設計蛋白質來補充上述各種組合配體工程策略。最近采用了一種新的計算方法來設計獨立于IL-2Rα/IL-15Rα信號的IL-2和IL-15類似物。這些合成的類似物，相對于其天然細胞因子，具有獨特的結構拓撲，在小鼠腫瘤模型中顯示出增強的穩定性和改進的療效，目前正在一期臨床試驗中對多種癌癥類型進行單獨或聯合免疫檢查點阻斷（NCT04659629）的測試。另外，其主要的挑戰是非人類氨基酸序列可能增加免疫原性風險。

改善藥代動力學/藥效學特性

目前，在改善細胞因子的藥代動力學和藥效學特性方面正在取得重大進展，這也將是其未來臨床成功的關鍵決定因素。特別是，通過Fc融合或PEGylation延長半衰期，以及通過工程化T細胞或“掩蔽”細胞因子，有可能大大提高細胞因子的安全性和有效性。然而，值得注意的是，這些修飾本身也可能影響細胞因子信號活性，例如通過高分子量聚乙二醇（PEG）化產生的空間位阻。

實驗模型

未來細胞因子受體激動劑開發的一個中心考慮是應該使用哪些實驗模型來篩選和測試新的細胞因子。體外試驗中，受體表達和內化率是影響工程化細胞因子活性的關鍵決定因素。此外，將這些臨床前研究與單細胞測序和空間轉錄組學中的新方法相結合，將對反應的細胞特異性和異質性提供更深入的見解。然而，與所有藥物類別一樣，小鼠模型實驗在預測人類療效方面的能力有限。因此，含有不同免疫細胞群的人源性器官樣培養物的新進展也可能有助于評估未來新的細胞因子類藥物。

免疫原性

免疫原性的潛力是所有蛋白質療法的重要考慮因素，工程化細胞因子也不例外。治療誘導的免疫反應可能會限制療效和安全性。已知幾個參數可能會影響蛋白藥物免疫原性，包括非自然序列，聚集和降解的傾向，以及翻譯后修飾的存在。因此，必須特別注意非人類蛋白質，如從頭設計的細胞因子，可能更容易引起免疫原性。然而，迄今為止，進入臨床的突變細胞因子相對較少，免疫原性對該類藥物的安全性和療效的限制程度仍有待觀察。

最近的十幾年來，細胞因子藥物持續成為臨床開發的熱點。然而，除了少數造血來源的細胞因子外，細胞因子的臨床應用受到其生物學固有的復雜多樣性的極大限制。目前，隨著對細胞因子受體結構信息的研究深入，通過調節細胞因子受體親和力、結構和組成，使得設計新型細胞因子受體激動劑成為可能。通過將免疫學和對這些細胞因子藥理學的新見解相結合，以及創新的基于結構的蛋白質設計策略，新興的細胞因子藥理學領域將最終釋放基于細胞因子療法的全部潛力。

參考文獻：

1.Emerging
principles of cytokine pharmacology and therapeutics. Nat Rev Drug Discov.2022
Sep 21.