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今日，頂尖學術期刊《自然》發表了一篇有關IL-18在腫瘤免疫療法領域研究進展的論文。這篇備受關注的論文來自耶魯大學免疫系的Aaron Ring教授團隊 (第一作者為周挺博士)。
IL-18（interleukin-18）在1993年被Nakamura等人發現【1】，並隨後在1995年被Okamura等人克隆出來【2】。因其具有強烈的誘導細胞產生γ幹擾素（IFN-γ）功能，開始被稱為幹擾素誘導因子（IFN-γ Inducing Factor, IGIF），後被重新命名為IL-18，歸屬於IL-1家族。
早期的研究發現，IL-18和其同家族成員IL-1β比較類似，都屬於先天預警分子（alarmin）。IL-18在細胞內以非活性前體方式（pro-IL-18）大量存在於上皮細胞、巨噬細胞和樹突細胞中，在炎症發生時被重組的NLRP3炎症小體組分caspase-1切割成為活性IL-18迅速釋放【3】。IL-18通過結合其異源二聚體受體 (IL-18Rα/Rβ) 介導MyD88-NFκΒ信號通路。由於其受體在自然殺傷細胞（NK）上的高表達，IL-18因此能夠刺激NK細胞分泌產生IFN-γ，並具有廣闊的免疫調節功能。
由於IL-18能夠誘導免疫細胞的增殖並活性增強的特性，近年來其在抗腫瘤上的作用被廣泛研究。譬如IL-18被報導通過增強NK細胞的ADCC效應從而殺傷腫瘤【4】，與免疫檢查點抑制劑有協同效應【5】以及被裝進CAR-T載體中作為效應分子【6】。在一項2016年結束的研究重組IL-18治療霍奇金淋巴瘤的臨床試驗中，IL-18顯示出了良好的安全性，但是對於腫瘤沒有有效性【7】。IL-18的強免疫激活特性和臨床試驗結果的巨大反差，引起了Aaron Ring團隊的興趣。
他們首先通過生物信息學和免疫學實驗證實，IL-18及其受體在腫瘤浸潤淋巴細胞（TIL）中的表達上調（圖1a和1b），暗示了IL-18跟機體抗腫瘤的免疫力的相關性。隨後他們分析臨床試驗失敗的研究報告發現，具有超高親和力的IL-18假受體（decoy receptor）IL-18BP，在病人體內被大量誘導表達【8，9】。這一現象也被Aaron Ring團隊通過多種手段包括人體腫瘤免疫組化（圖1c）、血清蛋白測定以及小鼠模型中證實，並通過IL-18BP敲除的小鼠模型確定了其能夠抑制IL-18的抗腫瘤效果。
▲圖1：IL-18受體和IL-18BP在腫瘤中誘導表達（圖片來源：參考資料[13]）
Ring博士使用蛋白質定向進化和酵母展示等手段改造蛋白質的功能，曾經成功開發過IL-2突變體「super-2」【10】、SIRPα突變體【11】和PD1突變體【12】等案例。基於以上發現，Aaron Ring團隊通過定向進化手段改造了IL-18突變體DR-18（decoy-resistant IL-18），使其能夠保持IL-18原有的信號激活功能而不被IL-18BP抑制（圖2）。
▲圖2：定向進化改造DR-18（圖片來源：參考資料[13]）
與野生型IL-18相比，改造後的DR-18在多種小鼠腫瘤模型中均顯示出良好的抗腫瘤活性，其單獨療效甚至優於抗PD-1單藥治療，且與抗PD-1聯合用藥展現出良好的協同效應（圖3）。
▲圖3：DR-18單藥和PD-1抑制劑聯用均顯示良好的抗腫瘤效果（MC38模型）（圖片來源：參考資料[13]）
通過單細胞測序，研究人員發現DR-18處理的老鼠腫瘤微環境和PBS以及野生型IL-18的截然不同，它極大的激活了腫瘤內多種免疫細胞，包括T淋巴細胞、巨噬細胞以及中性粒細胞等（圖4a）。尤其是對於腫瘤殺傷最重要的CD8 T細胞，DR-18將絕大部分腫瘤浸潤CD8 T細胞重塑成高表達效應分子和共刺激分子的強效應細胞群 (cluster CD8_1, TEFF)，而其他兩項對照組卻以耗竭CD8 T細胞群為主 (cluster CD8_2, TEX) (圖4b)。
▲圖4：DR-18重塑腫瘤微環境（圖片來源：參考資料[13]）
進一步深入的免疫學實驗發現的DR-18抗腫瘤的作用機制可總結為：1）DR-18增加了各類淋巴細胞浸潤腫瘤；2）DR-18極大的增強了CD8 TIL的效應功能，使其成為多功能效應細胞且能同時分泌多種效應因子(圖5a)；3）DR-18增加腫瘤內高表達TCF1的CD8幹細胞樣前體（機體持續免疫治療應答所需的一類細胞）的數目(圖5b)，並其誘導向多功能性效應CD8 T細胞分化，減少向表達TOX的衰竭型CD8 T細胞分化(圖5c)；4）DR-18抗腫瘤效果依賴於CD8 T細胞，且DR-18直接作用於表達IL-18受體的CD8 TIL來殺傷腫瘤；5）此外，DR-18還通過促進NK細胞的活性和成熟性，以有效治療MHC-Ⅰ表達缺失從而對抗PD-1治療耐藥的腫瘤。
▲圖5：DR-18促進CD8 TILs效應功能和記憶前體的分化（圖片來源：參考資料[13]）
在IL-18課題進行基礎研究的同時，其轉化研究也在緊鑼密鼓的進行。由於鼠源和人源的IL-18對其受體交叉活性極低，Aaron Ring團隊還重新改造成功了人源DR-18。改造後的人源DR-18顯示出了良好的拮抗hIL-18BP的抑制功能（圖6a），並能同時對於人源（圖6b）和猴源細胞（圖6c）具有信號激活能力，為臨床前開發打下基礎。DR-18的全球專利在2019年獲批，並授權於以Aaron Ring為創始人的Simcha Therapeutics生物科技公司，藥明康德公司作為全球醫藥健康產業最高、最寬和最深的能力和技術平臺也積極投資了Simcha Therapeutics。截止目前為止，大部分臨床前開發工作以及藥物生產流程接近完成，研究型新藥申請將在2020年底遞交，1期臨床試驗將在2021年開展。
▲圖6：人源DR-18功能驗證（圖片來源：參考資料[13]）
細胞因子治療有著輝煌的過去，它是最早的被FDA批准用於腫瘤的免疫治療藥物，譬如，IFNα-2a (Roferon-A)和IFNα-2b (Intron-A)在1986年被批准用於多種淋巴瘤，高劑量IL-2 (Proleukin)在1992和1998年被批准用於轉移性黑色素瘤和腎癌。遺憾的是，彼時至今，仍未有新的細胞因子治療獲批。目前細胞因子研究集中在兩方面，一方面大量臨床試驗研究已批准的細胞因子與傳統化療手段的聯用，另一方面是開發新型的靶點和製劑。譬如Nektar公司的聚乙二醇交聯IL-2 (NKTR-214)、禮來公司(收購ARMO)的聚乙二醇交聯IL-10 (Pegilodecakin)，以及Altor的IL-15/IL-15Rα/IgG1 Fc融合蛋白(ALT-803)，這些研究賦予了細胞因子治療新的希望，但是其起伏不定的臨床試驗結果還需要更長時間的觀望。因此，本篇論文對於IL-18這個靶點，以及整個細胞因子免疫治療領域，都具有重大的意義。論文中的實驗結果不僅重新肯定了IL-18治療的潛力，而且發現了IL-18BP是這一靶點的主要障礙，還提供了克服這一障礙的潛在有效手段。讓我們恭喜Aaron Ring團隊，也希望這一研究成果能夠儘早轉化為臨床癌症療法，造福廣大病患。
Aaron Ring團隊介紹
Aaron Ring博士2008年本科畢業於耶魯大學分子生物物理和生物化學系，導師為Richard Lifton；2016年博士畢業於史丹福大學結構生物學系 (MD&PhD)，導師為Chris Garcia和Irving Weissman。博士期間，他研發了著名的CD122-biased IL-2突變體「super-2」(Nature, 2012)，已授權給Medicenna Therapeutics進行開發。他還研發了高親和力SIRPα拮抗突變體(Science, 2013)，已授權給ALX Oncology 進行開發，產品代號為ALX-148。由於他在基礎和轉化研究上的諸多成就，他在2016年被福布斯雜誌評為醫藥健康領域年度「30歲以下30人」。同在2016年，他獲得NIH Director’s Early Independence Award (DP5)以及Pew-Stewart Scholar，跳過博士後訓練階段，博士畢業直接加入全美排名第一的耶魯大學免疫系任助理教授。截止目前為止，Ring博士擁有22項全球專利，同時是Forty Seven, Inc、ALX Oncology和Ab Initio Therapeutics三家生物公司的co-founder。他在2018年獨立設立Simcha Therapeutics公司，同時兼任董事會主席。
周挺博士為Aaron Ring實驗室第一位博士後，是組內IL-18課題最主要負責人。他於2006年本科畢業於中國農業大學；2014年博士畢業於中科院生物物理所，博士期間工作闡明了DNA去甲基化中間產物5hmC識別的分子機制(Molecular cell, 2014)；2014年9月至2016年11月在耶魯大學分子細胞發育生物學系進行博士後訓練，研究C肝病毒特殊菌株的強致病機理(JVI, 2017)；2016年11月加入Aaron Ring實驗室，負責IL-18課題從體外的定向改造到體內免疫學機理鑑定(除單細胞測序外)的所有工作。同時，他還輔助Ring博士全面參與了IL-18的臨床轉化。因其在IL-18研究中的貢獻，周挺博士曾獲得耶魯大學癌症中心2018年度圓桌會議優秀研究獎以及2019年Immuno-Oncology Young Investigator Forum (IOYIF) 優秀博士後研究獎。周挺博士還是IL-18全球專利的主要發明人之一。
參考資料：
[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.
[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).
[7] Tarhini, A. A. et al. A phase 2, randomized study of SB-485232, rhIL-18, in patients with previously untreated metastatic melanoma. Cancer 115, 859-868, doi:10.1002/cncr.24100 (2009).
[8] Novick, D. et al. Interleukin-18 binding protein: a novel modulator of the Th1 cytokine response. Immunity 10, 127-136 (1999).
[9] Aizawa, Y. et al. Cloning and expression of interleukin-18 binding protein. FEBS Lett 445, 338-342, doi:10.1016/s0014-5793(99)00148-9 (1999).
[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).
[11] Weiskopf K, Ring AM, Ho CC, et al. Engineered SIRPα variants as immunotherapeutic adjuvants to anticancer antibodies. Science. 2013;341(6141):88-91. doi:10.1126/science.1238856.
[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.
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