牟春燕, 于 峰, 周 陽, 顧 杰, 施海峰
(江蘇大學(xué) 生命科學(xué)研究院, 鎮(zhèn)江 212013)
白細(xì)胞介素21(interleukin21,IL-21)對(duì)健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的增殖、分化和凋亡具有多種調(diào)節(jié)作用。與臨床上使用較多的白細(xì)胞介素2(interleukin2,IL-2)相比,同劑量的IL-21具有更低的毒性[1]。IL-21已經(jīng)被作為幾種癌癥包括實(shí)體瘤和血液惡性腫瘤的潛在治療劑,在多項(xiàng)研究中表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗癌活性。目前對(duì)IL-21的研究熱點(diǎn)是優(yōu)化其作為單一抗腫瘤藥物的效果以及與其他抗癌藥物組合使用[2],使其抗癌療效最大化。
自從2000年發(fā)現(xiàn)IL-21至今,研究人員在IL-21的生物活性和其所介導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)機(jī)制方面取得了巨大進(jìn)步,特別是治療血液惡性腫瘤中的應(yīng)用。臨床研究表明,IL-21受體(IL-21R)表達(dá)于健康和腫瘤B細(xì)胞,外源性IL-21可誘導(dǎo)表達(dá)IL-21R的非霍奇金淋巴瘤(NHL)B細(xì)胞的直接凋亡[3],也可作用于不表達(dá)IL-21R的套細(xì)胞淋巴瘤(MCL),因此IL-21成為潛在的抗淋巴瘤治療的新方法。然而,在一些血液惡性腫瘤,如多發(fā)性骨髓瘤,霍奇金淋巴瘤和伯基特淋巴瘤中,IL-21可以誘導(dǎo)腫瘤性B細(xì)胞的增殖,這表明IL-21是一種多效性的細(xì)胞因子,對(duì)不同類型惡性腫瘤的作用機(jī)制不同,包括JAK/STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑或其他因子的激活[4]。據(jù)報(bào)道,在早期實(shí)體瘤和B細(xì)胞相關(guān)惡性腫瘤的研究中,IL-21的免疫調(diào)節(jié)作用有助于其抗腫瘤作用。因此,對(duì)IL-21的抗腫瘤效應(yīng),需要進(jìn)一步研究其作用機(jī)制,為臨床治療奠定基礎(chǔ)。
IL-21屬于IL-2家族的成員,對(duì)淋巴細(xì)胞和骨髓細(xì)胞具有多種生物學(xué)效應(yīng)。IL-21主要由活化的CD4+T細(xì)胞、NK T細(xì)胞(nature killer T cell)、濾泡輔助性T細(xì)胞(follicular helper T cell,TFH)分泌,與其受體結(jié)合后能通過調(diào)節(jié)B細(xì)胞的增殖,分化成漿細(xì)胞來進(jìn)行免疫應(yīng)答。IL-21能促進(jìn)CD8+T細(xì)胞和NK細(xì)胞的增殖、分化,提高NK細(xì)胞的殺傷活性。本綜述首先總結(jié)了IL-21的結(jié)構(gòu)特征和對(duì)免疫系統(tǒng)各組分的影響,其次描述了幾項(xiàng)臨床研究結(jié)果,最后概述了IL-21與CAR-T細(xì)胞或單克隆抗體聯(lián)合抗腫瘤的研究現(xiàn)狀,為進(jìn)一步研究IL-21的多種生物學(xué)功能提供依據(jù)。
據(jù)Parrish-Novak等[5]報(bào)道IL-21轉(zhuǎn)錄一條長(zhǎng)度為642個(gè)核苷酸組成的成熟mRNA,編碼由162個(gè)氨基酸組成的多肽前體,N端31個(gè)氨基酸殘基為信號(hào)肽,酶切后131個(gè)氨基酸殘基形成成熟蛋白質(zhì)。IL-21是CD4+T細(xì)胞衍生的細(xì)胞因子,與其受體IL-21R結(jié)合形成受體復(fù)合物,觸發(fā)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。人IL-21R由538個(gè)氨基酸殘基組成,由IL-21Rα鏈(CD360)和CK受體γ公有鏈(CD132)組成異源二聚體,其中IL-21Rα是配體識(shí)別部位,γ公有鏈?zhǔn)切盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)單位[5],γ鏈也是IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-13和IL-15受體所共有的信號(hào)傳遞亞單位。IL-21R主要表達(dá)于多種正常淋巴組織,包括胸腺、脾臟、淋巴結(jié)和外周血淋巴細(xì)胞。流式細(xì)胞術(shù)顯示功能性IL-21R優(yōu)先表達(dá)于T細(xì)胞(TFH、Th17)、B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞、NK T細(xì)胞和DC細(xì)胞等骨髓細(xì)胞和角質(zhì)層細(xì)胞表面,在實(shí)體瘤細(xì)胞上不表達(dá)[5]。
Leonard等認(rèn)為IL-21與同源IL-21R復(fù)合物結(jié)合后主要通過激活Janus酪氨酸激酶信號(hào)和轉(zhuǎn)錄激活因子(JAK-STAT)信號(hào)通路完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。不同的細(xì)胞系,IL-21R可以激活不同的下游靶因子,包括JAK1、JAK3、STAT1及STAT3等。IL-21與IL-21R的結(jié)合首先激活了JAK1和JAK3,隨后主要激活STAT3和STAT1,STAT5也會(huì)被較低程度激活。這一方面IL-21不同于IL-2和IL-15,IL-2和IL-15均強(qiáng)烈激活STAT5,而較低程度激活STAT3[6]。在人NK T細(xì)胞系,IL-21誘導(dǎo)了STAT1、STAT3及STAT4的激活,在人B細(xì)胞系,IL-21誘導(dǎo)了JAK1、JAK3和STAT5的激活。兩種JAK激酶的活化導(dǎo)致STAT1和STAT3發(fā)生了磷酸化,磷酸化的STAT進(jìn)入細(xì)胞核后與特異的DNA序列結(jié)合,誘導(dǎo)相應(yīng)的基因表達(dá)[6]。STAT3的持續(xù)激活與人類癌癥的50%~90%有關(guān),Burke等觀察到抑制有活性的STAT3能抑制乳腺癌細(xì)胞和卵巢癌細(xì)胞的增殖。Corvinus等發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌中持續(xù)激活的STAT3促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖和腫瘤的生長(zhǎng)。Berglund等指出IL-21和IL-2協(xié)同誘導(dǎo)B細(xì)胞分化,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)IL-21對(duì)成纖維細(xì)胞的生成至關(guān)重要。另外,Chen等發(fā)現(xiàn)在人體股骨頭軟骨壞死期間,IL-21通過JAK-STAT信號(hào)途徑促進(jìn)軟骨的降解[7]。除了JAK/STAT途徑外,IL-21還激活磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)和RAS/RAF/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、蛋白合成和細(xì)胞存活,由此說明IL-21介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中,至少有JAK/STAT、MAPK、PI3K和RAS 4種信號(hào)傳遞途徑參與進(jìn)來(圖1)。
據(jù)Asao等的報(bào)道,IL-21可以單獨(dú)結(jié)合IL-21Rα,但不能介導(dǎo)信號(hào)的傳遞,表明γ鏈?zhǔn)荌L-21信號(hào)傳遞中的必需部分[8]。Konforte等發(fā)現(xiàn)缺乏STAT3的T細(xì)胞IL-21不能進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),說明STAT3似乎是IL-21信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[9]。
圖1 IL-21的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[10-11]
IL-21對(duì)多種免疫和非免疫細(xì)胞具有多重效應(yīng)(圖2)。IL-21在體液免疫應(yīng)答過程中對(duì)B細(xì)胞活化、分化和凋亡起主要作用,例如IL-21在B細(xì)胞向漿細(xì)胞和T濾泡輔助細(xì)胞(TFH)分化中起主要作用。IL-21還會(huì)影響不同亞型的T細(xì)胞,從而促進(jìn)自身免疫性疾病和炎性疾病的發(fā)展,如Vγ9Vδ2T細(xì)胞具有直接的細(xì)胞毒性活性,同時(shí)具有調(diào)節(jié)其他免疫細(xì)胞如CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ的功能,從而對(duì)多種腫瘤類型進(jìn)行免疫應(yīng)答。然而,它們?cè)谀[瘤微環(huán)境中的存在也與乳腺癌、結(jié)腸癌和胰腺癌的不良預(yù)后相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)IL-21有利于通過免疫抑制性CD73+細(xì)胞亞群的發(fā)展來促進(jìn)Vγ9Vδ2T細(xì)胞調(diào)節(jié)功能[12]。
B細(xì)胞是機(jī)體產(chǎn)生各類抗體(免疫球蛋白)的細(xì)胞,在體液免疫中起主要功能,也有抗原遞呈的功能。IL-21在B細(xì)胞的增殖、分化與凋亡的調(diào)控中起到了不可替代的功能,維持了B細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。IL-21對(duì)B細(xì)胞的影響具有雙向性,一方面,通過協(xié)同α-CD40共刺激促進(jìn)B細(xì)胞的增殖、抗體類別轉(zhuǎn)換以及漿細(xì)胞的分化,另一方面,又抑制了抗IgM抗體和IL-4激活的B細(xì)胞的增殖。Mehta等的研究發(fā)現(xiàn),IL-21誘導(dǎo)小鼠B細(xì)胞凋亡,是通過增強(qiáng)凋亡機(jī)制,活化前體凋亡蛋白Bim,下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-Xl的表達(dá),來誘導(dǎo)初始B細(xì)胞的凋亡,抑制其增殖[13]。IL-21不僅對(duì)B細(xì)胞的增殖有影響,還能調(diào)節(jié)體內(nèi)不同免疫球蛋白的產(chǎn)生,促進(jìn)產(chǎn)生IgG,抑制IgE的產(chǎn)生。IL-21R基因敲除的小鼠淋巴細(xì)胞發(fā)育正常,但是體內(nèi)的IgE的水平要遠(yuǎn)高于野生型小鼠,而IgG的表達(dá)量卻明顯低于正常小鼠[14],這表明IL-21通過調(diào)節(jié)B細(xì)胞的生理活性從而進(jìn)一步影響體液的免疫應(yīng)答。
IL-21對(duì)T細(xì)胞的作用是多效應(yīng)的,包括增強(qiáng)細(xì)胞增殖和細(xì)胞毒性作用。IL-21可以增加CD4+T細(xì)胞的增殖,并與IL-6共刺激它們分化成TH17細(xì)胞。通過CD4+T細(xì)胞再激活CD8+T細(xì)胞,活化的CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生的IFN-γ能夠促進(jìn)Th0細(xì)胞分化為Th1細(xì)胞,并抑制Th2和Th7細(xì)胞分化[15]。Zeng等[5]的研究表明只有IL-21存在時(shí),T細(xì)胞增殖增加,但I(xiàn)FN-γ的分泌并沒有增多,而當(dāng)IL-21和IL-2或IL-15共同作用時(shí),IFN-γ的分泌才會(huì)明顯增多[16]。活化的CD8+T細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL),CTL細(xì)胞在介導(dǎo)T細(xì)胞依賴性抗腫瘤作用中起重要作用,因?yàn)镃TL細(xì)胞產(chǎn)生穿孔素和顆粒酶B,從而增加其細(xì)胞溶解功能。有研究結(jié)果表明IL-21通過抑制表達(dá)Foxp3的Treg細(xì)胞的擴(kuò)增來使CTL細(xì)胞增殖[17]。另外IL-21的全身毒性較IL-2的低。
Parrish-Novak 等[5]的研究發(fā)現(xiàn)IL-21能誘導(dǎo)NK細(xì)胞的成熟,并增強(qiáng)其細(xì)胞毒性。NK細(xì)胞具有直接殺傷靶細(xì)胞的效應(yīng),與靶細(xì)胞混合后4 h內(nèi)就能發(fā)揮殺傷效應(yīng),表現(xiàn)為一種速發(fā)效應(yīng)(immediate effect)。IL-21R表達(dá)于激活的NK細(xì)胞,能調(diào)節(jié)NK細(xì)胞的增殖[18],增強(qiáng)細(xì)胞毒性,誘導(dǎo)殺傷細(xì)胞產(chǎn)生多種細(xì)胞因子,如IFN-γ、穿孔素等。在未成熟的NK細(xì)胞中,低劑量的IL-21導(dǎo)致細(xì)胞增殖,而在高劑量下,且與IL-2和IL-15組合時(shí)卻能降低NK細(xì)胞的增殖。IL-21激活NK細(xì)胞能增加CD16的表達(dá),CD16介導(dǎo)抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)細(xì)胞毒性作用(antibody dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC)。NK T細(xì)胞是參與自身免疫、過敏、感染和腫瘤排斥的T細(xì)胞,IL-21與IL-2或IL-15組合能誘導(dǎo)CD3激活的NK T細(xì)胞的增殖,對(duì)NK T細(xì)胞產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[19]。
樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)是體內(nèi)最重要的抗原遞呈細(xì)胞,負(fù)責(zé)對(duì)抗原的攝取、加工、處理和分類,并將抗原信息遞呈給T細(xì)胞,啟動(dòng)抗原特異性T細(xì)胞應(yīng)答。DC細(xì)胞通過刺激B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞而將先天性免疫和獲得性免疫結(jié)合在了一起。Pulendran等的研究發(fā)現(xiàn),在GM-CSF的參與下,IL-4和IL-15可以誘導(dǎo)DC細(xì)胞的分化和提高抗原遞呈能力,尤其是IL-15增加MHCⅡ類分子在DC細(xì)胞表面表達(dá),增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞的免疫反應(yīng)。但是研究發(fā)現(xiàn)IL-21降低了MHCⅡ類分子在DC細(xì)胞的表達(dá),這一功能與IL-10的功能相似,不同之處是IL-21主要降低CCR1和CCR5的表達(dá),IL-10主要降低CCR7的表達(dá)。Sipson等認(rèn)為IL-10和IL-21可能通過不同的途徑降低體內(nèi)T細(xì)胞的免疫反應(yīng)[20]。
圖2 IL-21對(duì)各種免疫細(xì)胞的作用[10]
越來越多的研究表明,IL-21借助它在免疫調(diào)控中的機(jī)制增強(qiáng)機(jī)體的抗腫瘤能力,主要是通過NK細(xì)胞的殺傷活性和CTL的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。IL-21促進(jìn)CD8+T細(xì)胞和NK細(xì)胞的分化和成熟,誘導(dǎo)這些細(xì)胞分泌IFN-γ、穿孔素和顆粒酶等多種活性物質(zhì),抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng),增強(qiáng)抗腫瘤能力。根據(jù)小鼠模型、細(xì)胞系和臨床試驗(yàn)中的研究發(fā)現(xiàn)IL-21在實(shí)體瘤及其他類型的癌癥中具有抗腫瘤的潛力。IL-21還能通過促進(jìn)B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤特異性抗體來增強(qiáng)機(jī)體的體液免疫[21]。重組IL-21(rIL-21)對(duì)轉(zhuǎn)移性黑色素瘤、腎細(xì)胞癌(RCC)、結(jié)腸直腸癌和非霍奇金淋巴瘤的臨床試驗(yàn)Ⅰ/Ⅱ期已有評(píng)估。到目前為止,IL-21作為單一試劑已在6個(gè)Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)中進(jìn)行了試驗(yàn),并在5個(gè)試驗(yàn)中與靶向試劑聯(lián)合應(yīng)用(表1)。
外源性細(xì)胞因子被廣泛應(yīng)用于提高免疫細(xì)胞的抗腫瘤能力,Xu等在體外研究了不同細(xì)胞因子(IL-2,IL-7,IL-15,IL-18和IL-21)對(duì)靶向葉酸受體-α的CAR-T細(xì)胞的擴(kuò)增、表型和細(xì)胞毒性的影響,同時(shí)研究了這些細(xì)胞因子與體內(nèi)CAR-T細(xì)胞一起施用的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)IL-2,IL-7和IL-15有利于CAR-T細(xì)胞的離體擴(kuò)增;IL-7誘導(dǎo)記憶干細(xì)胞樣CAR-T細(xì)胞增殖的比例最高,IL-21支持具有更年輕表型的CAR-T細(xì)胞的擴(kuò)增,而IL-2誘導(dǎo)更多CAR-T細(xì)胞的分化。IL-15和IL-21聯(lián)合能增加CAR-T細(xì)胞的腫瘤殺傷功能。IL-15和IL-21被認(rèn)為適合在CAR-T細(xì)胞輸注體內(nèi)后施用[30]。Sabatino等發(fā)現(xiàn)在IL-7和IL-21以及糖原合酶-3β抑制劑的存在下,臨床級(jí)CD19-CAR T細(xì)胞針對(duì)全身急性淋巴母細(xì)胞白血病表現(xiàn)出持久的抗腫瘤活性[31]。CD123是急性髓性白血病的常見標(biāo)志物,體外擴(kuò)增的天然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)是細(xì)胞免疫療法中的效應(yīng)細(xì)胞。KL??等的研究發(fā)現(xiàn)IL-21(100 ng/mL)可以使表達(dá)CD123-CAR的NK細(xì)胞的增殖提高約20倍,且比天然殺傷細(xì)胞產(chǎn)生更多的顆粒酶和細(xì)胞因子,增強(qiáng)抗腫瘤能力[32]。
表1 IL-21在實(shí)體瘤中的臨床應(yīng)用
IL-21與多種藥物聯(lián)用能提高腫瘤治療效果。西妥昔單抗可與表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)特異性結(jié)合,通過減少金屬基質(zhì)蛋白酶和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)量來阻止細(xì)胞的生長(zhǎng),誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。IL-21與西妥昔單抗聯(lián)用時(shí)對(duì)野生型和鼠肉瘤病毒癌基因突變的胰腺癌細(xì)胞具有明顯的殺傷活性;在接種了人肺癌細(xì)胞A549的荷瘤裸鼠中,西妥昔單抗和IL-21聯(lián)用的治療效果高于只注射磷酸鹽緩沖液的對(duì)照組和只用IL-21或只用西妥昔處理的實(shí)驗(yàn)組,這表明西妥昔單抗與IL-21聯(lián)合使用可提高抗腫瘤的效果;不同計(jì)量組合的IL-21與西妥昔單抗聯(lián)用治療Ⅳ期結(jié)腸直腸癌患者出現(xiàn)的不良反應(yīng)均小于只用任何一種治療引起的不良反應(yīng),這表明二者聯(lián)合使用的安全性良好[33]。
人類表皮因子2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)是一個(gè)具有酪氨酸激酶活性的Ⅰ型跨膜蛋白,大約30%的乳腺癌患者可檢測(cè)到HER2高表達(dá),曲妥珠單抗是以HER2作為靶點(diǎn)的單抗類藥物。曲妥珠單抗靶向HER2后通過誘導(dǎo)針對(duì)腫瘤細(xì)胞的抗體依賴細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒作用(ADCC),導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡[34],但部分接受治療的患者會(huì)出現(xiàn)曲妥珠單抗抗性,因?yàn)檫@些患者的腫瘤微環(huán)境中出現(xiàn)較多免疫抑制活性的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞,表現(xiàn)出免疫抑制,下調(diào)免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤局部的反應(yīng)強(qiáng)度。Xu等的研究發(fā)現(xiàn)IL-21能促進(jìn)免疫抑制活性的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞向腫瘤抑制活性的相關(guān)巨噬細(xì)胞分化,因此IL-21與曲妥珠單抗聯(lián)合處理腫瘤病灶部位后腫瘤病灶消失[35]。
利妥昔單抗由人源抗CD20抗體的恒定區(qū)和鼠源抗CD20抗體的可變區(qū)組成,以CD20為靶點(diǎn),通過與表達(dá)CD20的淋巴瘤B細(xì)胞結(jié)合來裂解細(xì)胞,臨床研究中用利妥昔單抗來治療非霍奇金淋巴瘤。研究發(fā)現(xiàn)利妥昔單抗會(huì)抑制患者的自身免疫系統(tǒng),導(dǎo)致IFN-γ的表達(dá)量和NK細(xì)胞的數(shù)量均降低,而利妥昔單抗和IL-21聯(lián)合使用時(shí)不會(huì)抑制患者的自身免疫系統(tǒng),是因?yàn)槔孜魡慰古cCD20+B細(xì)胞結(jié)合后清除了CD20+B細(xì)胞,此時(shí)IL-21發(fā)揮了促進(jìn)IFN-γ產(chǎn)生和NK細(xì)胞的增殖。IL-21與利妥昔單抗聯(lián)合治療能顯著延長(zhǎng)彌漫性淋巴瘤小鼠的存活期[36]。
IL-21除了與西妥昔單抗、曲妥珠單抗和利妥昔單抗聯(lián)合使用外,還可與CD4+單抗、伊匹單抗、納武單抗等聯(lián)合用于治療多種腫瘤,研究結(jié)果顯示聯(lián)合治療呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng),抗腫瘤活性明顯提高[36]。
綜上所述,IL-21已被證實(shí)為治療癌癥的有效免疫治療劑,可以單獨(dú)給予IL-21作為全身治療,也可與過繼轉(zhuǎn)移的T細(xì)胞、單克隆抗體組合,或與腫瘤細(xì)胞疫苗共同施用,一起用于癌癥的治療。目前,臨床上應(yīng)用較多的是IL-2,但大劑量的IL-2對(duì)患者的腎臟、心臟、神經(jīng)系統(tǒng)都有極大的損害,同劑量的IL-21相比IL-2有更低的毒副作用。盡管IL-21對(duì)機(jī)體具有較低的毒副作用,但是仍然有部分患者出現(xiàn)淋巴細(xì)胞減少、轉(zhuǎn)氨酶增加、重度肝損傷等異常體征。因此,IL-21用于腫瘤治療要慎重,IL-21的抗腫瘤潛能還需要進(jìn)一步的研究和探索。