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癌症免疫治疗“老兵”IL-2:研发回潮,能否续写PD-1神话?

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  自2014年以来,阻断PD-1和CTLA-4信号的检查点抑制剂掀起了癌症免疫治疗热潮。然而,事实上,在几十年前,细胞因子IL-2也曾带来过这种趋势。

  1984年,1名患有转移性黑色素瘤的33岁女性在接受了IL-2治疗后,癌症消失了,且再也没有回来。之所以采用IL-2进行治疗,最初是认为该细胞因子能够驱动效应T细胞的扩增。

  FDA于1992年批准了Chiron Corporation公司名为阿地白介素(aldesleukin)的重组IL-2上市,用于治疗转移性肾癌;1998年,该药又被批准用于治疗转移性黑色素瘤。

  除了Chiron Corporation,很多其它药物开发商也加入了研发基于IL-2的抗癌疗法的队伍,但是获得积极结果的不多。IL-2疗法必须以很高的剂量才能产生效果,且毒性很强,会引发致命的血管泄漏综合征和其它副作用。

  之后,有研究发现,IL-2其实具有双重活性。以高剂量使用时,它不仅能够促进效应T细胞的增殖,驱动抗癌活性,也会控制调节性T细胞(Tregs)的生长,这种免疫抑制性细胞对于帮助免疫系统识别宿主细胞而不对宿主细胞产生免疫攻击至关重要。

  最近,IL-2领域焕发出新的希望,因为,科学家们找到了使IL-2疗法更安全、更有效的方法。很多制药巨头再度携重金入场,比如BMS和赛诺菲都签署了超过10亿美元的协议,以获得聚乙二醇化 IL-2(pegylated IL-2)药物。默沙东也就同样的项目达成了合作,罗氏虽然经历了很多挫折,但是仍在坚持IL-2疗法的研发。除了巨头再次入场,许多生物技术公司的候选产品进入或逼近临床,一些新公司(如Xilio Therapeutics,上周刚刚完成9500万美元C轮融资)也在积极布局IL-2疗法,这些现象都体现了IL-2疗法研发回潮。

  表1 部分IL-2癌症免疫疗法候选产品



  来源:Nature Reviews Drug Discovery

  IL-2疗法研发为何会“复兴”?新的技术工具的发展和应用可能是原因之一。赛诺菲和Synthorx的聚乙二醇化(PEG化)生物制剂SAR444245使用非天然氨基酸来改善IL-2的治疗效果。罗氏公司专注于开发细胞因子-抗体融合候选产品。其他公司也在想办法降低IL-2疗法的风险,比如开发条件激活药物(只有在肿瘤环境下才能激活)或利用mRNA技术开发mRNA疗法(如BioNTech公司的BNT151 、BNT153 )。

  “天然的细胞因子似乎不能直接成为好的药物,但结合工程设计,可能会为开发疗效更强、安全性更高的工程化细胞因子打开大门。”斯坦福大学的分子生物学家Chris Garcia说道。

  Chris Garcia的团队2005年在Science杂志上报道了IL-2受体复合体的完整结构。2019年,他创办了Synthekine,一家致力于开发选择性IL-2疗法的公司。

  一、五花八门的工程化IL-2

  将IL-2转化为抗癌疗法的核心挑战之一是细胞特异性:既然IL-2能够促进效应T细胞和调节性T细胞这两类细胞的增殖,那么,是否有可能优先激活其中一种T细胞群呢?

  为了实现这一目标,近十多年来,科学家们一直在研究IL-2受体的结构。一些研究已经发现,调节性T细胞主要表达一种由α链(CD25)、β链(CD122)和γ链(CD132)组成的三聚体IL-2受体。相比之下,Naïve T细胞和NK细胞表达的是二聚体受体,只包括β链和γ链。值得注意的是,三聚体受体对IL-2的亲和力大约比二聚体受体高100倍,这就是为什么在治疗癌症时IL-2必须使用如此高的剂量来激活T细胞上的二聚体受体。

  基于这些发现,药物开发人员想知道,如果改造IL-2使其不能结合α链,而是优先结合二聚体受体,会发生什么呢?

  Garcia 在2012年发表于Nature上的一篇论文中描述了一款IL-2 ‘superkine’突变体,该突变体增强了对IL-2受体β链的亲和力。在激活的T细胞上,IL-2信号传导通过一个由IL-2、 IL-2Rα、IL-2Rβ和IL-2Rγ组成的四级“高亲和力”受体复合物实现。Naïve T细胞仅表达低密度的IL-2Rβ和IL-2Rγ,因此对IL-2相对不敏感,但IL-2Rα表达后,对IL-2的敏感性会增强。IL-2Rα可捕获细胞因子,并将其呈递给IL-2Rβ和IL-2Rγ。Garcia团队设计的IL-2'superkine'(也被称为super-2)因增强了对IL-2Rβ的结合亲和力,消除了IL-2对IL-2Rα表达的依赖。研究显示,与IL-2相比,IL-2 'superkine'诱导了更强的细胞毒性T细胞扩增,改善了体内抗肿瘤反应,此外,相对应的,IL-2 'superkine'诱导了更低水平的调节性T细胞扩增。Garcia将这项工作授权给了Medicenna公司,该公司现在正准备将一个候选产品送入临床。

  Nektar和BMS正在开发偏向βγ链的IL-2,其主要候选产品为bempegaldesleukin。Bempegaldesleukin由阿地白介素(aldesleukin)平均融合到6个可释放的PEG基团上组成。PEG基团加入到IL-2中,部分是为了增加细胞因子的半衰期,产生一个pro-drug池。除了这一作用,Nektar还发现,在IL-2中IL-2Rα结合位点附近的赖氨酸残基上聚集PEG基团能够阻止IL-2与受体三聚体的相互作用。该公司在2016年报告称,即便当bempegaldesleukin被水解到只有一个PEG基团附着,它也还是优先驱动效应T细胞的增殖,而不是调节性T细胞。

  Nektar于2015年将bempegaldesleukin推进临床试验,并在2016年开始与BMS合作,测试bempegaldesleukin+PD-1抗体纳武利尤单抗联合疗法。2017年的初步数据显示,这种联合疗法在包括一线黑色素瘤和二线PD-L1阴性非小细胞肺癌在内的癌症中是有希望的。2018年,BMS为了获得bempegaldesleukin相关的更多权益,支付了19亿美元预付款,且合作还包括潜在18亿美元的里程金。然而,随后的试验结果降低了人们对该药的热情。不过,正在进行的试验的关键数据可能会扭转Nektar和BMS的局面。针对转移性黑色素瘤和肾细胞癌的III期试验结果将于2022年年中公布。

  除了与BMS合作,Nektar与默沙东最近也宣布计划开启bempegaldesleukin联合PD-1抗体帕博利珠单抗针对头颈部鳞状细胞癌的II/III期临床试验。这从侧面反映了巨头对bempegaldesleukin还是持乐观态度的。

  与Nektar相比,Synthorx采用了一种不同的方法来实现PEG化。与其他人类蛋白质一样,阿地白介素(aldesleukin)和bempegaldesleukin都是由相同的20种典型氨基酸组成的。而Synthorx的研究人员利用工程细菌在他们的化合物结构中融入了非天然氨基酸。这样做之后,他们能够将一种不可cleavable的PEG基团附着在这一非天然氨基酸上,从而产生了一种‘not-α’ IL-2候选分子。

  Synthorx的CSO Marcos Milla表示,去年,公司报告的初步开放标签I期数据显示,其药物可诱导外周naiveT细胞和NK细胞的扩增,而不引起调节性T细胞的扩张。该试验还表明,当剂量高达24µg/kg时,该药物仍是安全的,这方面的数据优于Nektar的bempegaldesleukin。

  Synthorx的这一优势被赛诺菲相中,2019年,后者以25亿美元收购了Synthorx。一项涉及300例患者的I/II期临床试验正在进行中,调查SAR444245作为单药、联合PD-1抗体以及联合EGFR抗体的潜力。虽然赛诺菲无疑希望将SAR444245与其PD-1抗体西米普利单抗联用,但值得注意的是,Synthorx(现在是赛诺菲的子公司)已经与默沙东在合作开发SAR444245联合帕博利珠单抗,相关II期临床试验正在进行中。

  也有一些其它公司采用不同的工程策略来使IL-2特异性作用于效应T细胞。例如,Alkermes II期候选药物nemvaleukin alfa由IL-2变体与α链融合而成,阻断了候选药物与调节性T细胞上内源性α链的相互作用。

  、计算生物学“赋能”

  计算生物学领域的科学家也在研究IL-2。

  几年前,华盛顿大学蛋白质设计研究所的David Baker与Garcia建立合作,希望通过计算创造出一种只与IL-2受体二聚体形式结合的IL-2模拟物。由此产生的新蛋白(100个氨基酸)比阿地白介素(aldesleukin)短25%,并且在氨基酸序列上与人类IL-2只有14%的相似性。研究团队在2019年的一篇Natue上描述了这种从头合成的方法,并指出,与其它工程途径相比,这种新方法有很多优势,比如,由此产生的蛋白不是非常具有免疫原性,这可能与它们的小尺寸和稳定性有关。此外,传统的蛋白质工程方法本质上是一种“叠加”,因此,母体分子的大多数缺点不可避免地会“遗传”给由其产生的工程变体。

  Baker与人联合创立了Neoleukin Therapeutics公司,目标是将他们基于计算产生的全新分子NL-201推向临床,公司已于2020年12月提交了IND申请。不过,FDA在今年1月暂停了这个项目,理由是需要新的方法来更好地表征NL-201。公司希望能够在未来几个月内开发这种方法。

  与以上所有公司有着完全不同思路的一家公司叫Aulos Bioscience,该公司专注于IL-2抗体的计算设计。

  Aulos的投资者、风险投资公司ATP的首席技术官Michael Ehlers认为,PEG化IL-2、IL-2突变体、融合结构在进入临床的道路上都面临着稳定性、免疫原性和制造方面的挑战。相比之下,抗体就稳定多了。与使用外源性形式的IL-2促进效应细胞增殖不同,Aulos的方法是将体内内源性IL-2重定向到这些细胞。公司领先的候选抗体AU-007(一种CD25结合位点阻断剂)能够从物理上阻断IL-2与调节性T细胞上IL-2受体α链结合的能力。


  AU-007可阻断IL-2与CD25(即α链)的相互作用,从而使内源性IL-2只诱导效应T细胞激活,而不影响调节性T细胞(图片来源:Aulos Bioscience)

  “我们的这种方法也可能能够充分利用复杂的IL-2反馈循环。当IL-2与效应T细胞结合时,它会刺激IL-2的产生和分泌。这种新产生的内源性IL-2会反过来与调节性T细胞结合。因此,即使工程化IL-2候选分子本身并不激活调节性T细胞,它们也可能提高内源性IL-2的水平,从而激活调节性T细胞并抑制免疫活动。Aulos的抗体颠覆了这一过程,可确保新产生的IL-2不会激活调节性T细胞。”Ehlers解释道。

  Aulos正按计划于今年晚些时候提交AU-007的IND申请。

  三、激活“激活的T细胞”

  虽然很多公司致力于使其候选分子不与IL-2受体α链相互作用,但Garcia认为,一心一意地避免IL-2与α链相互作用可能是一条错误的道路。毕竟,虽然naïve效应T细胞和NK细胞表达二聚体受体,当被激活后,它们也是表达三聚体受体。

  Garcia创办的Synthekine的领先项目STK-012是一种工程化IL-2,可优先靶向活化的效应T细胞。“我们已经发现,激活的T细胞实际上与其他类型的细胞有一点不同。”他解释道。Synthekine计划在2021年将STK-012推向临床。

  与Synthekine一致,罗氏最终也把重点放在激活的效应T细胞上。“根据我们的经验,减少与α链的结合可能是一个进步,但这还不够。”罗氏癌症免疫疗法药物研发部门负责人Pablo Umaña说道。

  Umaña的团队对IL-2突变体(该突变体对IL-2受体二聚体具有特异性活性)进行了微调,同时将微调后的突变体与多种抗体进行融合,以更特异性地靶向不同的细胞类型。

  早期,罗氏希望利用这种方法提高肿瘤中IL-2突变体的浓度。他们通过将IL-2突变体与靶向癌胚抗原的抗体融合实现了这一目的。2014年,罗氏将相关分子cergutuzumab amunaleukin推向了临床。公司的同类产品还包括simlukafuspalfa,由相同的IL-2突变体与FAP抗体融合而来。不过,遗憾的是,罗氏在2019年从其管线中砍掉了cergutuzumab amunaleukin,2021年,simlukafusp alfa也被放弃了。

  Umaña说:“到目前为止,这种策略所带来的益处并不像我们所期望的那样具有颠覆性。但这种疗法确实能够促进效应T细胞的全身和瘤内扩增,且耐受良好,也显示出了潜在的活性迹象。因此,未来,我们将继续致力于研发细胞因子-抗体融合候选药物,比如将IL-2突变体与PD-1抗体进行融合。”

  此前,埃默里大学的Rafi Ahmed及其同事曾发表一项支持这一融合策略的发现。他们的研究证实,PD-1阻断联合IL-2激活能够驱动干细胞样CD8+T细胞分化为一种独特的“更好的效应细胞”。这种类型的效应细胞具有更强的增殖能力,更强的细胞毒性。

  据透露,罗氏已于2020年将其IL-2v–anti-PD1融合候选分子RG6279推进了I期临床试验,调查其作为一种单药,以及与PD-L1抗体阿替利珠单抗联合的治疗潜力。

  四、不只抗癌

  值得一提的是,除了抗癌,业界也在开发IL-2疗法来治疗自身免疫性疾病。2月25日,默沙东刚刚宣布以18.5亿美元收购Pandion,Pandion的核心产品之一就是IL-2融合蛋白PT101,一款选择性IL-2激动剂。PT101将基因工程表达的IL-2突变蛋白融合至蛋白质骨架,减轻了对IL-2Rβ的亲和力,增强了对IL-2Rα的亲和力,从而能够选择性与调节性T细胞表面包含IL-2Rα亚基的IL-2受体三聚体结合(不与Naïve T细胞和NK细胞上的IL-2受体二聚体结合),进而特异性激活和扩增调节性T细胞,以治疗自身免疫性疾病。

  今年1月4日,Pandion公布了PT101的Ia期临床试验顶线结果,数据显示,研究达到了其安全性和耐受性的主要终点,并且在健康志愿者中证明了PT101选择性扩增Tregs的机制。

  、小 结

  在PD-1之前,IL-2也曾是众星拱月,药物研发人员究竟能否借着这次“回温”,让IL-2疗法在免疫治疗领域真正发光发热,期待更多的临床数据告诉我们答案。

  参考资料:

  1#Restoring IL-2 to its cancer immunotherapy glory(来源:Nature Reviews Drug Discovery)

  2#默沙东18.5亿美元收购Pandion,获得Tregs调节剂和PD1激动剂

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