华人团队为免疫调节蛋白安装「智能开关」，产业化潜力巨大

肿瘤免疫治疗被视为肿瘤治疗近 20 年来最大的突破之一。目前，已经有多款肿瘤免疫药物获批上市，其中以 PD-（L）1 免疫检查点抑制剂的表现最为亮眼。

一方面，免疫调节类药物通过调节机体的免疫系统发挥作用，疗效确切，特异性更强；另一方面，在临床应用中，这类药物往往会在健康组织器官中引发系统毒性，毒副作用是这类药物必须迈过的一道坎，很多杀伤肿瘤效果良好的药物由于严重的毒副作用而不得不停止开发。

如何平衡有效性与毒副作用成为学术界和产业界必须破解的一道难题。近日，洛桑联邦理工学院（EPFL）唐力课题组为解决这一问题提供了一种新思路，这项最新研究也已发表在 Science Advances 上。

（来源：Science Advances）

在这项研究中，研究人员设计了一种新型的 “开关式免疫调节蛋白”（Switchable Immune Modulator, Sw-IM），相当于为免疫调节蛋白安装了 “智能开关”，从而特异性调节药物生物活性的 “开” 和 “关”。

具体来说，他们利用肿瘤微环境中高还原性、弱酸碱性等生理条件设计了几种连接子（Linker），这些 Linker 通过特异性识别肿瘤组织中的理化特性，帮助免疫调节蛋白特异性激活，即在健康组织中处于 “关闭” 状态，在肿瘤微环境中 “激活”，以此降低免疫治疗的系统毒性。

“这项研究最大的亮点在于我们第一次利用环境响应性化学方式实现了对免疫蛋白分子的精准调控，极大降低了现有治疗性蛋白分子的毒性，同时在动物试验中证明了预期效果。我认为，这种方式有潜力应用到临床治疗中，包括很多现有的免疫药物中，应用范围会更大。” 唐力教授总结道。

唐力曾师从免疫工程学的开山鼻祖之一 Darrell J Irvine 教授，他于 2016 年加入瑞士洛桑联邦理工学院并成立自己的课题组，专注于免疫工程和纳米生物材料研究。唐力是这项研究的通讯作者，赵宇则是本研究的第一作者。

图 | 左为赵宇博士、右为唐力教授（来源：受访者提供）

为免疫蛋白药物设计 “智能开关”

肿瘤微环境（TME）指的是肿瘤细胞生存的局部微环境，包括周围的血管、免疫细胞、成纤维细胞以及各种信号分子等。其在理化性质方面与机体正常内环境存在许多不同，比较明显的是TME 具有低氧、低 pH、高还原性、高压以及某些酶表达上调等特点。

唐力课题组巧妙的利用了 TME 与正常组织理化性质不同的特点，并基于 TME 的性质，设计出了几种 Linker。这些 linker 包含双硫键、马来酰亚胺等环境响应性的化学键结构，它们可以把 PEG 和免疫调节剂连接在一起，通过特异性响应 TME、断裂化学键发挥作用。

PEG（聚乙二醇）是一种亲水高分子聚合物，无毒、无免疫原性，具有良好的生物相容性，现已广泛应用于各类药物制剂中。目前，PEG 已在超过 20 种 FDA 批准上市的药物中使用，包括辉瑞 / BioNTech、Moderna 上市的新冠疫苗。

唐力课题组首先利用可逆响应性 Linker 把 PEG 与免疫调节剂表面的氨基结合，PEG 封闭蛋白分子的生物活性。“这就相当于给蛋白分子戴了一个口罩，通过这种化学修饰，我们阻挡了蛋白分子在正常组织中的活性。” 唐力说。

图 | Sw-IM 的设计和工作原理，浅蓝色月牙为蛋白分子，淡紫色点为化学基团赖氨酸、淡黄色点为响应性 Linker、为浅蓝色线条为 PEG（来源：上述论文）

在正常组织中，蛋白分子表面被聚合物屏蔽，处于 Switch-off 状态，不会激活免疫系统；进入 TME 中后，相应性 Linker 的化学键发生断裂，同时连接的 PEG 也随之脱落，蛋白分子则摆脱了屏蔽，并激活 TME 中的免疫细胞，包括 T 细胞、NK 细胞，这些免疫细胞负责杀伤肿瘤细胞。

这样蛋白分子就通过 Linker 实现了特异性杀伤肿瘤的效果，理论上可以降低免疫治疗的系统性毒性。

然后，研究人员设计了一系列动物实验去验证开关式免疫调节蛋白的效果。他们挑选了共刺激受体 4-1BB 抗体和 IL-15 超级免疫激动剂等免疫治疗蛋白分子，尝试了各种不同的 Linker，选择了不同分子量的聚合物反复进行了多次大规模动物实验。

赵宇告诉生辉，动物试验的预期目标是验证化学修饰可以让免疫治疗分子既保持原治疗效果，同时又可以降低毒性。因此，该动物试验主要分为两部分，一是评估毒性，二是研究治疗的效果。

他们首先通过测量肿瘤生长曲线来直观比较开关式免疫调节蛋白与普通免疫调节蛋白的治疗效果，研究发现安装开关的免疫调节蛋白与未经修饰的蛋白在抑制肿瘤生长方面没有显著差异，其肿瘤生长曲线几乎重合；

然后研究人员从细胞层面继续评估这两种方式的治疗效果，利用流式细胞仪分析肿瘤组织中浸润的免疫细胞，研究发现接受开关式免疫调节蛋白治疗的小鼠肿瘤细组织中浸润的免疫细胞与接受普通免疫调节蛋白治疗的小鼠处于同一量级，这表明治疗效果并未明显降低。

图 | 肿瘤微环境中，安装开关的 Sw-IMs 与原有免疫调节剂具有相同的抗肿瘤免疫活性（来源：上述论文）

同时，研究人员测量了开关式免疫调节蛋白在多种不同治疗方法中的毒性，包括 4-1BB 抗体，IL-15 细胞因子搭配过继性免疫细胞疗法。他们观察到接受普通免疫治疗的小鼠体重在短时间内大幅下降，而接受开关式免疫调节蛋白治疗的小鼠体重几乎没有变化， 这表明 “智能开关” 显著提升了免疫调节蛋白分子的安全性；

在解剖试验中，研究人员统计了接受开关式免疫调节蛋白治疗的小鼠健康器官里的免疫细胞数量和活性，发现与对照组水平相当。与此相反，接受普通免疫调节蛋白治疗的小鼠健康器官中免疫细胞的浸润和活性则有明显的升高。

“该实验的难度就在于降低毒性的同时又不能损害治疗效果，这是一个很难平衡的问题。我们通过化学方式，实现了在不损害治疗效果的条件上，大大降低了系统毒性。” 赵宇继续解释道。

唐力也表示，动物试验结果达到了这项研究的预期目标。

革新药物开发方式，产业化潜力巨大

免疫治疗药物可能会导致严重系统毒性的问题始终不容忽视，这一点很大程度限制了它的临床应用。

4-1BB 是参与抗肿瘤免疫共激活的分子，也是肿瘤免疫治疗中的一大明星靶点。然而，截至目前，尚无 4-1BB 抗体上市，一个重要的原因就在于 —— 严重的毒副作用。一些 4-1BB 抗体虽然效果明显，但是由于在临床上毒性太大而不得不终止开发。

“在这项研究中，我们第一次实现了利用化学方式特异性精准调控药物分子活性，这对于免疫激动剂甚至是其他免疫调节剂的开发都会是一种革新。我们通过给这些药物安装一个‘智能开关’，给了原来已知效果很好但是毒性太强的分子重新进入临床的机会。” 唐力说。

一方面 “智能开关” 可能会革新药物开发方式，另一方面利用化学方法调控的产业化潜力或将更广。

该课题组设计的 Sw-IM 只需要将化学分子与 PEG 连接在免疫蛋白上，一步反应即可完成，合成简单，理论上一天即可完成；不同于 Probody 等专注于酶响应的重组免疫蛋白，基于化学方法的开关式免疫调节蛋白可以针对多种不同的信号响应，包括还原性、酸碱度等，因此这种方法为免疫蛋白类药物设计提供了更大的选择空间。

比如说，氨基普遍存在于蛋白表面，他们设计的化学开关也有可能广泛适用于 IL-15 和 4-1BB、CTLA-4 以及 PD-1 抗体等免疫治疗性分子，或者其他大分子药物。

（来源：Journal of Molecular Medicine）

在这项研究中，唐力课题组验证了 4~5 种不同的免疫调节蛋白（包括 4-1BB 抗体、IL-15 超激动剂）及模型蛋白，针对每个蛋白分子，唐力课题组又尝试了不同的 PEG 分子量和接枝密度，此外还设计了具有不同响应性的 Linker，最后合成了近 60 个药物分子。

“用化学方式调节免疫治疗分子，操作简单、容易放大生产、在某些场景下产业化潜力相对更大。” 唐力总结道。

赵宇告诉生辉，设计 “智能开关” 的出发点是解决临床应用中的实际问题，因此他们也有计划推进临床转化。不过，他们也坦言真正走向转化其实还有很多路要走。

“智能化是未来药物开发的重要趋势”

智能药物通常指在原有药物基础上搭载一套智能给药系统（Smart drug delivery system，SDDS）的 “升级版” 药物，比如说 “逻辑开关” CAR-T 疗法，环境响应性药物等等。

常见的 SDDS 包括内源性和外源性递送系统，内源性通常根据 pH 值变化、酶浓度、葡萄糖或氧化还原性等，外源性包括温度、磁场、超声波、光、电脉冲等。

这类药物往往会比原药物更具智能化，它们可以根据智能响应性 “开关” 或者其他智能路径调控药物分子，从而达到对靶器官精准特异性调节。

理论上，它们不会对正常组织造成损伤，同时实现局部给药，能够降低原有药物的毒性，已广泛应用于药物开发过程中。上文提到的 Sw-IM 就是一种搭载 SDDS 的智能响应型的药物。

（来源：Drug Discovery Today）

“通过智能化设计，原有药物可能进一步扩展应用范围，解决此前无法解决的难题。我认为智能化是药物发展的一个重要趋势，这种方式可能为整个制药行业带来新的希望。但是也需要客观冷静分析这种方式，目前全球还没有任何一款智能药物上市，因此智能化药物开发也具有一定的挑战性。” 唐力说。

他认为，智能化药物的开发需要综合考虑多种因素，真正实现转化还有诸多难题有待破解：

一是，还需要针对灵敏度开展多项研究。智能响应性药物对环境响应的灵敏度由设计方案和肿瘤微环境决定，因此需要评估肿瘤微环境与正常组织中理化性质的差异性；

二是，能否放大生产。在实验室完成微克级别、毫克级别的制备，临床应用的剂量要求高得多，能否生产出来是一个问题；

三是，如果真正推进成药临床和市场，还需要考虑操作简易程度、质量的合规性、质量控制和标准化，这是药物转化的关键；

四是，看起来很有趣的设计，实用性如何也有待评估。