综述文献解析：利用细胞因子和趋化因子治疗癌症

Harnessing cytokines and chemokines for cancer therapy

导读：本文是针对论文《利用细胞因子和趋化因子治疗癌症（Harnessing cytokines and chemokines for cancer therapy）》的一篇解析，该论文于2022年4月发表于《Nat RevClin Oncol（IF: 66.7）》。

综述背景：在过去的40年里，细胞因子和细胞因子受体作为癌症靶标或癌症治疗手段被广泛研究。但是许多挑战仍然存在，特别是关于给药方法，背景依赖性，和多效性、冗余和经常冲突作用的许多细胞因子。

综述聚焦：

1.在肿瘤微环境中，细胞因子是细胞通讯的关键介质，一些细胞因子有助于宿主的抗肿瘤反应，但许多细胞因子的产生和功能在癌症中处于失调状态。

2.一个强有力的理由支持在癌症治疗中同时使用细胞因子和细胞因子拮抗剂，但无论是细胞因子还是细胞因子拮抗剂，都不是晚期癌症患者的单一疗法。

3.这种新方法包括利用细胞因子来增强其他癌症治疗的作用或减少其不良影响，在疾病的早期阶段进行治疗，并使用每种肿瘤类型的细胞因子谱来确定如何最好地利用细胞因子。

综述内容：

第一部分 前言

前言部分，作者概述目前细胞因子在治疗癌症中的作用，以及还存在哪些难以突破的难点。细胞因子和细胞因子受体作为癌症靶点或癌症治疗方法得到了广泛的研究。强大的临床前理论基础支持治疗策略，以增强干扰素和白介素IL-2、IL-7、IL-12和IL-15的生长抑制和免疫刺激作用，或抑制细胞因子如肿瘤坏死因子、IL-1β和IL-6的炎症和促肿瘤作用。在所有人类癌症中发现的改变和失调的细胞因子表达强调了这一原理。这些发现促使几种细胞因子或细胞因子拮抗剂进行临床试验，揭示了相关的生物活性，但治疗效果有限。然而，更有效的免疫疗法的出现和对肿瘤微环境的深入了解为在癌症治疗中利用细胞因子网络提供了新的方法，其中包括使用基于细胞因子的疗法来增强活性或减轻其他疗法的免疫相关毒性以及靶向早期癌症。

但仍然存在许多挑战，特别是在递送方法以及许多细胞因子的多效性、冗余和往往相互冲突的作用方面。作者讨论了从基于细胞因子的单药治疗的初步试验中得到的经验，以及之后更好地开发这些药物用于治疗实体肿瘤的尝试。

主体

一、什么是细胞因子？

细胞因子是多种细胞类型和细胞活动的强有力的分泌调节器，特别是在免疫系统中。在体内稳态和疾病过程中，参与细胞通讯的细胞因子主要包括白介素类、干扰素、肿瘤坏死因子超家族的一些成员、趋化因子和生长因子。细胞因子通常在旁分泌和或自分泌水平上起作用，产生受到严格控制的瞬时产物，刺激这些可溶性蛋白介质的信号网络。大多数细胞因子最初被确定为免疫细胞产物和调节因子，也有许多细胞因子也是由间充质细胞和上皮细胞产生的。一些细胞因子属于功能重叠、受体和受体拮抗剂共有的复杂超家族。

白介素：白介素在激活和调节白细胞影响的先天和获得性免疫反应中起着至关重要的作用，通常是局部和少量产生的。目前已确认至少有40种白介素，其中许多人可以归类为独立的家族或超级家族。

干扰素：除了在防御病毒的前线具有强大的抗病毒活性外，I型、II型和III型干扰素还具有一系列其他免疫刺激和抑制功能以及抗肿瘤活性和在自身免疫中的作用。

肿瘤坏死因子：其超家族由19种结构相关的蛋白质组成，具有一系列促炎或抗炎活性，之所以这样命名，是因为第一个被发现的成员，肿瘤坏死因子，在特定情况下可以导致肿瘤内的局部坏死。

趋化因子：组成一个至少由47个小的、结构相关的细胞因子组成的大家族，众所周知，它们有刺激细胞迁移的能力。它们与细胞外基质(ECM)的相互作用在控制细胞的定向迁移(趋化)方面尤为重要。

生长因子：在结构和功能上有很大的不同，但之所以包括在这里，是因为它们的表达通常是由细胞因子诱导的(反之亦然)，而且因为一些成员，如转化生长因子-β(TGF-β)，是强大的免疫抑制和细胞抑制分子。

二、TME中的细胞因子网络

在肿瘤微环境(TME)中，细胞因子是细胞通讯的关键介质。虽然IL-2、干扰素α和干扰素γ等细胞因子可促进TME的抗肿瘤反应，但恶性细胞、免疫细胞和基质细胞产生的细胞因子失调参与了癌症发生的所有阶段以及对治疗的反应。因此，治疗的潜力既存在于利用细胞因子的免疫刺激作用，也存在于当细胞因子失调时中和它们的作用。某些细胞因子与肿瘤的发生、发展和转移密切相关(见图1、Box1)，炎性细胞因子的异常产生是其他非恶性细胞致癌变化的常见下游后果。

过去30年的许多研究表明，个体细胞因子及其受体在人类癌症的TME中含量丰富，对数千种肿瘤的免疫遗传学研究为我们的知识增加了另一个维度。癌症基因组图谱(TCGA)的数据来自10,000个肿瘤，包括33种不同的癌症类型，揭示了6种不同的免疫亚型:伤口愈合、IFNγ显性、炎症、淋巴细胞衰竭、免疫沉默和TGFβ显性。总体而言，这些亚型跨越了组织学和细胞或起源部位的分类，尽管特定的驱动因素突变与TME免疫细胞渗透的差异有关。

图1|细胞因子在肿瘤微环境中的作用。这张图总结了在实体肿瘤微环境中发现的一些主要细胞类型。在癌症患者的临床试验中利用的细胞因子对各种细胞类型的作用以红色和绿色矩形显示，分别表示促进肿瘤的作用和抗肿瘤的作用。一些细胞因子，如转化生长因子-β(TGF-β)，可以具有抗肿瘤或促肿瘤活性，这取决于具体情况。（ECM：细胞外基质；EMT：上皮-间充质转化；NK：自然杀伤细胞；TNF：肿瘤坏死因子；Treg：调节性T。）

综上所述，到目前为止所研究的所有TME中的细胞因子及其调控通路的复杂网络在许多实体肿瘤类型中都是相同的，尽管这些网络的组成可以根据单个病变的免疫状况而变化。在此概括了细胞因子和抗细胞因子治疗癌症的方法。

三、细胞因子治疗的临床试验

证据表明，某些细胞因子，特别是那些参与适应性免疫反应的细胞因子(如干扰素γ、IL-2和IL-12)，有助于抗肿瘤免疫。在过去的40年里，人们试图将这些细胞因子用于治疗。接下来就不同的细胞因子的作用展开论述。

（一）白介素

1.IL2

IL-2是调节获得性免疫系统和先天免疫系统的关键细胞因子。IL-2的免疫刺激特性为30多年前开始的临床试验提供了理论基础，以评估这种细胞因子的抗癌活性。大剂量重组IL-2静脉滴注，自1992年和1998年以来已被FDA批准用于转移性肾细胞癌(RCC)和黑色素瘤的治疗。在约12%的黑色素瘤患者和约7%的RCC患者中，这种治疗诱导完全缓解(CRs)，往往是持久的。临床上使用IL-2的缺点包括半衰期短(85分钟)，需要每8小时服用一次，以及≥3级不良事件(AEs)的高发生率，如血管渗漏综合征和心脏毒性。（见Box2）此外，IL-2诱导免疫抑制调节性T (Treg)细胞活性，可使抗肿瘤反应无效。这种对Treg细胞的影响以及血管渗漏综合征的高风险与IL-2与高亲和力的IL-2受体结合有关，IL-2受体由α，β和γ亚基组成(IL-2Rαβγ)，它在Treg细胞上组成表达。相比之下，CD8+ T细胞，记忆T细胞和NK细胞表达低亲和力二聚体IL-2受体缺乏α亚基(CD25)。Bempegaldes I/II期研究的数据是有希望的。作为单药治疗，该药物可诱导既往治疗过的转移性黑色素瘤或肾细胞癌患者肿瘤缩小。

2.IL-7

IL-7是白介素C(γChain，γc)受体家族的一员，这种细胞因子通过由IL-7Rα和γc组成的异二聚体受体传递信号，后者与IL-2、IL-4、IL-9、IL-15和IL-21的受体共享。IL-7具有多种免疫作用，包括诱导原始T细胞和记忆T细胞增殖，而不诱导T reg细胞。在临床试验中，系统给药IL-7对癌症患者耐受性良好，但无效，尽管观察到循环CD4+T和CD8+ T细胞水平和T细胞受体(TCR)多样性增加。在临床前模型中，重组人IL-7或改良形式的IL-7融合到IgG Fc片段(以延长其半衰期)能有效诱导炎症性TME。因此，正在进行的多项试验正在测试这类药物与ICIs联合使用，但尚未报道。

3.IL-15

在临床前模型中，IL-15是另一种促进抗肿瘤NK细胞和CD8+T细胞的生成、增殖和活性的细胞因子，但不能促进支持肿瘤的Treg细胞的生成、增殖和活性。这种细胞因子在癌症临床前模型和肿瘤学临床试验中的作用已被广泛研究。目前已经启动了170多项IL-15的临床试验，但尽管IL-15对循环NK细胞和CD8+ T细胞有显著的益处，但作为单一疗法的疗效有限。IL-15的半衰期很短，但当与其高亲和力受体IL-15Rα结合时，其稳定性要高得多。

因此，几种所谓的IL-15超级激动剂，由IL-15与截短形式的IL-15Rα组成的复合体，已经进入临床开发，取得了有希望的初步结果。试验最广泛的超级激动剂N-803已经与其他免疫疗法结合进行了测试。在80例卡介苗无反应、高级别、非肌肉侵袭性膀胱癌(NMIBC)患者中，将N-803加入膀胱内卡介苗后，72%的患者产生了CRs，这些CRs的持久性占很大比例(中位持续时间为19.2个月)。因此，N-803已被FDA指定为这一适应症的突破性疗法。

4.IL-12

IL-12刺激NK细胞和CD8+T细胞增殖，增强其细胞毒性。此外，IL-12促进辅助性T细胞分化和干扰素γ的产生，从而增强抗原呈递。IL-12还具有强大的抗血管生成作用，因此，是一种潜在的重要的治疗性细胞因子。事实上，各种全身重组IL-12的试验，无论是作为单一疗法，还是与其他细胞因子或疫苗的联合治疗，已经证明在皮肤T细胞淋巴瘤、艾滋病相关卡波西肉瘤、非霍奇金淋巴瘤或RCC患者中有少量反应，但严重的AEs，包括死亡，导致了这种治疗的普遍放弃。尽管存在这些问题，系统性IL-12已经被证明可以促进CD8+ T细胞的肿瘤浸润，至少在黑色素瘤患者中是这样。

为了避免毒性，NHS-IL12是通过将两个IL-12分子融合到针对DNA-组蛋白复合体的抗体中开发出来的，这使得细胞因子能够选择性地输送到坏死的肿瘤区域。在这种“免疫细胞因子”的I期试验中，观察到了很高的稳定率。在另一种方法中，肿瘤内注射编码IL-12的质粒已被证明导致IL-12的持续局部表达，并导致黑色素瘤患者的注射和远处肿瘤的消退。最近，一项对抗PD-1单抗治疗不太可能有反应的黑色素瘤患者进行的联合瘤内注射IL-12的试验显示，ORR为41%，CR率为36%，其中包括先前接受抗PD-1治疗的患者的一些反应。在一些有反应的患者中，观察到非注射肿瘤的异常反应。显然，靶向或局部注射IL-12是一种很有前途的癌症治疗方法。

5.IL10

由于其广泛的抗炎作用，IL-10通常被认为是TME中的一种免疫抑制细胞因子。然而，IL-10通过增加CD8+T细胞活化在多种肿瘤模型中具有抗癌作用。因此，已经进行了一系列试验，使用聚乙二醇化的IL-10制剂聚乙二醇卡因治疗晚期实体肿瘤患者。

白介素类作为过继细胞治疗的辅助手段，例如黑色素瘤的肿瘤浸润性淋巴细胞疗法，需要细胞因子来支持在体内中注入的细胞的存活和增殖。在这种情况下，IL-2通常被辅助使用，要么高剂量与高毒性风险相关，要么低剂量与较低的长期反应可能性相关。同样，IL-2也经常用于CAR-T细胞治疗。

（二）干扰素

1.IFN-α

人类中，IFN-α包括13种抗病毒细胞因子，它们由许多不同类型的细胞产生，以应对免疫刺激和病毒，以及某些其他多核苷酸和激活模式识别受体的分子。干扰素的许多活性支持它们在癌症治疗中的使用：它们上调MHC分子，促进树突状细胞(DC)迁移和细胞毒性T细胞活性，具有抗血管生成作用，并可直接对恶性细胞产生细胞抑制作用。此外，其他癌症治疗的有效治疗作用，包括化疗、放射治疗、免疫治疗和靶向治疗，如PARP抑制剂，通常依赖于干扰素信号，特别是通过周期GMP-AMP合成酶(CGAS)-干扰素基因刺激物(STIN)途径。在最近的试验中，IFN-α与ICIS联合用于治疗转移性黑色素瘤，尽管尚未获得来自随机试验或经ICIS预治疗的患者的数据。在ICI-naive疾病患者中，这种组合似乎可以耐受，但不能很大程度上耐受已经出现了增强疗效的早期信号。鉴于IFN-α在模型系统中诱导抗肿瘤反应的效果，这种细胞因子也被作为佐剂包括在各种疫苗方案中，包括DC疗法。

2.IFN-γ

IFN-γ是先天免疫系统和获得性免疫系统的主要调节因子。这种细胞因子最初是根据其抗病毒活性确定的，由NK细胞、NKT细胞、CD8+T细胞和CD4+T细胞在天然和获得性免疫反应中产生，通常是对IL-2刺激的反应，巨噬细胞和B细胞是其作用的主要靶细胞和效应者。IFN-γ在实验性和人类肿瘤的TME中通过CD4+T辅助细胞和CD8+T细胞产生抗肿瘤反应的重要性已经得到很好的证实。然而，这种细胞因子的治疗还没有被FDA批准用于任何实体肿瘤适应症，对这种药物的各种研究只显示了适度的临床疗效。

四、细胞因子受体拮抗剂的实验研究

随着抗细胞因子疗法，特别是针对TNF、IL-6和IL-1的疗法在一些炎症性疾病和自身免疫性疾病中的广泛应用，临床前研究为其在癌症治疗中的应用提供了理论基础。特别是在2000-2010年，大量研究表明，针对关键炎症细胞因子的中和性单抗或受体拮抗剂在广泛的异种移植或基因工程模型中具有抗癌活性。此外，炎性细胞因子及其信号通路缺乏的小鼠降低了癌症发展和转移的易感性。总而言之，这些发现表明，靶向TME中的细胞因子网络可以促进肿瘤的炎症细胞渗透或阻止此类细胞迁移到肿瘤部位。临床前的数据还表明，某些细胞因子拮抗剂将“重新调整”促进肿瘤的微环境，使其成为抑制肿瘤的微环境，从而促进肿瘤特异性适应性免疫反应并抑制转移扩散。最著名的转录因子就是NF-κB和STAT3，被确定为这些炎性细胞因子网络的下游靶标。此外，如前所述，当人类癌症转录组数据集变得广泛可用时，炎性细胞因子途径被明确地确定为许多肿瘤的一个显著特征。

大多数抗细胞因子单抗的临床试验都是针对晚期癌症患者的早期剂量安全性研究。作为单一疗法，这些药物的疗效有限或没有效果，尽管这些治疗通常耐受性很好，几乎没有安全问题。因此，这些拮抗剂现在正在与其他免疫疗法和癌症治疗相结合，这里讨论了一些可能感兴趣的单一疗法试验的药效学。

1.TNF拮抗剂

TNF是一种由单核细胞和巨噬细胞以及包括成纤维细胞和内皮细胞在内的许多其他细胞在应激反应中产生的一种促炎细胞因子。在癌症中，肿瘤坏死因子可具有多种促肿瘤活性，如刺激细胞因子级联反应、纤维化反应和黏附受体的变化，在化学致癌的早期阶段起重要作用。抗肿瘤坏死因子抗体或可溶性肿瘤坏死因子受体融合蛋白陷阱是几种常见的自身免疫性和炎症性疾病的有效治疗方法。在一项涉及晚期癌症患者的I期试验中，抗TNF单抗英夫利昔单抗耐受性良好，没有剂量限制毒性。注射英夫利昔单抗后1小时观察血清TNF的中和作用，24小时和48小时血浆CCL2、IL-6和血清C反应蛋白(CRP)水平下降。41例患者中有7例病情稳定(持续10-50+周)，没有任何患者出现疾病加速进展的证据。

2.IL-6拮抗剂

IL-6-JAK-STAT3信号通路在健康中具有重要的免疫调节作用，并在包括癌症在内的许多疾病中失调。靶向IL-6及其受体或JAK-STAT3信号通路的药物已被FDA批准用于治疗炎症性疾病或骨髓增生性肿瘤以及CAR-T细胞诱导的CRS。三种IL-6拮抗剂临床批准和常用：siltuximab(抗IL-6单抗)，tocilizumab和sarilumab(抗IL-6R单抗)。临床前研究显示，中和IL-6或抑制下游JAK-STAT3信号通路可具有强有力的抗癌活性，尽管这些作用尚未转化为癌症患者的临床益处。IL-6拮抗剂如tocilizumab通常用于缓解一些接受CAR-T细胞治疗的患者发生的严重CRS，在这种情况下，T细胞刺激的巨噬细胞和单核细胞系细胞是产生IL-6的主要细胞，尤其是在肿瘤负担较高的患者中，强烈的CAR-T细胞激活可能导致大规模的、潜在致命的细胞因子风暴。

3.IL-1β拮抗剂

与TNF和IL-6相似，大量临床前数据强调了IL-1α和IL-1β的促肿瘤作用。IL-1β可刺激其他炎症介质，抑制细胞的侵袭和免疫功能。这些作用促使一项假设驱动的探索性分析在随机、双盲、安慰剂对照III期CANTOS试验中，抗IL-1β抗体canakinumab在10061例有心肌梗死史且血浆高敏感性CRP水平为2mg/L的患者中进行。测试了三种剂量水平的canakinumab(50、150和300 mg)。这种主要炎症细胞因子的持续抑制导致复发心血管事件的显著减少，以及系统生物标志物的水平，包括CRP和IL-6。

4.TGF-β抑制剂

TGF-β在TME中具有许多免疫抑制和诱导纤维化的活性，临床前研究表明，当TGF-β拮抗剂与ICIS联合使用时，抗肿瘤活性增强。其主要作用机制似乎是通过改变TME中的ECM来增强T细胞的渗透。TGF-β的临床靶向主要是利用TGFβ受体I丝氨酸/苏氨酸激酶域(βRI)的小分子抑制剂，如Galunisertib，或抗转化生长因子β单抗，如fsolimumab，但成功有限。

五、趋化因子受体阻断试验

在趋化因子及其受体大家族中，免疫细胞定向迁移的刺激作用最为突出。趋化因子网络在癌症中是失调的，趋化因子促进新生血管的过程，它们的趋化活性经常被恶性细胞所取代。因此，在实体肿瘤中靶向某些趋化因子或其受体具有很强的临床前基础，许多趋化因子和趋化因子受体已被探索作为肿瘤临床试验的治疗靶点。

1.抑制CCL2-CCR2轴

趋化因子受体CCR2及其配体CCL2是骨髓细胞向许多癌症趋化的重要介质，在临床前模型中，CCL2-CCR2轴的阻断抑制了肿瘤相关巨噬细胞(TAM)的募集。各种针对CCR2或CCL2的药物已经在临床试验中进行了测试，但大多数无效，有几个已经被放弃，包括carlumab、plozalizumab和PF-04136309。在一项涉及转移性去势抵抗性前列腺癌患者的II期临床试验中，抗CCL2单抗carlumab耐受性良好，但作为单一药物不具有抗肿瘤活性。

2.CCR4拮抗剂

CCR4是CCL17和CCL22的受体，特别是通过Treg细胞表达，临床前数据表明这种趋化因子受体是免疫治疗的靶点。多种CCR4拮抗剂已在临床试验中得到评估，尽管迄今为止唯一批准的肿瘤CCR4拮抗剂是用于治疗T细胞淋巴瘤的mogamulizumab。在一项涉及实体肿瘤患者的I期试验中，这种抗CCR4单抗联合durvalumab或tremelimumab与过量毒性无关，并观察到循环效应Treg细胞(CD4+CD45RA-FOXP3high)和肿瘤内Treg细胞(CCR4+FOXP3+和CD25+FOXP3+)的大量减少。

3.IL-8和CXCR1/2抑制

CXCR1/2是抑制性髓系细胞的血管生成、炎症、趋化和肿瘤干细胞存活的关键受体。临床前数据表明，IL-8-IL-8受体轴的阻断增强了ICIs的疗效。抗IL -8单抗BMS-986253(也称为HuMaxIL8)正在进行多种涉及实体肿瘤患者的早期临床试验，主要是与nivolumab联合使用(例如，NCT03689699、NCT04050462、NCT03400332、NCT04572451、NCT04123379和NCT04848116)。

第三部分 总结

自从细胞因子疗法首次应用于癌症患者以来，已经过去了近40年。在这期间，我们对细胞因子家族、抗肿瘤免疫、TME和癌症演变的了解大大增加。我们现在可以得出结论，抑制或增强单一的细胞因子或趋化因子途径不太可能对晚期癌症有持续的活性，除非在一小部分患者中。事实上，除了IL-2和IFNα在黑色素瘤和肾细胞癌中的显著作用例外，单药基于细胞因子的治疗在临床上并不有效，尽管一些改良的、受体选择性形式的IL-2和新的趋化因子定向拮抗剂在这方面有潜力。

利用过去40年获得的所有知识，短期使用细胞因子或其抑制剂来短暂改变TME中免疫细胞的活动或ECM的产生，可能是最有希望的，或与其他疗法联合使用，或(新)辅助设置。在考虑与细胞因子或细胞因子拮抗剂联合或序贯治疗时，值得注意的是，一些化疗可降低全身炎症细胞因子水平，且高循环水平的IL-8与对ICIs的耐药性有关。相反，卵巢癌患者的(新)辅助化疗激活了TME中IL-1β-NLRP3炎症小体通路，有免疫原性细胞死亡的证据，提示在癌症治疗的特定阶段谨慎使用特定的细胞因子拮抗剂。考虑到大量可能的治疗目标和策略，以及患者内和患者间免疫环境的差异，在小鼠模型和人类多细胞癌症中进行仔细的临床前研究，可以最好地复制人类癌症的TME，为了有效地利用细胞因子及其受体的无可置疑的威力，需要类器官或芯片上的器官模型。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41571-021-00588-9