《科学·免疫学》：IL-2“超进化”，不怕酸，更强大！

免疫治疗已经成为继手术、放疗和化疗之后的第四大肿瘤临床治疗手段，并在多手段联合治疗中扮演着不可或缺的角色[1-3]。

其中，高剂量的IL-2疗法已经被批准用于治疗转移性肾细胞癌和转移性黑色素瘤。

然而，IL-2可以作用于调节性T细胞（Treg）和效应T细胞的功能特性，使得其在抗肿瘤免疫中效果相对有限。

此外，高剂量的IL-2会诱导包括血管漏综合征（VLS）、肺水肿、低血压和心脏毒性等在内的严重毒性，这使得其在临床中的应用受限[4]。

近期，由剑桥大学Rahul Roychoudhuri，邓迪大学Ignacio Moraga和里尔大学Suman Mitra共同领衔的研究团队在著名期刊Science Immunology对高剂量的IL-2疗法做出了改善 [5]。他们发现：酸性的肿瘤微环境会破坏IL-2的信号传导和活性，从而导致其有限的疗效。而IL-2的工程化突变体蛋白（Switch-2）能在酸性环境中表现出高活性、在正常环境下低活性，使得其具有更精准的、更强大的抗肿瘤效果。

接下来，大家跟着奇点糕一起看看他们是怎样开展此项研究的吧。

肿瘤免疫抑制的微环境通常是乏氧、酸性的微环境，并且富含大量的炎性细胞和细胞因子，它是免疫治疗疗效不佳的一个重要因素。

其中，酸性的肿瘤微环境（TME）不仅直接抑制CD8⁺T细胞的代谢活性，还可以促进Treg等多种免疫抑制细胞的功能，从而诱导免疫抑制[6]。既然酸性微环境对T细胞功能有影响，IL-2又是T细胞的激动剂，那么肿瘤的酸性微环境是否也会对IL-2的疗效产生影响呢？

为了探究TME的酸性pH条件是否会抑制IL-2的信号传导，研究人员分别利用盐酸和乳酸模拟肿瘤酸性环境来探究IL-2对CD8⁺T细胞的激活作用。结果表明，IL-2活性在酸性条件下比正常环境下更弱，且这种活性的降低是由酸性条件下IL-2与IL-2Rα的结合能力下降导致的。

IL-2在酸性pH条件下对T细胞激动作用减弱

然而这种削弱作用是否在体内适用尚不清楚。

由此，研究人员构建了B16黑素瘤细胞的荷瘤小鼠，随后采用碳酸氢钠来消耗TME中已生成的乳酸并辅助IL-2治疗或通过接种LDHA/B双敲除的细胞来减少TME中乳酸的产生再给予IL-2治疗。

结果表明，TME的酸性减弱促进了IL-2对肿瘤浸润CD8⁺T细胞的激活、效应功能，并降低了其耗竭程度，从而显著增强了IL-2的抗肿瘤效力，并有效延长小鼠生存期。

酸性减弱后IL-2促进肿瘤浸润T细胞的效应功能，并降低了其耗竭程度

既然IL-2难以在酸性pH下发挥有效的抗肿瘤作用，那么是否能够设计制备一个可以在酸性pH下具有高活性的IL-2突变体呢？

基于以上想法，研究人员采用定向进化筛选IL-2突变体，获得了一株IL-2突变体（Switch-2）。其在低pH下与IL-2Rα表现出更高的结合能力，而在中性pH下的结合则较低。

随后，研究人员模拟pH 6和pH 7情况下IL-2/IL-2Rα复合物和Switch-2/IL-2Rα复合物结构的稳定性来寻找后者在酸性条件下更稳定的结构基础。他们认为IL2Rα的120位组氨酸的质子化损害了其与IL-2的38位精氨酸的结合，而Switch-2则结合位点附近存在37位的组氨酸，代替IL2Rα的120位组氨酸质子化从而加强了Switch-2/IL-2Rα复合物在酸性条件下的稳定性。

IL-2/IL-2Rα或Switch-2/IL-2Rα结合部位的相互作用

而利用IL-2和Switch-2，分别在pH 6.5和pH 7.5刺激预活化的CD8⁺T细胞中，也证明了Switch-2在酸性条件下具备更强的激活T细胞STAT5信号通路的功能。

此外，研究人员分别探究了IL-2和Switch-2在pH 6.5和pH 7.5刺激CD8⁺T细胞后的细胞因子分泌情况。他们发现IL-2在中性条件，而Switch-2则在酸性条件可以刺激T细胞大量分泌与效应功能相关的细胞因子，如IFN-γ等。

而通过基因集富集分析，研究人员再次证实了IL-2在pH 6.5条件下刺激CD8⁺T细胞激活和效应功能的基因表达能力下降以及Switch-2的镜像增强作用。

虽然IL-2和Switch-2在体外不同pH条件下增强CD8⁺T细胞的激活和效应功能已经被验证，但Switch-2能否在体内激活肿瘤部位T细胞仍然不得而知。

为此，研究人员分析了荷瘤小鼠不同部位的CD8⁺T细胞摄取IL-2或Switch-2的情况。结果显示，IL-2优先被外周血和肺中的IL-2Rα⁺CD8⁺T细胞摄取，而Switch-2则优先被肿瘤和肿瘤引流淋巴结（tdLNs）内的IL-2Rα⁺CD8⁺T细胞摄取。这些结果证实了Switch-2优先在酸性pH的组织环境中起效。

既然Switch-2的设计与制备是为了解决IL-2在酸性条件下对T细胞的刺激能力下降的问题，那么Switch-2的体内抗肿瘤疗效如何呢？

研究人员构建了MC38（小鼠结直肠癌），4T1（小鼠三阴乳腺癌）和B16-SIY三种肿瘤模型对此进行验证。结果不负众望，Switch-2显著抑制三种肿瘤的生长，并延长了小鼠的生存期。此外，对Switch-2治愈的MC38荷瘤小鼠进行MC38再接种，其完全免疫了MC38的生长，表明Switch-2可以诱导长效的抗肿瘤免疫记忆。

Switch-2在体内显著抑制多种肿瘤的进展

最后，为了探究Switch-2能否解决IL-2疗法全身毒性高的难题，研究人员对小鼠进行高剂量给药，他们发现高剂量IL-2诱导明显的肺水肿，而高剂量Switch-2引起的肺水肿和血管通透性显著减少。这些数据进一步表明，Switch-2偏好在体内酸性pH组织环境中激活，从而导致强大的抗肿瘤活性和弱的外周毒性。

Switch-2降低了IL-2引起的全身毒性

总的来说，该研究团队针对目前IL-2疗法存在的高剂量治疗疗效不佳和副作用大的科学性问题，设计制备了一种可以在酸性pH条件下高效运作的IL-2突变体蛋白（Switch-2），其可以在体内酸性pH组织环境中激活并诱导强大的抗肿瘤活性，从而显著抑制肿瘤进展。同时Switch-2可以降低IL-2高剂量疗法带来的全身毒性。

这不仅是对IL-2疗法的改善，这种pH敏感性似乎为其他细胞因子疗效的改善提供了参考的模板。该研究甚至为细胞外其他物理化学特征对健康和患病组织中细胞因子活性和功能的影响提供了基础。

参考文献：

[1] Esfahani K, Roudaia L, Buhlaiga N, Del Rincon SV, Papneja N, Miller WH Jr. A review of cancer immunotherapy: from the past, to the present, to the future. Curr Oncol. 2020;27(Suppl 2):S87-S97. doi:10.3747/co.27.5223

[2] Murciano-Goroff YR, Warner AB, Wolchok JD. The future of cancer immunotherapy: microenvironment-targeting combinations. Cell Res. 2020;30(6):507-519. doi:10.1038/s41422-020-0337-2

[3] Emens LA, Ascierto PA, Darcy PK, et al. Cancer immunotherapy: Opportunities and challenges in the rapidly evolving clinical landscape. Eur J Cancer. 2017;81:116-129. doi:10.1016/j.ejca.2017.01.035

[4] Rosenberg SA. IL-2: the first effective immunotherapy for human cancer. J Immunol. 2014;192(12):5451-5458. doi:10.4049/jimmunol.1490019

[5] Gaggero S, Martinez-Fabregas J, Cozzani A, et al. IL-2 is inactivated by the acidic pH environment of tumors enabling engineering of a pH-selective mutein. Sci Immunol. 2022;7(78):eade5686. doi:10.1126/sciimmunol.ade5686

[6] Corbet C, Feron O. Tumour acidosis: from the passenger to the driver's seat. Nat Rev Cancer. 2017;17(10):577-593. doi:10.1038/nrc.2017.77