罗 信 吴淑云 王凌云
(中山大学孙逸仙纪念医院消化内科,广州510120)
IL-15与肿瘤治疗的研究进展①
罗信吴淑云王凌云
(中山大学孙逸仙纪念医院消化内科,广州510120)
早在1994年,IL-15就被作为刺激T细胞复制的细胞因子被发现[1],IL-15属于4-螺旋束细胞因子家族,作为一种可溶性细胞因子,在NK细胞、T细胞和B细胞的复制和分化都起着重要作用[2]。而肿瘤的发生发展和转移的过程离不开淋巴细胞介导的免疫应答,IL-15增强T细胞分化增值和B细胞分泌抗体等特性,对于增强对肿瘤细胞的免疫应答起着关键作用。本课题组前期研究了胃癌组织中免疫反应的抑制受体PD-L1/PD-1的表达情况,这种抑制通路在T细胞激活的情况下激发,诱导淋巴细胞的免疫抑制功能[3],并且可能在肿瘤的免疫逃逸中起关键作用[4],而应用IL-15更可以在CD8+T细胞表面上调PD-1的表达,这相应地抑制了免疫反应的增强,我们设想通过阻断这一抑制受体通路来增强IL-15的效应,探究并分析其在肿瘤治疗中的作用、评估其作为协同治疗因子的价值。IL-15作为肿瘤治疗的前景因子近年来被用于肿瘤治疗的研究并取得进展,相关的多项Ⅰ、Ⅱ期临床试验(NCT01021059、NCT01337544等)已经完成,而且更多的研究正在开展中。就目前的荷瘤动物和人体上的研究而言,IL-15的应用价值已经贯穿了肿瘤治疗的前期预防、治疗作用和预后评估,本文就IL-15在这些方面的研究进展作一综述。
1IL-15及IL-15R的结构及信号通路
人源IL-15具有4-螺旋束结构,分子量为14-15 kD,含有114个氨基酸,主要在单核细胞和树突状细胞合成。其由单基因编码,定位于染色体4q31,含有8个外显子[2]。IL-15主要通过和IL-15R三聚体复合物结合发挥作用,其中的β链和IL-2Rβ相同而γ链则和IL-2、4、7、9、21的Rγ共用,这提示了这些细胞因子之间功能的相互联系。IL-15与在抗原提呈细胞上表达的高亲和力α受体结合并呈递到IL-2/15Rβγ二聚体。在生成细胞内,IL-15Rα与IL-15在内质网结合并经高尔基体传递到包膜,反式呈递到膜表达IL-2/15Rβγc的效应细胞,引起效应细胞内的通路激活。反式呈递是IL-15发挥功能的主要机制,此外还有IL-15Rα和IL-2/15Rβγc在同一个细胞膜上的顺式呈递方式等[5]。
IL-15与在抗原提呈细胞上表达的高亲和力α受体结合并呈递到IL-2/15Rβγ二聚体,然后可有三条通路被激活:JAK1/STAT3、JAK3/STAT5,STAT磷酸化后激活核内转录;募集Shc并激活Grb2,经过PI3K途径最终激活Akt,又或者绕过PI3K途径结合SOS并激活RAS-RAF,最终激活MAPK。以上的途径都向着一个方向:细胞的增殖和维持。总结起来就是:增生信号的增强——JAK/STAT,Ras/MAPK;凋亡信号的减弱——Bcl-2、Bcl-Xl(抗凋亡蛋白)的上调,Bim、Puma(促凋亡蛋白)的下调[6,7]。而在表达水平,IL-15的作用体现在其促进细胞毒性淋巴细胞(CTL)的和NK细胞的增生和活化的上,此外,IFN-γ、TNF-α分泌水平也有显著提升。见图1。
图1 IL-15的信号通路示意图Fig.1 Signaling pathway of IL-15Note: ①Trans-presentation of IL-15;②Intracelluler pathway of IL-15.
2IL-15用于筛查肿瘤、病情判断、评价预后
人源IL-15 mRNA可存在于许多组织和细胞中,组织有胎盘、骨骼肌、肺、肾、心等,细胞包括纤维母细胞、上皮细胞、角化细胞、神经细胞、单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞和肿瘤细胞等,但IL-15却仅在有限的几种细胞中分泌和表达,主要是树突状细胞、单核细胞、巨噬细胞。这种IL-15的mRNA和其表达不一致的现象可归因于上游的转录后检查点对翻译的抑制[6]。而对于肿瘤患者,这种IL-15在不同组织分布的不平衡性和相较于健康人的水平差异则有一定的诊断价值。在不同的肿瘤患者中,IL-15有不同的表达部位和水平。作为炎症因子的IL-15在多种肿瘤中呈高表达,多发性骨髓瘤恶性骨髓细胞表达IL-15R的全部三种亚基[8],皮肤T细胞淋巴瘤(CTCL)患者皮损和外周血T细胞表达IL-15mRNA和蛋白[9],大颗粒淋巴细胞(LGL)白血病患者血清有可溶性 IL-15Rα的升高、IL-2/15Rβγ的组成性表达和白血病细胞中存在膜型的IL-15[10]。
Porrata等[11]在50名非霍奇金淋巴瘤患者中检测并评估细胞因子谱,发现在病人自体外周血干细胞移植(APHSCT)后第15天IL-15≥76.5 pg/mL者拥有更高的总体生存率OS和更长的无进展生存期PFS,而多变量分析提示仅有NK-15(APHSCT第15天NK细胞水平)是生存率的预后因素,提示IL-15提高生存率的作用很可能与增强APHSCT后NK细胞的恢复有关。Thiant等[12]挑选40名完全缓解期的血液系统恶性肿瘤病人,都是骨髓抑制下的完全HLA配对(10/10)的骨髓移植,前瞻性地检测血浆IL-7 和IL-15水平,发现后续急性GVHD发生和分级都和14+天IL-7 和IL-15水平的增高有密切关系。恶性肿瘤的复发则和14+天的IL-15水平下降密切相关。Pratt等[13]研究造血细胞移植后的慢性GVHD也得出了相似的结论。
尽管较早前的研究表示在非血液恶性肿瘤中,IL-15在血清的平均表达水平和正常人无异[14],其对于实体肿瘤的预后评估甚至早期肿瘤筛查方面却被证实有意义。Zhou等[15]在队列研究中发现乙肝相关肝细胞癌术后患者在肝脏癌周组织中高水平的IL-2和IL-15与肝癌复发率的减少和生存期的延长高度相关,这提示以上细胞因子在病人的预后分组方面有重要意义。Mengus等[16]通过比较良性前列腺增生BPH和1到2c期早期前列腺癌PCA患者的血清细胞因子的表达和蛋白滴度发现IL-7和IL-15在早期PCA患者血清中表达的增加,提供了一种通过血清细胞因子滴度测定从良性增生中筛查出早期PCA的方法。
3肿瘤的治疗
应用于人类的研究目前已进行了重组人IL-15(rhIL-15)治疗和血液系统肿瘤的过继细胞治疗的Ⅰ、Ⅱ期临床试验阶段。rhIL-15具备成熟的制备技术,并且经荷瘤动物实验证实了其抗瘤效果[17]。在第一次人体上应用rhIL-15的Ⅰ期临床试验中,转移性肾癌和黑色素瘤患者上rhIL-15都能安全地应用,并且通过外周流式细胞术检测到显著的NK细胞和记忆CD8+T细胞增长,然而在超过 0.3 μg/kg 每天的大剂量疗法中检测到低血压、血小板减少和转氨酶升高的副反应,确定了可耐受的最大剂量值[18]。 而IL-15在荷瘤动物实验中则有多种应用形式,包括制备肿瘤疫苗、转染过继细胞、转染肿瘤细胞等,还有多种联合治疗方法,与单克隆抗体、化疗药物、细胞因子、免疫抑制剂等联合治疗。
3.1肿瘤疫苗肿瘤疫苗已在乳腺、前列腺、胰腺癌和白血病(细胞)上证实具有良好的抗肿瘤免疫效应,这些疫苗在提高肿瘤病人的生存时间上卓有功效。其中,Morris等[19]使用腺病毒载体构建了共表达IL-15和IL-15Rα的TRAMP-C2 前列腺癌细胞或者TS/A 乳腺癌细胞,在经丝裂霉素C处理后接种于小鼠,接受此疫苗平台接种小鼠在遭受肿瘤打击的时候可获得更高的生存率。而且,实验中NK细胞或者CD8+T细胞的耗竭使IL-15或IL-15Rα诱导的肿瘤抑制作用减弱,提示了两者在肿瘤抑制中的地位。
树突状细胞DC是人免疫系统的最典型的抗原提呈细胞,除了提呈肿瘤抗原外也被证明具有杀伤肿瘤的能力,这种多功能的特点使其成为肿瘤免疫治疗的新工具。Anguille等[20]以IL-15诱导单核细胞来源的DC并证明了其拥有除提呈肿瘤抗原能力外的杀瘤能力,当提供肿瘤抗原特异T细胞的情况下,培育的IL-15 DCs 可以诱导人类K562 肿瘤细胞系的凋亡。IL-15 DCs的细胞毒性主要由颗粒酶B及TRAIL(小范围内)介导,与穿孔蛋白、Fas配体、TNF-α则相独立。而Hira等[21]在转移性淋巴瘤的完整抗原的存在下构建了重组IL-15的DC,处理组的Kaplan Meier估计显示相比对照组获得更高的生存率。Gatza等[22]则认为IL-15不能增强对肿瘤的细胞免疫反应,并对提高接种疫苗小鼠荷瘤生存率没有显著作用,实验者把相反结论的获得归因于IL-15的协同增强免疫能力必须要在已有肿瘤特异的CD8+T细胞条件下发挥作用。
另一方面,一项针对黑色素瘤患者临床研究表明,缩氨酸负载的朗格汉斯细胞疫苗(LCs)相比其单核细胞来源树突状细胞(moDC)可生成更多的IL-15并在不施加外源性IL-15的情况下通过溶细胞IFN-γ原件激发更多的抗原特异淋巴细胞。低剂量的IL-15可使DCs在3、4周的时间内刺激生成5到6倍多的肿瘤抗原特异效应记忆T(EMRA)细胞,而IL-2可与IL-15在moDC刺激溶细胞T细胞作用中起协同作用[23]。
DC(或其来源的)疫苗注射后的NK细胞反应在抗瘤效应中起到重要作用,而且DC疫苗也在前期研究中被证明可以有效地激活NK细胞,因此Boudreau等[24]制备了感染VSV-DeltaM51的DC并证明使用toll样受体(TCR)和感染VSV-DeltaM51都可以诱导DC细胞成熟。研究中只有感染VSV-DeltaM51的DC具有抑制肿瘤的作用,而单纯TCR处理则不能抑制肿瘤,提示IFN I在DC抑制肿瘤中的重要作用,而通过感染IL-15-/-骨髓来源的DCs并使之和幼稚NK细胞共培养,并在共培养之前使用抗体封闭IL-15受体β链以确认,发现对于溶瘤NK细胞的激活来说DC产生的IL-15同样不可或缺。
3.2基因治疗免疫系统具有识别和清除肿瘤抗原的能力,但在肿瘤发生时免疫系统的反应往往作用不足,免疫系统的无能也正是肿瘤发生发展的因素之一。细胞因子如IL-2、IL-12、IL-15、IFN-γ和TNF-α等则具有不同的增强免疫效应的能力,因此这些细胞因子在肿瘤治疗策略中具有研究意义。但如果全身给药,在达到抗瘤效应的细胞因子浓度时,往往伴随着很多严重的副作用[25,26],而且IL-15作为一种人体自体分泌的因子,其半衰期短,而且其分子小的特点致肾脏清除率高,过去曾经使用过每天多次注射给药的方法,在方法上极其不便[27,28]。而在IL-15的作用机制上,IL-15信号通路必须经过一个结合IL-15Rα的反式递呈机制[29],因此单纯应用重组IL-15同样在肿瘤治疗上受限。细胞因子的基因治疗正好弥补了以上不足。基因治疗的靶向性特点使得药物浓度集中于靶点,而不会造成全身的毒副作用,在应用上有更广阔的天地。
IL-15转染细胞可以通过不同的载体得以实现。较早前在动物模型上有研究者运用了腺病毒载体表达IL-15基因,在小鼠肺癌模型并获得较好的效果。Liu等[30]构建了CCL20/IL-15 双顺反子腺病毒,并在小鼠模型体内外协同表达CCL20和IL-15,使淋巴细胞产生了肿瘤特异的杀伤T细胞,促进了IFN-γ的释放,并在动物模型中检测到肿瘤生长的减少。
然而由于腺病毒载体本身的毒性和所造成的炎症反应,对人的基因治疗则要另辟蹊径[31]。 安全性更优的病毒载体rAAV2得到了研究者们的关注[32,33]。Yu等[34]先用PCR扩增hIL15的EcoRⅠ和 BamHⅠ位点,然后把扩增的hIL15 cDNA 插入pAAV-MCS 的EcoRI和BamHⅠ之间,以生成pAAV-hIL15质粒,然后利用腺相关病毒包装系统(help-free system)制备rAAV2-hIL15载体并用于JC乳腺癌移植瘤,取得肿瘤发生和发展时间延迟和荷瘤小鼠生存时间的延长的效果[34]。到了2012年,同一课题组成员使用类似方法,制备rAAV-2-hIL15,并用于SV40 T/t 抗原诱导乳腺癌小鼠模型,增强LAK细胞杀伤活性并可同样延缓肿瘤细胞生长,并最终导致肿瘤细胞死亡[35]。对于肿瘤免疫治疗方面,在淋巴细胞删除的预处理下过继T细胞治疗已取得了重要进展[36,37]。而逆转录病毒转导则可以有效地增强转染的效率。Lv等[38]为了检测CD4+T细胞是否在肿瘤免疫起关键作用,使用逆转录病毒介导IL-15在Ova特异的CD4+T 细胞上的表达,并导致了抗原特异的CD4+T细胞选择性的扩增,并在活体上证实了抑瘤能力。
许多临床前期模型和临床试验(NCT00289016,NCT00028158等)表明溶瘤细胞病毒同样是一种安全的有效的肿瘤治疗方法,而水疱性口炎病毒(VSV)就其中的一种。Stephenson等[39]通过在VSV中插入高分泌型hIL-15以增强溶瘤细胞病毒的杀瘤毒性,被转染的CT-26肿瘤细胞局部表达IL-15明显增强,并导致抗瘤的T细胞反应增强和生存率的提高,而额外的全身性给与IL-15则不能提高疗效。
而非病毒载体则从根本上减少了免疫原性和引起的炎症反应。聚乙烯亚胺聚合物PEI能防止DNA降解,但却其细胞毒性却随着转染率的增高而上升,因此研究者们在给其转载上肝素,形成低细胞毒性的HPEI纳米凝胶,形成了有效非病毒基因转染系统,近年来此系统也被用于IL-15的基因转染。Zhou等[40]制备了纳米凝胶HPEI-pIL-15复合物并用于B16-F10 黑色素瘤和CT26结肠癌的肝脏转移瘤。获得肿瘤指数降低,血清中NK细胞、TNF-α和IFN-γ水平的升高,并可观测到淋巴细胞杀伤活性的增强。
3.3联合治疗IL-2,IL-15和 IL-7 都可以通过连接表达在NK细胞上的具有共同g链的多聚受体刺激细胞的激活、复制或者存活。而且它们也和NK细胞的分化相关。于是,Decot等[41]期望通过比较以上三种细胞因子单独或者联合应用,以探索最佳选择和剂量。他们通过CD3/CD19删除的方法培育删除B、T细胞的NK细胞,然后用不同剂量培养最终发现IL-2和IL-15的最适剂量,然而研究并没有支持相互之间的协同作用。而不单独分离NK细胞又是另一种情况,对于抗原激活的肿瘤引流淋巴结(DLN)淋巴细胞,Cha等[42]则发现IL-7/15联合应用比单独应用IL-2能使B/I激活的T细胞的复制加快加长,产生更高比例的CD8+T 细胞,更多中央记忆型T细胞,提升活体中抗4T1乳腺癌能力。此外亦有IL-2和IL-15在人肺腺癌上联合应用[43]。4-1BBL 作为共刺激分子TNF 超家族的成员,主要表达于活化的B 细胞、单核细胞、树突状细胞等抗原提呈细胞表面,Kermer等[44]构建了一个含有肿瘤特异重组抗体、连接有IL-15的IL-15Rα 链和4-1BBL胞外域的三功能聚合蛋白RD IL-15 scFv 4-1BBL,应用于黑色素瘤B16-FAP,B16wt,刺激了T细胞复制、PBMC的IFN-γ释放和激活T细胞杀伤活性,减少了肿瘤转移。然而最近的研究却发现了协同4-1BBL和IL-15的过继NK细胞疗法导致了移植物抗宿主病(GVHD)[45]。Yu等[46]在小鼠CT26结肠癌模型中使用IL-15联合PD-L1抗体和CTLA-4抗体,使CD8+T细胞表面PD-1表达显著下降,PD-1/PD-L1的负调节通路被阻断,使CTL杀伤活性增强,IFN-γ分泌增多,并减少了有免疫抑制功能的细胞因子IL-10的分泌,荷瘤动物获得更长的生存期和更少的肿瘤肺转移结节。通过阻断免疫负调节通路来增强IL-15免疫治疗效果的方法,为IL-15的联合治疗提供了新的角度。此外还有IL-15联合其他单克隆抗体、免疫抑制剂等[47,48]。
4IL-15治疗的安全性问题
IL-15基因治疗效果显著,但如果对其进行敲除使其在细胞内不表达,是否具有相反的效果呢?Gillgrass等[49]给了我们答案,他们分别设置了IL-15-/-,IL-15 转基因 (TG)和IL-15/IL-15Rα处理的C57BL/6小鼠注射乳腺癌细胞,发现缺乏IL-15的IL-15-/-小鼠在所有组中肿瘤转移指数最高,甚至高于NK细胞删除对照小组。 表达IL-15虽然能改善生存期和减少转移,但在体内过度表达则是另一种情况,过往研究表明其在体内的过表达则会直接导致血液系统的肿瘤发生[50-52], 这对IL-15在治疗安全方面又提出了新的问题。Sato等[53]使用人IL-15转基因的小鼠模型来研究IL-15的表达是否可致白血病发生,发现IL-15Rα对于侵袭性的淋巴细胞的复制是必须的。并且,研究者发现如果对该模型人为施予干预,使需要组成性持续表达IL-15Rα的CD8+T细胞具有选择优势并成为生成细胞,生长速度远大于其他淋巴细胞,则会形成一个白血病样的内环境。
大颗粒淋巴细胞(LGL)白血病已被证实可由IL-15的过表达而诱发[50,54,55]。Mishra等[56]发现了Myc介导下IL-15上调了极光激酶,导致了中心体反常和异倍体形成并通过诱导Myc/NF-kappaBp65/Hdac-1抑制miR-29b,导致Dnmt3b过表达和DNA的甲基化,阐明了过量IL-15致瘤的机制,并活体上证实了在IL-15培养下的野生型LGL过继转化可致恶变。
此外,IL-15的其他副作用包括诱导其他炎症因子、参与诱导自身免疫病的发生、诱导冠心病、血象中血红蛋白减少、中性粒细胞减少和体重下降等[5]。IL-15的安全性问题值得学者们关注并在研究中需要严格监测其副作用。
5展望
IL-15从20余年前发现至今以来研究逐渐深入并展现出在肿瘤治疗中的卓越前景,目前对其研究已涵盖了筛查、预防、检测、治疗、预后等方面,并已经在基础研究逐步向临床研究转化。重组人IL-15治疗已经进入了临床试验阶段应用,然而因为其固有的短半衰期和对人副作用甚至致癌的风险存在等问题,需要进一步的研究已明确其安全性和有效性。另一方面,基因治疗方面IL-15可转染于T细胞、NK/T细胞、DC细胞、肿瘤细胞等,可用于疫苗的诱导和制备、过继细胞疗法、肿瘤细胞的转染等。下一步的研究方向可以是提高基因转染效率、减少载体毒性和致病性、找寻更有效的协同因子等,为人体上的应用积累证据,并在临床前期实验充分的情况下向临床试验转化。此外,寻找其他疾病或者各种肿瘤预后判断和筛查与其之间的关系也同样值得研究者们去探索。
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[收稿2015-06-22修回2015-07-15]
(编辑许四平)
doi:10.3969/j.issn.1000-484X.2016.06.033
作者简介:罗信(1990年-),男,在读硕士,主要从事胃肠道肿瘤临床与基础研究,E-mail:lawsonlx@qq.com。 通讯作者及指导教师:王凌云(1969年-),女,博士,副主任医师,副教授,硕士生导师,主要从事胃肠道肿瘤临床与基础研究,E-mail:xzr020@aliyun.com。
中图分类号R730.51
文献标志码A
文章编号1000-484X(2016)06-0911-06
①本文受广东省科技计划项目(2012B031800362)资助。