针对IL-4/IL-4R信号通路的肿瘤治疗策略研究进展

李臣诚，徐寒梅，胡加亮

（中国药科大学 江苏省合成多肽药物发现与评价工程研究中心，江苏 南京 211198）

白细胞介素4（interleukin-4，IL-4）是一种多效免疫细胞因子，主要由活化Ⅱ型辅助性T细胞、嗜碱性粒细胞和肥大细胞产生。IL-4在T细胞、B细胞、单核细胞、内皮细胞和成纤维细胞中均有生物学活性。IL-4只有与位于靶细胞膜上的特异性受体结合才能发挥其生物学活性。常见的白细胞介素4受体（interleukin 4 receptor，IL-4R）有2种类型：Ⅰ型受体主要位于T细胞和自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）表面，由IL-4Rα亚基和γc亚基组成；Ⅱ型受体常见于各种实体瘤表面，由IL-4Rα亚基和白细胞介素13受体α1（interleukin-13 receptor α1，IL-13Rα1）亚基组成[1]。

IL-4在免疫系统中发挥重要作用，IL-4参与免疫细胞的存活、发育。IL-4控制B细胞存活、发育和成熟以及Ⅱ型辅助性T细胞的增殖分化；IL-4还可以将巨噬细胞诱导转变为活化的形式。

IL-4参与多种恶性肿瘤进程，尤其是胃癌、结肠癌、肝癌、肺癌、前列腺癌，这些癌症患者的死亡主要是由肿瘤细胞转移扩散造成[2]，而由Ⅱ型辅助性T细胞产生的IL-4可支持肿瘤生长，增强恶性上皮肿瘤细胞转移和侵袭能力，增强肿瘤代谢，促进转移性肿瘤的生长[3]。

除免疫系统和肿瘤以外，IL-4/IL-4R信号通路还参与哮喘、过敏和特异性皮炎等疾病进程。根据IL-4/IL-4R信号通路在转移性肿瘤中的作用，可以针对靶向IL-4/IL-4R信号通路开发新的肿瘤治疗方案。本文对近年来靶向IL-4/IL-4R信号通路的肿瘤治疗方案进行综述，以期为相关药物研发提供参考。

1 IL-4及IL-4R的表达和组成

IL-4的编码基因位于人第5号染色体上，由3个内含子和4个外显子组成，长度大约为10 kb。IL-4的相对分子质量约为15 000，成熟IL-4的长度为129个氨基酸，其前体为153个氨基酸[1]。正常机体内，IL-4主要由活化的单核细胞和T细胞产生，此外，嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞及部分淋巴细胞也可以合成和分泌少量IL-4（见表1）。

表 1 常见分泌IL-4的细胞Table 1 IL-4 secreting cells

在正常机体细胞中，IL-4R主要表达于T淋巴细胞、B淋巴细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞、内皮细胞、肺成纤维细胞、支气管上皮细胞和平滑肌细胞。研究证明，IL-4可以通过不同的受体产生生物学效应[13]。虽然大部分正常上皮细胞不表达IL-4R，但Ⅱ型IL-4R在很多实体瘤中过表达，例如胃癌、肺癌、肾癌、黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌和结肠癌等（见表2）。Ⅱ型IL-4R中含有一个IL-13Rα1亚基，虽然IL-4与Ⅱ型IL-4R亲和力大于IL-13[1]，但IL-13也可以与该受体结合，产生生物学效应。IL-13可以与气道上皮细胞表面Ⅱ型IL-4R中的IL-13Rα1亚基结合促使哮喘的发生[14]。现有数据表明，IL-4对于肿瘤迁移和侵袭有很强的促进作用，同时IL-4在乳腺癌、结肠癌等肿瘤的微环境中表现出上调的趋势[3]。同时，由于IL-4R在肿瘤细胞表面的过表达，因此可以将其作为抗肿瘤的靶分子设计药物。例如，IL4-PE38KDEL细胞毒素已被用于治疗转移性乳腺癌、肾癌和非小细胞肺癌的临床试验中[15]。

表 2 IL-4/IL-4R信号通路在不同肿瘤中的作用Table 2 The roles of IL-4/IL-4R signaling pathway in different types of tumors

2 IL-4/IL-4R信号通路

IL-4R自身无激酶活性，其生物学功能主要通过非受体型蛋白酪氨酸激酶（Janus kinase，JAK）家族蛋白激活产生。在IL-4与其受体结合后，细胞内JAK家族蛋白被激活，使蛋白发生磷酸化，激活下游信号通路。研究表明，IL-4Rα、γc和IL-13Rα1分别可以激活Janus激酶/信号传导及转录激活因子（JAK1、JAK3）和酪氨酸激酶2（tyrosine kinase 2，Tyk2）（见图1）。

图 1 IL-4/IL-4R信号通路图Figure 1 Schematic illustration of IL-4/IL-4R signal pathway

肿瘤细胞表面表达的IL-4R以Ⅱ型为主，所以JAK3相关信号通路在恶性上皮癌迁移和侵袭中作用不大；IL-4/IL-4R信号通路促进肿瘤转移主要是由JAK1、JAK2和Tyk2介导[1,25-26]。免疫细胞中，当IL-4与IL-4Rα结合后，JAK发生磷酸化，产生2种下游信号：1）IRS/PI3K/AKT途径；2）JAK/STAT6途径[27]。STAT6是转录因子，可被JAK进一步磷酸化，形成STAT6同型二聚体，促进IL-4和IL-13转录。同时，IL-4被证实可激活T细胞中mTOR以控制细胞分化。研究表明，IL-4激活AKT、ERK和mTOR可以在体外增强鼠乳腺癌细胞定植，并且IL-4Rα的表达与乳腺癌肺转移中STAT6、AKT和ERK活化增加有关[27]。这些结果表明：IL-4/IL-4R信号通路及其下游蛋白可以作为抑制肿瘤转移的靶标。

3 基于IL-4/IL-4R信号通路的肿瘤治疗策略

IL-4R与肿瘤、哮喘、过敏和特异性皮炎均有很大关系，本文将以肿瘤为例，介绍基于IL-4/IL-4R信号通路的治疗策略，这些策略在其他几种疾病中同样适用。

3.1 减少游离的IL-4

该策略直接作用于IL-4，通过中和IL-4以降低或阻断IL-4/IL4R信号通路产生的生物学效应，具体有以下几种策略：1）重组IL-4R片段中和IL-4；2）IL-4抗体中和IL-4；3）减少IL-4表达。

IL-4/IL-4R信号通路促进哮喘发生，因此使用雾化吸入可溶性人重组IL-4R的治疗方案，通过吸入可溶性受体中和IL-4从而达到治疗哮喘的目的。altrakincept是用于治疗哮喘的可溶性重组IL-4R[28]，目前已完成了Ⅱ期临床试验。2001年，葛兰素史克公司针对哮喘设计了一种抗IL-4抗体pascolizumab，希望通过该抗体中和体内IL-4以达到缓解哮喘的目的，虽然前期临床试验未能达到预期效果，但改进后的临床试验正在新加坡进行[29]。

IL-4具有物种特异性，20世纪开发的针对小鼠IL-4的中和抗体11B11对小鼠肿瘤转移有明显的抑制作用。使用该抗体治疗后，可以显著降低MMTVPyMT小鼠肺转移肿瘤负荷，且治疗效果明显优于IL-4Rα全部敲除的小鼠。实验结果表明：这主要是由于CD4+T细胞产生的IL-4被中和，从而阻止了促进转移生长的TAM活化[30]。

同样，IL-4敲除小鼠尾静脉注射4T1乳腺癌细胞，由于小鼠缺乏IL-4，可以观察到乳腺癌肺转移明显减少。在相同的研究中，如果将IL-4Rα敲除的4T1细胞[31]，通过尾静脉注射进入正常小鼠体内，可以发现乳腺癌肺转移也明显减少，由此可以确定IL-4/IL-4R在肿瘤转移和侵袭中具有重要意义。因此靶向IL-4也成为抗肿瘤治疗的一个新靶点，可以针对人IL-4设计其中和抗体或重组受体用于中和肿瘤微环境中的IL-4，以达到治疗肿瘤的目的。但需要注意的是，使用抗IL-4抗体可能会导致IL-4在体内半衰期延长，从而增强其生物学效应，因此在设计抗体时需要注意靶位的选择。

黄酮类化合物可以抑制IL-4和IL-13合成，对45种黄酮的研究显示了它们可以作为IL-4表达抑制剂。研究发现：黄酮醇及其相关化合物，如木犀草素和芹菜素是IL-4活性抑制剂，芹菜素的IC50为2.5 mmol · L-1。这种类黄酮的抑制活性可能是通过下调IL-4、IL-13和CD40配体的mRNA表达而产生[32]。已有实验证明，芹菜素对肝癌具有很好的治疗作用[33]。

由此可见，减少游离IL-4的肿瘤治疗方案是安全、可行的，为肿瘤的治疗方案提供了一种新选择。

3.2 阻断IL-4与IL-4R的结合

IL-4R有2种类型，利用IL-4/IL-4R信号通路为靶点治疗疾病时，主要是针对Ⅱ型受体，因此，这里只讨论Ⅱ型受体，即由IL-4Rα与IL-13Rα1组成的受体。如果阻断IL-4和IL-13与Ⅱ型受体结合，就可以阻断IL-4/IL-4R信号通路，这也是一个具有前景的治疗策略，具体主要有以下几种阻断策略：1）使用抗IL-4Rα抗体封闭受体；2）对IL-4进行定点突变，产生无生物学活性的IL-4突变体与IL-4竞争结合IL-4R；3）抑制IL-4Rα表达。

针对不同疾病抗IL-4Rα单克隆抗体表现出不同的治疗效果，人源化抗IL-4Rα抗体AMG317在哮喘患者参与的临床试验中未表现出预期结果，但另一种人源化抗IL-4Rα抗体dupilumab在治疗特异性皮炎方面表现出很好的治疗效果。目前该抗体已完成Ⅲ期临床试验[34]，且疗效显著。虽然以上2种抗体未用于肿瘤治疗，但临床试验正在验证其安全性，故未来适应证可以考虑肿瘤。

有研究者对IL-4进行修饰或定点突变，产生无生物学活性的IL-4类似物，用于竞争结合IL-4R，进而降低或消除通过该信号通路产生的生物学效应。有研究者通过置换121和124位的氨基酸（121位精氨酸置换为天冬氨酸、124位酪氨酸置换为天冬氨酸），产生无生物学活性的IL-4突变体，称为pitrakinra（IL-4DM），也称IL-4双突变体，将其作为IL-4Rα的拮抗剂，目前已完成其针对哮喘的Ⅲ期临床试验，结果发现吸入给药方式比静脉注射给药方式更有效[35]。除了前面提到的双突变体IL-4DM，还有单突变体IL-4类似物，例如仅在12位进行突变的突变体，该突变体不具有选择性，对Ⅰ型和Ⅱ型受体均可以拮抗[36]。IL-4DM用于结肠癌异种移植模型治疗时，研究人员发现其可以很明显地减轻人结肠癌迁移和侵袭。

目前已有针对IL-4特异性位点突变体与假单胞菌外毒素（pseudomonas exotoxin，PE）偶联的相关研究。为了实现偶联，需要制备不同位点突变体，目前所选取的位置主要是28、38、68、70、97或105位的氨基酸残基，其被单个半胱氨酸取代后，再与PE的35位氨基酸偶联[37]。这种偶联方案最大限度地保存了IL-4类似物的结构特征，使IL-4类似物能与受体特异性结合而不产生生物学活性，再通过分子中的PE产生生物学活性。除了通过与PE的偶联，IL-4DM还可以与聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）偶联[38]，通过在28、36、37、104、105或106位用半胱氨酸取代后偶联，这样的处理方式不仅保证了偶联物的生物活性，还降低其免疫原性，增加药物代谢的半衰期，为后期的药物开发提供帮助[37]。目前，IL4-PE38KDEL细胞毒素正在进行有关转移性乳腺癌、肾癌和非小细胞肺癌治疗的临床试验，并取得良好效果[15]。

与突变IL-4方法相似，有研究表明对IL-4进行化学修饰，可以降低其与受体结合的能力，减少IL-4/IL-4R信号通路的激活，减少由IL-4引发的生物学效应[39]。目前该策略有2种常见方法：1）利用二硫键将IL-4与硫醇连接，使IL-4构象发生改变；2）利用马来酰亚胺衍生物修饰半胱氨酸突变蛋白产生马来酰亚胺缀合物。这2种修饰可以显著降低修饰后IL-4的生物学活性[39]。除上述IL-4R单克隆抗体和IL-4突变体，还可以根据IL-4R的特点设计小分子多肽与IL-4进行特异性竞争IL-4R。

目前已开发出一种反义药物AIR645，靶向编码IL-4Rα的mRNA，降低IL-4Rα的表达，从而减少IL-4、IL-13与IL-4R的结合，充当IL-4和IL-13的双重抑制剂。AIR645通过减少mRNA降低IL-4R表达，并下调肺部炎症和气道高反应性中细胞因子的产生[40]。

以上阻断策略理论上均可以抑制肿瘤细胞，目前临床试验结果可见，以上阻断方案对人体均无较大不良反应，但在实际设计过程中仍需要考虑对正常免疫细胞的抑制作用。

3.3 阻断IL-4/IL-4R信号转导

JAK和STAT6是IL-4/IL-4R信号通路的下游效应蛋白，因此可以选择这2种蛋白作为靶点开发抑制剂[41]。目前已有用于治疗哮喘和其他疾病的JAK抑制剂，这些抑制剂正在被开发用于不同适应证。美国FDA已批准用于骨髓瘤的JAK1/JAK2抑制剂ruxolitinib进行针对其他肿瘤的临床试验[42]。但由于JAK参与的信号途径较多，因此靶向JAK可能会造成对某些其他信号通路的影响[43]。

虽然STAT6信号通路的研究尚不完全明确，但已有研究表明STAT6是IL-4信号通路的下游蛋白，STAT6的活化促进肿瘤细胞的迁移和侵袭，增强上皮细胞抗凋亡能力，因此STAT6是具有应用前景的IL-4/IL-4R信号通路抑制靶点[41]。目前临床上已有多种STAT6抑制剂用于各种疾病的治疗，例如来氟米特主要抑制嘧啶合成和酪氨酸激酶，伏立诺他抑制组蛋白脱乙酰酶。虽然STAT6抑制剂可以作为抗肿瘤转移药物，但当抑制STAT6时，其他蛋白包括AKT、ERK和mTOR在内的由IL-4R激活的替代信号途径仍有可能促进肿瘤的生长和转移[3]。此外，STAT6抑制剂也会导致免疫细胞和非免疫细胞中IL-4和IL-13的信号转导减弱。

3.4 选择性抑制Ⅱ型IL-4R

前文已提到不同IL-4R是由不同种类亚基组成，因此可以选择性抑制参与肿瘤迁移过程的Ⅱ型受体。2008年，有报道明确了IL-4R的细胞外结构，研究表明当IL-4与IL-4R结合时，IL-4位于IL-4Rα和另一个亚基之间，且与第2个亚基也存在相互作用[1]。2014年，通过荧光相互作用光谱法发现IL-4与IL-4Rα亲和力很高，然后再与第2个亚基以较低的亲和力作用，只有当IL-4与2个亚基都作用时才会产生生物学效应，因此可以改造IL-4与第2个亚基结合位点，从而改变IL-4与第2个亚基结合的能力[16]。Junttila等[44]通过修饰与IL-13Rα1结合的3个重要氨基酸残基和与γc结合的螺旋中的残基来增加亲和力。在人类肺癌A549中，改造后的超级IL-4诱导下游STAT6磷酸化程度比未改造前的IL-4高3 ～ 10倍，由此可见，改造后的超级IL-4亲和力更高。基于该实验结果，Medicenna Therapeutics公司通过将改造的IL-4基因连接到产生促凋亡蛋白载体中，使其可以产生超级IL-4与促凋亡蛋白融合蛋白，以促进过度表达IL-4R的肿瘤细胞产生凋亡。但这些设计均处于早期发现阶段，还在进行前期可行性研究，例如MDNA57用于表达Ⅱ型IL-4R的实体肿瘤，均具有良好的实验结果[45]（见表3）。

3.5 靶向肿瘤微环境的治疗策略

如上所述，中和肿瘤微环境中IL-4可以减弱肿瘤细胞的转移。在表达Ⅰ型IL-4R的血液瘤细胞中，抑制IL-4/IL-4R可以明显减少肿瘤转移[30]。

肿瘤微环境中可以响应IL-4且表达IL-4R的细胞主要是TAM和MDSC，且MDSC也可以产生IL-4，通过旁分泌的方式调节自身和周围肿瘤细胞活性[44]。因此，TAM和MDSC在促进肿瘤生长、血管生成和转移以及抑制抗肿瘤免疫应答方面具有很重要的作用。最近，针对TAM和MDSC的纳米配体分子的研究显示出其诱导凋亡的能力且可以缓解4T1肿瘤进展[46]。该项研究主要通过抑制肿瘤微环境中的TAM和MDSC，从而减少IL-4产生，进而实现对于表达Ⅱ型IL-4R的肿瘤的治疗效果。

随着对IL-4/IL-4R信号通路在肿瘤细胞中作用机制的深入研究，目前有多种针对IL-4/IL-4R信号通路治疗肿瘤的策略出现，包括ruxolitinib、IL4-PE38KDEL等（见表3）。

4 结语与展望

研究表明，IL-4R除了在免疫系统中具有很重要的调节作用，在恶性肿瘤细胞中的异常表达促进了肿瘤转移。因此，IL-4/IL-4R信号通路可以直接作为抑制肿瘤转移的治疗靶点。恶性上皮癌细胞中IL-4R对细胞迁移和侵袭具有很重要的作用，利用该信号通路治疗肿瘤的同时，需要注意靶向IL-4或IL-4R用于减弱肿瘤细胞侵袭的治疗策略是否会影响到正常的机体功能。

由于IL-4/IL-4R信号通路在哮喘、过敏和特异性皮炎中的作用，美国FDA已批准多种靶向IL-4/IL-4R信号通路的治疗产品，例如STAT6抑制剂、IL-4中和抗体和IL-4Ra拮抗剂。但是这些治疗策略均会抑制造血细胞上的Ⅰ型受体产生的信号和骨髓细胞上Ⅱ型受体产生的信号。因此设计出专一靶向Ⅱ型IL-4R的活性分子十分重要，即可以专一性作用于表达Ⅱ型受体的细胞。目前由Medicenna Therapeutics公司开发的MDNA57即是按照该思路设计。

目前研究表明IL-4/IL-4R信号通路在促进肿瘤转移中占有重要作用。如前所述利用单克隆抗体中和IL-4可以降低乳腺癌肺转移，敲除小鼠IL-4同样可以降低乳腺癌肺转移也证明了这一点。早期研究表明，肿瘤微环境中TAM和MDSC可以产生IL-4，对于肿瘤转移有促进作用。因此，根据以上研究结果可详细了解到IL-4在免疫系统和肿瘤中的作用，为相关研究人员设计相应的作用分子提供了参考。

目前研究显示，Ⅱ型IL-4R受体主要表达于上皮肿瘤细胞表面和肿瘤微环境细胞中，这些细胞均具有促进肿瘤转移的作用，因此设计针对Ⅱ型IL-4R的分子理论上可以抑制肿瘤转移。但由于Ⅱ型受体还含有一个IL-13Rα1亚基，在封闭Ⅱ型IL-4R过程中IL-13/IL-13Rα1信号通路可能会受影响。由于IL-13在某些原发性肿瘤患者外周血中表达上调，所以虽然目前关于IL-13信号转导研究尚未完全阐明，但从已有资料推测IL-13在促进上皮癌转移方面的能力是有限的[47]。因此，目前的主要工作是要深入了解上皮肿瘤细胞和表达Ⅰ型或Ⅱ型IL-4R的肿瘤微环境细胞在使用IL-4/IL-4R信号通路抑制剂过程中的相互作用，同时还要加强对IL-13信号通路的研究。

表 3 针对IL-4/IL-4R信号通路的药物Table 3 Drugs targeting IL-4/IL-4R signaling pathway