生物治疗在重症哮喘中的应用现状和前景

张艳培 黄楠 彭君 符筱 李嘉 董航明

1南方医科大学第一临床医学院,广州510515;2南方医科大学南方医院呼吸与危重症医学科,广州510515

重症支气管哮喘 (哮喘)是指在过去的一年中,需要使用全球哮喘防治创议[1]建议的第4级或第5级哮喘药物治疗,才能够维持控制或即使在上述治疗下仍表现为 “未控制”的难治性哮喘,是急诊内科常见疾病之一。重症哮喘患者常表现有激素抵抗的特点,一度让以高剂量吸入型糖皮质激素为主的重症哮喘治疗方案陷入瓶颈。由于生物治疗药物直接针对哮喘发病的免疫机制,靶向哮喘发作的关键分子,生物治疗日益成为治疗重症哮喘的新星。

重症哮喘根据Th2细胞水平和2型固有淋巴样细胞的活性而分为高T2哮喘和低T2哮喘。目前,靶向高T2哮喘的生物治疗药物种类繁多,部分药物在临床取得了不错的治疗效果,而针对低T2 哮喘的生物治疗药物依然屈指可数,亟待进一步研究发展。本综述将围绕靶向高T2 重症哮喘、低T2 重症哮喘的生物治疗药物以及基因治疗、疫苗,聚焦于生物治疗在重症哮喘中的应用现状和前景,以期对重症哮喘的治疗提供参考。

1 靶向高T2重症哮喘

高T2哮喘以嗜酸粒细胞炎症为主要特征,伴有T2型细胞因子水平 (如IL-4、IL-13、IL-5)显著增高。靶向高T2重症哮喘的生物治疗药物可以分为针对上游分子和下游分子两大类。

1·1 针对上游分子

1·1·1 GATA 结合蛋白3 (GATA binding protein 3,GATA-3) 转录因子GATA-3是Th2免疫激活途径的重要上游转录因子,在刺激T 细胞激活分化,调控Th2细胞因子的表达中起重要作用,哮喘受试者T 细胞GATA-3表达水平是正常人的5倍[2]。有动物实验表明,GATA-3可通过抑制IL-12R/信号转导及转录激活蛋白4 (signal transducer and activator of transcription 4,STAT4)信号转导[3],阻断转化生长因子β1 (transforming growth factor-β1,TGF-β1)来抑制Th1驱动转录因子T-bet,从而直接抑制小鼠中Th1 细胞的发育和激活,导致气道Th1/Th2细胞因子的平衡向Th2偏移[4]。目前已经研发出一种GATA-3特异性DNA 酶 (SB010),该酶能够渗透到细胞内部[5],通过干扰m RNA 表达水平精准地调控GATA-3[6]。一项关于轻度哮喘的临床试验中,SB010 治疗组早期哮喘反应减弱了11%,而安慰剂组早期反应增加了10%。与安慰剂组相比,SB010治疗显著改善了吸入变应原后早期和晚期哮喘反应中的肺功能,最明显的是第1秒用力呼气容积 (forced expiratory volume in the first second,FEV1)改善。但SB010对重症哮喘患者是否有效还需进一步验证[7]。

1·1·2 胸腺基质淋巴细胞生成素 (thymic stromal lymphopoietin,TSLP) TSLP是上皮细胞起源的细胞因子,在促炎因子的刺激下产生,是炎症通路中的上游靶点分子,在2型免疫中发挥重要作用。TSLP 激活的树突状细胞可以刺激初始T 细胞向Th2细胞增殖分化,诱导产生经典Th2型细胞因子 (IL-4、IL-5和IL-13)以及大量的肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)[8]。Tezepelumab (AMG 157/MEDI9929)是一种人源性的TSLP单克隆抗体,体外实验证明其重链可变区结构域与TSLP的关键区域结合,阻碍了TSLP与受体TSLPR 的结合,从而抑制了树突状细胞的成熟和CCL17 的产生[9]。Corren等[10]研究发现,Tezepelumab不仅可以显著地降低哮喘急性发作的次数,还可以降低血液中嗜酸粒细胞计数、呼出气一氧化氮 (fractional exhaled nitric oxide,FeNO)水平和血清总IgE,且这种效果与基线血嗜酸粒细胞计数和Th2 状态无关,这也提示Tezepelumab 可同时应用于Th2和非Th2型重症哮喘[11]。与Tezepelumab有关的严重不良事件包括肺炎、卒中、感染性多发性神经根炎。目前,仍有不少评估Tezepelumab治疗重症哮喘的安全性、耐受性和有效性的临床试验在进行。

TSLP存在两种亚型——长链TSLP (lf TSLP)和短链TSLP(sf TSLP),lf TSLP 含有159 个氨基酸,sf TSLP 的C-端位点有63个氨基酸与长链异构体相同。在正常人体支气管上皮细胞中存在两个TSLP 剪切变异体,并且在聚肌苷酸-聚肌苷酸的作用下,lf TSLP 表达上调[12]。体外实验证明,sf TSLP可抑制多种细胞因子的产生,而在混合淋巴细胞反应中,lf TSLP 可促进干扰素γ的分泌[13]。有研究报道,lf TSLP参与屋尘螨诱导的哮喘气道上皮屏障作用破坏,而sf TSLP 则起保护作用[8]。抑制lf TSLP 同时保留sf TSLP的生物学功能将会是防治重症哮喘的新策略,研发抗lf TSLP单克隆抗体以寻求效果更佳、特异性更强、不良反应更小的生物制剂具有十分重要的临床意义。

1·1·3 IL-33和IL-25 IL-33和IL-25也是上皮起源的警报素细胞因子。IL-33是IL-1细胞因子家族的成员,研究表明哮喘患者体内IL-33的表达水平高于健康人[14]。一项Ⅱb期临床研究证明,etokimab (IL-33单克隆抗体)可缓解因花生过敏所致的哮喘发作,并减少变态反应相关的不良事件[15]。IL-25 (又叫做IL-17E)属于IL-17细胞因子家族,在过敏性气道炎症反应中高表达,选择性地促进Th2细胞反应而促进哮喘进展[16]。关于阻断IL-33、IL-25及其相关受体以治疗重症哮喘的研究目前依然空白,具有广阔的临床研究前景。

1·2 针对下游分子

1·2·1 Ig E 外源性变应原进入机体后,激活B淋巴细胞并合成特异性IgE,IgE结合于肥大细胞和嗜碱粒细胞表面的高亲和力IgE 受体,使细胞释放组胺、前列腺素D、白三烯、活性神经肽等多种炎性介质,诱导产生哮喘的临床症状。抗IgE 治疗的主要靶点是循环 (游离)Ig E,阻断Ig E可以减轻气道炎症反应。Omalizumab 是一种Ig E 抗体,于2003年获美国食品和药物管理局 (Food and Drug Administration,FDA)批准上市。一项4 期临床试验(XPORT)显示,Omalizumab长期治疗可持续改善症状控制并降低恶化风险[17]。一项Meta分析显示,重症过敏性哮喘患者经Omalizumab治疗后FEV1显著改善,生活质量提高,哮喘恶化次数减少[18]。据2019 ERS/ATS 指南建议:考虑使用嗜酸粒细胞计数 (≥260 个/μl)和FeNO(≥19.5 ppb)作为生物指标,以鉴定IgE 治疗的潜在获益人群[19],但Casale等[20]研究显示生物指标的状态并没有很大程度上影响Omalizumab改善病情加重率、减少住院时间和改善ACT 评分的功效。在Casale等[20]的研究中,青少年和成年人的严重不良反应发生率均为11.2%。最常见的严重不良反应依次为哮喘 (3.2%)、肺炎 (1.4%)、COPD (0.5%)、过敏反应 (0.5%)、肺栓塞和哮喘持续状态 (0.4%)[17]。抗IgE 治疗的药物还有Lumiliximab、Ligelizumab 和 Monoclonal antibody-12,仍然处于研究状态[21]。

1·2·2 IL-5及其受体 IL-5主要由Th2细胞分泌,在嗜酸粒细胞的分化、成熟、黏附、浸润和凋亡过程中发挥极其重要的作用。IL-5与嗜酸粒细胞上的IL-5受体α亚基结合,促进其βγ亚基的异二聚化,激活Lyn、Syk 和JAK2激酶并通过Ras/MAPK 和JAK/STAT 两条信号转导途径促进主导分化、存活、脱粒、黏附和募集等生物学过程的关键基因的表达,由此加剧嗜酸粒细胞气道炎症。目前有两种干预策略可用于调节IL-5和嗜酸粒细胞参与的哮喘和气道炎症,一种方法是针对细胞因子IL-5 的单克隆抗体,另一种是针对其受体的单克隆抗体[22]。

Mepolizumab是一种抗IL-5的人源化单克隆抗体,可阻断IL-5与嗜酸粒细胞表面上IL-5受体α链的相互作用,于2015年11月获FDA 批准上市。一项Ⅲ期临床试验的结果表明,高T2 哮喘患者在维持糖皮质激素治疗的同时,应用Mepolizumab治疗可以降低恶化率,提高患者肺功能及生活质量,降低患者口服糖皮质激素的日常用药量[23]。Ortega等[24]研究发现Mepolizumab能减少重症哮喘患者急性加重次数,改善肺功能,且皮下注射比静脉注射效果更为明显,Mepolizumab的常见不良事件有头痛、胸痛、面部潮红、勃起或射精功能障碍等,严重不良事件有脑血管疾病、哮喘加重和胃肠道紊乱等。Reslizumab 也是一种IL-5单克隆抗体,于2016获批上市,作为附加疗法用于年龄≥18岁高T2 重症哮喘患者的维持治疗[25]。Sahota和Robinson[26]报道,Reslizumab能将恶化率降低50%,同时能改善患者肺功能,使哮喘得到控制,生活质量得到改善。Reslizumab的耐受性良好,不良反应较轻微,最常见的不良反应包括哮喘症状恶化、头痛、鼻窦炎、上呼吸道感染和疲劳,发生率与安慰剂相近[25]。

Benralizumab是一种高亲和力、无补体结合的人源化单克隆抗体 (IgG1),通过结合嗜酸粒细胞表面IL-5 受体的α亚基 (IL-5Rα)来阻断IL-5的作用,能直接消耗嗜酸粒细胞[27]。Benralizumab 于2017 年获得FDA 批准上市,用于12岁及以上具有嗜酸性表型的重度哮喘患者的附加维持治疗。Bleecker等[28]和FitzGerald等[29]的两项以重度嗜酸粒细胞性哮喘患者为目标人群的实验分别表明,与安慰剂相比,Benralizumab能使哮喘急性发作减少45%～51%,FEV1也得到显著改善。Benralizumab能够使重度哮喘患者在减少或停止使用口服糖皮质激素药物的同时控制哮喘症状。在接受Benralizumab治疗的患者中,最常见的不良反应有血管性水肿、荨麻疹、皮疹、头痛、恶心、注射部位反应等,其中大多数不良反应均为轻至中度[30]。

1·2·3 IL-4受体和IL-13 IL-4和IL-13是两种相似的细胞因子,它们与2 型IL-4 受体 [IL-4R,由IL-13 受体(IL-13R)α1 和IL-4Rα 组成]的结合会磷酸化并激活STAT6,后者会二聚化并转运至细胞核,诱导GATA3的表达,从而促进哮喘中多种具有促炎功能的2型细胞因子的表达[31]。此外,IL-4和IL-13可以激活B 细胞,并促进免疫球蛋白转变为IgE 类蛋白,并且IL-4和IL-13还能增强平滑肌的收缩力[32]。

Dupilumab是一种完全人源化的抗IL-4Rα 单克隆抗体,能够阻断IL-4和IL-13信号通路。一项Ⅱ期临床试验评估结果显示,Dupilumab可使哮喘急性发作率显著降低87%,使FEV1增加200 ml以上,并且还增强了早晨峰呼气流量[33]。此外,Dupilumab显著降低FeNO 水平、血液中的IgE、eotaxin-3 和胸腺浓度以及激活调节趋化因子。Busse等[34]的Ⅲ期试验显示,使用Dupilumab治疗的青少年和成年人中、重度哮喘患者的严重急性发作率降低,FEV1升高,并且生活质量得到改善。Dupilumab最常见的严重不良事件是肺炎,还需要进行大量研究以确定Dupilumab的长期安全性和耐受性。如果Dupilumab的疗效和耐受性得到确认,那么对于标准治疗无法充分控制的重度哮喘患者,或者选择性耐药的哮喘患者可能会从这种治疗中受益。

Lebrikizumab是一种靶向IL-13 的单克隆抗体,其在Ⅱ期试验中显示,与安慰剂相比,哮喘患者的FEV1改善,并且血清骨膜素水平较高患者的FEV1表现出更大的改善[35]。然而,随后的两项Ⅲ期研究LavoltaⅠ和LavoltaⅡ显示Lebrikizumab并未能显著改善肺功能或显著缓解哮喘急性发作[36]。Tralokinumab 是另一种IL-13 的单克隆抗体,由于STRATOS 1和STRATOS 2两项临床试验均显示Tralokinumab相较于安慰剂组并不能显著降低哮喘年加重率,Tralokinumab 在哮喘适应证上的发展随即被停止[37-38]。目前,靶向IL-13的拮抗剂主要针对IL-13α1受体(IL-13Rα1),而IL-13α2 受体 (IL-13Rα2)也可能参与调节IL-13活性,从而影响IL-13信号转导通路,并且此信号转导可能参与纤维化的病理过程,拮抗IL-13Rα2可能成为今后控制哮喘的新靶点[31]。

1·2·4 Th2 细胞上表达的趋化性受体-同源分子(chemoattractant receptor-homologous molecule expressed on Th2 cells,CRTH2) CRTH2也称为D 类前列腺素受体2 (D prostaglandin receptor 2,DP2),是结合前列腺素D2的G 蛋白耦联受体,参与了过敏性和嗜酸性炎症反应。在重症哮喘患者体内观察到前列腺素D2和CRTH2反应增强[39]。Fevipiprant(QAW039)是口服的CRTH2拮抗剂,主要适用于嗜酸粒细胞性哮喘,一项Ⅱ期临床研究的亚组分析表明,Fevipiprant可改善气流受限哮喘患者 (FEV1<70%)的肺功能并提高哮喘控制率[40]。与安慰剂相比,Fevipiprant可以显著减少轻至重度哮喘患者痰液和支气管黏膜下层的嗜酸粒细胞计数[41],减轻上皮损伤和气道平滑肌的质量[42]。两项关于Fevipiprant治疗重症哮喘的安全性和有效性的Ⅲ期临床试验 (LUSTER 1 和2)均观察到Fevipiprant可一定程度上降低哮喘加重率[43]。GB001是另一种充满前景的DP2拮抗剂,一项Ⅱa期临床试验证实了其能有效延缓哮喘加重的症状,改善哮喘控制指标 (包括哮喘控制问卷得分、无哮喘症状天数百分比和无治疗天数百分比)[44]。

2 靶向低T2重症哮喘

低T2重症哮喘患者体内有Th1细胞和/或Th17细胞的激活及其相关细胞因子 (如干扰素γ和IL-17)的释放,因此以中性粒细胞炎症为主要特征。靶向低T2 重症哮喘的生物治疗药物主要聚焦于TNF-α及其受体、IL-17受体、Th17通路、CXC 型趋化因子受体2 (C-X-C chemokine receptor type 2,CXCR2)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GMCSF)等。

2·1 TNF-α及其受体 TNF-α是哮喘发病过程中重要的促炎因子。在重症哮喘患者的诱导痰和支气管肺泡灌洗液中可发现TNF-α水平升高,肺泡巨噬细胞、肥大细胞和支气管上皮细胞中TNF-α表达上调[45]。TNF-α可以诱导多种气道上皮细胞基因表达,包括细胞因子 (IL-5、IL-6、IL-8、粒细胞集落刺激因子、GM-CSF)、趋化因子(eotaxin、MCP-1、RANTES)、黏附分子、细胞外基质糖蛋白、神经肽 (内皮素1)、黏蛋白 (MUC-1、MUC-2、MUC-5AC)和胞浆型磷脂酶A2[46],且TNF-α还可以增加激活的嗜酸粒细胞与呼吸道上皮细胞培养的黏附,促进中性粒细胞的趋化、黏附及其经内皮和经上皮的迁移[47]。目前有3 种商用生物制剂可抑制TNF-α:Etanercept、Infliximab和Adalimumab。但使用TNF-α抑制剂可能会使患者更容易受到严重和危及生命的感染,结核病复发和乙型肝炎复发的风险也会增加。并且有报道称Etanercept会诱导心力衰竭[48],甚至具有致癌潜能[49]。一项涉及Infliximab和Adalimumab的荟萃分析显示,使用这些药物治疗的患者患淋巴增殖性疾病和恶性肿瘤的风险增加[50],并且一些用TNF-α拮抗剂治疗的患者已发展成多发性硬化[51]。由于其不良反应,最终终止了针对重症哮喘的TNF-α导向疗法的发展。

2·2 Th17通路 Th17细胞介导中性粒细胞浸润和激素抵抗,常常与重症哮喘有紧密联系。在TGF-β、IL-6、IL-1β和IL-23的刺激下,幼稚T 细胞内的信号转导及转录激活蛋白3和转录因子维甲酸相关孤儿受体分子被激活,进而分化为Th17细胞,后者又分泌IL-17A、IL-17F、IL-22和IL-21等细胞因子。在中、重度哮喘患者的支气管肺泡灌洗液和支气管活组织中发现有高水平的IL-17A、IL-17F 和IL-22,且表达水平与哮喘严重程度呈正相关[52]。临床上针对Th17通路的生物制剂主要是靶向IL-17 和IL-23 及其受体。

Brodalumab是靶向IL-17受体的单克隆抗体,经临床试验证明Brodalumab治疗哮喘无明显疗效,但对气管高可逆性哮喘患者 (舒张后FEV1%pred改善>20%)可能有效,但仍需进一步研究[53]。Secukinumab是IL-17A 的中和抗体,研究表明Secukinumab并不能逆转由臭氧诱导的中性粒细胞升高型气道炎症[54]。BI 655066 (Risankizumab)是人源化的IL-23A 单克隆抗体,临床研究表明其对中至重度的牛皮癣治疗有效,关于BI 655066 对重症哮喘治疗效果的临床研究仍在进行中 (NCT02443298)[55]。

2·3 CXCR2 CXCR2是位于中性粒细胞上的IL-8的高亲和性受体。在中、重度哮喘患者中,IL-8的表达增加与痰液中的中性粒细胞浓度升高相关[56],而中性粒细胞浓度升高又与急性哮喘发作频率增加相关[57]。IL-8 结合并激活CXCR2而介导了中性粒细胞向炎症部位的迁移。

SCH527123是CXCR2的有效拮抗剂,它能够抑制炎症部位的中性粒细胞趋化[58]。Nair等[59]在痰液总细胞计数<10×106/g但中性粒细胞数>40%的重症哮喘患者中进行了一项研究。结果显示,SCH527123导致痰中性粒细胞计数平均降低36.3%,血液中的平均绝对中性粒细胞计数在第4周结束时减少了14%,但在第5周恢复,症状控制评分有改善的趋势。SCH527123具有良好的耐受性,其不良反应与安慰剂差异无统计学意义,但胃肠道症状明显较轻[59]。AZD5069也是一种CXCR2拮抗剂,一项临床研究[56]发现,AZD5069未能降低重症哮喘患者急性加重的频率,且提示抑制CXCR2 在控制以中性粒细胞炎症为主的重症哮喘方面作用有限,但AZD5069耐受性良好,最常见的不良反应是鼻咽炎。

2·4 GM-CSF GM-CSF 能够刺激骨髓产生嗜酸粒细胞,激活细胞的功能并可能通过抑制凋亡来延长嗜酸粒细胞在肺中的存活,从而导致气道受损。Saha 等[60]研究显示GM-CSF和GM-CSF受体在严重哮喘患者的支气管黏膜下层表达增加,提示其可能在重症哮喘中起重要作用。抑制或中和GM-CSF可以阻断或拮抗哮喘患者嗜酸粒细胞激活并有助于控制这些细胞所造成的损伤和病理改变。

KB003 是一种针对GM-CSF 的新型高亲和力重组IgG1-κ单克隆抗体。它通过阻断GM-CSF与受体的结合来中和GM-CSF的活性。Molfino等[61]的Ⅱ期临床研究显示,与安慰剂组相比,在皮质类固醇控制不充分的重症哮喘患者中,KB003能使嗜酸性哮喘患者 (血嗜酸粒细胞计数为≥300 个/ml)、在基线时表现出高FEV1可逆性 (≥20%)的参与者以及基线FEV1%pred≤50%的参与者的FEV1改善。鼻咽炎、上呼吸道感染和头痛是其不良反应。在重症哮喘方面的应用仍需研究药物剂量以及候选表型[61]。

其他靶向GM-CSF的治疗包括,(1)GM-CSF的类似物,阻断嗜酸粒细胞的功能性激活,例如人GM-CSF 突变体E21R;(2)靶向受体βc,阻断嗜酸粒细胞活化,例如Mo Ab和BION-1仍处于实验室研究阶段。

3 疫苗及基因治疗

3·1 疫苗 抗原进入机体内,哮喘患者中存在Th2上调,变应原诱导CD4+T 细胞产生Th2细胞因子如IL-4、IL-5、IL-6、IL-10和IL-13,从而诱发或加重哮喘症状。几乎所有的疫苗策略都围绕着哮喘的Th1-Th2模式及其更精细的迭代。

经典疫苗结合蛋白抗原 (或抗原表位)以诱导体液或细胞介导的免疫,通常加入佐剂来加强和调整免疫反应。DNA 疫苗可以对表位编码,并可激活天然免疫系统的模式识别受体发挥其强化和免疫调节的作用。RNA 疫苗则定向细胞毒性免疫,可能会发挥独特的作用。DNA 和RNA 疫苗的主要限制是需要在目标细胞内递送,因此需要复杂的化学修饰。

使用过敏原或免疫优势肽表位进行免疫治疗的疫苗可以降低T 细胞和B细胞的反应性,对于B细胞,可以改变Ig平衡,减少IgE的产生,增加IgG 的产生,特别是IgG4的产生[62]。

针对常见病原体的疫苗可减少哮喘恶化。呼吸道合胞病毒和鼻病毒可增加哮喘风险。潜在的鼻病毒疫苗的临床前研究已经确定了一种高度保守的鼻病毒衣壳蛋白 (VP0和VP1),它可以诱导交叉反应的细胞和体液免疫反应[63]。

3·2 基因治疗 截至2017年,美国FDA 和欧洲药品管理局共批准6种基因治疗产品,越来越多经传统治疗无效的疾病在基因治疗上获益[64-65]。随着基因测序技术的发展,越来越多独立的哮喘位点被发现,这推动了针对哮喘基因治疗的研究。2017 年,研究学者将一种可以抑制CD4+T细胞的基因经骨髓移植转入小鼠体内,发现该组小鼠经过卵蛋白/明矾致敏后几乎检测不到IL-4、IL-5、IL-13,支气管和血管周围也并未发现嗜酸粒细胞和CD4+T 细胞的集聚,气道炎症反应明显较未经转基因的小鼠轻。实验室数据表明,接受骨髓移植的小鼠记忆性T 细胞的功能被抑制导致Th2通路被关闭,哮喘的严重程度降低[66]。目前实施的造血干细胞介导的基因治疗并不适用于轻度疾病的临床应用[67],但能否用于重症哮喘还需要进一步研究。2019年针对哮喘的大型全基因组学研究已发现61个独立的哮喘位点[68],这将为基因治疗应用于重症哮喘带来更多的可能。

4 小结

生物治疗是重症哮喘重要的辅助治疗手段,部分解决了以往治疗方案对不可控重症哮喘束手无策的尴尬。目前,已有不少靶向高T2 重症哮喘的生物治疗药物进入临床,疗效确实,包括IgE 单抗、IL-5 单抗等,但靶向低T2 重症哮喘的生物治疗药物种类和疗效依然十分有限,基因治疗和疫苗也正在不断发展中。关于生物治疗药物的安全性、耐受性亟待进一步提高,具体的用法、用量等不确定因素也需要更深入的临床试验研究。由于哮喘患者常常具有很大的异质性,结合生物标志物和生物治疗药物的个性化治疗势在必行。总体来说,生物治疗在重症哮喘领域具有极广阔的前景和发展空间,研究和研发更精准、更高效、更安全的生物治疗药物必将为重症哮喘患者带来福音。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突