白細胞介素21抗腫瘤作用研究進展

牟春燕， 于 峰， 周 陽， 顧 杰， 施海峰

(江蘇大學 生命科學研究院， 鎮江 212013)

白細胞介素21(interleukin21，IL-21)對健康細胞和腫瘤細胞的增殖、分化和凋亡具有多種調節作用。與臨床上使用較多的白細胞介素2(interleukin2，IL-2)相比，同劑量的IL-21具有更低的毒性[1]。IL-21已經被作為幾種癌癥包括實體瘤和血液惡性腫瘤的潛在治療劑，在多項研究中表現出較強的抗癌活性。目前對IL-21的研究熱點是優化其作為單一抗腫瘤藥物的效果以及與其他抗癌藥物組合使用[2]，使其抗癌療效最大化。

自從2000年發現IL-21至今，研究人員在IL-21的生物活性和其所介導的細胞反應機制方面取得了巨大進步，特別是治療血液惡性腫瘤中的應用。臨床研究表明，IL-21受體(IL-21R)表達于健康和腫瘤B細胞，外源性IL-21可誘導表達IL-21R的非霍奇金淋巴瘤(NHL)B細胞的直接凋亡[3]，也可作用于不表達IL-21R的套細胞淋巴瘤(MCL)，因此IL-21成為潛在的抗淋巴瘤治療的新方法。然而，在一些血液惡性腫瘤，如多發性骨髓瘤，霍奇金淋巴瘤和伯基特淋巴瘤中，IL-21可以誘導腫瘤性B細胞的增殖，這表明IL-21是一種多效性的細胞因子，對不同類型惡性腫瘤的作用機制不同，包括JAK/STAT信號轉導途徑或其他因子的激活[4]。據報道，在早期實體瘤和B細胞相關惡性腫瘤的研究中，IL-21的免疫調節作用有助于其抗腫瘤作用。因此，對IL-21的抗腫瘤效應，需要進一步研究其作用機制，為臨床治療奠定基礎。

IL-21屬于IL-2家族的成員，對淋巴細胞和骨髓細胞具有多種生物學效應。IL-21主要由活化的CD4+T細胞、NK T細胞(nature killer T cell)、濾泡輔助性T細胞(follicular helper T cell，TFH)分泌，與其受體結合后能通過調節B細胞的增殖，分化成漿細胞來進行免疫應答。IL-21能促進CD8+T細胞和NK細胞的增殖、分化，提高NK細胞的殺傷活性。本綜述首先總結了IL-21的結構特征和對免疫系統各組分的影響，其次描述了幾項臨床研究結果，最后概述了IL-21與CAR-T細胞或單克隆抗體聯合抗腫瘤的研究現狀，為進一步研究IL-21的多種生物學功能提供依據。

1 IL-21和IL-21受體(IL-21R)

據Parrish-Novak等[5]報道IL-21轉錄一條長度為642個核苷酸組成的成熟mRNA，編碼由162個氨基酸組成的多肽前體，N端31個氨基酸殘基為信號肽，酶切后131個氨基酸殘基形成成熟蛋白質。IL-21是CD4+T細胞衍生的細胞因子，與其受體IL-21R結合形成受體復合物，觸發不同的信號轉導途徑。人IL-21R由538個氨基酸殘基組成，由IL-21Rα鏈(CD360)和CK受體γ公有鏈(CD132)組成異源二聚體，其中IL-21Rα是配體識別部位，γ公有鏈是信號轉導單位[5]，γ鏈也是IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-13和IL-15受體所共有的信號傳遞亞單位。IL-21R主要表達于多種正常淋巴組織，包括胸腺、脾臟、淋巴結和外周血淋巴細胞。流式細胞術顯示功能性IL-21R優先表達于T細胞(TFH、Th17)、B細胞、巨噬細胞、NK細胞、NK T細胞和DC細胞等骨髓細胞和角質層細胞表面，在實體瘤細胞上不表達[5]。

2 IL-21的信號轉導

Leonard等認為IL-21與同源IL-21R復合物結合后主要通過激活Janus酪氨酸激酶信號和轉錄激活因子(JAK-STAT)信號通路完成信號轉導。不同的細胞系，IL-21R可以激活不同的下游靶因子，包括JAK1、JAK3、STAT1及STAT3等。IL-21與IL-21R的結合首先激活了JAK1和JAK3，隨后主要激活STAT3和STAT1，STAT5也會被較低程度激活。這一方面IL-21不同于IL-2和IL-15，IL-2和IL-15均強烈激活STAT5,而較低程度激活STAT3[6]。在人NK T細胞系，IL-21誘導了STAT1、STAT3及STAT4的激活，在人B細胞系，IL-21誘導了JAK1、JAK3和STAT5的激活。兩種JAK激酶的活化導致STAT1和STAT3發生了磷酸化，磷酸化的STAT進入細胞核后與特異的DNA序列結合，誘導相應的基因表達[6]。STAT3的持續激活與人類癌癥的50%～90%有關，Burke等觀察到抑制有活性的STAT3能抑制乳腺癌細胞和卵巢癌細胞的增殖。Corvinus等發現結腸癌中持續激活的STAT3促進了腫瘤細胞的增殖和腫瘤的生長。Berglund等指出IL-21和IL-2協同誘導B細胞分化，進一步發現IL-21對成纖維細胞的生成至關重要。另外，Chen等發現在人體股骨頭軟骨壞死期間，IL-21通過JAK-STAT信號途徑促進軟骨的降解[7]。除了JAK/STAT途徑外，IL-21還激活磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)和RAS/RAF/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑來調節細胞增殖、蛋白合成和細胞存活，由此說明IL-21介導的信號轉導中，至少有JAK/STAT、MAPK、PI3K和RAS 4種信號傳遞途徑參與進來(圖1)。

據Asao等的報道，IL-21可以單獨結合IL-21Rα，但不能介導信號的傳遞，表明γ鏈是IL-21信號傳遞中的必需部分[8]。Konforte等發現缺乏STAT3的T細胞IL-21不能進行信號轉導，說明STAT3似乎是IL-21信號轉導過程中的關鍵轉錄因子[9]。

圖1 IL-21的信號轉導途徑[10-11]

3 IL-21對各種免疫細胞具有多效性

IL-21對多種免疫和非免疫細胞具有多重效應(圖2)。IL-21在體液免疫應答過程中對B細胞活化、分化和凋亡起主要作用，例如IL-21在B細胞向漿細胞和T濾泡輔助細胞(TFH)分化中起主要作用。IL-21還會影響不同亞型的T細胞，從而促進自身免疫性疾病和炎性疾病的發展，如Vγ9Vδ2T細胞具有直接的細胞毒性活性，同時具有調節其他免疫細胞如CD8+T細胞產生IFN-γ的功能，從而對多種腫瘤類型進行免疫應答。然而，它們在腫瘤微環境中的存在也與乳腺癌、結腸癌和胰腺癌的不良預后相關。研究發現IL-21有利于通過免疫抑制性CD73+細胞亞群的發展來促進Vγ9Vδ2T細胞調節功能[12]。

3.1 IL-21對B細胞的影響

B細胞是機體產生各類抗體(免疫球蛋白)的細胞，在體液免疫中起主要功能，也有抗原遞呈的功能。IL-21在B細胞的增殖、分化與凋亡的調控中起到了不可替代的功能，維持了B細胞的穩態。IL-21對B細胞的影響具有雙向性，一方面，通過協同α-CD40共刺激促進B細胞的增殖、抗體類別轉換以及漿細胞的分化，另一方面，又抑制了抗IgM抗體和IL-4激活的B細胞的增殖。Mehta等的研究發現，IL-21誘導小鼠B細胞凋亡，是通過增強凋亡機制，活化前體凋亡蛋白Bim，下調抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-Xl的表達，來誘導初始B細胞的凋亡，抑制其增殖[13]。IL-21不僅對B細胞的增殖有影響，還能調節體內不同免疫球蛋白的產生，促進產生IgG，抑制IgE的產生。IL-21R基因敲除的小鼠淋巴細胞發育正常，但是體內的IgE的水平要遠高于野生型小鼠，而IgG的表達量卻明顯低于正常小鼠[14]，這表明IL-21通過調節B細胞的生理活性從而進一步影響體液的免疫應答。

3.2 IL-21對T細胞的影響

IL-21對T細胞的作用是多效應的，包括增強細胞增殖和細胞毒性作用。IL-21可以增加CD4+T細胞的增殖，并與IL-6共刺激它們分化成TH17細胞。通過CD4+T細胞再激活CD8+T細胞，活化的CD8+T細胞產生的IFN-γ能夠促進Th0細胞分化為Th1細胞，并抑制Th2和Th7細胞分化[15]。Zeng等[5]的研究表明只有IL-21存在時，T細胞增殖增加，但IFN-γ的分泌并沒有增多，而當IL-21和IL-2或IL-15共同作用時，IFN-γ的分泌才會明顯增多[16]?；罨腃D8+T細胞誘導產生細胞毒性T細胞(CTL)，CTL細胞在介導T細胞依賴性抗腫瘤作用中起重要作用，因為CTL細胞產生穿孔素和顆粒酶B，從而增加其細胞溶解功能。有研究結果表明IL-21通過抑制表達Foxp3的Treg細胞的擴增來使CTL細胞增殖[17]。另外IL-21的全身毒性較IL-2的低。

3.3 IL-21對NK細胞的影響

Parrish-Novak 等[5]的研究發現IL-21能誘導NK細胞的成熟，并增強其細胞毒性。NK細胞具有直接殺傷靶細胞的效應，與靶細胞混合后4 h內就能發揮殺傷效應，表現為一種速發效應(immediate effect)。IL-21R表達于激活的NK細胞，能調節NK細胞的增殖[18]，增強細胞毒性，誘導殺傷細胞產生多種細胞因子，如IFN-γ、穿孔素等。在未成熟的NK細胞中，低劑量的IL-21導致細胞增殖，而在高劑量下，且與IL-2和IL-15組合時卻能降低NK細胞的增殖。IL-21激活NK細胞能增加CD16的表達，CD16介導抗體依賴的細胞介導細胞毒性作用(antibody dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC)。NK T細胞是參與自身免疫、過敏、感染和腫瘤排斥的T細胞，IL-21與IL-2或IL-15組合能誘導CD3激活的NK T細胞的增殖，對NK T細胞產生調節作用[19]。

3.4 IL-21對DC細胞的影響

樹突狀細胞(dendritic cell，DC)是體內最重要的抗原遞呈細胞，負責對抗原的攝取、加工、處理和分類，并將抗原信息遞呈給T細胞，啟動抗原特異性T細胞應答。DC細胞通過刺激B淋巴細胞和T淋巴細胞而將先天性免疫和獲得性免疫結合在了一起。Pulendran等的研究發現，在GM-CSF的參與下，IL-4和IL-15可以誘導DC細胞的分化和提高抗原遞呈能力，尤其是IL-15增加MHCⅡ類分子在DC細胞表面表達，增強CD8+T細胞的免疫反應。但是研究發現IL-21降低了MHCⅡ類分子在DC細胞的表達，這一功能與IL-10的功能相似，不同之處是IL-21主要降低CCR1和CCR5的表達，IL-10主要降低CCR7的表達。Sipson等認為IL-10和IL-21可能通過不同的途徑降低體內T細胞的免疫反應[20]。

圖2 IL-21對各種免疫細胞的作用[10]

4 IL-21在腫瘤治療中的作用

4.1 IL-21在實體瘤中的臨床試驗

越來越多的研究表明，IL-21借助它在免疫調控中的機制增強機體的抗腫瘤能力，主要是通過NK細胞的殺傷活性和CTL的效應實現的。IL-21促進CD8+T細胞和NK細胞的分化和成熟，誘導這些細胞分泌IFN-γ、穿孔素和顆粒酶等多種活性物質，抑制腫瘤細胞的生長，增強抗腫瘤能力。根據小鼠模型、細胞系和臨床試驗中的研究發現IL-21在實體瘤及其他類型的癌癥中具有抗腫瘤的潛力。IL-21還能通過促進B淋巴細胞產生腫瘤特異性抗體來增強機體的體液免疫[21]。重組IL-21(rIL-21)對轉移性黑色素瘤、腎細胞癌(RCC)、結腸直腸癌和非霍奇金淋巴瘤的臨床試驗Ⅰ/Ⅱ期已有評估。到目前為止，IL-21作為單一試劑已在6個Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗中進行了試驗，并在5個試驗中與靶向試劑聯合應用(表1)。

4.2 IL-21與CAR-T聯合抗腫瘤

外源性細胞因子被廣泛應用于提高免疫細胞的抗腫瘤能力，Xu等在體外研究了不同細胞因子(IL-2，IL-7，IL-15，IL-18和IL-21)對靶向葉酸受體-α的CAR-T細胞的擴增、表型和細胞毒性的影響，同時研究了這些細胞因子與體內CAR-T細胞一起施用的效果。結果發現IL-2，IL-7和IL-15有利于CAR-T細胞的離體擴增；IL-7誘導記憶干細胞樣CAR-T細胞增殖的比例最高，IL-21支持具有更年輕表型的CAR-T細胞的擴增，而IL-2誘導更多CAR-T細胞的分化。IL-15和IL-21聯合能增加CAR-T細胞的腫瘤殺傷功能。IL-15和IL-21被認為適合在CAR-T細胞輸注體內后施用[30]。Sabatino等發現在IL-7和IL-21以及糖原合酶-3β抑制劑的存在下，臨床級CD19-CAR T細胞針對全身急性淋巴母細胞白血病表現出持久的抗腫瘤活性[31]。CD123是急性髓性白血病的常見標志物，體外擴增的天然殺傷細胞(NK細胞)是細胞免疫療法中的效應細胞。KL??等的研究發現IL-21(100 ng/mL)可以使表達CD123-CAR的NK細胞的增殖提高約20倍，且比天然殺傷細胞產生更多的顆粒酶和細胞因子，增強抗腫瘤能力[32]。

表1 IL-21在實體瘤中的臨床應用

4.3 IL-21與單克隆抗體聯用抗腫瘤

IL-21與多種藥物聯用能提高腫瘤治療效果。西妥昔單抗可與表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)特異性結合，通過減少金屬基質蛋白酶和血管內皮生長因子的表達量來阻止細胞的生長，誘導腫瘤細胞凋亡。IL-21與西妥昔單抗聯用時對野生型和鼠肉瘤病毒癌基因突變的胰腺癌細胞具有明顯的殺傷活性；在接種了人肺癌細胞A549的荷瘤裸鼠中，西妥昔單抗和IL-21聯用的治療效果高于只注射磷酸鹽緩沖液的對照組和只用IL-21或只用西妥昔處理的實驗組，這表明西妥昔單抗與IL-21聯合使用可提高抗腫瘤的效果；不同計量組合的IL-21與西妥昔單抗聯用治療Ⅳ期結腸直腸癌患者出現的不良反應均小于只用任何一種治療引起的不良反應，這表明二者聯合使用的安全性良好[33]。

人類表皮因子2(human epidermal growth factor receptor 2，HER2)是一個具有酪氨酸激酶活性的Ⅰ型跨膜蛋白，大約30%的乳腺癌患者可檢測到HER2高表達，曲妥珠單抗是以HER2作為靶點的單抗類藥物。曲妥珠單抗靶向HER2后通過誘導針對腫瘤細胞的抗體依賴細胞介導的細胞毒作用(ADCC)，導致腫瘤細胞凋亡[34]，但部分接受治療的患者會出現曲妥珠單抗抗性，因為這些患者的腫瘤微環境中出現較多免疫抑制活性的腫瘤相關巨噬細胞，表現出免疫抑制，下調免疫系統對腫瘤局部的反應強度。Xu等的研究發現IL-21能促進免疫抑制活性的腫瘤相關巨噬細胞向腫瘤抑制活性的相關巨噬細胞分化，因此IL-21與曲妥珠單抗聯合處理腫瘤病灶部位后腫瘤病灶消失[35]。

利妥昔單抗由人源抗CD20抗體的恒定區和鼠源抗CD20抗體的可變區組成，以CD20為靶點，通過與表達CD20的淋巴瘤B細胞結合來裂解細胞，臨床研究中用利妥昔單抗來治療非霍奇金淋巴瘤。研究發現利妥昔單抗會抑制患者的自身免疫系統，導致IFN-γ的表達量和NK細胞的數量均降低，而利妥昔單抗和IL-21聯合使用時不會抑制患者的自身免疫系統，是因為利妥昔單抗與CD20+B細胞結合后清除了CD20+B細胞，此時IL-21發揮了促進IFN-γ產生和NK細胞的增殖。IL-21與利妥昔單抗聯合治療能顯著延長彌漫性淋巴瘤小鼠的存活期[36]。

IL-21除了與西妥昔單抗、曲妥珠單抗和利妥昔單抗聯合使用外，還可與CD4+單抗、伊匹單抗、納武單抗等聯合用于治療多種腫瘤，研究結果顯示聯合治療呈現協同效應，抗腫瘤活性明顯提高[36]。

5 小結與展望

綜上所述，IL-21已被證實為治療癌癥的有效免疫治療劑，可以單獨給予IL-21作為全身治療，也可與過繼轉移的T細胞、單克隆抗體組合，或與腫瘤細胞疫苗共同施用，一起用于癌癥的治療。目前，臨床上應用較多的是IL-2，但大劑量的IL-2對患者的腎臟、心臟、神經系統都有極大的損害，同劑量的IL-21相比IL-2有更低的毒副作用。盡管IL-21對機體具有較低的毒副作用，但是仍然有部分患者出現淋巴細胞減少、轉氨酶增加、重度肝損傷等異常體征。因此，IL-21用于腫瘤治療要慎重，IL-21的抗腫瘤潛能還需要進一步的研究和探索。