牟春燕， 于 峰， 周 陽， 顧 杰， 施海峰

(江蘇大學(xué) 生命科學(xué)研究院， 鎮(zhèn)江 212013)

白細(xì)胞介素21(interleukin21，IL-21)對健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的增殖、分化和凋亡具有多種調(diào)節(jié)作用。與臨床上使用較多的白細(xì)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(jīng)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(xiàn)出較強(qiáng)的抗癌活性。目前對IL-21的研究熱點是優(yōu)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(fā)現(xiàn)IL-21至今，研究人員在IL-21的生物活性和其所介導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)機(jī)制方面取得了巨大進(jìn)步，特別是治療血液惡性腫瘤中的應(yīng)用。臨床研究表明，IL-21受體(IL-21R)表達(dá)于健康和腫瘤B細(xì)胞，外源性IL-21可誘導(dǎo)表達(dá)IL-21R的非霍奇金淋巴瘤(NHL)B細(xì)胞的直接凋亡[3]，也可作用于不表達(dá)IL-21R的套細(xì)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(fā)性骨髓瘤，霍奇金淋巴瘤和伯基特淋巴瘤中，IL-21可以誘導(dǎo)腫瘤性B細(xì)胞的增殖，這表明IL-21是一種多效性的細(xì)胞因子，對不同類型惡性腫瘤的作用機(jī)制不同，包括JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑或其他因子的激活[4]。據(jù)報道，在早期實體瘤和B細(xì)胞相關(guān)惡性腫瘤的研究中，IL-21的免疫調(diào)節(jié)作用有助于其抗腫瘤作用。因此，對IL-21的抗腫瘤效應(yīng)，需要進(jìn)一步研究其作用機(jī)制，為臨床治療奠定基礎(chǔ)。

IL-21屬于IL-2家族的成員，對淋巴細(xì)胞和骨髓細(xì)胞具有多種生物學(xué)效應(yīng)。IL-21主要由活化的CD4+T細(xì)胞、NK T細(xì)胞(nature killer T cell)、濾泡輔助性T細(xì)胞(follicular helper T cell，TFH)分泌，與其受體結(jié)合后能通過調(diào)節(jié)B細(xì)胞的增殖，分化成漿細(xì)胞來進(jìn)行免疫應(yīng)答。IL-21能促進(jìn)CD8+T細(xì)胞和NK細(xì)胞的增殖、分化，提高NK細(xì)胞的殺傷活性。本綜述首先總結(jié)了IL-21的結(jié)構(gòu)特征和對免疫系統(tǒng)各組分的影響，其次描述了幾項臨床研究結(jié)果，最后概述了IL-21與CAR-T細(xì)胞或單克隆抗體聯(lián)合抗腫瘤的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步研究IL-21的多種生物學(xué)功能提供依據(jù)。

1 IL-21和IL-21受體(IL-21R)

據(jù)Parrish-Novak等[5]報道IL-21轉(zhuǎn)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(zhì)。IL-21是CD4+T細(xì)胞衍生的細(xì)胞因子，與其受體IL-21R結(jié)合形成受體復(fù)合物，觸發(fā)不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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?zhǔn)切盘栟D(zhuǎn)導(dǎo)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(dá)于多種正常淋巴組織，包括胸腺、脾臟、淋巴結(jié)和外周血淋巴細(xì)胞。流式細(xì)胞術(shù)顯示功能性IL-21R優(yōu)先表達(dá)于T細(xì)胞(TFH、Th17)、B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞、NK T細(xì)胞和DC細(xì)胞等骨髓細(xì)胞和角質(zhì)層細(xì)胞表面，在實體瘤細(xì)胞上不表達(dá)[5]。

2 IL-21的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

Leonard等認(rèn)為IL-21與同源IL-21R復(fù)合物結(jié)合后主要通過激活Janus酪氨酸激酶信號和轉(zhuǎn)錄激活因子(JAK-STAT)信號通路完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。不同的細(xì)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(jié)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(qiáng)烈激活STAT5,而較低程度激活STAT3[6]。在人NK T細(xì)胞系，IL-21誘導(dǎo)了STAT1、STAT3及STAT4的激活，在人B細(xì)胞系，IL-21誘導(dǎo)了JAK1、JAK3和STAT5的激活。兩種JAK激酶的活化導(dǎo)致STAT1和STAT3發(fā)生了磷酸化，磷酸化的STAT進(jìn)入細(xì)胞核后與特異的DNA序列結(jié)合，誘導(dǎo)相應(yīng)的基因表達(dá)[6]。STAT3的持續(xù)激活與人類癌癥的50%～90%有關(guān)，Burke等觀察到抑制有活性的STAT3能抑制乳腺癌細(xì)胞和卵巢癌細(xì)胞的增殖。Corvinus等發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌中持續(xù)激活的STAT3促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖和腫瘤的生長。Berglund等指出IL-21和IL-2協(xié)同誘導(dǎo)B細(xì)胞分化，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)IL-21對成纖維細(xì)胞的生成至關(guān)重要。另外，Chen等發(fā)現(xiàn)在人體股骨頭軟骨壞死期間，IL-21通過JAK-STAT信號途徑促進(jìn)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(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、蛋白合成和細(xì)胞存活，由此說明IL-21介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，至少有JAK/STAT、MAPK、PI3K和RAS 4種信號傳遞途徑參與進(jìn)來(圖1)。

據(jù)Asao等的報道，IL-21可以單獨結(jié)合IL-21Rα，但不能介導(dǎo)信號的傳遞，表明γ鏈?zhǔn)荌L-21信號傳遞中的必需部分[8]。Konforte等發(fā)現(xiàn)缺乏STAT3的T細(xì)胞IL-21不能進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，說明STAT3似乎是IL-21信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[9]。

圖1 IL-21的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[10-11]

3 IL-21對各種免疫細(xì)胞具有多效性

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

3.1 IL-21對B細(xì)胞的影響

B細(xì)胞是機(jī)體產(chǎn)生各類抗體(免疫球蛋白)的細(xì)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(xì)胞的增殖、分化與凋亡的調(diào)控中起到了不可替代的功能，維持了B細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。IL-21對B細(xì)胞的影響具有雙向性，一方面，通過協(xié)同α-CD40共刺激促進(jìn)B細(xì)胞的增殖、抗體類別轉(zhuǎn)換以及漿細(xì)胞的分化，另一方面，又抑制了抗IgM抗體和IL-4激活的B細(xì)胞的增殖。Mehta等的研究發(fā)現(xiàn)，IL-21誘導(dǎo)小鼠B細(xì)胞凋亡，是通過增強(qiáng)凋亡機(jī)制，活化前體凋亡蛋白Bim，下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-Xl的表達(dá)，來誘導(dǎo)初始B細(xì)胞的凋亡，抑制其增殖[13]。IL-21不僅對B細(xì)胞的增殖有影響，還能調(diào)節(jié)體內(nèi)不同免疫球蛋白的產(chǎn)生，促進(jìn)產(chǎn)生IgG，抑制IgE的產(chǎn)生。IL-21R基因敲除的小鼠淋巴細(xì)胞發(fā)育正常，但是體內(nèi)的IgE的水平要遠(yuǎn)高于野生型小鼠，而IgG的表達(dá)量卻明顯低于正常小鼠[14]，這表明IL-21通過調(diào)節(jié)B細(xì)胞的生理活性從而進(jìn)一步影響體液的免疫應(yīng)答。

3.2 IL-21對T細(xì)胞的影響

IL-21對T細(xì)胞的作用是多效應(yīng)的，包括增強(qiáng)細(xì)胞增殖和細(xì)胞毒性作用。IL-21可以增加CD4+T細(xì)胞的增殖，并與IL-6共刺激它們分化成TH17細(xì)胞。通過CD4+T細(xì)胞再激活CD8+T細(xì)胞，活化的CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生的IFN-γ能夠促進(jìn)Th0細(xì)胞分化為Th1細(xì)胞，并抑制Th2和Th7細(xì)胞分化[15]。Zeng等[5]的研究表明只有IL-21存在時，T細(xì)胞增殖增加，但I(xiàn)FN-γ的分泌并沒有增多，而當(dāng)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]。活化的CD8+T細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)，CTL細(xì)胞在介導(dǎo)T細(xì)胞依賴性抗腫瘤作用中起重要作用，因為CTL細(xì)胞產(chǎn)生穿孔素和顆粒酶B，從而增加其細(xì)胞溶解功能。有研究結(jié)果表明IL-21通過抑制表達(dá)Foxp3的Treg細(xì)胞的擴(kuò)增來使CTL細(xì)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(xì)胞的影響

Parrish-Novak 等[5]的研究發(fā)現(xiàn)IL-21能誘導(dǎo)NK細(xì)胞的成熟，并增強(qiáng)其細(xì)胞毒性。NK細(xì)胞具有直接殺傷靶細(xì)胞的效應(yīng)，與靶細(xì)胞混合后4 h內(nèi)就能發(fā)揮殺傷效應(yīng)，表現(xiàn)為一種速發(fā)效應(yīng)(immediate effect)。IL-21R表達(dá)于激活的NK細(xì)胞，能調(diào)節(jié)NK細(xì)胞的增殖[18]，增強(qiáng)細(xì)胞毒性，誘導(dǎo)殺傷細(xì)胞產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，如IFN-γ、穿孔素等。在未成熟的NK細(xì)胞中，低劑量的IL-21導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞的增殖。IL-21激活NK細(xì)胞能增加CD16的表達(dá)，CD16介導(dǎo)抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)細(xì)胞毒性作用(antibody dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC)。NK T細(xì)胞是參與自身免疫、過敏、感染和腫瘤排斥的T細(xì)胞，IL-21與IL-2或IL-15組合能誘導(dǎo)CD3激活的NK T細(xì)胞的增殖，對NK T細(xì)胞產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[19]。

3.4 IL-21對DC細(xì)胞的影響

樹突狀細(xì)胞(dendritic cell，DC)是體內(nèi)最重要的抗原遞呈細(xì)胞，負(fù)責(zé)對抗原的攝取、加工、處理和分類，并將抗原信息遞呈給T細(xì)胞，啟動抗原特異性T細(xì)胞應(yīng)答。DC細(xì)胞通過刺激B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞而將先天性免疫和獲得性免疫結(jié)合在了一起。Pulendran等的研究發(fā)現(xiàn)，在GM-CSF的參與下，IL-4和IL-15可以誘導(dǎo)DC細(xì)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(xì)胞表面表達(dá)，增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞的免疫反應(yīng)。但是研究發(fā)現(xiàn)IL-21降低了MHCⅡ類分子在DC細(xì)胞的表達(dá)，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(dá)，IL-10主要降低CCR7的表達(dá)。Sipson等認(rèn)為IL-10和IL-21可能通過不同的途徑降低體內(nèi)T細(xì)胞的免疫反應(yīng)[20]。

圖2 IL-21對各種免疫細(xì)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(diào)控中的機(jī)制增強(qiáng)機(jī)體的抗腫瘤能力，主要是通過NK細(xì)胞的殺傷活性和CTL的效應(yīng)實現(xiàn)的。IL-21促進(jìn)CD8+T細(xì)胞和NK細(xì)胞的分化和成熟，誘導(dǎo)這些細(xì)胞分泌IFN-γ、穿孔素和顆粒酶等多種活性物質(zhì)，抑制腫瘤細(xì)胞的生長，增強(qiáng)抗腫瘤能力。根據(jù)小鼠模型、細(xì)胞系和臨床試驗中的研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤特異性抗體來增強(qiáng)機(jī)體的體液免疫[21]。重組IL-21(rIL-21)對轉(zhuǎn)移性黑色素瘤、腎細(xì)胞癌(RCC)、結(jié)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(jìn)行了試驗，并在5個試驗中與靶向試劑聯(lián)合應(yīng)用(表1)。

4.2 IL-21與CAR-T聯(lián)合抗腫瘤

外源性細(xì)胞因子被廣泛應(yīng)用于提高免疫細(xì)胞的抗腫瘤能力，Xu等在體外研究了不同細(xì)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(xì)胞的擴(kuò)增、表型和細(xì)胞毒性的影響，同時研究了這些細(xì)胞因子與體內(nèi)CAR-T細(xì)胞一起施用的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)IL-2，IL-7和IL-15有利于CAR-T細(xì)胞的離體擴(kuò)增；IL-7誘導(dǎo)記憶干細(xì)胞樣CAR-T細(xì)胞增殖的比例最高，IL-21支持具有更年輕表型的CAR-T細(xì)胞的擴(kuò)增，而IL-2誘導(dǎo)更多CAR-T細(xì)胞的分化。IL-15和IL-21聯(lián)合能增加CAR-T細(xì)胞的腫瘤殺傷功能。IL-15和IL-21被認(rèn)為適合在CAR-T細(xì)胞輸注體內(nèi)后施用[30]。Sabatino等發(fā)現(xiàn)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(xì)胞針對全身急性淋巴母細(xì)胞白血病表現(xiàn)出持久的抗腫瘤活性[31]。CD123是急性髓性白血病的常見標(biāo)志物，體外擴(kuò)增的天然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)是細(xì)胞免疫療法中的效應(yīng)細(xì)胞。KL??等的研究發(fā)現(xiàn)IL-21(100 ng/mL)可以使表達(dá)CD123-CAR的NK細(xì)胞的增殖提高約20倍，且比天然殺傷細(xì)胞產(chǎn)生更多的顆粒酶和細(xì)胞因子，增強(qiáng)抗腫瘤能力[32]。

表1 IL-21在實體瘤中的臨床應(yīng)用

4.3 IL-21與單克隆抗體聯(lián)用抗腫瘤

IL-21與多種藥物聯(lián)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(jié)合，通過減少金屬基質(zhì)蛋白酶和血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)量來阻止細(xì)胞的生長，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。IL-21與西妥昔單抗聯(lián)用時對野生型和鼠肉瘤病毒癌基因突變的胰腺癌細(xì)胞具有明顯的殺傷活性；在接種了人肺癌細(xì)胞A549的荷瘤裸鼠中，西妥昔單抗和IL-21聯(lián)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(lián)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(lián)用治療Ⅳ期結(jié)腸直腸癌患者出現(xiàn)的不良反應(yīng)均小于只用任何一種治療引起的不良反應(yīng)，這表明二者聯(lián)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(dá)，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(dǎo)針對腫瘤細(xì)胞的抗體依賴細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒作用(ADCC)，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡[34]，但部分接受治療的患者會出現(xiàn)曲妥珠單抗抗性，因為這些患者的腫瘤微環(huán)境中出現(xiàn)較多免疫抑制活性的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞，表現(xiàn)出免疫抑制，下調(diào)免疫系統(tǒng)對腫瘤局部的反應(yīng)強(qiáng)度。Xu等的研究發(fā)現(xiàn)IL-21能促進(jìn)免疫抑制活性的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞向腫瘤抑制活性的相關(guān)巨噬細(xì)胞分化，因此IL-21與曲妥珠單抗聯(lián)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(qū)和鼠源抗CD20抗體的可變區(qū)組成，以CD20為靶點，通過與表達(dá)CD20的淋巴瘤B細(xì)胞結(jié)合來裂解細(xì)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(fā)現(xiàn)利妥昔單抗會抑制患者的自身免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致IFN-γ的表達(dá)量和NK細(xì)胞的數(shù)量均降低，而利妥昔單抗和IL-21聯(lián)合使用時不會抑制患者的自身免疫系統(tǒng)，是因為利妥昔單抗與CD20+B細(xì)胞結(jié)合后清除了CD20+B細(xì)胞，此時IL-21發(fā)揮了促進(jìn)IFN-γ產(chǎn)生和NK細(xì)胞的增殖。IL-21與利妥昔單抗聯(lián)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(lián)合使用外，還可與CD4+單抗、伊匹單抗、納武單抗等聯(lián)合用于治療多種腫瘤，研究結(jié)果顯示聯(lián)合治療呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，抗腫瘤活性明顯提高[36]。

5 小結(jié)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(zhuǎn)移的T細(xì)胞、單克隆抗體組合，或與腫瘤細(xì)胞疫苗共同施用，一起用于癌癥的治療。目前，臨床上應(yīng)用較多的是IL-2，但大劑量的IL-2對患者的腎臟、心臟、神經(jīng)系統(tǒng)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(jī)體具有較低的毒副作用，但是仍然有部分患者出現(xiàn)淋巴細(xì)胞減少、轉(zhuǎn)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(jìn)一步的研究和探索。