基于IL-12的pH响应性纳米化细胞因子安全地克服了肿瘤对免疫治疗的抗性

日本纳米医学创新中心(iCONM)的Kazunori Kataoka教授宣布，东京大学生物工程系副教授Horacio Cabral联合东京大学医学院Kazuhiro Kakimi教授与iCONM合作，于2023年2月5日在Advanced Science期刊上发表了题为“An IL-12-Based Nanocytokine Safely Potentiates Anticancer Immunity through Spatiotemporal Control of Inflammation to Eradicate Advanced Cold Tumors”的论文。

许多实体瘤具有免疫抑制性微环境，能够阻止免疫细胞的浸润，激活和效应功能，被称为“冷肿瘤”。冷肿瘤对PD-1和CTLA-4抗体等免疫检查点抑制剂（ICI）不敏感。IL-12是一种强烈的促炎症细胞因子，被广泛认为是一种潜在的抗肿瘤药剂，能增强瘤内的免疫应答从而提升免疫疗法的响应率和效果。然而，早期的临床研究显示，IL-12会引起全身性的免疫激活，具有较大的毒性，且在安全剂量下显示出有限的治疗效果。为了解决这样的问题，我们开发了一种基于IL-12的纳米化细胞因子。这种纳米化细胞因子基于pH响应性高分子材料，可以响应瘤内环境控制IL-12的免疫激活功能，在瘤内微酸性pH值下定向释放活性IL-12蛋白从而靶向性增强瘤内的免疫应答。因此，纳米化的IL-12可以避免IL-12介导的全身性反应，从而降低毒性等副作用。在小鼠三阴乳腺癌和黑色素瘤等多个肿瘤模型中，纳米化IL-12增强了瘤内免疫应答，提高了瘤内免疫细胞浸润的水平。纳米化IL-12还可以为ICI助力，实现协同治疗，彻底根除原发性和转移性肿瘤。

这项研究的新颖之处是什么？

IL-12曾被广泛认为是潜在的抗癌药物，但其强烈的毒性和最大耐受剂量下的微弱疗效引发了诸多顾虑。因此，业内一直致力于开发有效的策略解决这类问题，以促进IL-12的临床应用。本文提出的纳米化细胞因子是第一例基于高分子的活性可控型IL-12递送系统。在本研究中，我们发现：

1. 纳米化细胞因子可以通过感受健康器官和肿瘤环境之间的pH值差异，稳定精准地调控IL-12的活性，实现IL-12生理活性的“开”“关”控制。
2. 纳米化细胞因子的肿瘤靶向性激活实现了对IL-12介导的免疫反应的时空控制。在健康组织中，脱靶的免疫激活和全身性免疫拮抗效应被有效遏制。而在肿瘤中，IL-12介导的炎症反应被增强。
3. 纳米化细胞因子从基因表达层面上改变了冷肿瘤的微环境状态，能够与ICI进一步协同作用，彻底根治晚期原发性和转移性肿瘤。

本文中研究结果的重要性在于哪些方面？对目前的治疗方法有什么帮助？

早期关于IL-12用于癌症治疗的临床试验的失败主要归结于两个原因。第一是IL-12强烈的毒性，会引起全身的免疫激活，产生如细胞因子风暴等诸多安全问题。其二，IL-12在安全剂量下的疗效很微弱，尤其是在重复给药的条件下，IL-12会引起如IL-10抗炎因子分泌等拮抗反应，使得患者体内产生对炎症的抵抗作用，削弱免疫激活效力。目前，业内已经报道了许多工程化IL-12蛋白的案例，以改善其药代动力学性质，降低毒性并增强肿瘤靶向性，但这些基于蛋白工程的策略并不能完全解决IL-12的问题。例如，大多数工程化的IL-12蛋白并不能完全避免脱靶性激活，依然会在全身层面上引发干扰素分泌等下游反应，也无法避免重复给药后的免疫拮抗反应。此外，工程化IL-12由于对蛋白结构的改变，往往会降低IL-12的活性，从而需要使用更大的给药剂量弥补效价的下降。总之，这类工程化蛋白如何参与炎症反应的介导，如何调控次级炎症反应等问题有待进一步的论证。本文提出的纳米化细胞因子可以一次性解决上述的问题。它可以通过高效的瘤内积累，高度选择性的瘤内激活和对全身免疫的动态调节来促进对IL-12介导的炎症反应的时空调控。一方面，纳米化IL-12阻断了全身性的免疫反应，避免了炎症相关的毒性。另一方面，纳米化IL-12也避免了免疫拮抗作用对抗肿瘤效果的削弱。得益于对炎症的时空调控，纳米化IL-12显示出了扩大的治疗窗口，与IL-12蛋白相比，其在三阴乳腺癌模型中的有效剂量降低了10倍。同时，相比于临床试验界定的人体对IL-12的最大耐受剂量（500ng/kg），本研究中使用高于此值1000倍剂量（500μg/kg）的纳米化IL-12也并没有引发毒性相关副作用，证实了纳米化细胞因子策略的安全性。在动物模型中，纳米化细胞因子既可以作为单一疗法，促进抗肿瘤的免疫应答抑制肿瘤的发展，也可以与ICI联合使用，发挥更强大的协同效果根治冷肿瘤。

值得一提的是，纳米化细胞因子的配方是基于已被FDA批准的良好生物相容材料，因此这种策略具有很高的临床转化希望。此外，此配方也能够应用于除IL-12外其他的治疗性蛋白，是一种很有潜力的生物制剂肿瘤靶向性递送的实用策略。