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近年來，干擾素基因刺激蛋白 (Stimulator of interferon genes, STING) 已成為免疫治療的明星靶點，廣泛應用於治療感染性疾病與惡性腫瘤的研究【1】。STING是生物體固有免疫系統的中樞組成成分，廣泛表達於各類細胞中，透過上游cGAS通路識別細胞質中的雙鏈DNA作為危險訊號被啟用，進而促進I型干擾素 (IFN-I) 的分泌以及多種促炎症因子與趨化因子的產生，並透過一系列級聯反應，誘導適應性免疫系統的啟用，最終促進效應T細胞的增殖與活化【2】。製藥公司對以STING為靶點的藥物開發表現出了罕見的熱情，近五年來Aduro/諾華、 默沙東、默克、葛蘭素史克等公司先後研製出STING小分子激動劑進入臨床一期用於單一或聯合治療實體瘤與淋巴瘤，然而早期的臨床資料表明這些STING激動劑對患者的響應率令人失望。小分子藥物在體內的代謝快、腫瘤特異性差的缺陷成為制約其在臨床安全有效應用的主要屏障。如何設計出能夠高效靶向細胞質中分佈的STING蛋白的新型激動劑成為研究的熱點。
2021年2月8日，美國德克薩斯大學西南醫學中心高金明教授團隊在Nature Biomedical Engineering發表了題為 Prolonged activation of innate immune pathways by a polyvalent STING agonist 的研究成果，報道了一種新型的高分子聚合物激動劑(PC7A)，透過與STING蛋白多價結合引發的相轉變過程促使STING形成膠連體(biomolecular condensate)，從而更高效地招募並激活下游蛋白，並表現出異於小分子激動劑的長效免疫活化作用。將高分子激動劑與小分子激動劑(cGAMP)聯用得到的奈米粒(cGAMP-PC7A NPs)具有優異的免疫細胞STING靶向能力，並在荷瘤小鼠模型與腫瘤患者離體組織中展現出巨大的腫瘤治療潛力。
高金明團隊早期透過將腫瘤特異性抗原片段包載在pH超敏性聚合物膠束 (Ultra-pH-sensitive NPs, UPS) 【3】中構建了一種新型抗腫瘤奈米疫苗，在多種荷瘤小鼠模型中表現出良好的抑制腫瘤生長的能力【4】。UPS可以透過內吞體逃逸機制幫助腫瘤抗原在抗原呈遞細胞的細胞質中釋放【5】並呈遞給MHC-I類分子，從而誘導CD8+ T細胞的活化與對腫瘤細胞的殺傷。其中一種名為PC7A的UPS聚合物膠束在作為載體遞送抗原的同時，也能在一定程度上啟用免疫系統發揮免疫佐劑的功效，然而當時並不清楚其具體免疫啟用的機理。
在前期研究基礎上，本文作者進一步闡釋PC7A聚合物與STING蛋白的作用機制。首先作者發現PC7A與STING具有較強的相互作用（表觀結合常數Kd=72nM），透過計算機模擬與定點氨基酸突變技術揭示了二者的結合發生在PC7A的支鏈含氮七元環與STING二聚體側面的E296-D297序列區域。由於PC7A聚合物含有數十個重複結構單元，同時STING二聚體可以提供兩個結合位點，二者發生多價結合發生相轉變形成複合膠連結構（圖1a）。STING蛋白在此膠連體中區域性濃度富集並以寡聚體形式存在，有利於對下游蛋白TBK1與IRF3的招募與磷酸化【6,7】。在顯微鏡下可以觀察到由STING與PC7A組成的微米級別的膠連體的形成以及其與p-TBK1的共定位（圖1b）。膠連體的形成，生物效應的產生，與PC7A重複單元的數目（即價位）直接相關。若使用低重複單元（如20）的聚合物，則膠連程度很低，STING啟用能力較差；若使用很高重複單元（如110）的聚合物，雖然膠連大量發生，但生物效應卻不甚強，可能與STING功能的飽和以及結合模式的不可逆有關；當選擇適中的重複單元（如70）的聚合物時，生物效應達到最高值（圖1c）。
圖1. PC7A聚合物透過多價結合介導STING蛋白的condensation與下游蛋白的活化
有趣的是，由於與STING的作用模式不同以及獨特的pH響應介導的胞內內吞體逃逸行為，聚合物奈米粒較小分子激動劑表現出緩慢而持久的免疫啟用能力：起效時間為12h之後，並在48h時仍可檢測到IFN-I的產生（圖2a）。利用小分子 (cGAMP) 與高分子聚合物 (PC7A) 二者與STING的非競爭結合位點（圖2b）與互補的免疫啟用時間曲線，作者將兩種激動劑聯用製備了對STING具有雙重靶向作用的聚合物奈米顆粒(cGAMP-STING NPs)。所得藥劑在多種荷瘤小鼠模型中均取得了顯著的腫瘤抑制能力，當與PD-1抗體聯用時在MC38結腸癌模型中更是表現出100%的抗腫瘤效果；在病人的離體腫瘤組織與淋巴樣本中進行測試時亦展示了良好的免疫啟用的臨床轉化潛力。進一步機制研究發現，納米制劑起效的靶點為宿主自身的STING訊號通路而非腫瘤細胞所表達的STING，透過啟用宿主的免疫系統最終由CD8 效應T細胞發揮抗腫瘤的能力。
圖2. PC7A聚合物激動劑與cGAMP小分子激動劑針對STING蛋白不同的結合模式與時間-效應曲線
總結而言，本研究合成了一種高分子STING激動劑，透過多價結合誘導STING蛋白髮生膠連，進而啟用免疫系統發揮抗腫瘤的功效。不同的結合模式導致了高分子激動劑產生異於小分子激動劑的作用位點、空間分佈、以及時間-藥效曲線，為下一代STING激動劑的開發提供了新思路。目前研究人員正在將所得結果進行臨床轉化。
該論文第一作者為李蘇昕博士，通訊作者為高金明教授。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41551-020-00675-9
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參考文獻
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