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【Gene of the Week】免疫治疗热门靶点CTLA-4

免疫治疗热门靶点CTLA-4

 

想获得国自然选题思路,提高国自然基金申请命中率?想调整研究方向,获得学术研究突破口?有机会发高分文章?你需要了解学科发展态势和未来走向!赛业生物专栏《Gene of the Week》每周会根据热点研究领域介绍一个基因,详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等,助您保持学术研究敏锐度,提高科学研究效率,期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是经典的免疫检查点蛋白——CTLA-4。

 

CTLA-4(细胞毒性T淋巴细胞抗原4;也称为CD152)是免疫球蛋白家族的成员,在小鼠体内是由Ctla-4基因编码,在人体内是由CTLA4基因编码的一种跨膜蛋白,主要表达在活化T细胞表面,特别的是,它在调节性T细胞(Treg)中组成型表达。

 

CTLA-4与上周我们提到的CD28具有高度同源性,而且它们有着相同的配体CD80(也称为B7-1)和CD86(也称为B7-2),但是它们的功能截然相反。CD28属于共刺激性(co-stimulatory)免疫检查点,负责向T细胞传递激活信号,促进T细胞分化、增殖为效应细胞;CTLA-4属于共抑制性(co-inhibitory)免疫检查点,负责向T细胞传递抑制信号,抑制T细胞的活性。特别的是,CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更高,可竞争和阻断CD28对T细胞的激活作用(图1)。除此之外,与共抑制性免疫检查点PD-1不同(肿瘤细胞会通过高表达其配体PD-L1和PD-L2来实现免疫逃逸),CTLA-4的配体CD80/CD86主要表达在APC表面,而在多数的肿瘤组织及细胞中低表达或不表达。

图1. CTLA-4是一种跨膜蛋白[1],它与CD28有相同的配体CD80(B7-1)和CD86(B7-2)

图1. CTLA-4是一种跨膜蛋白[1],它与CD28有相同的配体CD80(B7-1)和CD86(B7-2)。CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更高,可竞争和阻断CD28和其配体的结合,从而抑制CD28对T细胞的激活作用。

 

作为一个经典的免疫检查点蛋白,靶向CTLA-4的抗体药物研究十分热门。但是,目前美国FDA批准上市的CTLA-4免疫检查点抑制剂只有一种:Ipilimumab(伊匹单抗,商品名Yervoy,也称为Y药),由百时美施贵宝(Bristol-Myers Squibb,BMS)公司研发,用于治疗晚期转移性黑色素瘤。

 

此外,值得一提的是目前还有一款由阿斯利康(AstraZeneca)公司研发的靶向CTLA-4的候选药物:Tremelimumab(替西木单抗)。这款候选药物的临床研究进展异常曲折:2015年由FDA授予治疗恶性间皮瘤(malignant mesothelioma,MM)的孤儿药地位;2017年宣布III期临床研究MYSTIC失败;2019年宣布III期临床研究NEPTUNE失败;2020年2月又由FDA授予治疗肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma, HCC)的孤儿药资格; 同年3月又宣布另一项III期临床研究DANUBE失败。由衷希望2021年能听到一些好消息,为肿瘤患者们带来新希望。

 

除此以外,近期,目前流行的CTLA-4免疫抑制剂作用机制也受到了挑战(图2)。2018年,美国马里兰大学的Yang Liu教授和Zheng Pan教授团队提出质疑[2]: 抗CTLA-4抗体可能是通过由巨噬细胞介导的抗体依赖性细胞介导的吞噬作用(Antibody-dependent cellular phagocytosis,ADCP)或由NK细胞介导的抗体依赖的细胞毒性(Antibody-dependent cellular cytotoxicity,ADCC)来选择性的清除肿瘤细胞中的免疫抑制性的调节性T细胞(图3)。

 

图2. 目前流行的CTLA-4免疫抑制剂作用机制:阻断CTLA-4免疫检查点导致了抗肿瘤免疫效果。

图2. 目前流行的CTLA-4免疫抑制剂作用机制:阻断CTLA-4免疫检查点导致了抗肿瘤免疫效果。T细胞活化需要双重信号。信号1来源于APC上的抗原-MHC复合物与T细胞上的TCR结合;信号2来源于APC上的B7分子(CD80或CD86)与T细胞上的共刺激性受体CD28结合。活化的T细胞上调其细胞表面CTLA-4的表达。而共抑制性受体CTLA-4与CD80/CD86的亲和力更强,它与CD28竞争配体CD80/CD86,并抑制T细胞的活性,为T细胞的激活踩下“刹车”。抗CTLA-4抗体被认为松开了对初始T细胞的“刹车”,并准许它们在淋巴结中被激活,然后迁移到肿瘤部位对肿瘤细胞进行杀伤。

 

图3. 新的CTLA-4免疫抑制剂作用机制:选择性清除肿瘤微环境中的调节性T细胞(Treg)导致了抗肿瘤免疫效果

图3. 新的CTLA-4免疫抑制剂作用机制:选择性清除肿瘤微环境中的调节性T细胞(Treg)导致了抗肿瘤免疫效果。肿瘤中调节性T细胞表达高水平的CTLA-4蛋白,因此抗CTLA-4抗体可能是通过由巨噬细胞介导的抗体依赖性细胞介导的吞噬作用(Antibody-dependent cellular phagocytosis,ADCP)或由NK细胞介导的抗体依赖的细胞毒性(Antibody-dependent cellular cytotoxicity,ADCC)来选择性的清除这些Treg。阻断CTLA-4与其配体CD80/CD86的结合对有效清除肿瘤中的Treg来说并不是必需的。

 

综上,CTLA-4蛋白在抑制T细胞活性中具有重要作用,针对它的免疫抑制剂是目前上市的三类免疫检查点抑制剂之一(另外两类是PD-1和PD-L1免疫检查点抑制剂)。此外,这些药物还在不断扩大其适应症,并与其他肿瘤免疫药物进行联用以提高疗效(例如CTLA-4抗体与PD-1抗体联合免疫疗法、CTLA-4抗体与以IL-13Rα2为靶点的CAR-T细胞联合免疫疗法),但关于CTLA-4免疫抑制剂的具体作用机制还有待进一步研究。

 

参考文献:

[1] https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/tuning-immune-response-with-costimulation.

[2] Tang F., et al. Anti-CTLA-4 antibodies in cancer immunotherapy: selective depletion of intratumoral regulatory T cells or checkpoint blockade? Cell & Bioscience 8: 30 (2018).

 

赛业生物CTLA-4人源化小鼠,助力肿瘤研究

品系背景:C57BL/6N

 

品系构建策略:

在小鼠基因组上的Ctla-4基因位点敲入人源CTLA-4胞外区域编码序列,使其能够表达:a)嵌合型Ctla-4蛋白(人源胞外结构域和鼠源胞内结构域)和b)可溶性嵌合体蛋白(人源胞外结构域)。

 

品系说明:

  • CTLA-4基因的胞外域完全被人源化。
  • hCTLA-4在小鼠体内表达具有正常的生理表达和调节模式。
  • 保留了小鼠CTLA-4胞内结构域,保证了正常的胞内信号转导。
  • 小鼠的免疫系统功能健全。
  • 缺乏小鼠靶基因的表达,从而避免交叉反应。

 

研究应用:

hCTLA-4小鼠能够在完全具有免疫能力的小鼠中进行针对人类免疫检查点CTLA-4的免疫肿瘤学药物的体内疗效评估和分析。您也可以委托赛业生物构建条件性基因敲除CTLA-4小鼠对药物的靶向性和毒性进行组织特异性评估。

 

模型验证:

图4. CTLA-4小鼠中各类免疫细胞(T细胞、B细胞、NK细胞、DC细胞、单核细胞)与WT小鼠的各类免疫细胞的比例接近,小鼠免疫细胞功能正常。

图4. CTLA-4小鼠中各类免疫细胞(T细胞、B细胞、NK细胞、DC细胞、单核细胞)与WT小鼠的各类免疫细胞的比例接近,小鼠免疫细胞功能正常。

 

图5. hCTLA-4的功能:α-human CTLA-4单抗下调,hCTLA-4小鼠Treg对效应T细胞的抑制

图5. hCTLA-4的功能:α-human CTLA-4单抗下调,hCTLA-4小鼠Treg对效应T细胞的抑制。

用CFSE标记分离的CD4+CD25-T细胞(效应T细胞),并用可溶性αmCD3和APC +/-(CD4+CD25+)Treg和CTLA-4抗体激活。(A)流式细胞术检测CFSE稀释;(B)通过ELISA在上清液中测定IL-2的产生。

 

图6. hCTLA-4在hCTLA-4小鼠体内的表达模式与野生型小鼠中mCTLA-4的表达模式一致

图6. hCTLA-4在hCTLA-4小鼠体内的表达模式与野生型小鼠中mCTLA-4的表达模式一致。

hCTLA-4和mCTLA-4在αCD3活化的脾细胞表达情况。hCTLA-4小鼠模型和野生型小鼠上表达的(A)Treg亚群(CD3+CD4+CD25+Foxp3+),(B)传统CD4+(CD3+CD4+)和(C)CD8+(CD3+CD8+)T细胞。

 

图7. 在CTLA-4人源化小鼠中,CTLA-4单抗(Ipilimumab)具有抗肿瘤活性

图7. 在CTLA-4人源化小鼠中,CTLA-4单抗(Ipilimumab)具有抗肿瘤活性。

 

小鼠肿瘤模型是研究肿瘤发生发展机制、药物筛选及疗效评价必不可少的工具,赛业生物模式动物创新药物研发平台可以为您提供多种类型肿瘤模型,如BALB/c nude(裸鼠)NOD scidC-NKGBRGSF等免疫缺陷鼠、免疫检查点人源化小鼠肿瘤细胞系移植模型人源肿瘤组织异种移植模型(CDX)、基因修饰模型及表型分析服务,如有需要,欢迎联系我们~

 

关于赛业

赛业生物历经15年发展,已服务全球数万名科学家,产品和技术已直接应用于包括CNS(Cell,Nature, Science)三大期刊在内的4500余篇学术论文。除了提供基因敲除基因敲入条件性基因敲除模型定制服务外,赛业生物还有专业的手术疾病模型团队,可以提供多种复杂精细的小动物手术疾病模型;药物筛选评价小鼠平台可以提供从欧美行业领袖引进的免疫缺陷鼠、用于心血管及阿尔茨海默症等研究的人源化小鼠;国际标准化无菌鼠技术平台可以提供无菌鼠、无菌动物定制服务、微生物菌群移植服务等基于无菌动物模型的各类产品和服务,结合赛业生物成熟稳定的基因编辑小鼠平台,还可帮助您研究菌群与基因的互作机制。

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