【Gene of the Week】免疫治疗热门靶点CD39


    

免疫治疗热门靶点CD39

 

想调整研究方向,获得学术研究突破口?想获得论文选题思路,提高发文命中率?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》每周二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免疫研究热门基因之CD39。

 

基因基本信息

CD39基因敲除小鼠

备注:标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

 

CD39的功能简介

CD39,也称为膜外三磷酸腺苷二磷酸水解酶-1(Ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase-1),由ENTPD1基因编码而成。CD39是一个跨膜蛋白,具有两个跨膜结构域和一个胞外结构域。CD39的活性中心在胞外结构域上,但有研究表明两个跨膜结构域之间的互相作用也会影响酶活性[1]功能上,CD39能与胞外ATP(extracellular ATP,eATP)结合,并将其水解为AMP;另一种胞外核酸酶CD73则会将AMP水解为腺苷(adenosine,ADO)。在ATP-ADO通路中,CD39是eATP水解的限速酶,而CD39是AMP水解的限速酶(图1)。此外,CD39也能将水解ADP,但效率较低[3]

图1. TME中的ATP-ADO通路

图1. TME中的ATP-ADO通路[2]

在肿瘤微环境(tumour microenvironment,TME)中,累积的eATP能通过P2嘌呤受体 (P2XRs和P2YRs) 刺激细胞炎症反应,或通过胞外核苷酸酶CD39和CD73被降解为免疫抑制性的ADO。在缺氧的TME中,CD39和CD73在多种细胞类型中广泛表达,且表达量上调。在特定组织或肿瘤类型中,ADO也能通过其它途径产生,例如碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)介导的ATP分解,或由CD38、CD203a 和CD73对NAD+进行顺序分解代谢产生。此外,高浓度的胞外ADO能通过腺苷受体(A2A、A2B等)促进TME中的免疫抑制性微环境,且胞外ADO浓度由腺苷脱氨酶(adenosine deaminase,ADA)调控,ADA能将ADO转化为肌苷。

 

CD39的表达

CD39在多种免疫细胞和非免疫细胞(e.g., 内皮细胞和成纤维细胞)中均有表达,且CD39和其下游的ADO受体在受到包括组织损伤、缺氧和组织重塑等多种刺激下,也会上调表达水平。此外,肿瘤细胞也进化出了通过上调CD39表达量来消耗具有免疫激活作用的eATP的免疫逃逸机制。在淋巴瘤、肉瘤、肺癌等多种肿瘤中,研究人员都观测到了CD39表达水平升高。在肿瘤微环境(tumour microenvironment,TME)中,血管内皮细胞和一些免疫细胞亚群也会高表达CD39,例如NK细胞、CD4+ CD25+ 调节性T细胞 (Treg)、巨噬细胞等。其中,血管内皮细胞上CD39的表达在血管生成(angiogenesis)和原代肿瘤生长中都扮演了重要角色[4]

 

eATP和ADO在TME中的作用

eATP和ADO已被证明在TME中分别有促炎作用和免疫抑制作用[5]在TME中,它们间的平衡调控着多种细胞的免疫应答反应(图2)。CD73拮抗剂或A2ARi都只注重逆转ADO的免疫抑制作用,而低估了eATP在其中起到的功效;靶向CD39的疗法则有从多方面调控肿瘤免疫反应的潜力[2]

图2. TME中ATP与ADO的“阴”与“阳”

图2. TME中ATP与ADO的“阴”与“阳”[2]

TME中,eATP与胞外ADO一起调控多种细胞的免疫应答反应:促炎(pro-inflammation)或促肿瘤生长(pro-tumor)。eATP通过嘌呤受体在多种细胞类型中发挥免疫激活作用;而ADO通过ADO受体介导的多种机制在同样的细胞中抑制免疫反应。

 

CD39抑制剂的抗肿瘤免疫机制

理论上,在ATP-ADO通路中抑制CD39具有双重抗肿瘤免疫效果:①通过抑制ATP的水解,提高TME中有促炎和促细胞增殖作用的ATP水平;②通过抑制下游产物ADO的累积,逆转ADO受体直接介导的免疫抑制作用及长期建立的免疫抑制性TME[2]此外,还有研究人员发现了一些其他的机制(图3)。

图3. 在TME中治疗性抑制CD39胞外核苷酸酶活性能通过多种机制提升抗肿瘤免疫效果

图3. 在TME中治疗性抑制CD39胞外核苷酸酶活性能通过多种机制提升抗肿瘤免疫效果[2]。

(a)TME中的多种细胞表达CD39,从而促进胞外核苷酸酶介导的eATP分解代谢,包括CD4+ CD25+ Treg、耗竭T细胞、髓系来源抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)、内皮细胞、B细胞、巨噬细胞、树突状细胞(dendritic cells,DCs)、NK细胞和肿瘤细胞。由于缺氧,细胞损伤或细胞死亡而导致的eATP持续释放,以及通过抑制CD39来抑制ATP降解,都会导致TME中eATP含量的增加。

(b)除了提高eATP的累积量以外,抑制CD39的酶活性也会减少ADO的累积量,从而降低各种驻留和浸润免疫细胞的免疫抑制作用,例如表达A2A和/或A2B受体的NK细胞和T细胞。

(c)eATP水平上调能激活髓系细胞中的P2X7,促进炎症小体(inflammasome)介导的包括IL18和IL-1β在内的促炎细胞因子的释放,从而支持效应T细胞(Teff)和NK细胞介导的细胞毒性作用。eATP水平上调也能诱导P2X7+ 巨噬细胞的细胞焦亡(pyroptosis)。

(d)此外,eATP与DCs上的P2X7结合能增强抗原呈递作用,并促进DC的成熟,进一步支持抗肿瘤免疫作用。

 

靶向CD39的联合免疫疗法

除了单药免疫疗法,利用疗效“1+1>2”的联合免疫疗法也越来越火热。目前,也有多种靶向CD39的联合免疫疗法处于实验及临床试验阶段(图4)。

图4. 靶向CD39的联合免疫疗法-1

图4. 靶向CD39的联合免疫疗法-2

图4. 靶向CD39的联合免疫疗法[2]。

(a)同时阻断CD39和其他ATP-ADO通路中的蛋白(CD73, A2A/A2B受体和CD38)可以通过①提高具有免疫激活作用的eATP水平、②抑制具有免疫抑制作用ADO的生成,来提高治疗效果。此外,阻断ATP-ADO通路中的多种蛋白能降低可能存在的代偿机制的影响,以及降低靶向单一蛋白可能无法完全阻断该通路的风险。

(b)同时阻断CD39和其他免疫检查点(例如PD-1、PD-L1和CTLA-4等)在临床前模型中显示出了联合抗肿瘤疗效。此外,在一些靶细胞中,CD39与免疫检查点共表达。例如,在耗竭T细胞中,CD39与PD-1共表达;在巨噬细胞中,CD39与PD-L1共表达。

(c)由化疗或放疗引起的肿瘤细胞死亡会增加eATP和肿瘤抗原的释放,而同时进行CD39阻断能维持TME中eATP 的高含量,提高DCs的抗原呈递效果,增强抗肿瘤免疫作用。

(d)过继性细胞疗法(例如CAR-T)的抗肿瘤效果可能会被适应性耐药机制所限制,包括CD39的上调或形成低eATP/高ADO的TME。靶向CD39、CD73和/或PD-1能减弱这种耐药机制,提高抗肿瘤免疫效果。

(e)降低胞外ADO水平也能提高表达Fc受体的效应细胞的效应作用。降低对巨噬细胞和NK细胞的抑制作用可以分别提高肿瘤抗原介导的抗体依赖性细胞毒性(antibody-dependent cellular cytotoxicity,ADCC)和抗体依赖性细胞吞噬作用(antibody-dependent cellular phagocytosis,ADCP)。

 

小结

靶向TME中的ATP-ADO通路是一种非常有前景的疗法。而其中,CD39抑制剂在TME中具有双重抗肿瘤免疫效果:①提高具有免疫激活性的eATP水平;②减少具有免疫抑制性的ADO累积。目前,多种CD39抑制剂已进入临床试验阶段:例如,由Innate Pharma/Astrazeneca公司研发的IPH5201、由Tizona Therapeutics公司研发的TTX-030和由Surface Oncology公司研发的SRF617。此外,由科望医药(Elpiscience) 研发的ES002、由Secarna公司研发的靶向CD39的反义寡核苷酸(antisense oligonucleotide,ASO)等也正处于临床前研究阶段。

 

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CD39人源化小鼠助力肿瘤研究

品系背景:C57BL/6N、BALB/c

 

品系构建策略:

在小鼠CD39基因位点敲入人源CD39胞外域序列,保留小鼠胞内域和跨膜域,构建嵌合型CD39人源化小鼠模型。

 

品系说明:

■ CD39在小鼠体内具有正常的生理表达和调节模式。

■ CD39胞外域人源化,利于hCD39靶向药物的识别。

■ 保留小鼠CD39胞内域,保证正常的胞内信号转导。

■ 小鼠靶基因不表达,避免交叉反应。

■ 小鼠的免疫系统功能健全。

 

研究应用:

本模型可用于评估hCD39靶向药物在免疫健全小鼠体内的有效性及安全性。

 

模型验证:

CD39表达检测

图1. hCD39在hCD39小鼠中的表达模式与mCD39在野生型小鼠中的表达模式一致

图1. hCD39在hCD39小鼠中的表达模式与mCD39在野生型小鼠中的表达模式一致。

hCD39和mCD39在新鲜分离的脾细胞中的表达情况:(A)树突状细胞(CD3- CD19- CD11b+ CD11c+)、(B)B细胞(CD3- CD19+)和(C)Tregs(viable, CD3+ CD4+ CD25+ Foxp3+)。

 

CD39功能检测

图2. hCD39是有功效的:αhCD39抗体能特异性降低hCD39的活性

图2. hCD39是有功效的:αhCD39抗体能特异性降低hCD39的活性。

用αmCD39抗体、αhCD39抗体或作为对照组的ARL(胞外核苷酸酶抑制剂)对(A)野生型小鼠和(B)hCD39小鼠新鲜分离的脾细胞处理1h。加入ATP后,通过CellTiter-Glo®发光细胞测定法测量ATP水平。

 

参考文献:

[1] Grinthal, A., Guidotti, G. CD39, NTPDase 1, is attached to the plasma membrane by two transmembrane domains. Why? Purinergic Signal 2, 391-8(2006).

[2] Moesta, A.K., Li, XY. & Smyth, M.J. Targeting CD39 in cancer. Nat Rev Immunol 20, 739–755 (2020).

[3] Antonioli, L., Pacher, P., & Vizi, E. S., et al. CD39 and CD73 in immunity and inflammation. Trends in molecular medicine, 19(6), 355–367(2013).

[4] Jackson, S.W., Hoshi, T. & Wu Y., et al. Disordered purinergic signaling inhibits pathological angiogenesis in cd39/Entpd1-null mice. The American journal of pathology 171, 1395–1404(2007).

[5] Stagg, J., Smyth, M. Extracellular adenosine triphosphate and adenosine in cancer. Oncogene 29, 5346–5358 (2010).

 

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