白细胞介素-2（IL-2）的发现历程

· 1974 年：IL-2 被发现。当时，科学家们在研究 T 细胞的生长和分化过程中，观察到一种能够促进 T 细胞增殖的因子存在于 T 细胞培养上清液中，但尚未对其进行纯化和深入研究。

· 1976 年：NCI 肿瘤细胞生物学实验室的 Robert Gallo 使用 PHA 刺激淋巴细胞产生条件培养基培养骨髓细胞，发现其中未被纯化的成分可维持 T 细胞长达 9 个月的生存，这个成分被称之为 T 细胞生长因子（TCGF），这是 IL-2 研究的重要进展。

· 1980 年：Robert Gallo 通过离子交换色谱和凝胶分离，从条件培养基中分离浓缩了 TCGF，并得出了大致的分子量约 15kd，这使得 IL-2 的研究向前迈进了一大步。

· 1983 年：

· 日本癌症研究基金会肿瘤研究中心的 Junji Hamuro 等人克隆了 IL-2 的基因，并完成了测序工作，人们由此可以完整地了解这个 T 细胞生长因子的基因和氨基酸序列等基础信息。

· 多个实验室进行了 IL-2 的大肠杆菌表达，这为 IL-2 的进一步研究和应用奠定了基础。

· 1984 年：Nature 发表了三篇关于 IL-2 受体 α 克隆的文章，分别来自于 Immunex 公司（2002 年被 Amgen 收购）、NCI 和日本京都大学，这标志着对 IL-2 作用机制的研究取得了重要突破，开始深入到受体层面。

· 1985 年：

· Rosenberg 等在新英格兰医学杂志报道，使用 IL-2 和 LAK 细胞进行了 25 个癌症转移病人的临床研究，显示出 IL-2 在肿瘤治疗方面的潜在应用价值。

· Rosenberg 在肝癌转移小鼠模型注射重组 IL-2，获得了很好的治疗效果。

· 1986 年：

· NIH 国立儿童健康与人类发育研究所发现了 IL-2 另外一个受体 p70，1986 和 1987 年还有多篇文章报道 IL-2 p70 受体，进一步丰富了对 IL-2 受体的认识。

· 科学家们发现 T 细胞的激活需要来自 TCR 和 CD28 的信号，此后 CD28 被命名为 “共刺激分子”。

· 1990 年：日本东北大学医学院和京都大学分别发表文章发现 IL-2Rγ，至此，IL-2 受体 α、β、γ 被全部发现。

· 1991 年：诺华与 Linigen 联合研发的重组 IL-2 药物 Proleukin（aldesleukin，阿地白介素）被 FDA 批准治疗转移性肾癌，1998 年批准治疗转移性黑色素瘤。

· 1992 年：IL-2 获得批准并成为第一个免疫疗法。

IL-2 的发现为免疫学和肿瘤免疫治疗等领域的发展奠定了重要基础，后续围绕 IL-2 及其受体的研究不断深入，推动了相关疾病治疗方法的探索和发展。

IL-2的生物学特性

白细胞介素 - 2（IL-2）的生物学特性主要包括以下几个方面：

一、产生细胞及诱导因素

· IL-2 主要由活化的 T 淋巴细胞产生，尤其是 CD4+T 细胞和 CD8+T 细胞。当 T 细胞受到抗原、有丝分裂原（如植物血凝素、刀豆蛋白 A 等）等刺激后，便开始合成和分泌 IL-2。此外，自然杀伤（NK）细胞在一定条件下也能产生少量的 IL-2。

二、分子结构与理化性质

· IL-2 是一种分子量约为 15-20 kDa 的糖蛋白，其蛋白结构包含多个重要的功能区域：

· 含有多个半胱氨酸残基，形成分子内的二硫键，对于维持其空间结构和生物学活性至关重要。

· 具有特定的氨基酸序列，这些序列决定了其与受体的结合能力以及生物学功能的发挥。

· 在溶液中，IL-2 表现出一定的溶解性和稳定性特点，在适宜的 pH 值和离子强度条件下能够保持其活性。

三、受体结合及信号转导

· 1. IL-2 受体组成

· IL-2 受体是一个由多条多肽链组成的复合体，包括 α 链（CD25）、β 链（CD122）和 γ 链（CD132）：

· α 链：也称为 T 细胞活化蛋白 p55，相对分子质量为 55 kDa，是低亲和力受体的主要组成部分。单独的 α 链与 IL-2 的结合亲和力较低，但在调节受体的表达和功能方面起着重要作用。

· β 链：相对分子质量约为 75 kDa，与 IL-2 结合后可以增加受体对 IL-2 的亲和力，并且在信号转导过程中起着关键作用。

· γ 链：相对分子质量约为 64 kDa，是多种细胞因子受体共用的信号转导亚单位，对于 IL-2 介导的信号传递至细胞内起着的作用。

· 不同细胞表面 IL-2 受体的组成和表达水平有所差异，例如活化的 T 细胞和 B 细胞表面高表达 IL-2 受体的三聚体形式（αβγ），具有高亲和力；而静止的 T 细胞和 NK 细胞表面主要表达由 β 链和 γ 链组成的二聚体受体，亲和力相对较低。

·

· 2. 结合特性与亲和力

· IL-2 与受体的结合具有特异性和可饱和性。其结合亲和力受到受体组成、细胞活化状态以及其他因素的影响：

· 当 IL-2 受体以三聚体形式存在时，与 IL-2 的结合亲和力高，解离常数（Kd）可达 10-11mol/L 级别；而二聚体受体与 IL-2 的结合亲和力相对较低，Kd 约在 10-8mol/L 至 10-9mol/L 之间。

· 3. 信号转导途径

· IL-2 与受体结合后，通过激活一系列细胞内信号转导通路，将信号传递至细胞核内，调节基因的表达，从而发挥其生物学效应：

· JAK-STAT 途径：这是 IL-2 信号转导的主要途径之一。IL-2 受体的 β 链和 γ 链胞内区与 Janus 激酶（JAK）家族成员（如 JAK1、JAK3）相结合。当 IL-2 与受体结合后，JAK 激酶被激活，进而磷酸化信号转导及转录激活蛋白（STAT）家族成员，特别是 STAT5。磷酸化的 STAT5 形成二聚体，转移至细胞核内，与特定的 DNA 序列结合，调节一系列与细胞增殖、分化和存活相关基因的表达。

· PI3K-AKT 途径：IL-2 受体激活后，还可以通过 PI3K（磷脂酰肌醇 3 - 激酶）介导的信号通路调节细胞的代谢和存活。PI3K 被激活后，产生第二信使 PIP3（磷脂酰肌醇 - 3,4,5 - 三磷酸），进而激活 AKT（蛋白激酶 B）等下游分子。AKT 可以调节多种细胞功能，如促进细胞存活、代谢调节以及蛋白质合成等。

· RAS-MAPK 途径：IL-2 也可以激活 RAS（一种小 G 蛋白），进而启动 MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）级联反应。MAPK 信号通路参与调节细胞的增殖、分化和应激反应等多种生物学过程。通过激活 ERK（细胞外信号调节激酶）、JNK（c-Jun 氨基末端激酶）和 p38 等 MAPK 家族成员，将信号传递至细胞核内，调节相关基因的表达。

·

· 这些生物学特性使得 IL-2 在免疫系统中发挥着关键的调节作用，参与了免疫细胞的增殖、分化和功能调节等重要生理过程。

IL-2生物制药方面的应用

· 1. 治疗癌症：

· 刺激免疫细胞活性：IL-2 能促进 T 细胞的增殖和分化，维持 T 细胞活性，刺激 NK 细胞的生成、增殖和活化，并诱导细胞毒性 T 淋巴细胞的生成，诱导和激活淋巴因子激活的杀伤细胞及肿瘤浸润淋巴细胞，这些免疫细胞可以攻击和杀死癌细胞。

· 联合治疗：与其他抗癌药物如 PD-1 抑制剂联合使用。例如信达生物的 PD-1/IL-2 双抗（IBI363），通过激活和扩展类似效应 CD8+T 和 NK 细胞等免疫因子，使 “冷肿瘤” 转变为 “热肿瘤”，增强对 PD-1 抗性肿瘤细胞的杀伤；还有君实生物通过授权获得的 IL-2 系列产品，可与 PD-1 单抗联合，有利于 PD-1 单抗市场下一阶段的竞争。

· 2. 治疗自身免疫性疾病：

· 调节免疫平衡：IL-2 对免疫系统有调节作用，可通过调节 T 细胞和调节性 T 细胞（Treg 细胞）的功能来抑制过度活跃的免疫反应。研究发现，针对 IL-2 的不同单克隆抗体可以促进小鼠中不同类型的 T 细胞扩增，某些抗体与 IL-2 结合使用可有效治疗自身免疫性疾病和炎症，目前有一种类似的人单克隆抗体正往临床试验发展。

· 靶向特定细胞类型：利用工程化的 IL-2 生物制剂，选择性地靶向 Treg 细胞，以对抗自身免疫和炎症性疾病中失调的免疫系统。例如一些 IL-2 类似物通过改变 IL-2 与其受体的结合特性，使其更特异性地作用于 Treg 细胞，从而减轻自身免疫反应。

· 3. 增强疫苗效果：

· 作为疫苗佐剂，增强机体对疫苗的免疫应答。例如在新城疫活疫苗基因组中引入分子佐剂鸡 IL2，能够在疫苗免疫早期刺激鸡体内产生 NDV 抗体并增强体液免疫水平，提升免疫保护效率。

IL-2的局限性和解决方案

· 1. 局限性：

· 半衰期短：天然 IL-2 的半衰期很短（通常小于 15 分钟），这导致在治疗过程中需要频繁给药，增加了患者的负担和治疗成本，且可能影响患者的依从性。

· 毒性问题：使用高剂量 IL-2 治疗癌症时，会引起严重的非特异性毒性，可能出现如低血压、急性肾功能衰竭等严重的并发症，还可能有发热、畏寒、疲乏感、呕吐等常见副作用，对患者的身体造成较大负担，甚至可能危及生命。

· 免疫调节复杂性：IL-2 虽然可以激活免疫细胞发挥抗肿瘤等作用，但它同时也能激活 Treg 细胞，而肿瘤微环境中的 Treg 细胞通常起到免疫抑制的作用，可能会抵消 IL-2 激发的抗癌免疫反应，影响治疗效果。

· 药代动力学特性欠佳：药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程不够理想，可能导致药物在体内的浓度不稳定，影响疗效的发挥，且可能增加药物的副作用。

· 2. 解决方案：

· 工程化改造 IL-2：IL-2 突变体：通过引入基因突变，改变 IL-2 蛋白表面的特定氨基酸，生成倾向与高亲和力受体或中亲和力受体结合的 IL-2 突变体。例如安进公司的 efavaleukin alfa，将携带特定突变的 IL-2 与抗体的 Fc 端融合在一起，构成的融合蛋白不但具有更长的半衰期，而且倾向与高亲和力受体相结合，能够促进 Treg 细胞的增生，从而恢复自身免疫疾病患者的免疫平衡。

· 聚乙二醇修饰的 IL-2：将聚乙二醇（PEG）偶联在 IL-2 蛋白表面可以延长 IL-2 蛋白的半衰期。通过控制聚乙二醇在 IL-2 表面偶联的位置和数量，可以构建出倾向与高亲和力受体或者中亲和力受体结合的 IL-2 类似物。如 Nektar Therapeutics 公司开发的 bempegaldesleukin（NKTR-214），通过在 IL-2 与 CD25 结合的界面附近平均偶联 6 个 PEG 链，阻断了它与高亲和力 IL-2R 受体的结合，更倾向于激活 CD8 阳性记忆 T 细胞和 NK 细胞。为解决部分 PEG 修饰的 IL-2 存在的 PEG 修饰位点不一致的问题，有些生物技术公司在 IL-2 表面引入非天然氨基酸，将 PEG 链偶联在这些非天然氨基酸上，以生成同质化更强的 IL-2 类似物，如赛诺菲公司的 SAR444245。

· IL-2 免疫复合体：IL-2 与抗 IL-2 单抗结合构成复合体，既可以延长 IL-2 蛋白半衰期，又能调节 IL-2 的受体结合选择性。例如 Anaveon 公司开发的选择性 IL-2R 激动剂 ANV419。

· 联合用药：将 IL-2 与其他药物联合使用，以提高疗效或减轻副作用。比如与 PD-1 抑制剂等免疫检查点抑制剂联合应用，增强抗肿瘤效果；或与其他具有协同作用的药物联合，改善患者的免疫状态。

· 优化给药方式：探索更合适的给药途径和方案，如采用缓释制剂、局部给药等方式，减少药物的全身暴露，降低副作用，同时提高药物在局部的浓度和作用时间。

· 精准医疗策略：根据患者的个体差异，如基因表达谱、免疫状态等，制定个性化的治疗方案，选择适合患者的 IL-2 制剂、剂量和给药方式，以提高治疗效果并减少不良反应。

· 开发新型药物：研究和开发具有类似 IL-2 功能但克服其局限性的新型药物，或者利用基因编辑等技术对 IL-2 的作用机制进行深入研究和改造，以创造出更高效、安全的治疗药物。

IL-2工程化改造方案

一、蛋白质工程改造

· 1. 突变体设计

· 改变受体结合特性：

· 通过对 IL-2 蛋白关键氨基酸位点进行定点突变，可以改变其与不同受体亚基的结合亲和力。例如，将某些关键位点的氨基酸残基进行替换，使其更倾向于与高亲和力受体（由 αβγ 链组成）中的 βγ 链结合，这样可以增强对效应 T 细胞和 NK 细胞的激活作用，同时减少对调节性 T 细胞（Tregs）的过度刺激。

· 设计突变体以降低与 α 链（CD25）的结合能力，从而减少对 Tregs 的优先激活，使 IL-2 更多地作用于具有抗肿瘤活性的免疫细胞，增强其在癌症免疫治疗中的效果。

· 增加稳定性：

· 在 IL-2 的结构中引入额外的二硫键或对现有的二硫键进行优化，以提高蛋白质的热稳定性和抗蛋白酶降解能力。这可以延长 IL-2 在体内的半衰期，减少给药频率。

· 对 IL-2 蛋白表面的氨基酸进行修饰，使其具有更优化的亲水性或疏水性分布，改善蛋白质的折叠稳定性和在溶液中的稳定性。

· 2. 融合蛋白构建

· 与抗体片段融合：

· 将 IL-2 与抗体的 Fc 片段融合，形成 IL-2-Fc 融合蛋白。Fc 片段可以延长 IL-2 在体内的半衰期，通过与新生 Fc 受体（FcRn）结合，避免被肾脏快速清除。同时，抗体部分还可以提供靶向特定细胞或组织的功能，例如可以设计针对肿瘤相关抗原的双特异性抗体，其中一端结合肿瘤抗原，另一端融合 IL-2，实现将 IL-2 精准递送到肿瘤微环境中，提高局部免疫激活效果，降低全身毒性。

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· 利用抗体的可变区片段（scFv）与 IL-2 融合，构建具有靶向特定细胞类型能力的融合蛋白。例如，设计针对特定免疫细胞表面标志物的 scFv-IL-2 融合蛋白，实现对特定免疫细胞群体的选择性激活。

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· 与其他蛋白或多肽融合：

· 将 IL-2 与其他细胞因子或免疫调节蛋白融合，形成具有协同作用的多功能融合蛋白。例如，将 IL-2 与 IL-15 融合，IL-15 也是一种重要的免疫细胞生长因子，两者融合后可以同时激活多种免疫细胞，增强免疫应答效果。

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· 与具有延长半衰期功能的多肽融合，如与白蛋白结合多肽融合，利用白蛋白在体内的长循环特性，延长 IL-2 的作用时间。

二、聚乙二醇化修饰

· 1. 位点选择和优化：

· 通过化学方法将聚乙二醇（PEG）分子连接到 IL-2 蛋白的特定氨基酸残基上。选择合适的位点进行 PEG 修饰至关重要，一般选择在对 IL-2 生物活性影响较小的表面暴露区域进行修饰。例如，选择远离与受体结合关键区域的氨基酸位点进行 PEG 偶联，以尽量减少对 IL-2 与受体结合能力的影响。

· 优化 PEG 的分子量和连接方式（如直链 PEG 或支链 PEG），以获得药代动力学特性和生物活性平衡。较大分子量的 PEG 通常可以提供更长的半衰期，但可能会对生物活性产生更大的影响，因此需要根据具体需求进行优化选择。

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· 2. 控制修饰程度：

· 精确控制 PEG 与 IL-2 的偶联比例，确保修饰后的产物具有一致的质量和性能。可以通过优化反应条件和纯化工艺，实现对 PEG 修饰程度的精确控制。例如，采用特定的化学反应条件和纯化方法，使每个 IL-2 分子上连接的 PEG 分子数量保持在一个合理的范围内，以保证修饰后的 IL-2 具有良好的生物活性和药代动力学特性。

· 对修饰后的 IL-2 进行质量检测和分析，确保产品的一致性和稳定性。采用先进的分析技术，如质谱分析、高效液相色谱等，对 PEG 修饰的 IL-2 进行详细的结构和质量表征，以监控生产过程中的质量变化。

三、构建 IL-2 免疫复合体

1. 与抗体结合形成免疫复合体：

利用特异性抗 IL-2 抗体与 IL-2 结合形成免疫复合体。这种免疫复合体可以改变 IL-2 的生物活性和药代动力学特性。例如，某些抗 IL-2 抗体可以选择性地调节 IL-2 与不同受体亚基的结合，从而改变其对免疫细胞的激活模式。

设计具有特定功能的抗 IL-2 抗体，如可以优先促进 IL-2 与效应 T 细胞表面受体结合的抗体，与 IL-2 结合形成免疫复合体后，增强对效应 T 细胞的激活作用，提高抗肿瘤免疫应答。

通过对抗体的结构和亲和力进行优化，调节免疫复合体的稳定性和生物活性。例如，改变抗体的可变区序列，提高其与 IL-2 的结合亲和力和特异性，以获得更理想的免疫复合体性能。

2. 利用其他分子构建复合体：

除了抗体，还可以利用其他生物分子或化学分子与 IL-2 构建复合体。例如，使用脂质体、聚合物纳米颗粒等载体材料将 IL-2 包裹或吸附在其表面，形成具有特定释放特性和靶向能力的复合体。这些载体可以保护 IL-2 免受体内酶的降解，延长其作用时间，并可以通过表面修饰实现对特定组织或细胞的靶向递送。

利用生物相容性聚合物或凝胶材料与 IL-2 结合，形成可注射的缓释制剂。这些缓释制剂可以在体内逐渐释放 IL-2，维持一定的药物浓度，减少给药次数，同时提高患者的依从性。

四、基于基因工程的改造

1. 表达载体优化：

设计和构建高效的 IL-2 基因表达载体，用于在生物体内或体外生产 IL-2。优化表达载体的启动子、增强子和其他调控元件，以提高 IL-2 的表达水平和稳定性。例如，使用强启动子如 CMV 启动子或组织特异性启动子，根据应用场景选择合适的表达系统，如细菌、酵母、哺乳动物细胞等表达系统，以满足不同的生产需求和药物质量要求。

在表达载体中引入融合标签或信号肽序列，便于 IL-2 的表达、纯化和分泌。例如，添加 His 标签用于后续的蛋白纯化，或添加特定的信号肽序列，促进 IL-2 在细胞内的正确折叠和分泌到细胞外。

2. 基因编辑技术应用：

利用基因编辑技术如 CRISPR/Cas9 对 IL-2 基因进行精确修饰，以改变其编码的蛋白质结构和功能。例如，可以在 IL-2 基因中引入特定的突变，实现对其生物活性、受体结合特性等方面的定制化改造。

通过基因编辑技术在细胞内直接对 IL-2 及其相关信号通路进行调控。例如，在免疫细胞中敲除或敲入与 IL-2 信号传导相关的基因，以研究其对免疫细胞功能的影响，并为设计更有效的 IL-2 治疗策略提供依据。

3. 基因治疗策略：

将 IL-2 基因导入患者体内的细胞，实现体内持续表达 IL-2。可以使用病毒载体（如腺病毒、慢病毒等）或非病毒载体（如质粒 DNA、纳米颗粒等）将 IL-2 基因递送到目标细胞中。例如，在肿瘤免疫治疗中，将 IL-2 基因导入肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）或其他免疫细胞中，增强其抗肿瘤活性。

利用基因调控元件控制 IL-2 基因的表达时间和水平。例如，使用可诱导的启动子系统，根据患者的治疗需求和病情发展，在特定的时间点或在特定的刺激条件下启动 IL-2 基因的表达，以实现精准的治疗控制，同时减少潜在的副作用。

逐典高活性偏向性IL-2

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图1. IL-2 AID分子更易使稳定表达有αβγ受体的细胞增殖

图2. 体外刺激人PBMC结果显示，IL-2 AID分子可以优先刺激Treg增殖，与IL-2 WT相比，CD8+ T和Treg ED50差值明显增大

【关于逐典】

上海逐典生物科技有限公司，坐落于中国（上海）自由贸易试验区，获得ISO9001质量体系认证，是一家从事重组蛋白研发和销售的高新科技企业。

逐典生物始终秉持以客户为中心的理念，针对重组蛋白的结构设计、纯化工艺及其稳定剂型相关的多项关键技术进行优化和突破。专业定向蛋白变复性技术，可将大肠杆菌大量表达的变性固体蛋白转变成高活性可溶性蛋白。凭借技术优势，逐典生物新品研发周期短且可控性强，为重组蛋白的高质高效研发提供保障，为企业生产降本增效。

公司自成立以来成功开发百余种高活性细胞因子及多种高活性蛋白酶，覆盖细胞培养、病毒纯化以及质量分析等生物工艺各个环节。可广泛应用于科研、医药生产及IVD（体外诊断试剂）等领域，满足各类用户所需。