Cell Res： “锰免疗法”——锰离子可以提高肿瘤免疫治疗的应答率

北大 - 清华生命科学联合中心的蒋争凡实验室与解放军总医院第一医学中心生物治疗科韩为东团队合作在国际著名杂志《Cell Research》上以 Research Article 的形式在线发表了肿瘤免疫领域的最新成果 “Manganese is critical for antitumor immune responses via cGAS-STING and improves the efficacy of clinical immunotherapy”。 天然免疫对肿瘤的免疫监视至关重要，如自然杀伤细胞（NK）可以不依赖抗体和补体直接杀伤肿瘤细胞，巨噬细胞（Mφ）和树突状细胞（DC）负责发现肿瘤细胞并将肿瘤抗原递呈给并激活细胞毒性 T 细胞（CD8+ T 细胞），后者特异性识别、杀灭肿瘤细胞。肿瘤细胞则进化出了一系列逃逸机制，以躲避宿主免疫系统的攻击。其中以上调免疫检查点分子的表达最为著名，如肿瘤细胞高表达 PD-1 和 / 或 CTLA-4 抑制 T 细胞的活化。PD-1 和 CTLA-4 抗体的临床应用是当今最令人激动的突破和国际公认最有前景的癌症治愈手段，获得了 2018 年的诺贝尔生理学或医学奖。

Mn²⁺发挥抗肿瘤免疫示意图

然而，免疫检查点抑制剂只对大约 20% 的肿瘤患者有效，如何提高肿瘤患者对免疫治疗的反应性是亟待解决的关键问题。近期一系列的研究发现，肿瘤组织中（旁）Mφ和 DC 内感受胞质 DNA 的 cGAS-STING 通路可以被肿瘤细胞来源的 DNA 激活，促进这些抗原递呈细胞的成熟，进而将肿瘤特异性抗原递呈给 T 细胞，对于复苏机体的抗肿瘤免疫反应起到至关重要的作用。目前全球许多科研机构和制药公司纷纷投入巨资，寻找 cGAS-STING 通路的激动剂。然而目前已知的这些激动剂都制备复杂，成本高昂，而且无法有效进入细胞，因此治疗效果不理想。  蒋争凡实验室是世界上同期发现 STING 分子与功能的实验室之一（命名为 ERIS，武汉大学舒红兵实验室命名其为 MITA），近年来在该领域取得了一系列成果。2018 年，蒋争凡实验室发表在《Immunity》的工作发现锰离子（Mn2+）在激活 cGAS-STING 通路中的重要作用：病毒感染细胞导致线粒体、高尔基体等贮锰细胞器中的 Mn2 + 释放到胞质及胞外。胞质中显著升高的 Mn2 + 浓度（约 60 倍）对 cGAS-STING 通路具有双重激活的作用：Mn2 + 能够上万倍地提升 cGAS 对于 DNA 的检测灵敏度并促进其合成第二信使 cGAMP；Mn2 + 上百倍地增强 STING 与 cGAMP 的结合能力。这样，释放到胞质的 Mn2 + 使得细胞的 cGAS-STING 通路处于超活化的状态，极大地提升其对胞质 DNA 的响应能力，甚至使其在原本不具激活能力的 DNA 水平下也能够被激活。而当小鼠缺乏锰元素时，其抵抗 DNA 病毒的能力受到显著抑制。

2020 年 8 月 18 日，蒋争凡实验室与苏晓东实验室合作发表在《Cell Reports》的工作进一步阐释了 Mn2 + 激活 cGAS 的分子机制，发现 Mn2 + 还可以直接激活 cGAS（完全不依赖 dsDNA），而且 Mn2 + 催化与 Mg2++dsDNA 催化 cGAS 合成 cGAMP 的过程显著不同。Mn2+-cGAS 结合导致 cGAS 构象发生类似于 DNA-cGAS 结合的变化，但催化中心的结构明显不同，导致 cGAMP 在 cGAS 酶催化中心的合成过程也发生很大变化。这个研究进一步证明 Mn2 + 是 DNA 以外的第二个 cGAS 激活剂。然而，锰元素 / 锰离子（Mn2+）在抗肿瘤免疫中的作用尚不清楚。

在这项研究中，蒋争凡实验室首先发现缺锰小鼠体内的肿瘤细胞生长显著加快、肿瘤肺转移显著增多，说明在生理条件下，作为必需微量元素的锰在肿瘤免疫中也发挥必不可少的作用。外源添加 Mn2 + 则可有效激活人或小鼠细胞的 cGAS-STING 通路，显著促进宿主抗原递呈细胞如 DC 和 Mφ对于肿瘤抗原的递呈能力，促进细胞毒性 T 细胞在肿瘤组织内的浸润，并增强这些细胞对肿瘤细胞的特异性杀伤。另外，Mn2 + 可以促进记忆性 T 细胞的存活与增殖。另一方面，Mn2 + 也能显著增强 NK 细胞的肿瘤杀伤能力，促进宿主的肿瘤免疫监视作用。Mn2 + 的瘤内注射不仅使绝大多数荷瘤小鼠被注射的肿瘤完全消除，而且可强烈抑制对侧身体肿瘤（没被注射）的生长。这些结果都表明 Mn2 + 是一个优良的肿瘤免疫激活剂，增强机体对肿瘤细胞的免疫监视和免疫清除。鉴于此，他们尝试将 Mn2 + 和 PD-1 抗体联合使用（“锰免疗法”），发现 “锰免疗法” 在多种肿瘤模型中都可以显著增强 PD-1 抗体的肿瘤治疗效果，而且可显著减少 PD-1 抗体的使用量。如果把肿瘤的免疫治疗看成是一辆行驶的汽车，那么 PD-1 抗体的使用相当于解除了汽车的刹车（松刹车），而 cGAS-STING 激活剂（如 Mn2+）的使用则像是给发动机加油（踩油门）。只有二者同时使用，才能使肿瘤免疫治疗这辆汽车全速行驶。上述结果暗示 Mn2 + 可能有着巨大的临床转化前景。

“锰免疗法”卡通示意图：“松刹车”+“踩油门”

韩为东团队已完成的 “锰免疗法”I 期临床结果显示，针对多种复发难治或进展期上皮源肿瘤，Mn2 + 联合 PD-1 抑制剂方案获得了令人印象深刻的显著疗效（客观缓解率达 45.5%，疾病控制率达 90.9%）。值得注意的是，5 例 PD-1 抑制剂耐药患者经 “锰免疗法” 治疗后均获得了较好的疾病控制，其中 3 例达到部分缓解，提示了 Mn2 + 对免疫治疗耐药的调控作用。以铂类耐药复发难治性卵巢癌为例，8 例入组患者中 6 例获得部分缓解，并且 6 例伴有冰冻盆腔的患者均出现松解。

此外，该方案还显示出了良好的临床安全性，在中位 11.8 个月随访中未观察到明显神经蓄积毒性，而促炎因子释放等导致的免疫治疗相关毒性经特异性抗体治疗可以有效控制、缓解。I 期临床试验初步证实了 “锰免疗法” 在复发难治及进展期肿瘤中的临床安全性和有效性，目前该方案在单病种中 II 期临床正在有序推进。临床研究的结果进一步表明：免疫检查点抑制剂（如 PD-1 抗体）的 “松刹车” 作用是比较有限的，若是同时通过 “踩油门”，促进天然免疫系统对肿瘤细胞的免疫监视（识别及抗原递呈），或者将冷肿瘤转变为热肿瘤，则可显著提升肿瘤患者对于治疗的响应率。

这项研究证明了锰元素 / 锰离子（Mn2+）在抗肿瘤免疫中发挥至关重要的作用，为肿瘤免疫治疗开创了新的思路和治疗方案（锰免疗法），并显示出巨大的临床应用前景。由于锰的储备量巨大，二价锰溶液的制备简单、成本低廉，它的运输、储存非常方便，这些优点使得 “锰免疗法” 容易得到应用并可显著降低肿瘤医治成本，造福于患者和国家。

原始出处：

Lv M, Chen M, Zhang R, Zhang W, Wang C, Zhang Y, Wei X, Guan Y, Liu J, Feng K, Jing M, Wang X, Liu YC, Mei Q, Han W, Jiang Z. Manganese is critical for antitumor immune responses via cGAS-STING and improves the efficacy of clinical immunotherapy.Cell Res. 2020 Aug 24. doi: 10.1038/s41422-020-00395-4

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Wang C, Guan Y, Lv M, Zhang R, Guo Z, Wei X, Du X, Yang J, Li T, Wan Y, Su X, Huang X, Jiang Z. Manganese Increases the Sensitivity of the cGAS-STING Pathway for Double-Stranded DNA and Is Required for the Host Defense against DNA Viruses.Immunity. 2018 Apr 17;48(4):675-687.e7. doi: 10.1016/j.immuni.2018.03.017

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