錳離子在腫瘤免疫中有什么作用？

天然免疫對腫瘤的免疫監視至關重要，如自然殺傷細胞（NK）可以不依賴抗體和補體直接殺傷腫瘤細胞，巨噬細胞（Mφ）和樹突狀細胞（DC）負責發現腫瘤細胞并將腫瘤抗原遞呈給并激活細胞毒性 T 細胞（CD8+ T 細胞），后者特異性識別、殺滅腫瘤細胞。腫瘤細胞則進化出了一系列逃逸機制，以躲避宿主免疫系統的攻擊。其中以上調免疫檢查點分子的表達最為著名，如腫瘤細胞高表達 PD-1 和 / 或 CTLA-4 抑制 T 細胞的活化。PD-1 和 CTLA-4 抗體的臨床應用是當今最令人激動的突破和國際公認最有前景的癌癥治愈手段，獲得了 2018 年的諾貝爾生理學或醫學獎。

然而，免疫檢查點抑制劑只對大約 20% 的腫瘤患者有效，如何提高腫瘤患者對免疫治療的反應性是亟待解決的關鍵問題。近期一系列的研究發現，腫瘤組織中（旁）Mφ和 DC 內感受胞質 DNA 的 cGAS-STING 通路可以被腫瘤細胞來源的 DNA 激活，促進這些抗原遞呈細胞的成熟，進而將腫瘤特異性抗原遞呈給 T 細胞，對于復蘇機體的抗腫瘤免疫反應起到至關重要的作用。目前全球許多科研機構和制藥公司紛紛投入巨資，尋找 cGAS-STING 通路的激動劑。然而目前已知的這些激動劑都制備復雜，成本高昂，而且無法有效進入細胞，因此治療效果不理想。  蔣爭凡實驗室是世界上同期發現 STING 分子與功能的實驗室之一（命名為 ERIS，武漢大學舒紅兵實驗室命名其為 MITA），近年來在該領域取得了一系列成果。2018 年，蔣爭凡實驗室發表在《Immunity》的工作發現錳離子（Mn2+）在激活 cGAS-STING 通路中的重要作用：病毒感染細胞導致線粒體、高爾基體等貯錳細胞器中的 Mn2 + 釋放到胞質及胞外。胞質中顯著升高的 Mn2 + 濃度（約 60 倍）對 cGAS-STING 通路具有雙重激活的作用：Mn2 + 能夠上萬倍地提升 cGAS 對于 DNA 的檢測靈敏度并促進其合成第二信使 cGAMP；Mn2 + 上百倍地增強 STING 與 cGAMP 的結合能力。這樣，釋放到胞質的 Mn2 + 使得細胞的 cGAS-STING 通路處于超活化的狀態，極大地提升其對胞質 DNA 的響應能力，甚至使其在原本不具激活能力的 DNA 水平下也能夠被激活。而當小鼠缺乏錳元素時，其抵抗 DNA 病毒的能力受到顯著抑制。

2020 年 8 月 18 日，蔣爭凡實驗室與蘇曉東實驗室合作發表在《Cell Reports》的工作進一步闡釋了 Mn2 + 激活 cGAS 的分子機制，發現 Mn2 + 還可以直接激活 cGAS（完全不依賴 dsDNA），而且 Mn2 + 催化與 Mg2++dsDNA 催化 cGAS 合成 cGAMP 的過程顯著不同。Mn2+-cGAS 結合導致 cGAS 構象發生類似于 DNA-cGAS 結合的變化，但催化中心的結構明顯不同，導致 cGAMP 在 cGAS 酶催化中心的合成過程也發生很大變化。這個研究進一步證明 Mn2 + 是 DNA 以外的第二個 cGAS 激活劑。然而，錳元素 / 錳離子（Mn2+）在抗腫瘤免疫中的作用尚不清楚。

在這項研究中，蔣爭凡實驗室首先發現缺錳小鼠體內的腫瘤細胞生長顯著加快、腫瘤肺轉移顯著增多，說明在生理條件下，作為必需微量元素的錳在腫瘤免疫中也發揮必不可少的作用。外源添加 Mn2 + 則可有效激活人或小鼠細胞的 cGAS-STING 通路，顯著促進宿主抗原遞呈細胞如 DC 和 Mφ對于腫瘤抗原的遞呈能力，促進細胞毒性 T 細胞在腫瘤組織內的浸潤，并增強這些細胞對腫瘤細胞的特異性殺傷。另外，Mn2 + 可以促進記憶性 T 細胞的存活與增殖。另一方面，Mn2 + 也能顯著增強 NK 細胞的腫瘤殺傷能力，促進宿主的腫瘤免疫監視作用。Mn2 + 的瘤內注射不僅使絕大多數荷瘤小鼠被注射的腫瘤完全消除，而且可強烈抑制對側身體腫瘤（沒被注射）的生長。這些結果都表明 Mn2 + 是一個優良的腫瘤免疫激活劑，增強機體對腫瘤細胞的免疫監視和免疫清除。鑒于此，他們嘗試將 Mn2 + 和 PD-1 抗體聯合使用（“錳免療法”），發現 “錳免療法” 在多種腫瘤模型中都可以顯著增強 PD-1 抗體的腫瘤治療效果，而且可顯著減少 PD-1 抗體的使用量。如果把腫瘤的免疫治療看成是一輛行駛的汽車，那么 PD-1 抗體的使用相當于解除了汽車的剎車（松剎車），而 cGAS-STING 激活劑（如 Mn2+）的使用則像是給發動機加油（踩油門）。只有二者同時使用，才能使腫瘤免疫治療這輛汽車全速行駛。上述結果暗示 Mn2 + 可能有著巨大的臨床轉化前景。

韓為東團隊已完成的 “錳免療法”I 期臨床結果顯示，針對多種復發難治或進展期上皮源腫瘤，Mn2 + 聯合 PD-1 抑制劑方案獲得了令人印象深刻的顯著療效（客觀緩解率達 45.5%，疾病控制率達 90.9%）。值得注意的是，5 例 PD-1 抑制劑耐藥患者經 “錳免療法” 治療后均獲得了較好的疾病控制，其中 3 例達到部分緩解，提示了 Mn2 + 對免疫治療耐藥的調控作用。以鉑類耐藥復發難治性卵巢癌為例，8 例入組患者中 6 例獲得部分緩解，并且 6 例伴有冰凍盆腔的患者均出現松解。

此外，該方案還顯示出了良好的臨床安全性，在中位 11.8 個月隨訪中未觀察到明顯神經蓄積毒性，而促炎因子釋放等導致的免疫治療相關毒性經特異性抗體治療可以有效控制、緩解。I 期臨床試驗初步證實了 “錳免療法” 在復發難治及進展期腫瘤中的臨床安全性和有效性，目前該方案在單病種中 II 期臨床正在有序推進。臨床研究的結果進一步表明：免疫檢查點抑制劑（如 PD-1 抗體）的 “松剎車” 作用是比較有限的，若是同時通過 “踩油門”，促進天然免疫系統對腫瘤細胞的免疫監視（識別及抗原遞呈），或者將冷腫瘤轉變為熱腫瘤，則可顯著提升腫瘤患者對于治療的響應率。

這項研究證明了錳元素 / 錳離子（Mn2+）在抗腫瘤免疫中發揮至關重要的作用，為腫瘤免疫治療開創了新的思路和治療方案（錳免療法），并顯示出巨大的臨床應用前景。由于錳的儲備量巨大，二價錳溶液的制備簡單、成本低廉，它的運輸、儲存非常方便，這些優點使得 “錳免療法” 容易得到應用并可顯著降低腫瘤醫治成本，造福于患者和國家。