01
CTLA-4的基础特性(结构、功能与表达)
CTLA-4的基因与表达机制
● 基因结构:人类CTLA-4基因位于2q33,含4个外显子,编码前导肽(外显子1)、B7结合位点与二聚化位点(外显子2)、跨膜区(外显子3)和胞质尾(外显子4);存在全长(flCTLA-4)和可溶性(sCTLA-4,缺失外显子3)两种亚型,小鼠还存在配体非依赖性亚型(liCTLA-4)。
图1 CTLA-4基因在2号染色体上的位点以及其蛋白的组成部分
● 表达调控:TCR结合抗原后1小时即可检测到CTLA-4mRNA,24-36小时达峰值;NF-AT、cAMP等信号分子正向调控其转录;细胞表面表达依赖TRIM、ARF-1等分子介导的转运,内吞通过网格蛋白依赖(CAP-1/2)和非依赖(动力蛋白)通路,磷酸化可延长其膜表面滞留时间。
CTLA-4的分子结构
CTLA-4(又称CD152)属于CD28免疫球蛋白超家族,是一种关键的单链跨膜糖蛋白,分子量约为25kDa。其分子结构包含四个核心部分:含前导肽、配体结合域、跨膜域和胞质尾,对应基因外显子1-4,这些结构特征为其发挥免疫调控功能奠定了基础。
图2 CTLA-4的信号基序和相互作用蛋白
CTLA-4的表达特点
● 主要表达细胞:CTLA-4主要表达于活化的CD4+T淋巴细胞和CD8+T淋巴细胞表面,在这些效应T细胞活化后发挥免疫抑制作用。
● Treg中的高表达:在调节性T细胞(Treg)中,CTLA-4始终维持高表达状态,且其表达水平受多种因素精细调控,包括基因多态性、表观遗传改变、转录调控因子以及信号级联反应等。
CTLA-4的核心免疫调节机制
● 竞争性结合B7分子:CTLA-4对CD80/CD86的亲和力高于CD28,优先结合APCs表面配体,阻断CD28介导的共刺激信号,同时招募SHIP2等磷酸酶去磷酸化CD3/LAT,抑制T细胞活化、细胞因子(IL-2、IFN-γ)分泌及NF-κB等转录因子活性。
● 调控下游信号通路
①CTLA-4/SYP/p52^SHC通路:CTLA-4胞质尾与酪氨酸磷酸酶SYP结合,SYP去磷酸化p52^SHC,破坏其与GRB2/SOS/Ras复合物的结合,阻断TCR-Ras信号传导。
②CTLA-4/PI3K/AKT通路:CTLA-4通过结合PP2A和SHIP2,分别直接去磷酸化AKT或抑制PI3K活性,下调AKT通路功能,减少IL-2分泌和Bcl-xL表达,维持T细胞耐受并增强Treg抑制功能。
● 结构与结合特征:CTLA-4以同源二聚体形式存在,通过FG环(99MYPPPY104)与CD80/CD86结合;抗CTLA-4抗体(如ipilimumab)通过占据结合位点阻断其功能,部分抗体可能诱导CTLA-4溶酶体降解。
CTLA-4对免疫细胞的功能影响
● T细胞:抑制效应T细胞增殖、活化及细胞因子(IL-2、IFN-γ)分泌,促进T细胞失能和凋亡;诱导naiveT细胞向Foxp3+Treg分化,维持Treg的免疫抑制活性。
图3 CTLA-4在调节T细胞活化和Treg细胞功能中的作用
①调控T细胞活化与增殖:CTLA-4通过与抗原呈递细胞(APCs)表面的B7分子(CD80/CD86)竞争性结合,拮抗CD28介导的效应T细胞激活通路,从而显著下调T细胞的活化水平与增殖能力。
图4 T细胞活化和CTLA-4表面表达的信号通路
②维持免疫耐受与Treg功能:CTLA-4能够支持调节性T细胞(Treg)的分化与功能维持,帮助机体维持免疫耐受和免疫稳态,避免过度免疫反应对自身组织造成损伤。
③影响T细胞存活与记忆:该分子可诱导T细胞发生周期停滞和凋亡,减少T细胞的存活数量,同时降低T细胞形成免疫记忆的能力,进一步调控免疫应答的强度和持续时间。
④调节细胞因子与信号通路:CTLA-4还能对细胞因子(如IL-2)的分泌进行调控,并影响AKT等关键信号通路的活性,进而作用于T细胞的极化过程和功能发挥。
图5 T细胞中的CTLA-4信号传导和功能
● B细胞:通过调控Tfh细胞功能,抑制B细胞活化、自身抗体产生及免疫球蛋白分泌,CTLA-4缺陷会导致B细胞过度活化。
● NK细胞:活化的NK细胞表达CTLA-4,其缺陷会导致NK细胞脱颗粒能力下降、IFN-γ分泌减少,CTLA-4与CD28表达水平分别负向和正向调控NK细胞功能。
● DC细胞:Treg表面CTLA-4与DC细胞CD80/CD86结合,可下调DC的共刺激分子表达,上调吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO),赋予DC免疫耐受特性。
02
CTLA-4介导肿瘤免疫逃逸的机制
CTLA-4通过多维度调控免疫应答关键环节,为肿瘤细胞创造“免疫庇护所”,其介导肿瘤免疫逃逸的核心机制可分为以下四类,均基于对T细胞活化、调节性T细胞(Treg)功能及免疫微环境的干预:
竞争性阻断T细胞激活信号,削弱抗瘤免疫启动
T细胞活化依赖抗原呈递细胞(APCs)表面B7分子(CD80/CD86)与T细胞表面受体的协同作用,而CTLA-4通过“竞争结合+分子清除”双重方式破坏这一过程:
● 优先结合B7分子,拮抗CD28功能:CTLA-4对B7分子的亲和力显著高于共刺激分子CD28,可优先与APCs表面的CD80/CD86结合,阻断CD28-B7相互作用——这一关键共刺激信号的缺失,直接抑制T细胞活化所需的“第二信号”,导致T细胞无法有效启动抗瘤免疫应答。
● 内吞降解B7分子,减少免疫激活靶点:CTLA-4可通过跨胞吞作用(transcytosis)将APCs表面的CD80/CD86内吞至自身表达细胞内,随后通过溶酶体降解这些分子,导致APCs表面可结合CD28的B7分子数量锐减,进一步削弱T细胞活化能力,形成“信号耗竭”型免疫抑制。
图6 CTLA-4与CD80和CD86与CD28的相互作用
强化Treg的免疫抑制效应,构建“免疫抑制微环境”
Treg是肿瘤微环境(TME)中主要的immunosuppressive细胞类型,而CTLA-4是Treg发挥功能的核心分子,通过以下方式增强Treg介导的免疫抑制:
● 竞争夺取B7分子,剥夺效应T细胞活化机会:Treg表面高表达CTLA-4,使其在与效应T细胞(Teff)竞争结合APCs表面B7分子时占据优势,直接削弱Teff的共刺激信号,抑制Teff增殖与功能活化。
● 分泌抑制性因子+捕获关键细胞因子:Treg通过CTLA-4信号调控,一方面分泌IL-10、TGF-β、IL-35等抑制性细胞因子,直接抑制Teff和自然杀伤(NK)细胞活性;另一方面通过高表达IL-2受体捕获TME中的IL-2(Teff活化必需的细胞因子),导致Teff因“细胞因子饥饿”无法活化。
● 诱导Teff凋亡,清除抗瘤免疫细胞:CTLA-4高表达的Treg可释放颗粒酶A、颗粒酶B等物质,直接诱导Teff和NK细胞凋亡,减少抗瘤免疫效应细胞数量;同时通过上调转录因子FoxP3,抑制PI3K/AKT/mTOR通路,改变Treg代谢模式(增强无氧发酵),提升其在营养匮乏TME中的存活能力,持续维持免疫抑制状态。
图7 肿瘤微环境中的CTLA-4
直接抑制T细胞信号通路,降低免疫效应细胞功能
CTLA-4不仅通过“竞争”和“依赖Treg”间接抑制免疫,还可直接作用于Teff的信号通路,阻断其活化与增殖:当CTLA-4与B7分子结合后,会招募酪氨酸磷酸酶(SHP-2)和丝氨酸/苏氨酸磷酸酶(PP2A),这些磷酸酶可将Teff内下游信号分子(如PI3K/AKT通路相关分子)去磷酸化,导致该通路活化受阻——而PI3K/AKT通路是T细胞增殖、存活和细胞因子分泌的核心通路,其抑制会直接导致Teff增殖能力下降、存活时间缩短,最终无法形成有效抗瘤免疫应答。
调控细胞因子分泌与T细胞极化,扭曲免疫应答方向
CTLA-4可通过影响细胞因子分泌模式,改变T细胞极化方向,使其向“非抗瘤型”分化:具体而言,CTLA-4抑制Teff分泌IL-2(促进T细胞增殖的关键细胞因子),同时调控AKT等信号通路,导致T细胞向免疫抑制性亚型(而非促炎、抗瘤的Th1亚型)极化,进一步削弱TME中的抗瘤免疫氛围,为肿瘤细胞逃避免疫清除提供条件。
图8 调节性T细胞诱导的肿瘤细胞逃逸机制
03
靶向CTLA-4的肿瘤治疗策略及临床进展
CTLA-4作为肿瘤免疫逃逸的核心调控分子,其靶向治疗已从传统单克隆抗体向“精准激活、毒性可控、多靶点协同”方向升级。以下从药物类型分类出发,系统梳理当前治疗策略的设计创新、临床数据及进展,涵盖已上市、在研及新型技术平台。
图9 CTLA-4生物学史
抗CTLA-4单克隆抗体:传统基石与改良探索
单克隆抗体是靶向CTLA-4的主流策略,通过阻断CTLA-4与B7分子结合或增强效应功能发挥作用,分为已上市药物和在研改良药物两类。
● 已上市药物:临床应用成熟,覆盖多癌种
目前全球共3款CTLA-4单抗/双抗获批,其中2款为传统单靶点抗体,1款为双特异性抗体,核心信息如下:
● 在研改良药物:聚焦“降毒增效”,优化传统设计
针对传统单抗(如Ipilimumab)系统性毒性高的问题,在研药物通过Fc段改造、局部激活等方式优化,代表药物如下:
①BMS-986288:Ipilimumab的岩藻糖基化变体(Fc改造),增强ADCC效应以选择性清除Treg,同时降低外周毒性。2019年进入Ⅰ期临床,旨在减少3-4级irAE(如结肠炎)。
②BMS-986249:Ipilimumab的“遮蔽肽”修饰版,仅在肿瘤微环境(TME)中被蛋白酶切割激活,避免外周组织损伤。2020年进入Ⅱ期临床,用于晚期实体瘤。
③Evalstotug(BA3071):全球首个pH响应型CTLA-4单抗(条件性激活生物制剂),在血液(pH7.5)中失活,在肿瘤酸性微环境(pH≤6.5)中恢复结合活性。2024年Ⅰ期临床显示:89%患者仅1-2级毒性,350mg剂量组观察到1例宫颈癌CR、2例黑色素瘤/胃癌PR,消化道毒性较Ipilimumab降低50%以上。
双特异性抗体:同步阻断多通路,协同增强免疫应答
双特异性抗体通过同时靶向CTLA-4与另一免疫检查点(如PD-1/PD-L1),实现“早期激活T细胞+晚期阻断逃逸”的协同作用,且毒性低于传统双药联合。除已上市的卡度尼利单抗外,多款药物处于临床阶段:
前体抗体:肿瘤局部精准起效,大幅降低系统毒性
前体抗体(Probody)通过“可切割连接肽”遮蔽抗原结合位点,仅在TME中被肿瘤相关蛋白酶(如MMP、uPA)激活,是当前“降毒增效”的核心创新方向,代表药物为ProCTLA-4。
● 设计创新:MMP切割介导的“局部激活”
由清华大学付阳新/王文艳团队开发,通过在抗体轻链恒定区(CL)与重链可变区(VH)之间插入MMP可切割连接肽,实现:
①外周组织:未切割状态下亲和力比Ipilimumab低14倍,避免结合正常T细胞引发irAE;
②肿瘤微环境:被MMP14切割后恢复亲和力,富集于瘤内并增强Treg耗竭。
● 临床前数据:疗效优于传统抗体,安全性显著提升
①毒性控制:PBMC移植小鼠模型中,Ipilimumab导致体重下降>20%、细胞因子风暴(IFNγ升高)及100%死亡率,而ProCTLA-4存活率100%,无组织炎症(胰腺炎、肺纤维化);
②疗效优势:MC38结肠癌模型(免疫原性强)中,ProCTLA-4肿瘤消退率比Ipilimumab高30%;B16F10黑色素瘤模型(免疫原性差)中,可有效控制肿瘤进展,而Ipilimumab几乎无效;
③Treg精准耗竭:优先清除TME中ICOS高表达的“超级抑制性Treg”(同时高表达CTLA-4),对外周淋巴结Treg无影响,且依赖ADCC效应(Fc受体结合);
④ADCC增强版(ProCTLA-4ADCC):通过Fut8敲除CHO细胞表达无岩藻糖基化抗体,ADCC活性比Ipilimumab高200倍。低剂量即可实现MC38肿瘤完全消退,且仍保持100%存活率。
● 与现有Probody的对比:激活效率更高
相较于BMS-986288(uPA切割),ProCTLA-4在更低蛋白酶浓度下即可激活(5:1uPA浓度即可恢复亲和力,BMS-986288需2:1),且在MC38/B16F10模型中抗肿瘤活性显著更优。
Fc增强型抗体:强化效应功能,针对免疫难治性肿瘤
通过Fc段突变增强与FcγR的结合,提升ADCC/ADCP效应,优先清除TME中的Treg,同时激活髓系细胞,适用于对传统ICI耐药的肿瘤,代表药物为Botensilimab。
● 设计核心:Fc突变增强FcγR依赖功能
Botensilimab为全人源IgG1抗体,引入S239D/A330L/I332E突变,显著增强与FcγRIIIA(V158/F158)的亲和力,且不影响CTLA-4结合能力。
● 临床数据:覆盖免疫难治性癌种
①单药疗效:在MSS结直肠癌(CRC,传统ICI耐药)、铂耐药卵巢癌、PD-(L)1难治性NSCLC中,ORR达18%-25%,显著高于Ipilimumab的5%-10%;
②联合疗效:联合PD-1抗体Balstilimab治疗黑色素瘤,ORR达42%,且无新增毒性;
③生物标志物:FCGR2A/FCGR3A基因高表达患者对Botensilimab响应率更高,可作为疗效预测指标。
● 免疫重塑作用
治疗后TME中,CD8+T细胞(尤其是效应记忆T细胞)比例增加,Treg减少,趋化因子(CXCL9、CXCL10)表达升高,且可激活树突状细胞和单核细胞,增强抗原呈递。
表1 正在开发的抗CTLA-4抗体
小分子降解剂:口服给药+深度降解,突破抗体局限
小分子降解剂通过“泛素-蛋白酶体系统”直接降解CTLA-4蛋白,避免抗体的“靶向不足、穿透性差”问题,代表药物为GK201。
● 研发背景与机制
由苏州国匡药业开发,全球首个CTLA-4小分子降解剂,2023年获NMPA临床批准用于晚期实体瘤。其机制为:通过“靶蛋白结合基团+E3泛素连接酶招募基团”的双功能设计,将新合成的CTLA-4导向溶酶体降解,解除免疫抑制。
● 核心优势与临床前数据
①口服便利性:小分子剂型可口服,患者依从性优于抗体注射;
②肿瘤穿透性:分子量小,易穿透实体瘤间质,在MC38结肠癌模型中,瘤内药物浓度比Ipilimumab高5倍;
③疗效与安全性:30mg/kg口服剂量对MC38肿瘤的生长抑制率(TGI)达85%-90%,且可增加瘤内CD8+T细胞、减少CTLA-4+T细胞;无抗体相关的ADCC效应和免疫原性。
联合治疗策略:多维度协同,拓展适应症边界
CTLA-4靶向药与其他疗法(PD-(L)1抑制剂、化疗、靶向药)的联合,是当前临床研究的重点,可覆盖单药无效的“冷肿瘤”,核心组合及数据如下:
● 与PD-(L)1抑制剂联合:双免疫协同
①Ipilimumab+Nivolumab:获批用于黑色素瘤、NSCLC、恶性胸膜间皮瘤。CheckMate-9LA试验(NSCLC):联合2周期化疗的mOS达11.0个月,优于化疗的5.8个月,2年生存率38%vs26%;
②Tremelimumab+Durvalumab:获批用于uHCC。HIMALAYA试验:mOS16.4个月vs索拉非尼13.8个月,且3级irAE发生率仅12%;
③ProCTLA-4+抗PD-1:临床前模型中,联合治疗的肿瘤消退率比单药高40%,且无严重结肠炎(Ipilimumab联合组发生率30%)。
表2 针对CTLA-4/PD-L1的抗体研究
● 与靶向药联合:增强TME重塑
①CTLA-4抗体+抗血管生成药(仑伐替尼):AK104联合仑伐替尼治疗uHCC的ORR44.4%;KN046联合仑伐替尼治疗胰腺癌的DCR达65%;
②机制:抗血管生成药改善肿瘤血管紊乱,增加T细胞浸润,与CTLA-4抗体协同激活免疫。
● 与化疗联合:提升免疫原性
①Durvalumab+Tremelimumab+化疗:POSEIDON试验(NSCLC):死亡风险降低23%,mOS14.0个月vs化疗11.7个月;
②机制:化疗诱导肿瘤细胞凋亡,释放肿瘤抗原,增强CTLA-4抗体介导的T细胞活化。
04
抗CTLA-4纳米抗体在癌症免疫治疗中的应用
抗CTLA-4纳米抗体的应用场景
● 单独靶向CTLA-4治疗
①阻断CTLA-4与CD80/CD86结合,解除T细胞抑制,增强抗肿瘤免疫。例如,抗CTLA-4纳米抗体Nb16在黑色素瘤小鼠模型中显著延缓肿瘤生长、延长生存期;
②筛选自骆驼免疫文库的抗CTLA-4纳米抗体,对PHA刺激的人T细胞结合率高,可识别CTLA-4独特表位,具备临床转化潜力。
图10 纳米抗体在肿瘤靶向中的机制
● 联合治疗策略
①与PD-1/PD-L1纳米抗体联合:在B16黑色素瘤模型中,双免疫检查点阻断效果优于单一CTLA-4阻断;
②与细胞因子融合:如抗CEA纳米抗体融合IL-12,增强抗肿瘤活性;
③与化疗/放疗联合:中和TNF-α的纳米抗体与紫杉醇联用,减少肺癌转移;
④调节肿瘤微环境:与M2巨噬细胞靶向纳米抗体联用,重塑免疫抑制微环境。
● 新型治疗技术融合
①CAR-T细胞工程:将抗CTLA-4纳米抗体作为CAR的抗原结合域,或设计分泌抗CTLA-4纳米抗体的CAR-T细胞,增强其在TME中的持久性和杀伤功能;
②siRNA递送:抗EGFR纳米抗体与CTLA-4siRNA偶联,通过受体介导内吞进入靶细胞,沉默CTLA-4基因,提升CD8+T细胞比例;
③Fc片段改造:将抗CTLA-4纳米抗体与IgG2aFc段融合(如H11IgG2a),恢复CDC、ADCC等Fc依赖功能,增强Treg耗竭效果。
抗CTLA-4纳米抗体的递送方式
● 静脉注射:传统主流方式,但需通过融合血清白蛋白结合域(如H11-HLE)延长半衰期,避免快速肾清除;
● 局部递送:
①工程益生菌递送:如大肠杆菌Nissle1917分泌抗CTLA-4纳米抗体,实现肿瘤局部持续释放,协同GM-CSF增强系统免疫;
②口服/动脉给药:口服纳米抗体已显示潜力,动脉注射可提升脑肿瘤靶向效率,突破血脑屏障限制;
● 载体介导递送:借助脂质体、聚合物囊泡、白蛋白纳米粒等载体,提升稳定性和靶向性,减少脱靶效应。
当前挑战与局限性
● 药代动力学缺陷:小分子导致半衰期短(数小时),易被肾脏快速清除,需通过Fc融合、白蛋白结合等方式改造;
● 生产与成本问题:依赖骆驼科动物免疫,饲养成本高,且难以大规模制备修饰型纳米抗体;
● 功能局限性:天然无Fc段,缺乏CDC、ADCC活性,需通过融合改造弥补;
● 靶向特异性不足:部分递送系统(如T3SS细菌载体)的靶向性有待优化,可能引发脱靶毒性;
● 临床数据匮乏:目前仅处于临床前研究阶段,缺乏III期临床试验验证,CTLA-4纳米抗体的人体安全性和有效性尚未明确。
未来方向
● 优化半衰期与靶向性:开发更多长效改造策略(如FcRn结合域融合),提升肿瘤组织富集度;
● 拓展联合疗法:探索与CAR-T、癌症疫苗、小分子抑制剂的协同作用;
● 推进临床转化:开展针对黑色素瘤、肝癌等癌种的临床试验,验证安全性与有效性;
● 解决生产难题:建立无动物依赖的纳米抗体制备平台,降低成本。
05
CTLA-4与各类自身免疫性疾病的关联
● 关联核心特征:CTLA-4基因多态性(如+49A/G、CT60等)、表达下调或功能缺陷,会导致免疫耐受失衡,是多种ADs的重要致病因素。
图11 自身免疫性疾病的病理生理学方面受CTLA-4的影响
● 具体疾病机制
①类风湿关节炎(RA):RA患者PBMC、脾和淋巴结中CTLA-4表达降低,Treg细胞CTLA-4内吞增加;基因多态性(rs3087243等)与发病风险相关;CTLA-4缺陷导致Treg抑制功能减弱,IDO通路激活失败,加重关节炎症。
②系统性红斑狼疮(SLE):亚裔人群中CTLA-4+49A/G、-1722T/C等多态性风险显著;患者CD4+CD25+FoxP3+Treg细胞CTLA-4表达降低,与疾病活动度负相关;CD8+CD28+T细胞CTLA-4低表达导致其过度活化,促进自身抗体产生。
③多发性硬化(MS):患者PBMC中CTLA-4表达下调,CD4+CD25+T细胞表面CTLA-4减少而胞内蓄积;rs231775等多态性影响发病风险;CTLA-4信号肽可诱导Treg细胞,抑制疾病进展。
④1型糖尿病(T1D):CTLA-4+49A/G多态性与发病相关,患者Treg细胞CTLA-4表达降低;阻断CTLA-4加速NOD小鼠糖尿病进程,而CTLA-4Ig可通过调节巨噬细胞极化、增加抗炎细胞因子改善胰岛素敏感性。
⑤重症肌无力(MG):rs733618等多态性增加患病风险;患者Treg细胞CTLA-4和CD25表达降低,CTLA-4启动子甲基化导致其功能异常,促进Th1/Th17细胞及自身抗体(抗AChR)产生。
⑥自身免疫性甲状腺病(AITD):CTLA-4+49A/G、CT60多态性与桥本甲状腺炎(HT)、格雷夫斯病(GD)相关;阻断CTLA-4会加重甲状腺组织浸润和损伤,Tfr细胞CTLA-4表达不足可能导致Tfh细胞过度活化。
抗体发现服务 & 产品
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