【编者荐语】白细胞介素-18(IL-18)是一种具有微环境调控能力的细胞因子,最近被用于“武装”CAR-T细胞等免疫细胞治疗。
相关研究:
NEJM|宾大Carl H June团队开发IL-18增强型CAR-T细胞治疗既往CD19 CAR-T失败后的淋巴瘤
Blood| IL-18增强型CD371 CAR-T治疗AML的Ⅰ期临床试验
Mol Ther| IL-18 代谢重编程CAR-NKT 细胞并增强其抗肿瘤活性
Blood| Carl H. June团队:单日未激活的IL-18武装CAR-T细胞形成持久的干细胞样状态并增强体内存续能力
近日, nature reviews immunology杂志发表一项综述文章,系统分析了IL-18的基础生物学特性,包括其起源、细胞来源与调控网络,及其在增强抗肿瘤效应细胞和细胞免疫治疗中的作用。
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白细胞介素-18(interleukin-18, IL-18)是IL-1家族的一种多效细胞因子,在抗肿瘤与抗病毒免疫中发挥重要作用。学界对其治疗潜力的兴趣日益浓厚,推动研究者探索利用IL-18调控肿瘤微环境(tumour microenvironment, TME)的策略。例如,经工程化改造的T细胞可被IL-18“武装”,以增强过继细胞疗法的效果,并强化其他免疫治疗手段。随着这些策略逐步向临床应用推进,一项核心的转化挑战在于明确影响治疗应答与耐药的分子机制,这对指导不同肿瘤类型的试验设计与患者选择至关重要。本综述回顾了IL-18的基础生物学特性,包括其起源、细胞来源与调控网络,尤其是涉及IL-18结合蛋白(IL-18 binding protein, IL-18BP)与IL-37的调控通路。本文阐述了IL-18如何促进TME内干扰素-γ(interferon-γ, IFNγ)的产生,进而支持M1样巨噬细胞极化、CD8+细胞毒性T细胞与CD4+ 1型辅助性T细胞应答、自然杀伤(natural killer, NK)细胞活性以及持久的T细胞记忆形成。本文还讨论了IL-18递送的临床前模型,包括树突状细胞(dendritic cell, DC)平台与细胞疗法,并重点介绍了IL-18BP阻断、分泌IL-18的嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor, CAR)T细胞等新兴策略。最后,本文总结了早期临床研究的结果,概述了转化应用面临的关键挑战,包括IL-18兼具的促肿瘤与抗肿瘤双重作用。引言
IL-18是通过两项同期开展的小鼠模型研究被发现的:研究人员用痤疮丙酸杆菌或卡介苗(Bacillus Calmette–Guérin, BCG)疫苗预处理小鼠,再用脂多糖进行攻毒。早期研究提出,存在一种未知因子可与IL-2协同诱导IFNγ产生。该因子后来被命名为IFNγ诱导因子(IFNγ-inducing factor, IGIF),并被证实由库普弗细胞与活化巨噬细胞产生。由于与IL-1β存在结构相似性——包括无信号肽、需经蛋白水解切割激活——IGIF曾被短暂命名为IL-1γ,之后正式定名为IL-18。尽管被归为IL-1家族,但IL-18(与IL-33)与IL-1家族其他成员的序列同源性很低,且编码基因位于11号染色体,而非2号染色体上的IL1基因簇,这引发了学界对其与家族其他成员进化关系的疑问。
IL-18在癌症中发挥重要且复杂的作用。一方面,多种癌症患者的循环IL-18水平升高,且与肿瘤分期较晚、疾病进展、转移及生存期较差相关,提示IL-18具有促肿瘤与促转移效应。另一方面,IL-18可发挥强效的免疫刺激与抗肿瘤作用:它能激活CD4+与CD8+ T细胞以及NK细胞,增强细胞毒性与IFNγ产生,促进DC成熟,并驱动巨噬细胞向促炎(M1样)表型极化。这些效应可将TME从免疫抑制状态转变为免疫活化状态(图1)。
图1 | IL-18浓度梯度对肿瘤微环境的影响 高水平的促炎细胞因子IL-18可通过增强细胞毒性T细胞功能、提升1型辅助性T(TH1)细胞应答以及驱动M1样炎症性巨噬细胞表型,强化抗肿瘤免疫。相比之下,IL-18水平降低会导致肿瘤杀伤作用减弱、效应细胞因子产生减少,并诱导抗炎性巨噬细胞表型。 缩写:CTL,细胞毒性T淋巴细胞;EMT,上皮-间充质转化;GZMB,颗粒酶B;IFNγ,干扰素-γ;MHC,主要组织相容性复合体;TNF,肿瘤坏死因子;PD-1,程序性细胞死亡蛋白1;PD-L1,程序性死亡配体1;VEGF,血管内皮生长因子。
早期使用重组IL-18的临床试验显示其耐受性良好,但抗肿瘤疗效有限。然而,联合治疗策略展现出了更大的应用前景。IL-18与免疫检查点抑制剂联用时,可增加NK细胞介导的1型常规DC(type 1 conventional DC, cDC1)募集,支持抗肿瘤T细胞应答,同时减少调节性T(regulatory T, Treg)细胞数量。与之类似,分泌IL-18的CAR T细胞与T细胞受体(T cell receptor, TCR)工程化T细胞可通过招募内源性免疫细胞、减轻TME内的免疫抑制,提升抗肿瘤活性。
作为IFNγ的上游调控因子,IL-18是决定肿瘤控制效果与治疗应答的关键因素。鉴于直接给予IFNγ存在毒性且疗效有限,将IL-18作为一种“核心调控”细胞因子加以利用,是增强抗肿瘤免疫的更有效策略。本综述重点阐述IL-18的生物学特性,包括其来源、调控机制与治疗潜力。IL-18的来源
IL-18以无活性前体的形式在多种细胞中组成型表达,既可以快速发挥作用,又受到严格调控以避免过度炎症。除库普弗细胞与活化巨噬细胞外,炎症单核细胞、DC亚群以及肠道上皮细胞、肝细胞、角质形成细胞、破骨细胞、滑膜成纤维细胞、软骨细胞等非造血细胞在炎症条件下也可产生IL-18。
其受体IL-18R在免疫细胞群中广泛表达,包括T细胞、B细胞、NK细胞、多种固有样淋巴细胞,以及巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞等髓系细胞。这种广泛的表达模式凸显了IL-18对免疫系统的广谱影响。本文重点关注IL-18在1型免疫应答中的作用;关于其对2型、17型与22型免疫应答的影响,可参阅其他文献。值得注意的是,部分肿瘤细胞也可产生高水平IL-18,其在该场景下的作用十分复杂,已有研究报道了促肿瘤与抗肿瘤两种效应。IL-18R的调控
具有生物活性的IL-18(18 kDa)以低亲和力结合IL-18Rα(也称为IL-1R5)(图2)。功能性信号传导需要与IL-18Rβ(也称为IL-1R7)形成三元复合物。尽管IL-18Rα呈广泛表达,但IL-18Rβ的表达具有诱导性:主要由IL-12p70、Ⅰ型干扰素与IL-15诱导。IL-12p70是IL-18Rβ的快速强效诱导剂,它与IFNα共同作用,可使T细胞与NK细胞对低水平IL-18产生应答。IFNα与IL-12p70均可上调IL-18R组分的转录,包括辅助蛋白样分子与IL1R相关蛋白;而IFNα可独特地增强衔接蛋白MYD88的表达。
图2 | IL-18的结合与下游信号级联反应 pro-IL-18经caspase-1切割后,IL-18与IL-18受体(IL-18R)结合。Toll/白细胞介素-1受体(TIR)结构域招募衔接蛋白MYD88,进而激活IL-1受体相关激酶(IRAK)。该信号级联反应导致核因子-κB(NF-κB)从其抑制因子IκB上释放,从而促进下游炎症基因的转录。与此同时,肿瘤坏死因子受体相关因子6(TRAF6)使磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的催化亚基发生泛素化,导致AKT磷酸化。此外,IRAK1激活JUN活化激酶(JNK),使AP-1发生翻译后修饰,进而产生肿瘤坏死因子(TNF)与干扰素-γ(IFNγ)。细胞因子信号抑制因子1(SOCS1)可作为IL-18R的负向调控因子,减弱该信号级联反应。另外,IL-37可替代IL-18结合IL-18R,通过STAT3抑制下游促炎信号传导。
MYD88将Toll样受体或IL-1R信号与下游通路相连接,例如支持T细胞与NK细胞的存活、增殖、细胞毒性及细胞因子产生。靶向敲除MYD88或IL-18R会损伤IFNγ产生,且基因敲除小鼠对肿瘤的易感性升高;但MYD88也可抑制TCR信号传导,凸显了其调控作用的环境依赖性。
与IL-12p70不同,单独使用IL-15不足以诱导IL-18Rβ表达,但它发挥“调控辅助”作用,为具备信号传导功能的IL-18R组装创造有利条件。IL-15与IL-12家族细胞因子(IL-12p70、IL-21与IL-27)联用时,可增强T细胞与NK细胞的效应功能与IFNγ产生。IFNγ进一步支持IL-18R的上调,形成协同信号传导的正反馈循环:IL-12p70、IL-15与IL-18共同作用,增强NK细胞的IFNγ产生。IL-15的反式呈递——即通过邻近细胞表面的IL-15-IL-15Rα复合物递送IL-15——可延长细胞对IL-15的应答时间,放大这些协同效应。
细胞因子组合可显著调控NK细胞应答。IL-2、IL-15与IL-18共同作用,可快速强效激活固有NK细胞与记忆样NK细胞。IL-2维持IL-18Rα的表达,而IL-18R信号通路上调CD25(高亲和力IL-2R的组成部分),形成正反馈环路。IL-2与IL-18联合可通过NF-κB-STAT3-STAT5通路促进NK细胞增殖,增强IFNγ产生(尤其是再次激活时),并提升抗体依赖性细胞毒性——即使在细胞因子浓度较低时也可发挥作用。NK细胞对低浓度细胞因子的这种应答特性,可为过继细胞疗法中扩增强效NK细胞的策略提供参考。然而,NK细胞过度激活可引发免疫病理损伤,如小鼠肺损伤模型中所示。在特定条件下,IL-2与IL-18还可诱导NK细胞产生IL-13。
在CD4+ T细胞中,单独使用IL-2会降低初始细胞的IL-18Rα表达,但对TH1细胞无此作用。IL-2与IL-18联合可根据环境不同,促进TH1或TH2细胞分化。胸腺细胞中也存在类似的细胞因子依赖性极化现象:IL-18R在双阴性(DN)阶段即可表达,而IL-2R的表达呈动态变化,但在DN2至DN3阶段始终维持高水平。这些受体表达模式的发育调控作用目前尚不明确。与NK细胞类似,在细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic T lymphocyte, CTL)中,IL-2可作为启动因子,促进IL-18Rα表达,最大化效应功能,包括细胞毒性、增殖与IFNγ产生。
IL-18R的直接负向调控机制目前研究较少。IL-18BP与IL-37通过隔离IL-18而非下调受体表达来抑制IL-18R信号传导(见下文)。相比之下,TH2细胞因子IL-4可通过STAT6降低CD4+ T细胞的IL-18Rα表达;IL-13(同样依赖IL-4Rα与STAT6)对IL-18R的调控作用尚不明确。
在CTL中,转化生长因子β( TGFβ)通过抑制CD8+ T细胞记忆的关键调控因子T细胞因子1(T cell factor 1, TCF1),下调IL-18R的表达。慢性刺激同样会下调IL-18R,且与TIM3、LAG3、eomesodermin等耗竭标志物相关,这可能有助于限制旁观者激活与免疫病理损伤。然而,高表达IL-18Rα的CTL亚群具有自我更新能力,且化疗后存活能力更强。这些发现具有治疗意义。IL-18可增强CAR T细胞的扩增与持久性,而调控TCF1或其调控因子(如Regnase-1)可进一步提升细胞存活能力。因此,对过继细胞疗法进行工程改造使其分泌IL-18,同时结合可控的TCF1调控,或可优化细胞的持久性与抗肿瘤活性。
总体而言,IL-18R复合物的调控是合理设计基于IL-18的免疫疗法、提升其调控免疫激活与TME能力的核心。IL-18的调控转录与转录后水平的调控
IL-18在转录与翻译后水平均受到调控。转录因子BCL6可结合IL18基因内的位点,抑制pro-IL-18的转录。鉴于BCL6在人体组织(包括角质形成细胞等结构细胞)中广泛表达,它可能是防止过度炎症的重要保护机制。
微小RNA(microRNA, miRNA)同样可在非免疫细胞中限制IL-18的诱导。例如,miRNA-346通过抑制BTK,减少滑膜成纤维细胞的IL-18产生;而BTK是已知的NLRP3炎症小体抑制因子。不过,该调控通路在巨噬细胞中具有环境依赖性。例如在利什曼原虫感染中,内质网应激会上调miRNA-346,减少THP-1巨噬细胞的IL-18产生。
翻译后水平上,pro-IL-18的活化涉及多种蛋白酶。产生成熟、具有生物活性IL-18的经典通路,是由转化酶样酶(即caspase-1)切割pro-IL-18。Caspase-1的激活依赖于炎症小体;炎症小体可响应微生物基序与无菌炎症信号发生组装。炎症小体的详细生物学机制超出本综述范围,可参阅其他文献。此外,caspase-4与caspase-5可通过gasdermin诱导巨噬细胞焦亡,释放IL-18与IL-1β。Caspase-8也可在巨噬细胞与DC中FAS信号激活后,介导IL-18成熟。此外,中性粒细胞来源的组织蛋白酶G与肥大细胞来源的糜酶已被证实可将pro-IL-18加工为活性形式。细胞因子的调控作用
细胞因子间的相互作用进一步调控IL-18的活性(图3)。IL-18与IL-12p70联合可促进TH1细胞极化、增强NK细胞毒性、诱导B细胞产生IFNγ(需同时联用IL-12p70或CD40L共刺激),并激活CTL。IL-12p70通过在基因表达水平与细胞表面受体组分水平上调T细胞的IL-18R,增强IL-18的信号传导。在髓系细胞中,IL-12p70与IL-18同时存在可显著增强细胞成熟与效应功能。值得注意的是,尽管单独使用IL-18对破骨细胞的作用不一,但在IL-12p70存在时,IL-18会发挥抑制作用。
图3 | IL-12p70与IL-18在塑造肿瘤微环境中发挥互补但非冗余的作用 a-f:可对嵌合抗原受体(CAR)T细胞进行工程改造,使其表达IL-12p70与IL-18。IL-12p70与IL-18在肿瘤微环境(TME)中发挥互补且非冗余的作用。IL-12p70与IL-18协同作用,诱导CD4+与CD8+ T细胞表达T-bet,分别促进1型辅助性T(TH1)表型与1型细胞毒性T(TC1)表型。TH1与TC1细胞可高效产生肿瘤坏死因子(TNF)与干扰素-γ(IFNγ)等促炎细胞因子。 a-c:IL-12p70与IL-18联合信号的下游效应包括诱导抗肿瘤M1样巨噬细胞(a、b)、激活抗原特异性CD8+ T细胞增强细胞裂解作用、增强自然杀伤(NK)细胞的细胞毒性(b、c)。 d-f:IL-18通过上调肿瘤细胞的FASL促进肿瘤排斥(d);通过诱导基质细胞释放趋化因子、上调细胞黏附分子,促进免疫细胞向TME归巢(e);同时,IL-18可不依赖TCR,强效激活表达半恒定TCR的非经典T细胞(f)。 缩写:CCL,CC趋化因子配体;CXCL,CXC趋化因子配体;ICAM1,细胞间黏附分子1;iNKT cell,恒定自然杀伤T细胞;MAIT cell,黏膜相关恒定T细胞。
IL-23(IL-12家族成员)发挥启动因子作用,使细胞对IL-18刺激更敏感,而非直接调控IL-18的表达或加工。事实上,单独使用IL-18不足以在银屑病小鼠模型中诱导炎症,但与IL-23联用时,可驱动IFNγ介导的病理损伤。与之类似,在小鼠胶原诱导性关节炎模型中,IL-23可启动中性粒细胞,增强IL-18驱动的(IL-17介导的)炎症应答。这种对IL-17介导的中性粒细胞应答的调控作用,在某些情况下可能抵消IL-18的抗肿瘤活性。相反,在NK细胞中,IL-23与IL-18协同促进IFNγ产生,增强其激活DC的能力,提示其可通过激活“辅助样”NK细胞发挥环境依赖性的抗肿瘤潜力。
其他IL-12家族细胞因子也可调控IL-18。IL-27与IL-15协同增强IL-18的促炎效应,但同时通过STAT1信号诱导其天然抑制剂IL-18BP,从而限制IL-18活性。相比之下,IL-35可抑制NK细胞产生IL-18与IFNγ。脓毒症的临床观察显示,IL-18与IL-35水平升高,且与血小板数量呈负相关。尽管活化的血小板可同时释放IL-18与IL-18BP,但目前尚不清楚IL-18是否通过促进IL-35产生来调控自身水平。值得注意的是,IL-12细胞因子家族由共享亚基的异二聚体组成(IL-12p70:p40-p35;IL-23:p40-p19;IL-35:p35-Ebi3;IL-27:p28-Ebi3)。对这些共享亚基的竞争可能间接影响IL-18的调控及其在健康与肿瘤中的作用,但该观点仍属推测。
IL-22是IL-10家族细胞因子,也可直接调控IL-18的转录。IL-22通过使STAT3结合IL18启动子,增强上皮细胞中pro-IL-18的表达。但它不会驱动IL-18成熟,提示还需要其他信号。功能上,IL-18-IL-22轴通过增强TH1细胞应答支持屏障免疫,但也可促进病理损伤,如弓形虫病期间的回肠炎。尽管该通路可能促进肿瘤生长(例如通过上皮增殖或扩增产生IL-22的固有淋巴细胞),但直接证据仍然有限。不过,已有研究描述了IL-22结合蛋白(IL-22BP,一种控制组织微环境中IL-22供给的诱饵受体)作为IL-18-IL-22轴的一部分,调控癌症发生的潜在作用。研究显示,IL-18可提高人肠道组织中IL-22与IL-22BP的比值,增强IL-22信号传导并促进肿瘤发生。目前尚不清楚是否存在双向调控,以及这些潜在机制是否影响肿瘤生物学,这对治疗方案的设计具有启示意义,有待进一步研究。IL-18BP的调控作用
IL-18BP是IL-18的关键内源性抑制剂。人体内存在四种IL-18BP异构体,其中IL-18BPa与IL-18的亲和力最高。在稳态条件下,IL-18BP含量充足,确保血清中游离IL-18维持在极低水平。在脓毒症、病毒感染、自身免疫病等炎症状态下,IL-18BP水平与IL-18同步升高,这一过程通常由IL-12p70、IL-27与IFNγ驱动。尽管二者存在协同诱导,但当IL-18的产生速度超过IL-18BP的代偿能力时,仍会出现失衡,导致游离IL-18过量。这种现象已在重度炎症疾病与精神分裂症、双相情感障碍等神经精神疾病中被观察到。因此,IL-18与IL-18BP的平衡对于控制IL-18介导的炎症至关重要。
另一层调控机制涉及IL-37——另一种IL-1家族细胞因子,在人体大多数组织(尤其是髓系细胞)中组成型表达。尽管IL-37最初被描述为IL-18R拮抗剂,可结合IL-18Rα但不诱导IFNγ产生,但它对IL-18Rα的亲和力较弱(解离常数Kd约为130 nM),远低于IL-18对同一受体亚基的亲和力(Kd约为0.25 nM),提示IL-37的调控作用不太可能主要通过竞争性受体抑制介导。相反,IL-37通过形成多分子复合物发挥作用,这些复合物既可传导信号,也可通过空间位阻阻碍受体相互作用。值得注意的是,caspase-1介导的IL-37切割可产生胞内与胞外两种形式。本文重点关注胞外IL-37,因其可与IL-18BP及IL-18R复合物直接相互作用;框1简要介绍了胞内IL-37。
框1 | 胞内IL-37:一种抗炎核受体?
胞内IL-37的作用靶点主要是抗炎信号通路的组分。胞内IL-37结合磷酸化的SMAD3形成复合物,转位至细胞核内,诱导多种非受体蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPN)的表达。PTPN是ERK、JNK、PI3K、NF-κB与STAT3等炎症信号级联反应的重要负向调控因子。
此外,胞内IL-37可与小GTP酶RHEB相互作用,抑制mTORC1的激活——mTORC1是与抗炎细胞状态相关的核心代谢开关。胞内IL-37还可结合RHO GTP酶RAC1,调控肌动蛋白细胞骨架动力学与细胞运动,提示其可能在肿瘤生长与转移中发挥作用。
IL-37作为核因子调控的多条信号通路,均可被IL-18及其他促炎细胞因子激活。总体而言,胞内与胞外IL-37的作用共同抑制炎症。不过,胞外IL-37对IL-18介导的信号传导似乎具有更高的特异性。
IL-37因与IL-18存在结构相似性,可结合IL-18BP;但这种相互作用的功能后果尚未完全阐明。在胶原诱导性关节炎模型中,给予高剂量IL-18BP反而未能减轻炎症。一种解释是,过量的IL-18BP会隔离IL-37,使两种分子均无法调控IL-18活性。值得注意的是,小鼠基因组中不存在IL-37,且该机制在人体中的直接证据仍然有限。
另有研究提出,IL-18BP-IL-37复合物可结合IL-18Rβ,阻止其与IL-18Rα配对,从而限制功能性IL-18R的信号传导。尽管该模型看似合理,但主要基于体外实验(检测NK细胞系或外周血单核细胞的IFNγ产生),且尚未通过生物物理学方法直接证实这种假定的三元复合物。不过,这些研究确实表明,低浓度IL-37与IL-18BP联用时,抗炎效应更强。这一发现提示,IL-18诱导的IFNγ产生至少存在两种缓冲机制:第一,IL-18BP-IL-37与IL-18Rβ相互作用,干扰IL-18R的组装;第二,IL-37通过IL-18Rα传导抗炎信号,并招募IL-1R8(见下文)。高浓度下,IL-37可能形成同源二聚体,生物活性降低,从而限制其抗炎能力。重要的是,目前的体外研究无法明确区分IL-37与IL-18BP在调控IL-18时是相加作用还是协同作用。
尽管存在这些不确定性,IL-37与IL-18BP显然是IL-18生物学中相互关联的调控因子。它们的结构与功能特性提示,二者在调控IL-18驱动的炎症中发挥协同作用(不过IL-37也可广泛抑制其他IL-1家族细胞因子)。因此,IL-18BP-IL-18-IL-37轴值得更深入的研究,尤其是在设计靶向TME的IL-18类免疫疗法的背景下。
相比之下,由IL-37、IL-18Rα与IL-1R8(也称为SIGIRR或TIR8)形成的抗炎复合物的作用机制更为明确。功能研究证实,该复合物通过利用抗炎信号通路和/或直接抑制促炎级联反应,抑制炎症。
这些效应延伸至多种IL-1家族细胞因子的下游通路,以及TNF与IL-6通路。关于IL-37与IL-1R8活性分子机制的更详细阐述,可参阅其他文献。其他IL-1R家族成员也可能影响IL-18信号传导(框2),且组织特异性因素可能决定IL-18在不同组织中的活性。
框2 | 尚未充分研究的IL-1家族“刹车”分子
IL-1R9(TIGIRR2):一种海马区的孤儿受体,参与学习与记忆过程。已有研究显示其可结合IL-38,介导下游抗炎信号传导。鉴于IL-38与IL-18BP存在结构相似性,IL-1R9可能参与IL-18的调控。这提示靶向IL-1R9或可调控神经炎症通路,但该领域目前研究较少。
IL-1R10(TIGIRR1):另一种主要在脑部表达的孤儿受体,与IL-18BP具有结构相似性。其功能,尤其是在IL-18信号传导中的作用,仍有待阐明。
IL-1R8L1:IL-1R8的长异构体,目前仍在研究中。鉴于其与IL-18信号的负向调控因子IL-1R8存在紧密结构关联,它可能参与IL-18的生物学过程,是颇具前景的研究方向。
总而言之,IL-18的严格调控尤为重要:它可由免疫细胞分泌,但不会影响邻近的非免疫细胞;由于缺乏信号肽,IL-18在经caspase介导的加工后可快速释放。因此,受体可用性、前体加工、IL-18BP的诱导,以及将受体信号转向抗炎通路(如通过IL-37与IL-1R8)等调控机制,对于限制IL-18的活性至关重要(图4)。这种严格调控在治疗场景中也具有优势。与IL-12p70、IFNγ等临床应用受毒性限制的细胞因子相比,IL-18可能为增强细胞疗法提供更可控的手段。
图4 | IL-18的来源与调控机制 a:pro-IL-18呈广泛表达,多种免疫细胞与非免疫细胞经caspase-1切割后,可快速分泌具有生物活性的IL-18。IL-18通过由IL-18Rα与IL-18Rβ组成的受体传导信号,通常激活促炎信号级联反应,最终产生干扰素-γ(IFNγ)。IL-18的水平受到其诱饵受体IL-18结合蛋白(IL-18BP)的严格控制:IL-18BP以高亲和力结合IL-18,阻止其与IL-18R结合。 b:IL-18还受到另一种IL-1家族细胞因子IL-37的调控。IL-37可与IL-18BP及IL-18Rβ形成复合物,阻止功能性IL-18R复合物的组装。 c:IL-37也可结合IL-18Rα,并招募IL-1R8——IL-1R家族的一种抗炎跨膜蛋白,三者共同形成三元复合物,激活抗炎信号。 d:IL-22通过磷酸化的STAT3增强IL18的转录。但IL-22可被其诱饵受体IL-22BP隔离,构成IL-18调控的另一层机制。IL-18驱动的肿瘤微环境中IFNγ的调控
IL-18的严格调控为精细调控下游炎症应答,尤其是TME中的IFNγ产生,提供了契机。尽管IL-12p70等细胞因子也被用于类似目的,但其安全性不佳限制了临床应用。本节阐述IL-18的下游信号传导及其调控TME中IFNγ的能力。
在CD4+与CD8+ T细胞中,IL-18诱导信号的核心介导因子是T-bet——1型免疫的标志性转录因子。在CD4+ TH1细胞与CD8+ 1型细胞毒性T(TC1)细胞中,T-bet驱动IFNγ产生,同时促进TC1细胞的细胞毒性功能,即穿孔素与颗粒酶的分泌。尽管T-bet的诱导需要IFNγ信号,但IFNγ的最初来源尚不明确。潜在的来源包括IL-18激活的抗原经历T细胞、T-bet+ DC、巨噬细胞、NK细胞,或不依赖TCR信号激活的固有样T细胞。这些来源并非互斥,但均依赖IL-18诱导IFNγ。
单独使用IL-18不足以在初始T细胞中诱导T-bet。相反,TCR结合会上调IL-12R的表达;而如前所述,IL-12p70信号会增加IL-18Rβ的表达。随后,IL-18通过激活JNK通路发挥作用,使JUN的Ser63与Ser73位点磷酸化。磷酸化的JUN与STAT4(由IL-12p70激活)协同作用,结合AP-1并驱动IFNG的转录。STAT4还可上调TH1细胞中IL-18Rα的转录,进一步放大IL-18应答。分泌的IFNγ随后通过自分泌与旁分泌环路,经STAT1与STAT4传导信号,与IL-12p70共同建立稳定的T-bet表达与1型免疫程序的定向分化。
T-bet随后重塑靶基因的染色质,包括IFNG、CCR5、CXCR3与HLX1,强化效应功能。在TME中,IFNγ发挥关键作用:促进趋化因子分泌(如CXCR3配体),增强T细胞募集,提升CD4+与CD8+ T细胞的效应功能。它对肿瘤细胞还具有直接的细胞毒性与细胞生长抑制作用,且对CAR T细胞等疗法的疗效至关重要。然而,IFNγ也可促进肿瘤进展:它诱导免疫检查点分子(如PD-1、PD-L1与CTLA4)的表达,降低T细胞上的促存活因子(如IL-7Rα),并可能支持癌症干细胞转移与免疫逃逸。这些相反的效应似乎具有剂量依赖性:高浓度IFNγ可诱导肿瘤细胞凋亡,而低水平则促进干细胞特性与转移。另一项研究同样显示,低剂量IFNγ会上调PD-L1、PD-L2与CTLA4的表达,而更高剂量则抑制肿瘤生长。
有研究提出,TME内的空间动力学可进一步调控IFNγ的活性。活体成像研究显示,IFNγ形成浓度梯度,其源头是肿瘤浸润淋巴细胞(tumour-infiltrating lymphocyte, TIL)聚集的抗原富集微环境。IFNγ从这些位点扩散至周围肿瘤区域,诱导广泛的表型变化,如MHCⅠ类分子与PD-L1的上调。尽管组织范围内的IFNγ信号传导并非新概念,但时空因素是治疗方案设计的重要考量。半乳糖凝集素3等因子可在TME中隔离IFNγ,干扰其扩散,从而改变IFNγ诱导的趋化因子梯度与T细胞募集。在此框架下,IL-18作为关键的上游调控因子,可同时塑造IFNγ的表达强度与空间分布。对于TCR工程化T细胞或CAR T细胞等工程化T细胞疗法,IL-18武装策略为调控TME内的IFNγ梯度提供了可能,有望在维持调控的同时,增强肿瘤对免疫攻击的敏感性。肿瘤微环境中IL-18、IL-37和IL-18BP的平衡
如前所述,IL-18是TME中IFNγ产生与抗肿瘤T细胞功能的关键调控因子。然而,当其调控失衡时,IL-18反而会促进肿瘤生长与转移。介导这一效应的核心伙伴是血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)——肿瘤血管生成、肿瘤迁移与T细胞抑制的驱动因子。IL-18可诱导VEGF表达,部分作为控制TME中IL-18水平的反馈机制,但二者的关系是双向且环境依赖的。在胃癌细胞系中,VEGF通过ERK-MAPK信号增强IL-18产生,而IL-18通过肌动蛋白聚合与张力蛋白下调,促进VEGF驱动的肿瘤细胞迁移。该轴支持癌症新生血管形成、肿瘤细胞运动与CD44+癌症干细胞样细胞的维持,且与胃癌患者的不良预后相关。与之类似,IL-18诱导的血管细胞黏附分子1表达,虽可促进白细胞黏附,但也会促进黑色素瘤、乳腺癌与结直肠癌的转移。
临床观察进一步凸显了细胞因子平衡的重要性。研究发现,鳞状细胞癌患者的血清IL-18与IL-37水平高于健康对照。值得注意的是,血清IL-18与IL-37的高比值与疾病进展及淋巴结转移相关,而瘤内高IL-18水平则与肿瘤受控、转移概率低相关。如前所述,IL-37水平升高可能具有自限性——因为IL-37同源二聚化,或IL-37与IL-18BP相互结合,会使平衡向炎症方向偏移。
该轴提供了治疗机遇。在早期临床试验中,重组人IL-18BP(tadekinig alfa)在炎症疾病成人斯蒂尔病中显示出安全性与疗效,目前正被用于研究X连锁凋亡抑制因子缺乏症——该病具有克罗恩病样症状,被认为由巨噬细胞过度激活驱动。但在癌症中,阻断IL-18BP可能更有益处。在临床前模型中,抗IL-18BP抗体与可隔离IL-18BP的IL-18诱饵变体,可增加TME内的IFNγ水平,增强T细胞与NK细胞活性。
调控IL-18还可减轻化疗毒性。在伊立替康诱导的黏膜炎中,通过基因敲除或引入IL-18BP抑制IL-18,可减轻组织损伤。不过,该研究使用的小鼠模型并非肿瘤模型,因此IL-18抑制对肿瘤的影响尚不明确。同样,目前尚不清楚内源性IL-37水平降低是否会增强IL-18BP在该场景下的抗炎效应。值得注意的是,TME中总IL-18水平高并不一定代表具有生物利用度的细胞因子水平高,因为大部分IL-18会与IL-18BP结合——而IL-37水平升高会进一步增加这一复杂性。
IL-37本身主要发挥抗肿瘤作用,但具体效应受环境影响。它可抑制血管生成(例如通过VEGF与基质金属蛋白酶),并通过增强NK细胞功能、促进DC激活、驱动M1巨噬细胞极化、增强对Treg细胞介导抑制的抵抗力、减少髓源性抑制细胞,强化抗肿瘤免疫。IL-37还可限制免疫检查点分子(PD-1与TIM3)的表达,可能对抗T细胞耗竭。然而,需要注意的是,已有研究观察到IL-18可增加PD-1与TIM3的表达水平,但可提升抗PD-1疗法的疗效(尽管需在低浓度下或使用经修饰的减毒形式)。
相反,在特定条件下,IL-37可通过增强Treg细胞活性、诱导致耐受性DC、支持M2巨噬细胞极化、拮抗IL-18介导的CTL细胞毒性、驱动HIF1α依赖性的肿瘤细胞增殖,促进肿瘤进展。它还与部分肿瘤的凋亡通路存在关联(如BAX与caspase-8,通常在caspase-1缺失的场景下),但其对IL-18调控的意义尚不明确。
总体而言,IL-18与IL-37的作用存在重叠但有时相互对立,受浓度、环境与时机的调控。IL-18BP通过与两种细胞因子的紧密相互作用,构成了额外的调控层。因此,IL-18功能(作为促肿瘤还是抗肿瘤因子)的表面矛盾,可能反映了IL-18BP或IL-37调控下细胞因子可用性的差异。对于基于细胞因子的免疫疗法,尤其是IL-18工程化过继T细胞策略,仅关注IL-18本身可能不够。TME内IL-18、IL-18BP与IL-37的局部平衡,很可能是决定治疗结局的关键因素。IL-18增强的临床前研究
临床前动物模型是评估生物制剂治疗潜力的关键试验场。对于IL-18,小鼠模型已基本验证了其基础生物学所提示的免疫调节功能。总体而言,这些研究表明,IL-18是TC1与TH1细胞介导的抗肿瘤免疫的强效驱动因子。其增强IFNγ产生的能力,使IL-18成为调控NK细胞活性与长期T细胞记忆形成的关键因子。此外,IL-18对多种免疫细胞群的影响,凸显了其可通过直接与间接机制介导抗肿瘤效应。本节介绍癌症免疫治疗中利用IL-18的主要临床前策略(表1)。表1 | 基于IL-18的癌症治疗策略的临床前与转化研究
缩写说明: CAR,嵌合抗原受体;cDC1,1型常规DC;CPM,环磷酰胺;CRS,细胞因子释放综合征;CTL,细胞毒性T淋巴细胞;DC,树突状细胞;DIPG,弥漫内生型桥脑胶质瘤;ID,皮内;IP,腹腔内;IT,瘤内;IV,静脉内;MBD2,小鼠β-防御素2;MDSC,髓源性抑制细胞;NK,自然杀伤;PT,瘤周;r,重组;rh,重组人;RO,眶后;SC,皮下;SCC,鳞状细胞癌;SCID,重症联合免疫缺陷;TIL,肿瘤浸润淋巴细胞;TLR,Toll样受体;TNBC,三阴性乳腺癌;Treg cell,调节性T细胞。
肿瘤工程化策略
对肿瘤细胞进行工程改造使其表达IL-18已被证实有效,尤其适用于缺乏明确肿瘤抗原、但需在TME中激活免疫的场景。在小鼠模型中,用重组小鼠Il18 cDNA转染肿瘤细胞系,可导致肿瘤排斥并建立免疫记忆。体外实验中,IL-18与IL-12p70协同,以剂量依赖的方式增强IFNγ产生;但体内全身联合给药会因IFNγ过量释放导致致死毒性。为减轻毒性,研究者探索了替代递送策略,包括瘤周注射IL-18联合全身注射IL-12p70、肿瘤限制性细胞因子表达以及分区给药方案。尽管这些联合方案在小鼠中显示出疗效与安全性的提升,但全身IL-12p70因不可接受的毒性,临床转化潜力仍然有限。更具前景的策略是肿瘤局部表达IL-18,联合免疫细胞招募方案,如共给予未成熟DC或MBD2等趋化因子。这些研究表明,相对低水平的IL-18即可通过激活多个免疫区室诱导强效肿瘤抑制,同时促进持久的免疫记忆。全身免疫调控
IL-18作为佐剂在小鼠中已被广泛研究。经工程改造表达IL-18的DC疫苗,可通过IFNγ依赖性途径增强TH1细胞应答、细胞因子产生与抗原特异性CTL应答。尽管该方法提升了抗原呈递能力,但其克服免疫抑制(T细胞耗竭与Treg细胞活性)、产生持久临床应答的能力仍不明确。与之类似,将Il18作为分子佐剂整合入DNA疫苗,在小鼠模型中显示出免疫原性提升,CTL应答增强,肿瘤保护作用增强。但与许多DNA疫苗策略一样,向人体疗效的转化仍是挑战。
全身给予IL-18,尤其是腹腔注射,已显示出抗肿瘤活性,但与IL-12p70联用时引发了安全性担忧。相比之下,瘤内注射IL-18在胶质瘤、肝癌等模型中显示出更优的安全性与疗效。局部IL-18治疗通常依赖NK细胞,可诱导肿瘤特异性免疫记忆,同时将毒性降至最低。但它通常需要频繁给药,且肿瘤部位需可及,这可能限制临床应用。
大量证据表明,全身IL-18还可调控转移性疾病。在乳腺癌与肺癌小鼠模型中,全身给予IL-18可减少骨转移,机制可能为下调IL-6与抑制破骨细胞介导的骨吸收。在原发性骨肿瘤中,IL-18还可削弱肿瘤细胞运动能力与转移潜能,同时增强NK细胞与CTL活性。这些发现提示,除经典的免疫激活外,IL-18还可通过影响细胞因子信号、肿瘤细胞运动与血管生成,独特地调控转移微环境。化疗与免疫治疗增强
IL-18已被评估与多种化疗药物联合使用。例如,脂质体多柔比星联合IL-18在小鼠模型中可导致肿瘤消退,部分实现长期控制。与之类似,异环磷酰胺联合IL-18通过增强NK细胞与CTL激活,改善了肺转移性骨肉瘤小鼠的结局。
IL-18在过继免疫治疗场景中也展现出前景。在免疫缺陷小鼠中,重组人IL-18可增强人CTL的植入,抵消Treg细胞介导的抗肿瘤免疫抑制。但这与异种移植物抗宿主病相关。重要的是,IL-18可使肿瘤对免疫检查点阻断敏感。在荷瘤模型中,IL-18增加NK细胞上PD-1与PD-L1的表达,为联合检查点阻断以恢复NK细胞活性提供了理论依据。这种协同作用已在多项小鼠研究中得到证实,包括使用抗IL-18BP结合的工程化IL-18变体(抗诱饵IL-18)、IL-18预激活的NK细胞,以及减毒IL-18或抗诱饵IL-18与抗PD-1抗体融合蛋白的研究。武装CAR T细胞
对CAR T细胞进行工程改造使其分泌IL-18(“武装”CAR T细胞),已成为提升抗肿瘤疗效的极具前景的策略。在同基因与异种移植模型中,分泌IL-18的CAR T细胞均显示出增殖、持久性与肿瘤控制能力的提升。该方法已应用于多种CAR T细胞靶点,包括DLL3(小细胞肺癌)、CEA(胰腺癌与肺癌)、BCMA与BAFFR(多发性骨髓瘤)、HER2(卵巢癌与黑色素瘤)、NKG2D(未明确肿瘤模型)、CD19或间皮素(黑色素瘤与胰腺癌)、GD2(神经母细胞瘤)以及CD371(急性髓系白血病),其中部分靶点现已进入Ⅰ期临床试验(NCT05989204、EUCT 2022-501725-21-00与NCT06017258)。
为解决IL-18武装CAR T细胞可能出现的急性毒性与长期免疫耗竭问题,研究者开发了新的工程策略,包括组成型活化的嵌合IL-18R(如Zip18R)——其亮氨酸拉链基序替代了胞外结构域,可不依赖配体结合诱导受体复合物形成;模块化细胞因子受体系统,如GM18——将GM-CSF受体胞外结构域与IL-18R信号结构域相结合;以及可控的IL-18释放系统。武装CAR T细胞的可控IL-18分泌可通过在pro-IL-18中引入颗粒酶B切割位点(替代caspase-1切割位点)实现,从而将细胞因子的活化限制在CAR结合的部位,即颗粒酶B释放的位点。此外,多西环素诱导系统可通过亚治疗剂量的多西环素,实现IL-18表达的时间调控。这些创新旨在平衡效力与安全性,同时保留基础T细胞功能。未来的策略可能整合多种工程改造手段,进一步优化治疗效果。IL-18的临床研究
如前所述并在其他综述中详细阐述的,IL-18既具有抗肿瘤效应,也具有促肿瘤效应。多种恶性肿瘤患者的血液中IL-18水平升高,且与疾病晚期、进展与转移相关。与促肿瘤效应一致的是,IL-18可能促进肿瘤免疫逃逸,增强肿瘤细胞与微血管内皮的黏附,并促进血管生成与肿瘤生长刺激因子的产生。临床上,胃癌手术切除后IL-18水平下降,而血清IL-18升高提示肝细胞癌患者预后更差。利用IL-18BP融合蛋白治疗性阻断IL-18的尝试,在转移性疾病临床前模型中显示出活性,但目前临床评估仅局限于全身性自身炎症疾病。
在食蟹猴中全身给予重组人IL-18,显示出可接受的安全性:仅在最高剂量下出现轻度可逆的血液学计数变化与蛋白管型肾病。这些发现支持了重组人IL-18单药(SB-485232,iboctadekin)用于晚期实体瘤患者的早期临床试验推进。多项研究显示,该治疗耐受性良好,未确定最大耐受剂量,但客观应答极少。与间歇性每日给药相比,每周给药可实现持续的NK细胞激活与循环,伴随TH1细胞因子释放。后续试验探索了IL-18单药治疗转移性黑色素瘤,以及联合脂质体多柔比星治疗复发性卵巢癌、联合利妥昔单抗或奥法木单抗治疗CD20+淋巴瘤的方案。这些研究显示NK细胞激活与炎症标志物表达增加,且存在剂量依赖性活性的部分证据。近期,抗诱饵IL-18变体(如ST-067)已进入临床开发阶段,包括联合特立妥单抗(靶向BCMA与CD3的双特异性抗体)治疗多发性骨髓瘤(NCT06588660),以及移植后复发的急性髓系白血病(NCT06492707)。总体而言,重组IL-18展现出良好的安全性,但疗效有限,这促使研究转向克服IL-18BP介导的中和作用、提升持久性的策略。
其他纳入IL-18的临床策略(表2)包括IL-18武装CAR T细胞、激活诱导型IL-18武装CAR T细胞以及联合免疫治疗方案。临床前与转化研究显示,激活IL-18信号通路的CAR T细胞疗效提升,且已实现符合GMP标准的产品制备。在一项针对21例经多线治疗的CD19+非霍奇金淋巴瘤患者的首次人体研究中,靶向CD19的IL-18武装CAR T细胞疗法(huCART19IL18)展现出令人鼓舞的安全性:无治疗相关死亡,细胞因子释放综合征(cytokine release syndrome, CRS)以低级别为主,无高级别神经毒性。研究观察到CAR T细胞持久存在,且临床应答显著:52%的患者达到完全缓解。然而,后续靶向CD371治疗急性髓系白血病的IL-18武装CAR T细胞研究显示,高剂量水平下存在剂量限制性毒性,包括严重CRS与长期血细胞减少。其他评估靶向CD19(NCT05989204与NCT06287528)与nectin-4(NCT07101549)的IL-18武装CAR T细胞,以及诱导型IL-18系统(EUCT 2022-501725-21-00)的试验正在进行中。表2 | 涉及IL-18的临床试验
缩写说明: ≥Gr3,3级及以上;AE,不良事件;alloHCT,异基因造血干细胞移植;AML,急性髓系白血病;autoHCT,自体造血干细胞移植;BCMA,B细胞成熟抗原;CR,完全缓解;CRS,细胞因子释放综合征;DLT,剂量限制性毒性;doxil,多柔比星脂质体;DVT,深静脉血栓;DOR,缓解持续时间;ICANS,免疫效应细胞相关神经毒性综合征;LVEF,左室射血分数;mAb,单克隆抗体;MDS,骨髓增生异常综合征;MRD,微小残留病;MTD,最大耐受剂量;NFAT,活化T细胞核因子;NHL,非霍奇金淋巴瘤;PR,部分缓解;SD,疾病稳定;s/p,术后;TrAE,治疗相关不良事件。
利用IL-18作为免疫治疗辅助手段的研究也在进行中,包括ST-067联合帕博利珠单抗等免疫检查点抑制剂、奥妥珠单抗等抗CD20抗体(NCT04787042)以及CAR T细胞疗法(NCT07098364)。PD-1-IL-18融合蛋白(BPT567)等新构建体也正在实体瘤中接受评估(NCT06779851)。
毒性考量
临床前研究既凸显了IL-18类策略的治疗前景,也揭示了其风险。值得注意的是,全身联合给予IL-18与IL-12p70会因IFNγ过量释放、NK细胞与CTL过度激活导致严重毒性,凸显其治疗窗相对较窄。后续小鼠研究优化了递送策略,证实可控的IL-18信号传导可在维持可接受安全性的同时,增强抗肿瘤免疫——尤其是与检查点阻断或过继细胞疗法联用时。武装CAR T细胞模型进一步显示,IL-18表达可能降低对高强度清淋预处理方案的需求,且低剂量CAR T细胞即可驱动持久应答,同时限制毒性。然而,向人体系统的转化仍然复杂。重组IL-18的早期临床试验证实了安全性,但疗效有限,即使在联合方案中也是如此,偶见血液学毒性。相比之下,分泌IL-18的CAR T细胞疗法出人意料地安全有效,在淋巴瘤中毒性可控,但白血病的早期数据显示剂量升高时毒性更大,提示治疗窗可能取决于肿瘤类型或既往治疗。
关于IL-18相关毒性的机制见解已逐步显现:研究显示,IL-18BP水平降低(如髓系细胞区室耗竭的患者)会导致IL-18活性不受抑制,IFNγ产生过量,进而引发严重血细胞减少。这些发现强调了IL-18类疗法中调控平衡的重要性。未来方向
新兴策略旨在优化IL-18的递送与活性,包括抗诱饵IL-18变体与激活诱导型表达系统。其他正在研究的方法包括CAR-NKT细胞、基于DC与NKT细胞的疗法、肿瘤来源细胞外囊泡,以及设计用于规避IL-18BP介导隔离的溶瘤病毒。蛋白质工程研究也聚焦于增强IL-18的稳定性与半衰期,以及改进工程化细胞疗法的体内追踪技术(NCT07343934)。
在肿瘤学之外,IL-18可能在免疫调控中具有应用价值。矛盾的是,已有研究显示IL-18可支持FOXP3+ Treg细胞功能,抑制TH17细胞应答,这提示将IL-18整合入CAR-Treg细胞平台,或可用于治疗自身免疫炎症与移植物抗宿主病。调控IL-18的复杂网络——涉及IL-18BP、IL-37与IL-1R8——既带来挑战,也蕴含机遇。例如,敲除IL-1R8可增强IL-18依赖性NK细胞活性,目前正被考虑作为一种免疫检查点靶点,但其转化相关性仍不明确,因为存在物种差异且我们对这些通路的理解尚不完整。结论
IL-18是一种多效细胞因子,具有增强抗肿瘤免疫的潜力。然而,其兼具的抑瘤与促瘤双重效应,以及严格的内源性调控,要求治疗方案的设计必须审慎。IL-12p70等细胞因子对IL-18的调控作用,以及IL-18诱导强效TH1细胞应答、促进NK细胞毒性的能力,凸显了其通过促进内源性免疫应答,克服实体瘤免疫抑制性TME的潜力。然而,仍需进一步研究以明确:与其他潜在的细胞因子疗法相比,IL-18最适合哪些患者与适应症。重要的是,IL-18的严格调控特性,可能使其在人体中具有良好的临床安全性。总体而言,深入理解IL-18的信号动力学,对于充分发挥其治疗潜力至关重要,尤其是在历来对免疫治疗耐药的“冷”实体瘤中。
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文献:Sharma, A., Bishara, G. G., Olejniczak, S. H., Ohm, J. E., Brentjens, R. J., & Gupta, A. (2026). Interleukin-18 armours antitumour immune effectors. Nature reviews. Immunology, 10.1038/s41577-026-01330-1. Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41577-026-01330-1
文献原文:Interleukin-18 armours antitumour immune effectors.pdf