科研選題是科技工作首先需要解決的問題。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）高度重視科學(xué)問題凝練工作，先后實(shí)施了明確資助導(dǎo)向、完善面向科學(xué)前沿和國(guó)家重大需求的科學(xué)問題凝練機(jī)制等一系列改革舉措。為了通過總結(jié)和宣傳我國(guó)科學(xué)家凝練科學(xué)問題的成功經(jīng)驗(yàn)，從理念和方法上給科研人員以啟迪和信心，引導(dǎo)科技界更加自覺地探索和運(yùn)用科學(xué)方法不斷提升凝練科學(xué)問題的能力和水平，自然科學(xué)基金委組織開展凝練科學(xué)問題案例編寫工作。
案例以科研人員發(fā)現(xiàn)問題、凝練方向、奮勇攀登的心路歷程為主線，由自然科學(xué)基金委各科學(xué)部工作人員依據(jù)科研人員工作實(shí)踐調(diào)研總結(jié)形成，并通過小同行審讀、大同行評(píng)閱的方式，進(jìn)一步提升科學(xué)性和可讀性，形成了凝練科學(xué)問題案例共81個(gè)。以下是案例之一，供參考
錳元素，天然免疫的“傳令兵”
——錳元素調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用探索
凝練科學(xué)問題的過程及意義
1. 科學(xué)問題的探索過程
天然免疫是宿主抵抗病原微生物入侵的第一道防線。天然免疫細(xì)胞表達(dá)的一系列模式識(shí)別受體感知入侵病原體的不同組分，活化多條信號(hào)通路以產(chǎn)生包括I型干擾素（I-干擾素）在內(nèi)的多種炎性細(xì)胞因子對(duì)抗感染。模式識(shí)別受體包括Toll樣受體、RIG-I樣受體、NOD樣受體及DNA受體環(huán)化GMP-AMP合成酶（cGAS）。cGAS-干擾素基因激活蛋白（STING）信號(hào)通路不僅可感受來(lái)自病原體的DNA，也可感受來(lái)自腫瘤細(xì)胞的DNA，在抗感染、抗腫瘤中均發(fā)揮重要作用。此外，Rogers等（1983）、Smialowicz等（1985）和Srisuchart等（1987）先后報(bào)道注射氯化錳溶液能增強(qiáng)小鼠的自然殺傷性細(xì)胞的殺傷功能、腹腔巨噬細(xì)胞的吞噬功能、脾臟細(xì)胞的抗體依賴細(xì)胞毒作用及脾臟淋巴細(xì)胞增殖。這些結(jié)果提示錳離子能調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，但是受限于當(dāng)時(shí)對(duì)于天然免疫應(yīng)答分子機(jī)制的理解有限，導(dǎo)致缺乏后續(xù)對(duì)錳離子作用機(jī)制的深入解析和報(bào)道。
以往許多實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)細(xì)胞的狀態(tài)顯著影響其抗病毒能力，導(dǎo)致同一種細(xì)胞在不同的時(shí)間或不同的培養(yǎng)條件下對(duì)病毒感染的抵抗能力截然不同，但是對(duì)其中的原因及分子機(jī)制知之甚少。我國(guó)科研人員對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析與研究，首先發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中的血清可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的抗病毒能力：血清濃度越低，細(xì)胞對(duì)病毒感染的抵抗力越強(qiáng)。進(jìn)一步地，他們分析了培養(yǎng)基中不同微量元素對(duì)細(xì)胞抗病毒能力的影響，意外發(fā)現(xiàn)二價(jià)錳離子可以使細(xì)胞獲得很強(qiáng)的抗病毒能力。
錳元素如何賦予細(xì)胞抗病毒能力？錳元素作用的分子靶標(biāo)與機(jī)制是什么，其如何調(diào)節(jié)獲得性免疫反應(yīng)呢？除抗感染外，錳元素是否也在抗腫瘤中發(fā)揮功能，其具體分子機(jī)制是什么？回答這些問題將有助于我們深入了解錳元素的生理學(xué)功能，進(jìn)而開發(fā)其在抗感染、抗腫瘤等方面潛在的應(yīng)用價(jià)值。
2. 解決本科學(xué)問題面臨的困難
錳（Mn）是原子序數(shù)為25的過渡金屬元素，在機(jī)體中常以+2或+3價(jià)存在，后者在溶液中不穩(wěn)定，需與不同的蛋白結(jié)合。錳元素是生命體必需的微量元素，分布在各種組織和體液內(nèi)，而且人體所有細(xì)胞都含有錳。錳濃度在骨、肝、腎、胰等臟器中為1.2～2.5微克/克，在腦、心、肺、肌肉中為0.06～0.23微克/克，在血液中為8～12微克/升。錳是糖代謝中的丙酮酸羧化酶、黏多糖合成通路中的糖基轉(zhuǎn)移酶、抗氧化的超氧化物歧化酶的主要催化核心。雖然錳是機(jī)體必需的微量元素，但人們對(duì)于錳的生理學(xué)功能知之甚少。這主要是由于錳在不同組織、細(xì)胞及不同細(xì)胞器中的分布差異很大，而錳的檢測(cè)又很不方便，目前也缺乏特異性的探針進(jìn)行精細(xì)的細(xì)胞器定位，或者缺乏螯合劑進(jìn)行功能檢測(cè)。因此，在錳調(diào)節(jié)免疫功能的機(jī)制研究方面幾乎是一片空白。近年來(lái)在科研人員逐步建立的模式識(shí)別受體的知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，尤其是發(fā)現(xiàn)了識(shí)別胞內(nèi)DNA的cGAS-STING通路，錳離子調(diào)控天然免疫的研究成為可能。
3. 研究本科學(xué)問題過程中的創(chuàng)新點(diǎn)
我國(guó)科研人員研究發(fā)現(xiàn)病毒感染引發(fā)宿主細(xì)胞的線粒體、高爾基體中的錳離子向細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞外釋放，細(xì)胞質(zhì)中的錳離子可強(qiáng)烈激活cGAS-STING通路，使得cGAS對(duì)DNA的敏感性增強(qiáng)上萬(wàn)倍，并大大增強(qiáng)合成環(huán)化GMP-AMP（cGAMP）能力；并且，釋放到胞外的錳離子通過循環(huán)系統(tǒng)，被遠(yuǎn)端的巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞及淋巴細(xì)胞攝取，促進(jìn)并激活這些細(xì)胞的免疫反應(yīng)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，錳缺乏的小鼠對(duì)病毒的抵抗能力顯著降低。
科研人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Mn2+可不依賴于DNA直接激活cGAS，而且Mn2+激活的cGAS酶活反應(yīng)效率更高。并且，錳在腫瘤免疫治療中也發(fā)揮重要作用，Mn2+和免疫檢查點(diǎn)程序性死亡受體1（PD-1）抗體聯(lián)合使用的“錳免療法”可顯著增強(qiáng)機(jī)體清除腫瘤的治療效果。I期臨床試驗(yàn)初步證實(shí)了“錳免療法”在復(fù)發(fā)難治及進(jìn)展期腫瘤患者中具有臨床安全性。更重要的是，類似的Mn2+激活cGAS-STING以促進(jìn)抗腫瘤療效的方法已被國(guó)內(nèi)外十余個(gè)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)。在基礎(chǔ)創(chuàng)新之外，科研人員進(jìn)一步轉(zhuǎn)化落地發(fā)明了既是免疫激活劑，又是遞送系統(tǒng)的納米錳佐劑（MnJ），實(shí)現(xiàn)了既能激活體液免疫，又能激活細(xì)胞免疫和黏膜免疫的多重功能。
4. 研究本科學(xué)問題的意義
這些研究為理解錳元素的生理學(xué)功能打開一個(gè)新的窗口，錳元素既是病原體感染的警報(bào)素，又是天然免疫的激活劑，因此在機(jī)體抗感染及抗腫瘤的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。從更廣泛的角度而言，細(xì)胞中可能存在鎂和錳兩種相似但不相同的催化“路徑”，鎂或錳離子對(duì)于一些酶會(huì)產(chǎn)生截然不同的酶促動(dòng)力學(xué)特性，包括（但不限于）不同底物的親和力、偏好性、催化效率甚至是產(chǎn)生不同的反應(yīng)產(chǎn)物。例如，在識(shí)別雙鏈DNA時(shí)，含鎂離子的cGAS表現(xiàn)為低親和力、低環(huán)化二核苷酸合成能力，有助于機(jī)體對(duì)自身DNA的免疫耐受；而在感染發(fā)生時(shí)，增多的錳離子使得cGAS酶的催化核心發(fā)生鎂錳轉(zhuǎn)換，含錳離子cGAS的底物親和力增加千倍以上并有更高的產(chǎn)物催化效率。此外，錳具有較為集中的亞細(xì)胞分布，95%以上的錳以不溶于水的錳鹽形式貯存于細(xì)胞器中，游離在細(xì)胞質(zhì)或體液中的錳離子濃度非常低。這種特性使得錳具備成為免疫系統(tǒng)“傳令兵”的潛質(zhì)。病原體感染促使錳離子的解離和釋放，有助于整個(gè)機(jī)體進(jìn)入抗感染免疫狀態(tài)。此外，感染導(dǎo)致細(xì)胞死亡所釋放出的錳元素更是一種危險(xiǎn)信號(hào)，意味著機(jī)體局部早期免疫防御的失敗。近期在抗細(xì)菌天然免疫研究中，科研人員也證實(shí)錳離子的確發(fā)揮了類似重要作用，主要通過幫助宿主細(xì)胞的STING識(shí)別對(duì)細(xì)菌非常重要的一類第二信使環(huán)化二核苷酸，激活抗細(xì)菌感染的免疫反應(yīng)。因此，作為更深層次的免疫防御機(jī)制，錳離子引發(fā)的免疫應(yīng)答可能是一個(gè)古老而被普遍使用的抗感染機(jī)制。
錳元素激活天然免疫的發(fā)現(xiàn)還具有重要的轉(zhuǎn)化應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)科研人員研發(fā)的錳佐劑是鋁佐劑使用96年后第二個(gè)以金屬元素為基礎(chǔ)的佐劑，并且錳佐劑激活細(xì)胞免疫的能力遠(yuǎn)超鋁佐劑。錳元素作為一種生物必需的微量元素，在機(jī)體內(nèi)的平衡受到嚴(yán)格的調(diào)控以保證其良好的生物安全性。錳佐劑具有高效性（尤其活化細(xì)胞免疫）、穩(wěn)定性，以及保存、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可用于抗體制備、疫苗研發(fā)和腫瘤治療，具有巨大的應(yīng)用潛力，有助于解決我國(guó)在免疫佐劑方面的“卡脖子”難題。目前國(guó)內(nèi)幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)室和抗體/疫苗生產(chǎn)廠家已經(jīng)證實(shí)錳佐劑的優(yōu)異性，并報(bào)道了十余種基于錳離子的具有免疫佐劑功能的納米材料。鑒于“錳免療法”不僅顯著提高腫瘤免疫治療效果，還減少藥物（如化療、免疫檢查點(diǎn)抑制劑）的使用量，顯著降低腫瘤免疫治療的成本，有望極大降低國(guó)家和患者的負(fù)擔(dān)，惠及國(guó)計(jì)民生。
參考文獻(xiàn)
Rogers R R, Garner R J, Riddle M M, Luebke R W, Smialowicz R J. 1983. Augmentation of murine natural killer cell activity by manganese chloride. Toxicol Appl Pharmacol, 70: 7-17.
Smialowicz R J, Luebke R W, Rogers R R, Riddle M M, Rowe D G. 1985. Manganese chloride enhances natural cell-mediated immune effector cell function: effects on macrophages.
Immunopharmacology, 9: 1-11.
Srisuchart B, Taylor M J, Sharma R P. 1987. Alteration of humoral and cellular immunity in manganese chloride-treated mice. J Toxicol Environ Health, 22: 91-99.
案例點(diǎn)評(píng)
錳是生命體必需的一種微量元素，主要以二價(jià)態(tài)錳離子（Mn2+）的形式存在于人體所有細(xì)胞中。錳離子作為多種重要生物酶的催化核心組分，在生命活動(dòng)中的重要作用已廣為人知，但是其免疫功能從未被認(rèn)識(shí)。2018年，國(guó)內(nèi)學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的Mn2+促進(jìn)cGAS-STING的活化進(jìn)而抵抗DNA病毒的重要免疫功能，錳離子在傳送激活天然免疫的信號(hào)中起著重要作用。
2020年，約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Sohn實(shí)驗(yàn)室證實(shí)上述結(jié)果并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)cGAS利用Mn2+進(jìn)行cGAMP合成；Mn2+也可不依賴DNA直接激活cGAS。同年，國(guó)內(nèi)學(xué)者合作研究證明Mn2+是細(xì)胞內(nèi)的第二種cGAS激動(dòng)劑，Mn2+與cGAS結(jié)合后導(dǎo)致cGAS蛋白發(fā)生獨(dú)特構(gòu)象變化，合成cGAMP的效率更高。2020年，國(guó)內(nèi)學(xué)者合作研究發(fā)現(xiàn)Mn2+在腫瘤免疫監(jiān)視中的重要作用；Mn2+和PD-1抗體聯(lián)合使用的“錳免療法”顯著增強(qiáng)PD-1抗體的腫瘤治療效果；I期臨床試驗(yàn)顯示“錳免療法”的臨床安全性和有效性。2021年，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步揭示在抗細(xì)菌天然免疫中，錳離子通過促進(jìn)對(duì)細(xì)菌的環(huán)化二核苷酸的識(shí)別從而活化STING的重要作用；同年，國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)了一種既是免疫激活劑，又是遞送系統(tǒng)的納米錳佐劑。錳佐劑在體內(nèi)外都表現(xiàn)出優(yōu)異的免疫佐劑功能，尤其是增強(qiáng)細(xì)胞免疫的效果。同年，又發(fā)現(xiàn)在病毒感染后期，Mn2+可促進(jìn)cGAMP誘導(dǎo)STING蛋白形成相分離。
上述研究成果在錳離子生理學(xué)功能的理論研究上，開拓了免疫調(diào)節(jié)的新方向；在應(yīng)用方面為抗感染、抗腫瘤提供了新的途徑。作為高效的cGAS-STING激動(dòng)劑，錳離子可以極大地增強(qiáng)機(jī)體的抗腫瘤免疫功能，與當(dāng)前主流癌癥治療方法聯(lián)用，有助于提高治療效果，降低腫瘤治療特別是腫瘤免疫治療的成本，有極其良好的開發(fā)前景。此外，相較于目前廣泛應(yīng)用的免疫佐劑，錳佐劑不僅具備優(yōu)秀的佐劑效果，其作為生物必需的微量元素與無(wú)法被人體吸收和代謝的元素如鋁相比，有更高的生物安全性和相容性。
錳離子作為cGAS-STING通路的活化劑顯著促進(jìn)CD8+T細(xì)胞活化并增強(qiáng)腫瘤治療效果，以及與免疫檢查點(diǎn)抑制劑聯(lián)用所獲得的效益已被國(guó)內(nèi)外眾多實(shí)驗(yàn)室的研究驗(yàn)證。迄今已有十幾種以錳離子為基礎(chǔ)的具有良好佐劑功能的納米材料進(jìn)入開發(fā)階段的報(bào)道。未來(lái)錳離子（及其制劑）在動(dòng)物及人類抗感染、抗腫瘤中的應(yīng)用值得期待。
案例審讀人：中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 王紅艷
案例點(diǎn)評(píng)人：廈門大學(xué) 韓家淮
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