科研选题是科技工作首先需要解决的问题。国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）高度重视科学问题凝练工作，先后实施了明确资助导向、完善面向科学前沿和国家重大需求的科学问题凝练机制等一系列改革举措。为了通过总结和宣传我国科学家凝练科学问题的成功经验，从理念和方法上给科研人员以启迪和信心，引导科技界更加自觉地探索和运用科学方法不断提升凝练科学问题的能力和水平，自然科学基金委组织开展凝练科学问题案例编写工作。

案例以科研人员发现问题、凝练方向、奋勇攀登的心路历程为主线，由自然科学基金委各科学部工作人员依据科研人员工作实践调研总结形成，并通过小同行审读、大同行评阅的方式，进一步提升科学性和可读性，形成了凝练科学问题案例共81个。以下是案例之一，供参考

锰元素，天然免疫的“传令兵”
——锰元素调节免疫应答的发现与应用探索

凝练科学问题的过程及意义

1. 科学问题的探索过程

天然免疫是宿主抵抗病原微生物入侵的第一道防线。天然免疫细胞表达的一系列模式识别受体感知入侵病原体的不同组分，活化多条信号通路以产生包括I型干扰素（I-干扰素）在内的多种炎性细胞因子对抗感染。模式识别受体包括Toll样受体、RIG-I样受体、NOD样受体及DNA受体环化GMP-AMP合成酶（cGAS）。cGAS-干扰素基因激活蛋白（STING）信号通路不仅可感受来自病原体的DNA，也可感受来自肿瘤细胞的DNA，在抗感染、抗肿瘤中均发挥重要作用。此外，Rogers等（1983）、Smialowicz等（1985）和Srisuchart等（1987）先后报道注射氯化锰溶液能增强小鼠的自然杀伤性细胞的杀伤功能、腹腔巨噬细胞的吞噬功能、脾脏细胞的抗体依赖细胞毒作用及脾脏淋巴细胞增殖。这些结果提示锰离子能调节免疫反应，但是受限于当时对于天然免疫应答分子机制的理解有限，导致缺乏后续对锰离子作用机制的深入解析和报道。

以往许多实验室发现培养细胞的状态显著影响其抗病毒能力，导致同一种细胞在不同的时间或不同的培养条件下对病毒感染的抵抗能力截然不同，但是对其中的原因及分子机制知之甚少。我国科研人员对这个问题进行了系统分析与研究，首先发现培养基中的血清可以调节细胞的抗病毒能力：血清浓度越低，细胞对病毒感染的抵抗力越强。进一步地，他们分析了培养基中不同微量元素对细胞抗病毒能力的影响，意外发现二价锰离子可以使细胞获得很强的抗病毒能力。

锰元素如何赋予细胞抗病毒能力？锰元素作用的分子靶标与机制是什么，其如何调节获得性免疫反应呢？除抗感染外，锰元素是否也在抗肿瘤中发挥功能，其具体分子机制是什么？回答这些问题将有助于我们深入了解锰元素的生理学功能，进而开发其在抗感染、抗肿瘤等方面潜在的应用价值。

2. 解决本科学问题面临的困难

锰（Mn）是原子序数为25的过渡金属元素，在机体中常以+2或+3价存在，后者在溶液中不稳定，需与不同的蛋白结合。锰元素是生命体必需的微量元素，分布在各种组织和体液内，而且人体所有细胞都含有锰。锰浓度在骨、肝、肾、胰等脏器中为1.2～2.5微克/克，在脑、心、肺、肌肉中为0.06～0.23微克/克，在血液中为8～12微克/升。锰是糖代谢中的丙酮酸羧化酶、黏多糖合成通路中的糖基转移酶、抗氧化的超氧化物歧化酶的主要催化核心。虽然锰是机体必需的微量元素，但人们对于锰的生理学功能知之甚少。这主要是由于锰在不同组织、细胞及不同细胞器中的分布差异很大，而锰的检测又很不方便，目前也缺乏特异性的探针进行精细的细胞器定位，或者缺乏螯合剂进行功能检测。因此，在锰调节免疫功能的机制研究方面几乎是一片空白。近年来在科研人员逐步建立的模式识别受体的知识体系的基础上，尤其是发现了识别胞内DNA的cGAS-STING通路，锰离子调控天然免疫的研究成为可能。

3. 研究本科学问题过程中的创新点

我国科研人员研究发现病毒感染引发宿主细胞的线粒体、高尔基体中的锰离子向细胞质及细胞外释放，细胞质中的锰离子可强烈激活cGAS-STING通路，使得cGAS对DNA的敏感性增强上万倍，并大大增强合成环化GMP-AMP（cGAMP）能力；并且，释放到胞外的锰离子通过循环系统，被远端的巨噬细胞、树突状细胞及淋巴细胞摄取，促进并激活这些细胞的免疫反应。体内实验表明，锰缺乏的小鼠对病毒的抵抗能力显著降低。

科研人员进一步研究发现，Mn2+可不依赖于DNA直接激活cGAS，而且Mn2+激活的cGAS酶活反应效率更高。并且，锰在肿瘤免疫治疗中也发挥重要作用，Mn2+和免疫检查点程序性死亡受体1（PD-1）抗体联合使用的“锰免疗法”可显著增强机体清除肿瘤的治疗效果。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患者中具有临床安全性。更重要的是，类似的Mn2+激活cGAS-STING以促进抗肿瘤疗效的方法已被国内外十余个实验室证实。在基础创新之外，科研人员进一步转化落地发明了既是免疫激活剂，又是递送系统的纳米锰佐剂（MnJ），实现了既能激活体液免疫，又能激活细胞免疫和黏膜免疫的多重功能。

4. 研究本科学问题的意义

这些研究为理解锰元素的生理学功能打开一个新的窗口，锰元素既是病原体感染的警报素，又是天然免疫的激活剂，因此在机体抗感染及抗肿瘤的过程中发挥至关重要的作用。从更广泛的角度而言，细胞中可能存在镁和锰两种相似但不相同的催化“路径”，镁或锰离子对于一些酶会产生截然不同的酶促动力学特性，包括（但不限于）不同底物的亲和力、偏好性、催化效率甚至是产生不同的反应产物。例如，在识别双链DNA时，含镁离子的cGAS表现为低亲和力、低环化二核苷酸合成能力，有助于机体对自身DNA的免疫耐受；而在感染发生时，增多的锰离子使得cGAS酶的催化核心发生镁锰转换，含锰离子cGAS的底物亲和力增加千倍以上并有更高的产物催化效率。此外，锰具有较为集中的亚细胞分布，95%以上的锰以不溶于水的锰盐形式贮存于细胞器中，游离在细胞质或体液中的锰离子浓度非常低。这种特性使得锰具备成为免疫系统“传令兵”的潜质。病原体感染促使锰离子的解离和释放，有助于整个机体进入抗感染免疫状态。此外，感染导致细胞死亡所释放出的锰元素更是一种危险信号，意味着机体局部早期免疫防御的失败。近期在抗细菌天然免疫研究中，科研人员也证实锰离子的确发挥了类似重要作用，主要通过帮助宿主细胞的STING识别对细菌非常重要的一类第二信使环化二核苷酸，激活抗细菌感染的免疫反应。因此，作为更深层次的免疫防御机制，锰离子引发的免疫应答可能是一个古老而被普遍使用的抗感染机制。

锰元素激活天然免疫的发现还具有重要的转化应用价值。我国科研人员研发的锰佐剂是铝佐剂使用96年后第二个以金属元素为基础的佐剂，并且锰佐剂激活细胞免疫的能力远超铝佐剂。锰元素作为一种生物必需的微量元素，在机体内的平衡受到严格的调控以保证其良好的生物安全性。锰佐剂具有高效性（尤其活化细胞免疫）、稳定性，以及保存、使用方便等优点，可用于抗体制备、疫苗研发和肿瘤治疗，具有巨大的应用潜力，有助于解决我国在免疫佐剂方面的“卡脖子”难题。目前国内几十个实验室和抗体/疫苗生产厂家已经证实锰佐剂的优异性，并报道了十余种基于锰离子的具有免疫佐剂功能的纳米材料。鉴于“锰免疗法”不仅显著提高肿瘤免疫治疗效果，还减少药物（如化疗、免疫检查点抑制剂）的使用量，显著降低肿瘤免疫治疗的成本，有望极大降低国家和患者的负担，惠及国计民生。

参考文献

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.

案例点评

锰是生命体必需的一种微量元素，主要以二价态锰离子（Mn2+）的形式存在于人体所有细胞中。锰离子作为多种重要生物酶的催化核心组分，在生命活动中的重要作用已广为人知，但是其免疫功能从未被认识。2018年，国内学者首次发现细胞内的Mn2+促进cGAS-STING的活化进而抵抗DNA病毒的重要免疫功能，锰离子在传送激活天然免疫的信号中起着重要作用。

2020年，约翰斯·霍普金斯大学医学院Sohn实验室证实上述结果并进一步发现细胞内cGAS利用Mn2+进行cGAMP合成；Mn2+也可不依赖DNA直接激活cGAS。同年，国内学者合作研究证明Mn2+是细胞内的第二种cGAS激动剂，Mn2+与cGAS结合后导致cGAS蛋白发生独特构象变化，合成cGAMP的效率更高。2020年，国内学者合作研究发现Mn2+在肿瘤免疫监视中的重要作用；Mn2+和PD-1抗体联合使用的“锰免疗法”显著增强PD-1抗体的肿瘤治疗效果；I期临床试验显示“锰免疗法”的临床安全性和有效性。2021年，国内学者进一步揭示在抗细菌天然免疫中，锰离子通过促进对细菌的环化二核苷酸的识别从而活化STING的重要作用；同年，国内学者研发了一种既是免疫激活剂，又是递送系统的纳米锰佐剂。锰佐剂在体内外都表现出优异的免疫佐剂功能，尤其是增强细胞免疫的效果。同年，又发现在病毒感染后期，Mn2+可促进cGAMP诱导STING蛋白形成相分离。

上述研究成果在锰离子生理学功能的理论研究上，开拓了免疫调节的新方向；在应用方面为抗感染、抗肿瘤提供了新的途径。作为高效的cGAS-STING激动剂，锰离子可以极大地增强机体的抗肿瘤免疫功能，与当前主流癌症治疗方法联用，有助于提高治疗效果，降低肿瘤治疗特别是肿瘤免疫治疗的成本，有极其良好的开发前景。此外，相较于目前广泛应用的免疫佐剂，锰佐剂不仅具备优秀的佐剂效果，其作为生物必需的微量元素与无法被人体吸收和代谢的元素如铝相比，有更高的生物安全性和相容性。

锰离子作为cGAS-STING通路的活化剂显著促进CD8+T细胞活化并增强肿瘤治疗效果，以及与免疫检查点抑制剂联用所获得的效益已被国内外众多实验室的研究验证。迄今已有十几种以锰离子为基础的具有良好佐剂功能的纳米材料进入开发阶段的报道。未来锰离子（及其制剂）在动物及人类抗感染、抗肿瘤中的应用值得期待。