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肠道菌群助力肿瘤免疫治疗:共生双歧杆菌提高抗肿瘤免疫力,促进抗PD-L1肿瘤免疫疗法的效果

2018-01-10  明醫


导读

癌症的传统治疗方式,包括手术、放疗、化疗、靶向治疗,均具有不同的局限性。手术对于肿瘤未转移患者来说是首选的治疗方式,能直接将肉眼所见的肿瘤组织切除,但对于转移性患者手术治疗无能为力。放化疗能大面积多点杀伤肿瘤细胞,但同时亦可伤及正常组织细胞,产生程度不同的不良反应。靶向药物治疗效果明显,见效快,但肿瘤细胞很快就产生耐药。因此,传统的治疗方式不但面临各种副作用,同时也无法防止肿瘤复发。而肿瘤免疫治疗则不同,它是通过增强患者自身免疫力来治疗肿瘤,具有反应快、副作用小疗效持久的特点。肿瘤免疫治疗被认为是近几年来癌症治疗领域最成功的方法之一。


肿瘤免疫治疗主要分为两大类:

1.细胞免疫疗法。细胞免疫疗法是提取患者体内的免疫细胞,在体外进行改造,使其具备对癌细胞更有效、更精准的免疫能力,再将改造后的免疫细胞回输到患者体内。例如TCR-T、CAR-T等疗法。


2.免疫检查点抑制剂疗法。癌细胞会发送信号利用免疫细胞上的免疫检查点分子来抑制免疫细胞的活性,逃脱免疫系统的杀伤。而免疫检查点抑制剂如CTLA-4抗体和PD-1/PD-L1抗体则可抑制免疫检查点(Figure1),激发免疫系统原有的抗癌能力。免疫检查点抑制剂疗法已成为目前国际上肿瘤免疫治疗的主要研究方向。


Fig.1.抗CTLA-4和抗PD-1免疫检查点抑制剂靶向不同的肿瘤浸润T细胞以抗癌。

但是只有25%的病人对免疫检查点抑制剂疗法有应答。2015年的两篇动物实验文章表明,改变小鼠的肠道菌群能够使其对免疫检查点抑制剂疗法具有更好的应答。这个研究结果极大地鼓舞了研究者,但也有研究者对此抱有怀疑,这只是小鼠中取得的成果,需要在人体中进行研究才行。最近发表在《Science》上的两篇文章则证明,肠道菌群的确会影响免疫检查点抑制剂疗法的抗癌疗效。





Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitatesanti–PD-L1 efficacy

共生双歧杆菌提高抗肿瘤免疫力,促进抗PD-L1肿瘤免疫疗法的效果



文献ID

期刊:SCIENCE

年份:2015

影响因子:38.062

作者:ThomasF. Gajewski

发表单位:Universityof Chicago



主要内容


  1. 实体瘤的T细胞浸润与患者良好的预后相关,但个体间免疫应答的效应不同,其中的机制尚不清楚。一种可能的调节因子是肠道菌群。

  2. 研究者比较了具有不同共生菌群的小鼠的黑素瘤的生长情况,发现小鼠自发性抗肿瘤免疫力有所差异,而这些差异在共同饲养或粪菌移植后被消除。

  3. 通过16SrRNA测序鉴定出双歧杆菌与抗肿瘤效应相关。口服双歧杆菌与抗PD-L1治疗的疗效类似,二者联合治疗几乎能终止肿瘤的生长。

  4. 该效应中,树突细胞功能增强,导致CD8 T细胞功能的增强,并在肿瘤微环境中积聚。该研究表明,改变菌群可能会调节癌症免疫治疗的效果。


关键词:菌群;癌症;黑色素瘤;PD-L1抗体;免疫检查点抑制剂;双歧杆菌;树突细胞;T细胞;


研究背景

2013年Lida和Viaud等人研究发现,肠道菌群能调节机体对化疗药物的免疫应答。但是共生菌群是否影响机体的自发性抗癌免疫应答,从而影响免疫检查点抑制剂如抗–PD-1/PD-L1单克隆抗体的疗效,至今仍不清楚,这也是本文所要解答的科学问题。


主要内容


1JAXTAC小鼠的黑色素瘤生长和肿瘤特异性免疫反应有差异,且共同饲养后这种差异消失


为了回答背景中的科学问题,研究者利用遗产上相似、但来源于两个不同的动物中心(JAX和TAC)且共生菌群不同的C57BL/6小鼠,比较其B16.SIY黑色素瘤的生长情况。发现TAC小鼠中黑色素瘤的生长更迅猛(Fig.1A),且JAX小鼠中肿瘤特异性T细胞反应(Fig.1B,C)和肿瘤内CD8 T细胞的累积(Fig.1D)要显著高于TAC小鼠,这表明小鼠中黑色素瘤的生长的差异是由免疫介导的


这种免疫效力上的差异是否与共生菌群有关?在肿瘤定植之前,研究者将JAX和TAC小鼠放到同一环境中饲养,发现“cohousing”能够消除两种小鼠肿瘤生长上的差异(Fig.1E)和免疫应答的差异(Fig.1, F-H),表明:环境因素在其中发挥作用,且JAX小鼠的共生菌群可能具有促进抗癌免疫的能力。


Fig.1. Differences inmelanoma outgrowth and tumor-specific immune responses betweenC57BL/6 JAX and TAC mice are eliminated upon cohousing.


2TAC小鼠口服JAX小鼠的粪便可增强其自发性抗癌免疫,以及对αPD-L1mAb治疗的应答


为了更加直接地验证共生菌群在抗癌免疫调节中的作用,在肿瘤移植之前,研究者将TAC或JAX小鼠的粪便悬液以口服的方式填喂JAX和TAC小鼠。发现与生理盐水和TAC粪便相比,JAX粪便足以抑制TAC小鼠的肿瘤生长(Fig.2A),增强肿瘤特异性CD8 T细胞的浸润和诱导(Fig.2B,C)。而TAC粪便饲养对JAX小鼠的肿瘤生长速率和抗癌T细胞活性的改变则很小(Fig.2, A-C)。与第一个实验的结果一致:共饲养时JAX小鼠的菌群具有优势效应。


Fig.2. Oral administrationof JAX fecal material to TAC mice enhances spontaneous antitumorimmunity and response to αPD-L1 mAb therapy.


3TAC小鼠经双歧杆菌处理后,其肿瘤特异性免疫反应和对αPD-L1mAb治疗的应答都得到改善



既然口服菌群能够改善小鼠的抗癌免疫力,那么改变肠道菌群与已有的免疫治疗手段相比效果如何?研究者采用以下三种方法治疗TAC肿瘤小鼠:①JAX粪便单独治疗;②PD-L1抗体(αPD-L1)单独治疗;③JAX粪便与αPD-L1联合治疗。发现JAX粪便单独就可以显著减慢肿瘤生长并增强肿瘤特异性T细胞反应和抗原特异性T细胞在肿瘤中的浸润(Fig.2, D-F),与αPD-L1单克隆抗体(mAb)的疗效相同。联合使用JAX粪便和αPD-L1mAb的效果更好,但肿瘤微环境中活性T细胞的积累并没有加和效应(Fig.2, D-F)。表明共生菌群确实能够影响小鼠的自发抗癌免疫力以及对αPD-L1mAb免疫治疗的应答。


那么与抗癌免疫力的改善相关的细菌具体是哪种?研究者利用16SrRNA测序追踪接受了粪便治疗的小鼠的粪便菌群随着时间的变化情况。通过主坐标分析可看出,随着时间的推移,接受了JAX粪便的TAC小鼠的菌群逐渐与接受安慰剂和TAC粪便的TAC小鼠分离开来,且更接近接受了安慰剂和JAX粪便的JAX小鼠的菌群(Fig.3A);接受了TAC粪便的JAX小鼠的菌群多样性有显著改变,但其菌群改变的距离很小(Fig.3A)。


通过JAX小鼠和TAC小鼠在属水平上的比较分析,得到257个相对丰度有显著差异的taxta(Fig.3B),但只有Bifidobacterium(双歧杆菌)与抗癌T细胞反应显著正相关,其相对丰度在喂食了JAX粪便的TAC小鼠中增加了400倍以上(Fig.3C)。因此可以假设,双歧杆菌是JAX小鼠中观察到的有益抗癌免疫力的主要组分。


Fig.3. Directadministration of Bifidobacterium to TAC recipients with establishedtumors improves tumor-specific immunity and response to αPD-L1mAb therapy.


在序列水平上,双歧杆菌的操作分类单元OTU_681370与抗癌T细胞应答的相关性最强(Fig.3D)。进一步鉴定发现该OTU与B.breve,B.longum和B.adolescentis的一致性达到了99%。利用商业性的双歧杆菌混合物(包括B.breve和B.longum)治疗患癌TAC小鼠,证明双歧杆菌足以增强抗癌免疫力。经双歧杆菌治疗的小鼠的肿瘤生长得到了很好的控制(Fig.3E),外周血中肿瘤特异性T细胞的诱导增强(Fig.3F),肿瘤内抗原特异性CD8 T细胞的积累增加(Fig.3G),而且这些效应可以持续几周的时间。


进一步探究双歧杆菌发挥疗效的条件。删除CD8T细胞后该菌的疗效消失,表明双歧杆菌是通过宿主的抗癌T细胞反应发挥疗效,而不是直接起作用;灭活后的双歧杆菌也没有疗效,表明抗癌效应需要活菌;而且其它相对丰度有显著差异的taxta(如Lactobacillusmurinus)并没有抗癌疗效,表明抗癌免疫的调控有赖于特定的细菌。另外,双歧杆菌还可以抑制B16亲本肿瘤细胞和MB49膀胱癌细胞的肿瘤生长。总之,双歧杆菌是体内抗癌免疫的正向调控因子


接种双歧杆菌后,有一小部分菌种会随之发生变化(如Clostridiales和产丁酸盐菌减少,会导致调节性T细胞受到抑制),有没有可能双歧杆菌主要是通过调控其它细菌的丰度来发挥作用的?研究者观察到这些细菌的变化与JAX粪便处理后的变化并不一致,而且JAX和TAC小鼠的CD4 Foxp3 T细胞(调节性T细胞)并没有差异,因此可以判断双歧杆菌并不是主要通过调控其它细菌的丰度来发挥作用的。经检测发现双歧杆菌填喂后并没有移位到肠系膜淋巴结、脾脏或肿瘤等部位,表明所观察到的系统性免疫效应与双歧杆菌移位无关。


4JAX和双歧杆菌喂养的TAC小鼠的树突细胞中,与抗癌免疫和T细胞活化有关的基因表达增加


上述实验研究已经比较缜密地证明了双歧杆菌的抗癌作用,这背后的免疫学机制就成了摆在我们面前最大的问题。JAX小鼠和经双歧杆菌治疗的TAC小鼠的肿瘤引流淋巴结中CD8 SIY-specific 2C TCRTg T cells数量极大的扩增,且产生了大量的IFN-γ(Fig.4A)。表明T细胞上游的树突细胞(DCs)免疫反应有所改善,与此相一致的是JAX小鼠和经双歧杆菌治疗的TAC小鼠肿瘤中MHCClass IIhiDCs的比例增加(Fig.4B)。


研究TAC小鼠、JAX小鼠和经双歧杆菌治疗的TAC小鼠中早期肿瘤浸润性DCs的全基因组转录情况。JAX小鼠和经双歧杆菌治疗的TAC小鼠的DCs中760个基因的表达上调,显著富集在细胞因子—细胞因子受体相互作用、T细胞活化和单核细胞增殖的正向调控通路中(Fig.4C),其中许多基因参与CD8 T细胞的激活和共刺激(H2-m2,Cd40, Cd70, Icam1),DC成熟(Relb,Ifngr2),抗原递呈和交叉递呈(Tapbp,Rab27a, Slc11a1),趋化因子介导的免疫细胞在肿瘤微环境中的富集(Cxcl9,Cx3cl1, Cxcr4),1型干扰素信号通路(Irf1,Ifnar2, Oas2, Ifi35, Ifitm1) (Fig. 4D)。


那么TAC、JAX和双歧杆菌治疗的TAC小鼠中DCs的功能差异是否足以解释体内T细胞活化的差异?研究者从这三种幼鼠中分离DCs,检测其在体外诱导CFSE-labeledCD8 SIY-specific 2C TCR Tg Tcell增殖和IFN-γ产生的能力。发现与TAC小鼠相比,来自JAX和双歧杆菌治疗的TAC小鼠的DCs在较低的抗原浓度下就能诱导2CT细胞增殖。而且在任何抗原浓度下,JAX的DCs都能提升T细胞产生IFN-γ的水平(Fig.4E)。


总之,以上研究结果表明,共生双歧杆菌产生的信号能够稳定地调节DCs的活化,从而改善肿瘤特异性CD8 T细胞的效应功能。


Fig.4. Dendritic cellsisolated from JAX and Bifidobacterium-fed TAC mice show increasedexpression of genes associated with antitumor immunity and heightenedcapability for T cell activation.


小结


1.该研究证明了双歧杆菌以一种抗原非依赖性方式改善体内的抗癌免疫效应。


2.该研究表明造成个体间抗PD-1/PD-L1抗体抗癌疗效的差异的原因之一是肠道菌群的组成,可改变肠道菌群来改善治疗效果。


3.可进一步研究肠道菌群与其它免疫检查点抑制剂(CTLA-4)的疗效之间的关联。


4.该研究并没有完全排除其它共生细菌调节抗癌免疫效应的能力。


文献来源:

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