Science | 肠道菌群代谢物肌苷调控免疫检查点抑制剂的抗肿瘤效果
免疫检查点抑制剂（Immune checkpoint blockade， ICB）的抗肿瘤作用发挥了免疫系统的肿瘤治疗潜力。靶向CTAL-4、PD-1或PD-L1的方法已经用于治疗黑色素瘤、肾细胞癌和非小细胞肺癌。即使有患者从ICB治疗获益，但是患者对于ICB治疗敏感性存在明显异质性，许多其他类型的肿瘤对于ICB治疗具有抵抗性。因此，患者治疗抵抗的机制亟待研究。最近研究表明，肠道菌群可以影响抗肿瘤免疫反应。肠道微生物的组成可以预测ICB的治疗效果。特定微生物组成调控ICB疗效，用促ICB菌群辅助抗肿瘤免疫治疗或将有助于克服ICB治疗耐药性。尽管发现特定菌群与抗肿瘤免疫调控有关，但其中的分子机制尚不清楚。近日，来自加拿大Calgary大学的 Kathy D. McCoy团队在Science上发表了题为Microbiome-derived inosine modulates response to checkpoint inhibitor immunotherapy的文章。该研究发现肠道细菌通过产生代谢物肌苷增强免疫疗法的应答，肌苷通过作用于T细胞上的腺苷A2A受体连同共同刺激物促进ICB治疗，增强抗肿瘤免疫反应。肠道菌群可以影响结肠癌（ colorectal cancer CRC）进展以及化疗效果，但是大多数CRC对于ICB治疗反应性差。作者选用了AOM/DSS诱导的小鼠CRC模型作为研究载体。在使用同样抗体剂量的anti-CTLA-4和anti-PD-L1治疗CRC小鼠时，anti-CTLA-4效果更好，小鼠的肿瘤更小，个数更少。anti-CTLA-4促进肿瘤中免疫细胞浸润，肿瘤引流淋巴结中CD8+T细胞增多，脾脏中IFNγ+CD4+和CD8+T细胞增多。作者解释这是因为所使用的anti-PD-L1比报道的要低一些。作者利用这一模型来筛选与ICB反应性相关菌群。分析对照小鼠和ICB小鼠的粪便菌群总体组成没有明显差异。分析肿瘤相关菌群发现，在ICB肿瘤组中多样性较高。接下来作者对两组肿瘤相关菌群进行厌氧培养，总共鉴定出21种细菌，其中7种特异性来自于ICB组，4种来自对照组。Bifidobacterium pseudolongum是特异性来自于ICB组的一种细菌，属于双歧杆菌属。由于在原位腺癌模型中菌群有限，作者于是将模型切换为CRC异位移植模型，利用MC38细胞移植到无菌小鼠或者SPF级小鼠体内构建模型，待能触摸到肿瘤，进行ICB治疗。与无菌小鼠对比，SPF小鼠模型的肿瘤在anti-CTLA4治疗后更小，肿瘤内和脾脏的CD4+ 和CD8+T细胞活化和增殖增加显著。如若利用广谱抗生素去除SPF级小鼠体内菌群，ICB疗效则会降低。为了检测在小鼠肿瘤中特异性富集菌群对ICB疗效的调控作用，作者将5种不同的细菌分别在无菌小鼠中定植，再进行MC38肿瘤细胞异位移植模型加ICB治疗。其中三种菌群B. pseudolongum, Lactobacillus johnsonii (L. johnsonii) 和 Olsenella 能够增强anti-CTLA4的疗效，其他两种Colidextribacter 和 Prevotella则效果欠佳。B. pseudolongum也能够促进anti-PD-L1疗效。于是作者接下来选择B. pseudolongum来进一步探究作用机制。作者发现细菌促进免疫治疗效果依赖于ICB，仅仅菌群并不能抑制肿瘤生长。并且作者并不能在异位肿瘤中检测到B. pseudolongum，这表明存在可溶性因子参与了这一过程。在无肿瘤的情况下，B. pseudolongum可以促进肠相关淋巴样组织中Th1分化以及CD8+ T-bet+ T细胞，对肠系膜淋巴结和脾脏中的Th17和Treg无明显影响。作者检测发现B. pseudolongum与ICB结合可以显著增强脾脏Th1分化和CD4+和CD8+T细胞IFN-γ的产生。胃肠道炎症是anti-CTLA4治疗的常见不良反应，作者假设anti-CTLA4可以增加肠道屏障通透性，促进代谢物全身运转。为了验证这一假设，作者将来自于anti-CTLA4无菌小鼠和B. pseudolongum定植的anti-CTLA4小鼠的血清注入到MC38荷瘤的无菌小鼠体内，与假设一致，B. pseudolongum定植的anti-CTLA4小鼠的血清能够抑制小鼠肿瘤生长和脾脏中免疫细胞的变化。这表明血清中的可溶性因子由B. pseudolongum衍生而来，并介导了促ICB治疗效果。非靶向代谢组学分析发现B. pseudolongum定植血清组里有几种代谢物含量增加。其中嘌呤代谢物肌苷是含量最为丰富的一种。作者检测小鼠的生理肌苷水平发现上消化道中细菌产生的肌苷是小鼠体内肌苷的主要来源。已经有报道发现肌苷与肌苷2A受体（adenosine 2A receptor A2AR）结合可以抑制Th1体外分化和体内抗肿瘤免疫作用。也有部分文献称A2AR信号可以维持小鼠Th1/抗肿瘤免疫反应。基于这些报道以及本研究的实验结果，作者发现肌苷对于Th1分化的作用是受环境调节的，在外源性IFN-γ存在时，肌苷会明显促进naïve T细胞的Th1分化，否则则会抑制Th1分化。分子机制方面，作者发现inosine-A2AR-cAMP-PKA信号可以促进CREB激活，促进Th1分化。作者也用Rag1缺失的小鼠证明B. pseudolongum促进ICB疗效主要是由T细胞介导的。接下来作者利用MC38移植于无菌小鼠模型，给与口服肌苷，并给于anti-CTLA4和CpG作为共刺激物处理小鼠。作者发现如若不同时给与CpG时，肌苷反而会促进肿瘤生长，降低抗肿瘤免疫反应。作者还发现cDC的去除会显著降低细菌促进ICB疗效的现象，这表明cDC进行的抗原呈递，产生IL-12以及T细胞共刺激分子才能有效进行ICB治疗。作者接下来检测这种现象是否在其他肿瘤模型中也存在。利用Msh2LoxP / LoxPVillin-Cre小肠腺癌模型，作者发现细菌能够促进奥沙利铂/anti-PD-L1联合治疗的效果。而肌苷加共刺激物结合在其他类型的肿瘤的模型中也同样有效。在Msh2LoxP/LoxPVillin-Cre小肠腺癌模型、MB49鼠膀胱癌模型和黑色素异位肿瘤模型中，肌苷和共刺激物能促进anti-CTLA4降低肿瘤大小的作用，并增加IFN-γ+ CD4+和CD8+T细胞浸润。本研究发现了B. pseudolongum来源的肌苷在特定环境下促进Th1细胞分化，增强ICB治疗效果，并且这一过程由T细胞特异性的A2AR信号介导。这一研究也警示在抗肿瘤免疫治疗中不能简单的抑制肌苷-A2AR信号途径。关于肌苷的降解产物黄嘌呤和次黄嘌呤的作用还有必要进一步研究。https://science.sciencemag.org/content/early/2020/08/12/science.abc3421/tab-pdf
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