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肠道菌群会成为癌症治疗领域的新突破吗? | 普唯尔

发稿时间:2021-01-27

来源:新为医药

人类微生物群是由寄生在人体上皮屏障的细菌和其他微生物组成的,其中大部分位于肠道内,与宿主之间形成共生的关系。机体肠道微生物的组成虽然受到年龄、饮食、生活方式等因素的影响,但在正常生理情况下是相对稳定的。近年来,肠道菌群与癌症的关系越来越受到重视。本文将综述肠道菌群与免疫,肠道菌群与癌症的关联,微生物组、它们的代谢物、T 细胞和其他免疫细胞之间的相互作用等。


肠道菌群与免疫


肠道菌群在免疫系统应答中起着重要作用,乍一看,这似乎有些奇怪。但是,考虑到我们绝大多数的免疫细胞(高达 70%~80%)都在肠道中活动,这就不再奇怪了。肠道作为人体巨大的“运输枢纽”,免疫细胞直接暴露于外部世界以及具有令人难以置信的基因多样性的肠道微生物组中。


肠道微生物组由数以万亿计的细菌细胞组成,在帮助人体消化、合成维生素和其他营养物质的同时,它们也会排出代谢产物。流动的免疫细胞可以确保有益微生物和宿主细胞能够耐受“入侵者”。


尽管分子上的细节还远未被完全了解,但是已经明确的是,拥有健康的肠道微生物组可以确保 T 细胞广泛地启动对抗抗原,并被激活为细胞毒性 CD8+ T 细胞,浸润并攻击肿瘤细胞。


免疫检查点抑制剂(CPI)疗法的进展表明,当检查点或制动器(brakes)脱离细胞毒性 T 细胞时,甚至转移性肿瘤也可以缩小和控制。然而,肿瘤学家沮丧地发现,只有少数患者(通常不到 30%~40%)对 CPI 疗法有应答。


目前,研究表明,当使用 CPI 疗法(例如抗 PD -1、抗 PD - L1 和抗 CTLA -4 免疫疗法)时,健康、多样的肠道微生物组可使患者产生更好的应答。因此,弄清楚是哪些微生物(或哪些代谢产物或产物),塑造了这些免疫应答,已经成为该领域研究人员之间的竞争点。


这些“微生物管理者”希望能找到方法来触发、改变或推动病人的菌群,以激活对抗肿瘤的 T 细胞,从而将更多的病人转化为 CPI 应答者。


“越来越多的文献开始关注肠道菌群在校准系统免疫应答中的作用。” 明尼阿波里斯市明尼苏达大学微生物治疗项目主任 Alexander Khoruts 说。他是肠胃病学的先驱者之一,他首先使用了粪菌移植(FMT)来治疗复发性艰难梭菌感染的患者。


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发现肠道和癌症的关联


2013 年,在法国维勒瑞夫的古斯塔夫·鲁西癌症园区的 Laurence Zitvogel 和她的研究小组得出结论,肠道菌群丧失或缺失的小鼠对化疗的免疫响应比菌群完整无缺的小鼠弱。


这是一个如此新颖的想法,以至于立刻引起了怀疑。马萨诸塞州剑桥市 Vedanta Biosciences 公司首席执行官 Bernat Olle 回忆起当时的想法:“嗯,我不知道我是否相信。” 他说,癌症被认为是基因组和突变不断积累的疾病。“但是,我们现在知道癌症也是一种涉及无效免疫应答的疾病。”


Zitvogel 小组在 2015 年的工作说服了 Bernat Olle,并正式开启了这一领域的研究。当他们用 ipilimumab 药物治疗小鼠的肿瘤时,他们发现 CPI 可以控制具有正常肠道菌群的无病原体小鼠的肿瘤,但是没有肠道菌群的无菌小鼠的肿瘤却无法被控制。关键的一点是,将有益菌种移植回这些老鼠体内,可以恢复 CPI 的抗癌活性。


Vedanta 公司的科学共同创始人 Kenya Honda 是日本埼玉县 RIKEN 综合医学中心的负责人,他发现 CD8+ 细胞毒性 T 细胞的诱导发生在肠道中,并且取决于微生物组的存在。


“很明显,我对 Zitvogel 的创新发现的第一反应是错误的。” Bernat Olle 说。他回忆道,仅仅 10 年前,我们还认为免疫系统的功能就是区分自我与非自我之间的差异。但是 Bernat Olle 现在认为,它的作用应该是更广泛的——它进行分类,对攻击谁和容忍谁做出快速决定。


“也许免疫系统更像是人体中的园丁,决定哪些杂草必须被拔掉并扔掉,哪些杂草可以留在草坪上。”


在 Zitvogel 组的创新性发现之后,有许多研究表明,接受广泛抗生素治疗(被认为可以减少肠道微生物)的患者对 CPIs 反应不佳,对疫苗的适应性免疫应答更差。


微生物组影响 T 细胞,进而影响癌症免疫治疗的潜在机制之一,是通过大量肠道代谢物来充当免疫调节信号。“T 细胞可以从肠道中的细菌那里得到驯化,然后每天多次循环到身体的其他部位,” Bernat Olle 说,“肠道内发生的事情会影响整个免疫系统。”


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微生物组和T细胞之间的黑匣子


微生物组、它们的代谢物、T 细胞和其他免疫细胞之间的相互作用究竟是如何精确地展开的,这在很大程度上仍然是个谜。


“某些细菌的存在会影响活化的细胞毒性 CD8+ 细胞的平衡。”亚利桑那州弗拉格斯塔夫转化基因组学研究所的微生物基因组科学家 Sarah Highlander 说。


但研究人员仍然需要确定哪些有益细菌必须存在,以及它们如何在分子水平上激活 T 细胞。Highlander 和她的合作者 Sumanta Pal(加利福尼亚州杜阿尔特市希望之城癌症中心的医学肿瘤学家),已经对接受抗 PD-1 CPI 治疗的患者的微生物组进行了纵向跟踪。


他们发现,与无响应者相比,对 CPI 做出响应的转移性肾细胞癌患者其微生物多样性更加高,尤其是 Akkermansia muciniphila 的丰度增加7。


在 Sumanta Pal 看来,肠道上皮细胞会通过分泌炎症细胞因子来对某些邻近的微生物做出应答,从而影响 T 细胞的活化。这与 Bernat Olle 的猜想一致。Vedanta 公司已经证明,共生细菌混合物必须是活的,因为这样才能正常产生代谢产物和信号,从而起效。


但是在这个过程中有许多步骤的机制尚不清楚:微生物是直接还是间接地向 T 细胞发送信号?微生物组还会影响其他哪些类型的 T 细胞(辅助 T 细胞或 T 调节细胞)?一旦 T 细胞在肠道中被完全激活,它们是如何找到进入并浸润肿瘤的途径呢?


Khoruts 解释说,微生物产生的 T 细胞群和被激活的 T 细胞群之间存在几个黑匣子的原因之一是,从患者体内提取 T 细胞群并对其进行研究是极其困难的。


另一批研究人员进一步推进了该理论,他们认为在肠道中发现的大量微生物产物中,有些可能模仿肿瘤抗原,并更直接地产生靶向肿瘤的 T 细胞群。


“我们相信肠道是 T 细胞的储存库,它可以识别模仿肿瘤抗原的细菌抗原。”法国巴黎 Enterome 公司的首席科学官 Christophe Bonny 说。

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△如图,当肠道上皮细胞对某些微生物(VE800,如图所示)产生趋化因子或细胞因子信号来招募 T 细胞时,T 细胞就会被激活,很可能是被肠道中的抗原呈递树突状细胞所激活。当有足够的阳性免疫信号发生时,T 细胞就会完全激活 CD8+ 细胞毒性 T 细胞,增殖,并寻找之前隐藏的或在肆虐的肿瘤细胞,用干扰素和颗粒酶等分子毒害它们。



基于微生物组的药物


现在,这场竞赛正在积极开发和试验基于微生物的方法,旨在将癌症患者转化为 CPI 响应者。


“这就是杀手锏,” Highlander 说,“以药丸形式添加混合细菌,把患者变成良好的 CPI 响应者。”她预测,可能会有很多成功的产品实现这一目标。“我们从人类微生物组项目中了解到,人们可以拥有非常不同的微生物群落组成,但它们在功能上是相同的。”


她参与了 CBM588 与 CPI 的联合治疗的试验,其中 CBM588 是一种丁酸梭状芽孢杆菌的结晶形式。这种细菌产生丁酸盐(一种短链脂肪酸),被认为可以促进某些双歧杆菌(响应者菌群中发现的一种)的生长。


Vedanta 公司根据 Honda 的研究成果开发了一种纯化的、冷冻干燥的 11 种细菌的混合物 VE800。它可以激活产生干扰素-γ 的细胞毒性 T 细胞3。


目前该公司正在晚期大肠癌、胃癌和黑色素瘤患者中进行该药物与 CPI nivolumab 联用的试验。在试验过程中,Vedanta 公司计划对患者的粪便样本进行测序,以查看 VE800 菌株是否在肠道内定殖,并确定定殖的程度如何。


位于马萨诸塞州剑桥市的 Seres Therapeutics 公司正在试验另一种细菌联合候选药物,SER-401,在转移性黑色素瘤患者中与 nivolumab 联合使用。SER-401 包含从健康供体粪便中分离纯化得到的菌株,患者将从 CPI 疗程开始前每天服用,持续 8 周以上。


该药物的设计基于与德克萨斯州休斯顿 MD 安德森癌症中心的 Jennifer Wargo 合作研究,该研究揭示了与 CPI 响应相关的菌株的关键特征,包括来自 Ruminococcaceae 科的细菌8,Seres Therapeutics 公司的执行副总裁和首席信息官 Matthew Henn 说。


Khoruts 和微生物菌群疗法计划(Microbiota Therapeutics Program)正在试验一种名为 MTP101 的“药丸中的 FMT”配方,并与 CPI durvalumab 联合使用,以治疗非小细胞肺癌。与 Vedanta 和 Seres 公司的候选药物相比,MTP101 是由健康的供体粪便中纯化和冻干的整个微生物组组成。


Khoruts 表示,像他的试验,使用类似 FMT 的全微生物组药丸之类的试验,应该与其他缩小到少数菌株的方法同时进行。“我们可以相互学习,也可以从彼此的数据中学习。”Khoruts 说。


科罗拉多大学奥舒拉分校安舒兹医学院的医学肿瘤学家 Ryan Weight 说,胶囊化细菌混合物是否真的会在癌症患者的肠道内定殖是一个悬而未决的问题。对于其他类型的患者也是如此,尚未证明“药丸中的 FMT”产品能定殖于人的肠道,并且 FMT 如何随时间改变艰难梭菌感染患者的肠道菌群尚有待商榷 。


“所有这些都属于医生尚未使用的一类疗法。” Khoruts 说。他还补充道,评估这些药物的配方、剂量、体内路径和药效学是一个全新的药理学领域。


Khoruts 指出,这些方法与使用 FMT 治疗艰难梭菌感染也有很大不同,因为艰难酸菌感染的患者的天然微生物菌群已被大量的抗生素几乎清除掉了。这就好比一块田地被除草剂和化肥摧毁了,却还指望它能长出健康的庄稼。而癌症患者通常仍然拥有自己完整的土著微生物组,因此,更像是试图用一些有益物种来管理已经建立的草原。


Weight 说,同样有可能的是不同类型的肿瘤可能需要不同种类的肠道细菌来激活 T 细胞抵抗那些特定的肿瘤。“到 2040 年,我们可能会拥有一个针对结肠癌的益生菌鸡尾酒。”


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挖掘微生物组中的抗原


根据肿瘤抗原模拟物的想法,Enterome 采取了一种完全不同的方法。最近,该公司及其合作者发表了通过对 8,000 多人肠道微生物组进行测序而得到的 2000 万个基因,这来自于 4,600 多种微生物9。


Bonny 说:“微生物组的魅力在于,深入研究这个拥有 2000 万个基因产物的库就像走进亚马逊丛林,在丰富的生物中寻找药物一样。”


为了筛选出 2,000 万种细菌产物中哪些可能对 CPI 响应者的免疫应答负责,Enterome 在数据集上运行了几次生物信息学过滤器,得到了一个包含 20000 种蛋白质的“短列表”。这是细菌可能会分泌的类似细胞因子、趋化因子或激素的小分子,它们可能会与人类细胞受体相互作用。


接下来,Enterome 将会在这些细菌肽中搜寻以寻找类似于特定肿瘤抗原的分子,例如由胶质母细胞瘤肿瘤唯一表达的 IL-13Rα2。目前,Enterome 鉴定出了三种细菌抗原,并将其放入其疫苗产品 EO2401 中,以期唤醒识别这些抗原的 T 细胞。


在临床试验中,胶质母细胞瘤患者在 CPI 治疗的最初几个月中,每三周进行一次疫苗接种。“如果我们正确的话,我们可以靶向已经见过这些微生物抗原的记忆 T 细胞群,” Bonny 说,“因此,我们预计它会很快就能找到。”


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潜在陷阱中许下承诺


Weight 说,过去五年在该领域的工作已经表明,肿瘤学家“需要关注这种复杂的相互作用是如何在患者治疗中发挥作用的”。


在他的实践中,这意味着建议患者在开始 CPI 治疗之前的 6~8 周内尽可能不服用抗生素,更令人惊讶的是,Weight 还建议他的患者在此阶段不要服用非处方益生菌。据 Weight 说,没有证据表明益生菌会提高 CPI 治疗的功效。事实上,这些高度精选的菌株可能会破坏患者起到保护作用的天然微生物组。


Sumanta Pal 还警告说,研究人员需要更好地了解微生物组如何影响免疫疗法。他说:“在我们向患者提供强化 Akk 菌的产品之前,我们需要确定 Akk 菌真的是关键因素。”


在这个令人难以置信的复杂空间中,研究人员还有许多问题需要回答。


Khoruts 说:“免疫肿瘤学是癌症研究中的巨大突破,”他提到前总统 Jimmy Carter 因 CPI 治疗而活着。他指出,微生物组肿瘤学领域处于非常早期的阶段,有许多不同的想法可以追寻,候选者需要通过试验验证。


他说:“即使在最佳情况下,也只有 40%的患者对 CPI 有所响应。作为一个领域,我们还有很大的提升空间。”



参考资料:https://mp.weixin.qq.com/s/DczAHEr_hsi5KBbhg1EvbQ