【文献详解】肠道微生物组学助力抗癌新药发现的经典范文

肠道微生物群在人类健康中起着至关重要的作用。最近对小鼠和人类患者的研究表明,肠道微生物组通过形成宿主免疫来调节化疗和免疫治疗中的抗肿瘤功效。肠道微生物群可以通过调节树突状细胞和 CD4+ T 细胞增强癌症免疫监视和促进治疗效果。然而,肠道微生物群如何调节远端抗肿瘤免疫以及肠道微生物菌群是否可以调节负责肿瘤浸润的 CD8+ T 细胞反应仍不完全清楚

这篇发表在Cell子刊Cell Metabolism(IF=21.567)的文章中,作者的研究发现,肠道微生物代谢物丁酸盐可以通过依赖于ID2 的 IL-12 信号(ID2-dependent IL-12 signaling)传导,直接调节抗肿瘤 CD8+ T 细胞反应并提高化疗疗效。表明肠道微生物代谢物的调控作为治疗癌症的策略是有效的。

接下来就跟小编一探这篇21分+文章的究竟吧!

文章亮点

1. 肠道微生物代谢产物通过调节CD8 + T细胞依赖性提高化疗功效;

2. 短链脂肪酸(SCFA) 丁酸盐通过 ID2 直接增强抗肿瘤 CD8+ T 细胞反应;

3. ID2通过IL-12信号调节CD8+T细胞的功能;

4. 丁酸盐补充剂可提高抗肿瘤治疗效果。

结果解析

1. 肠道微生物代谢物通过 CD8+ T 细胞依赖性抗肿瘤免疫反应促进化疗疗效

由于 CD8+ T 细胞在抗肿瘤免疫中起关键作用,作者检验了 CD8+ T 细胞并发现奥沙利铂治疗导致 CD8+ T 细胞在 TME 中大量积累,并增强了来自引流淋巴结 (dLN) 的 CD8+ T 细胞产生的 IFN-γ。口服antibiotic cocktail(ABX)治疗几乎完全抑制了这种情况(图1C,1D,S1E和S1F)。

图1

此外还观察到IFN-g 呈代谢物剂量依赖性增加(图 1F),表明肠道微生物代谢物处理确实可以通过直接调节 CD8+T 细胞来诱导 IFN-g 的产生。

图1

结论:体外实验的数据表明肠道微生物代谢物可以调节 CD8+ T 细胞的抗肿瘤反应并促进化疗的疗效。

2. 短链脂肪酸丁酸盐促进抗肿瘤免疫反应

与 ABX 未处理组相比,检测到的代谢物减少了约有四分之三(图 2A)。减少的代谢物参与了对宿主生理学至关重要的许多代谢途径,并且许多还存在于肠道微生物代谢物中。这些代谢物在 ABX 处理的小鼠中起到了抗肿瘤作用(图 2B-2D)。

图2

为了证明丁酸盐在抗癌治疗中的作用,作者还在采用了ABX治疗的小鼠模型的饮用水中加入了丁酸盐,然后进行了肿瘤植入和奥沙利铂治疗(图 2F)。

图2

实验表明,在饲养大鼠模型的饮用水中预防性口服丁酸盐可改善了癌症进展(图 2G)并有助于 CD8+ T 细胞的反应(图 2H、2I、S2C 和 S2D)。

图2

结论:体内实验的数据表明丁酸盐可调节抗肿瘤 CD8+ T 细胞反应,并且可能有益于化疗。

3.丁酸盐治疗直接促进体外和体内 CD8+ T 细胞的抗肿瘤反应

为了进一步证实丁酸盐对 CD8+ T 细胞的直接影响,在体外实验中加入或者不加入过夜低剂量 (1 mM)丁酸盐进行处理。低剂量丁酸盐过夜处理促进了 CD8+ T 细胞中 IFN-g 和颗粒酶 B 的产生(图 3A 和 S3C)。此外,短期丁酸盐处理显着提高了抗原特异性 CD8+ T 细胞的细胞毒能力(图 3B)。

图3

结论:数据表明丁酸盐治疗可以直接调节 CD8+ T 细胞功能并促进抗肿瘤免疫。

4.丁酸盐对肿瘤浸润CD8+T细胞的促进作用需要ID2

作者在找到丁酸盐调节CD8+T细胞的表型后,用RNA测序寻找机制,筛选到了ID2。与初始、激活或记忆 CD8+ T 细胞相比,肿瘤浸润 CD8+ T 细胞中的 ID2 表达要高得多(图 4C 和 4D)。加上丁酸盐增加了 ID2 表达并抑制了 E2A 表达(图 4A 和 4B),这些数据使我们假设 ID2 可能在 CD8+ T 细胞免疫中发挥重要作用,尤其是在 TME 中。

图4

因此作者进一步进行了机制探究:敲除ID2后,再次进行了RNA测序分析。

与之前的结果(图 3B 和 3C)一致,丁酸盐显着增强了 WT CD8+ T 细胞反应,但在ID2 缺陷组中失败(图 4E 和 4F)。丁酸盐过夜处理不会增加 ID2 KO CD8+ T 细胞的凋亡(图 S4A)。

图4

结论:反向敲除实验证明了 ID2 在 CD8+ T 细胞的肿瘤浸润和功能中至关重要,丁酸盐的抗肿瘤功效依赖于 ID2 在 CD8+ T 细胞中的表达。

5.ID2通过IL-12信号调节CD8+T细胞的功能

作者为了进一步了解 ID2 如何在抗肿瘤反应中控制 CD8+ T 细胞,对来自荷瘤小鼠的 WT 和 ID2 KO CD8+ T 细胞进行了分类以进行 RNA测序分析(图 5A;表 S4)。结果显示ID2 KO CD8+ T 细胞中的许多下调基因与丁酸盐处理诱导的基因相同(图 5C)。

图5

结论:数据表明丁酸盐和 ID2 通过改变 IL-12 信号传导促进了 CD8+ T 细胞的抗肿瘤免疫。

6.丁酸盐补充剂可提高抗肿瘤治疗效果

采用ABX处理的小鼠在接种肿瘤后腹腔注射丁酸盐(图 6A),显着提高了丁酸盐水平(图 S7A)。

图6

根据文献,Tanaka 等人为了测试自发性肿瘤中的丁酸盐效应,使用了含有氧化偶氮甲烷 (AOM) 和葡聚糖硫酸钠 (DSS) 的结肠炎相关结直肠癌 (CAC) 小鼠模型(图 6C)。

图6

结论:数据证明,丁酸盐和化学或免疫药物的联合治疗显示出增强的肿瘤抑制作用,表明了补充肠道微生物代谢物对未来癌症治疗可能存在影响。

7.丁酸盐量与奥沙利铂在人类癌症患者中的疗效相关

临床实验从一共21名患者(7名男性和3名女性应答者;8名男性和3名女性无应答者)中收集外周血,验证了对奥沙利铂有反应的肿瘤患者,比无反应的肿瘤患者的血清丁酸盐含量更高(图 7A)。

图7

文章思路总结

这个实验的思路非常清晰明了,首先作者发现肠道微生物代谢物,尤其是丁酸盐,可以通过调节肿瘤微环境中的 CD8+T 细胞功能来提高奥沙利铂的疗效。接着作者验证了丁酸盐治疗通过促进 IL-12 信号通路以 ID2 依赖性方式,直接增强体外和体内的抗肿瘤细胞毒性 CD8+ T 细胞反应。然后作者通过RNA测序寻找机制,筛选到了ID2,并且做了敲除实验进行验证。此外,丁酸盐补充剂可提高抗肿瘤治疗效果。

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