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调节肠道微生物提高ICIs治疗响应率的挑战

NO.2

2021-10-20 来源 : VIP说

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癌症免疫治疗已经彻底改变了当今的癌症治疗，这在很大程度上归因于免疫检查点阻断靶向的优异性能。免疫检查点抑制剂(ICIs)通过释放T细胞的“刹车”来使肿瘤免疫反应正常化。

针对仅有少数患者产生有效应答和耐药现象，“免疫疗法”和“肠道微生物”迎头相撞，为抗癌提供新思路。

最近在CurrentOpinion in Pharmacology发表的一篇“Modulationof gut microbiota to overcome resistance to immune checkpoint blockade incancer immunotherapy”的文章，更好的揭示肠道微生物群与免疫检查点抑制剂之间的相互作用，利用肠道微生物已经成为一种新的治疗策略来克服耐药。

癌症免疫疗法前所未有的崛起和成功彻底改变了多种恶性肿瘤的临床管理。

然而，尽管这类抗体对癌症治疗起到了很强的改善作用，但不可忽视的是，大部分患者未能响应ICIs。其耐药机制主要归因于癌细胞自主因素、肿瘤微环境因素以及宿主相关因素。

肿瘤细胞的内在特性决定了T细胞向肿瘤微环境(TME)的启动，宿主的特征包括如年龄、人类白细胞抗原（HLA）分型、遗传多态性、饮食和新陈代谢以及慢性感染。

免疫检查点阻断疗法与传统放化疗，肿瘤靶向治疗以及新型细胞免疫治疗的联合应用策略，在克服耐药以及拓展免疫检查点治疗临床应用等方面具有重大意义。

因此，随着耐药机制的存在，更多的调节免疫反应的治疗靶点或治疗药物有助于拓宽免疫治疗在癌症中的应用。

最近令人信服的证据表明，肠道微生物群对黑色素瘤、非小细胞肺癌（NSCLS）、尿路上皮癌（UC）和肾细胞癌（RCC）ICIs的反应或耐药性产生影响。肠道微生物群的多样性和组成决定了对ICIs的反应性。

在免疫治疗中，具有较高多样性和丰度的的患者表现出更好的敏感性和较长的无进展生存（PFS）和总生存期（OS）。通过粪便移植进一步证实了这一有利作用。

这惊人的消息启发了科学家和临床医生探索微生物是否可以作为ICIs的生物标志物和治疗干预策略。

然而，技术的多重障碍和限制阻碍了其广泛应用。在此篇文章中，在现有的基础研究和临床试验的基础上，重点研究肠道微生物的免疫调节潜力和挑战，为中药与ICIs的联合治疗提供新的见解。

肠道微生物群与ICIs的治疗的敏感性有关

2015年Science在同一期杂志上发表了两篇使用ICIs治疗黑色素瘤的文章。含有特定微生物群如拟杆菌（Bacteroides）、双歧杆菌（Bififidobacterium）等的患者接受免疫治疗疗效好，揭示了微生物群在CTLA-4和PD-L1阻断免疫刺激作用中的关键作用。这是首次讲肠道微生物群与ICIs疗效联合起来的两项研究。

2018年，Science在杂志上同时发表了三篇使用ICIs（主要是PD-1/PD-L1抗体）治疗人类恶性肿瘤的文章。三篇文章虽然涉及到到的瘤种、ICIs各有不同，但是研究结果却有类似之处。含有特定微生物群的患者接受免疫治疗的疗效好。

鉴于以上良好的获益，让人们期待肠道菌群的敏感性是否可以扩大到全世界的癌症患者。目前，肠道微生物作为ICIs反应状态的生物标志物的研究进展如下（表1）。

总的来说，肠道微生物群可能是预测免疫检查点治疗效果的生物标志物或靶点。

▼ 肠道微生物作为ICIs反应状态的生物标志物的研究进展（表1）

肠道微生物对ICIs耐药影响的临床研究

目前大量的临床试验正在进行中，已验证肠道微生物对ICIs的影响（表2）。大量临床试验的信息表明，微生物群是提高ICIs疗效的潜在靶点。

▼ 在研临床试验（表2）

肠道微生物群克服ICIs耐药的潜在机制

探索微生物群-宿主相互作用有助于预测ICIs的临床潜力。尽管尚未完全阐明其确切机制，但肠道微生物可通过以下方式恢复ICIs反应：

（1）诱导局部和全身免疫反应；

（2）通过代谢产物增强宿主的有益作用；

（3）减轻免疫相关的副作用，例如腹泻和结肠炎（图1）。

▼ （图1）

诱导局部和全身免疫反应

现有研究支持树突状细胞（DCs）是肠道菌群和ICIs的抗肿瘤免疫之间的关键协调者。DCs表达的Toll样受体（TLRs）识别肠道微生物的病原体相关分子模式（PAMPs），随后，DCs激活先天免疫反应以维持肠道稳态。

另一方面，活化的DCs可移位至肠系膜淋巴结(mLN)启动适应性免疫应答，在CTLA-4和PD-1/PD-L1治疗中，通过增加Th1和CD8+T细胞，上调IFN-γ、TNF-a和颗粒酶B，抑制肿瘤细胞。(表1)。

微生物代谢产物调节免疫系统

微生物代谢产物也参与抗肿瘤免疫的调节。SCFAs是由肠道微生物通过膳食纤维发酵而获得的，是肠道上皮细胞维持肠道完整性的主要能源。

SCFA主要是乙酸根，丙酸根和丁酸根，通过肠上皮吸收并通过G偶联蛋白受体GPR41，GPR43和GPR109A或抑制组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）传递至T细胞，以抑制肿瘤分化。

SCFA的详细功能可能取决于暴露和特定于宿主的因素。在结肠中，SCFA诱导Treg细胞或IL-10，以保护肠道完整性免受外来微生物的入侵。在循环系统中，SCFA与CD8+ T细胞直接相互作用并增强其抗肿瘤作用。

丁酸酯可以促进CD8+ T细胞从激活状态分化为效应记忆CD8 + T细胞，从而增强召回能力。SCFAs的这些积极功能作用与临床观察结果一致，总的来说，产生SCFA的微生物群对ICIs的响应是有益的。

减轻免疫相关的副作用

ICIs增强抗肿瘤免疫，同时激活自身反应性T细胞，损伤宿主组织并引起免疫相关不良事件(irAEs)。这些irAEs常累及结肠、肝、肺、垂体、甲状腺和皮肤，其中最常见的毒性是与ICIs相关的结肠炎。在临床前和临床试验中，操纵肠道微生物群可以显著和快速地改善ICIs相关性结肠炎。

微生物组研究在癌症免疫治疗中的挑战

肠道菌群，癌症和免疫系统之间的相互作用极为复杂。要弄清这种复杂性，需要采用综合研究方法（图2），包括优化的临床前模型，标准化的微生物组分析，多组学表征和网络分析。

▼ （图2）

进一步优化临床前模型

通常使用无菌(GF)和抗生素处理的动物模型来建立肠道微生物群和ICIs之间的因果关系。

但是，GF小鼠需要在专门的分离器中繁殖，以避免细菌、病毒和真菌的污染，这需要高成本、高强度的劳动护理和专业技术来促进优化研究设计，导致市场上可获得的GF小鼠品系有限。

为了便于人体免疫检查点的体内试验，建立了人源化免疫检查点敲入小鼠模型，如人源化PD-1或PD-L1敲入小鼠模型，其中包括人源化PD-1受体和PD-L1配体。

因此，需要进一步优化具有免疫学和代谢人源化功能的人类微生物群相关（HMA）动物模型，以便进行微生物组研究。

为了克服动物模型的局限性，微流控器官芯片技术可能是一种替代品，它可以像体内TME一样模拟细胞相互作用和生理过程。

为了评估PD-1抑制剂在小鼠肿瘤片段和使用活体内系统的人类肿瘤活检中的作用，开发了微流体装置，例如EVIDENT（肿瘤活检的体外免疫肿瘤动态环境），以模拟肿瘤与肿瘤之间的相互作用。

该系统能够量化肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）和肿瘤死亡，并允许单独或以多种组合评估免疫疗法的效果。这个离体平台为理清肠道菌群与不同疾病之间的复杂相互作用开辟了一条新途径，并提供了一个高通量平台来筛选和测试针对肠道的治疗药物。

精确的微生物组分析

16S rRNA测序和鸟枪法宏基因组测序技术是通过高通量平台筛选差异细菌的主流技术。宏基因组测序涵盖了完整的遗传信息，可以提供代谢功能和抗生素抗性基因概况分析。

尽管如此，样品采集，细菌裂解，DNA纯化，测序深度，生物信息学分析和统计方法都可能带来偏差。

另外，由于培养和鉴定方面的困难，肠道中的大多数微生物尚未鉴定。反过来，这也改善了栽培菌的发展，MALDI-TOF-MS和16SrRNA测序来鉴定细菌种类的培养方法。

采用多组学表征和网络分析来阐明菌群与免疫间的复杂机制

多组学整合研究为破译疾病活动基础的宿主-微生物分子相互作用开辟了一条新途径。大多数的组学技术都依赖于质谱技术的发展。

例如，MALDI-TOF-MS是一种方便，准确的鉴定微生物群的工具。流式细胞技术可用于评估ICIs诱导的肿瘤浸润淋巴细胞的变化。LC / MS或GC/ MS通常用于研究代谢物的变化。

来自微生物组、转录组、代谢组、蛋白质组和免疫组的聚合数据可以通过网络分析来显示微生物与宿主之间的机制相互作用。采用多组学方法来阐明肠道菌群与癌症免疫力之间的复杂机制是一种流行趋势。

找到提高ICIs反应敏感性的辅助干预策略

肠道微生物正在成为癌症免疫治疗的一个新的靶点或潜在的生物标志物。操纵肠道微生物群，如某些饮食或益生元，可能成为提高ICIs反应敏感性的新策略。高纤维饮食似乎会导致肠道菌群中更多的α多样性，对抗PD-1免疫治疗有更好的反应。

有研究显示，高纤维饮食的患者对抗PD-1的治疗的响应是低纤维饮食的患者的5倍。此外，补充和替代补充，如中药也越来越受到关注。相关研究也表明中药方葛根芩连汤、薯蓣皂苷、人参多糖等增强PD-1阻断剂的抗肿瘤作用，进而对抗pd-1免疫治疗产生更好的反应。

结论和未来方向

多个有力证据支持肠道菌群是癌症免疫疗法能否起效的关键决定因素。然而，从临床前研究中揭示确切的机制以及临床实际应用仍然是一个重大挑战。

例如，供体的选择和准备，给药方式，定植抵抗力和潜在的不利影响，都可能妨碍粪便移植（FMT）的实施。

因此，应采用多学科方法来验证观察结果，并提高FMT使癌症患者受益的可行性。此外，它为应用益生菌和益生元调节肠道菌群并增强癌症免疫疗法的抗肿瘤功效带来了新的机遇。

更多的治疗干预策略应集中在肠道菌群的调节上，以克服将来对癌症免疫疗法的抵抗。

参考文献

1. Huang J , Jiang Z ,Wang Y , et al. Modulation of gut microbiota to overcome resistance to immunecheckpoint blockade in cancer immunotherapy[J]. Current Opinion inPharmacology, 2020, 54:1-10.doi:10.1016/j.coph.2020.06.004 .