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        腸道菌群會成為癌癥治療領域的新突破嗎? | 普唯爾

        發稿時間:2021-01-27

        來源:新為醫藥

        人類微生物群是由寄生在人體上皮屏障的細菌和其他微生物組成的,其中大部分位于腸道內,與宿主之間形成共生的關系。機體腸道微生物的組成雖然受到年齡、飲食、生活方式等因素的影響,但在正常生理情況下是相對穩定的。近年來,腸道菌群與癌癥的關系越來越受到重視。本文將綜述腸道菌群與免疫,腸道菌群與癌癥的關聯,微生物組、它們的代謝物、T 細胞和其他免疫細胞之間的相互作用等。


        腸道菌群與免疫


        腸道菌群在免疫系統應答中起著重要作用,乍一看,這似乎有些奇怪。但是,考慮到我們絕大多數的免疫細胞(高達 70%~80%)都在腸道中活動,這就不再奇怪了。腸道作為人體巨大的“運輸樞紐”,免疫細胞直接暴露于外部世界以及具有令人難以置信的基因多樣性的腸道微生物組中。


        腸道微生物組由數以萬億計的細菌細胞組成,在幫助人體消化、合成維生素和其他營養物質的同時,它們也會排出代謝產物。流動的免疫細胞可以確保有益微生物和宿主細胞能夠耐受“入侵者”。


        盡管分子上的細節還遠未被完全了解,但是已經明確的是,擁有健康的腸道微生物組可以確保 T 細胞廣泛地啟動對抗抗原,并被激活為細胞毒性 CD8+ T 細胞,浸潤并攻擊腫瘤細胞。


        免疫檢查點抑制劑(CPI)療法的進展表明,當檢查點或制動器(brakes)脫離細胞毒性 T 細胞時,甚至轉移性腫瘤也可以縮小和控制。然而,腫瘤學家沮喪地發現,只有少數患者(通常不到 30%~40%)對 CPI 療法有應答。


        目前,研究表明,當使用 CPI 療法(例如抗 PD -1、抗 PD - L1 和抗 CTLA -4 免疫療法)時,健康、多樣的腸道微生物組可使患者產生更好的應答。因此,弄清楚是哪些微生物(或哪些代謝產物或產物),塑造了這些免疫應答,已經成為該領域研究人員之間的競爭點。


        這些“微生物管理者”希望能找到方法來觸發、改變或推動病人的菌群,以激活對抗腫瘤的 T 細胞,從而將更多的病人轉化為 CPI 應答者。


        “越來越多的文獻開始關注腸道菌群在校準系統免疫應答中的作用?!?明尼阿波里斯市明尼蘇達大學微生物治療項目主任 Alexander Khoruts 說。他是腸胃病學的先驅者之一,他首先使用了糞菌移植(FMT)來治療復發性艱難梭菌感染的患者。


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        發現腸道和癌癥的關聯


        2013 年,在法國維勒瑞夫的古斯塔夫·魯西癌癥園區的 Laurence Zitvogel 和她的研究小組得出結論,腸道菌群喪失或缺失的小鼠對化療的免疫響應比菌群完整無缺的小鼠弱。


        這是一個如此新穎的想法,以至于立刻引起了懷疑。馬薩諸塞州劍橋市 Vedanta Biosciences 公司首席執行官 Bernat Olle 回憶起當時的想法:“嗯,我不知道我是否相信?!?他說,癌癥被認為是基因組和突變不斷積累的疾病?!暗?,我們現在知道癌癥也是一種涉及無效免疫應答的疾病?!?/p>


        Zitvogel 小組在 2015 年的工作說服了 Bernat Olle,并正式開啟了這一領域的研究。當他們用 ipilimumab 藥物治療小鼠的腫瘤時,他們發現 CPI 可以控制具有正常腸道菌群的無病原體小鼠的腫瘤,但是沒有腸道菌群的無菌小鼠的腫瘤卻無法被控制。關鍵的一點是,將有益菌種移植回這些老鼠體內,可以恢復 CPI 的抗癌活性。


        Vedanta 公司的科學共同創始人 Kenya Honda 是日本埼玉縣 RIKEN 綜合醫學中心的負責人,他發現 CD8+ 細胞毒性 T 細胞的誘導發生在腸道中,并且取決于微生物組的存在。


        “很明顯,我對 Zitvogel 的創新發現的第一反應是錯誤的?!?Bernat Olle 說。他回憶道,僅僅 10 年前,我們還認為免疫系統的功能就是區分自我與非自我之間的差異。但是 Bernat Olle 現在認為,它的作用應該是更廣泛的——它進行分類,對攻擊誰和容忍誰做出快速決定。


        “也許免疫系統更像是人體中的園丁,決定哪些雜草必須被拔掉并扔掉,哪些雜草可以留在草坪上?!?/p>


        在 Zitvogel 組的創新性發現之后,有許多研究表明,接受廣泛抗生素治療(被認為可以減少腸道微生物)的患者對 CPIs 反應不佳,對疫苗的適應性免疫應答更差。


        微生物組影響 T 細胞,進而影響癌癥免疫治療的潛在機制之一,是通過大量腸道代謝物來充當免疫調節信號?!癟 細胞可以從腸道中的細菌那里得到馴化,然后每天多次循環到身體的其他部位,” Bernat Olle 說,“腸道內發生的事情會影響整個免疫系統?!?/p>


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        微生物組和T細胞之間的黑匣子


        微生物組、它們的代謝物、T 細胞和其他免疫細胞之間的相互作用究竟是如何精確地展開的,這在很大程度上仍然是個謎。


        “某些細菌的存在會影響活化的細胞毒性 CD8+ 細胞的平衡?!眮喞D侵莞ダ袼顾蜣D化基因組學研究所的微生物基因組科學家 Sarah Highlander 說。


        但研究人員仍然需要確定哪些有益細菌必須存在,以及它們如何在分子水平上激活 T 細胞。Highlander 和她的合作者 Sumanta Pal(加利福尼亞州杜阿爾特市希望之城癌癥中心的醫學腫瘤學家),已經對接受抗 PD-1 CPI 治療的患者的微生物組進行了縱向跟蹤。


        他們發現,與無響應者相比,對 CPI 做出響應的轉移性腎細胞癌患者其微生物多樣性更加高,尤其是 Akkermansia muciniphila 的豐度增加7。


        在 Sumanta Pal 看來,腸道上皮細胞會通過分泌炎癥細胞因子來對某些鄰近的微生物做出應答,從而影響 T 細胞的活化。這與 Bernat Olle 的猜想一致。Vedanta 公司已經證明,共生細菌混合物必須是活的,因為這樣才能正常產生代謝產物和信號,從而起效。


        但是在這個過程中有許多步驟的機制尚不清楚:微生物是直接還是間接地向 T 細胞發送信號?微生物組還會影響其他哪些類型的 T 細胞(輔助 T 細胞或 T 調節細胞)?一旦 T 細胞在腸道中被完全激活,它們是如何找到進入并浸潤腫瘤的途徑呢?


        Khoruts 解釋說,微生物產生的 T 細胞群和被激活的 T 細胞群之間存在幾個黑匣子的原因之一是,從患者體內提取 T 細胞群并對其進行研究是極其困難的。


        另一批研究人員進一步推進了該理論,他們認為在腸道中發現的大量微生物產物中,有些可能模仿腫瘤抗原,并更直接地產生靶向腫瘤的 T 細胞群。


        “我們相信腸道是 T 細胞的儲存庫,它可以識別模仿腫瘤抗原的細菌抗原?!狈▏屠?Enterome 公司的首席科學官 Christophe Bonny 說。

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        △如圖,當腸道上皮細胞對某些微生物(VE800,如圖所示)產生趨化因子或細胞因子信號來招募 T 細胞時,T 細胞就會被激活,很可能是被腸道中的抗原呈遞樹突狀細胞所激活。當有足夠的陽性免疫信號發生時,T 細胞就會完全激活 CD8+ 細胞毒性 T 細胞,增殖,并尋找之前隱藏的或在肆虐的腫瘤細胞,用干擾素和顆粒酶等分子毒害它們。



        基于微生物組的藥物


        現在,這場競賽正在積極開發和試驗基于微生物的方法,旨在將癌癥患者轉化為 CPI 響應者。


        “這就是殺手锏,” Highlander 說,“以藥丸形式添加混合細菌,把患者變成良好的 CPI 響應者?!彼A測,可能會有很多成功的產品實現這一目標?!拔覀儚娜祟愇⑸锝M項目中了解到,人們可以擁有非常不同的微生物群落組成,但它們在功能上是相同的?!?/p>


        她參與了 CBM588 與 CPI 的聯合治療的試驗,其中 CBM588 是一種丁酸梭狀芽孢桿菌的結晶形式。這種細菌產生丁酸鹽(一種短鏈脂肪酸),被認為可以促進某些雙歧桿菌(響應者菌群中發現的一種)的生長。


        Vedanta 公司根據 Honda 的研究成果開發了一種純化的、冷凍干燥的 11 種細菌的混合物 VE800。它可以激活產生干擾素-γ 的細胞毒性 T 細胞3。


        目前該公司正在晚期大腸癌、胃癌和黑色素瘤患者中進行該藥物與 CPI nivolumab 聯用的試驗。在試驗過程中,Vedanta 公司計劃對患者的糞便樣本進行測序,以查看 VE800 菌株是否在腸道內定殖,并確定定殖的程度如何。


        位于馬薩諸塞州劍橋市的 Seres Therapeutics 公司正在試驗另一種細菌聯合候選藥物,SER-401,在轉移性黑色素瘤患者中與 nivolumab 聯合使用。SER-401 包含從健康供體糞便中分離純化得到的菌株,患者將從 CPI 療程開始前每天服用,持續 8 周以上。


        該藥物的設計基于與德克薩斯州休斯頓 MD 安德森癌癥中心的 Jennifer Wargo 合作研究,該研究揭示了與 CPI 響應相關的菌株的關鍵特征,包括來自 Ruminococcaceae 科的細菌8,Seres Therapeutics 公司的執行副總裁和首席信息官 Matthew Henn 說。


        Khoruts 和微生物菌群療法計劃(Microbiota Therapeutics Program)正在試驗一種名為 MTP101 的“藥丸中的 FMT”配方,并與 CPI durvalumab 聯合使用,以治療非小細胞肺癌。與 Vedanta 和 Seres 公司的候選藥物相比,MTP101 是由健康的供體糞便中純化和凍干的整個微生物組組成。


        Khoruts 表示,像他的試驗,使用類似 FMT 的全微生物組藥丸之類的試驗,應該與其他縮小到少數菌株的方法同時進行?!拔覀兛梢韵嗷W習,也可以從彼此的數據中學習?!盞horuts 說。


        科羅拉多大學奧舒拉分校安舒茲醫學院的醫學腫瘤學家 Ryan Weight 說,膠囊化細菌混合物是否真的會在癌癥患者的腸道內定殖是一個懸而未決的問題。對于其他類型的患者也是如此,尚未證明“藥丸中的 FMT”產品能定殖于人的腸道,并且 FMT 如何隨時間改變艱難梭菌感染患者的腸道菌群尚有待商榷 。


        “所有這些都屬于醫生尚未使用的一類療法?!?Khoruts 說。他還補充道,評估這些藥物的配方、劑量、體內路徑和藥效學是一個全新的藥理學領域。


        Khoruts 指出,這些方法與使用 FMT 治療艱難梭菌感染也有很大不同,因為艱難酸菌感染的患者的天然微生物菌群已被大量的抗生素幾乎清除掉了。這就好比一塊田地被除草劑和化肥摧毀了,卻還指望它能長出健康的莊稼。而癌癥患者通常仍然擁有自己完整的土著微生物組,因此,更像是試圖用一些有益物種來管理已經建立的草原。


        Weight 說,同樣有可能的是不同類型的腫瘤可能需要不同種類的腸道細菌來激活 T 細胞抵抗那些特定的腫瘤?!暗?2040 年,我們可能會擁有一個針對結腸癌的益生菌雞尾酒?!?/p>


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        挖掘微生物組中的抗原


        根據腫瘤抗原模擬物的想法,Enterome 采取了一種完全不同的方法。最近,該公司及其合作者發表了通過對 8,000 多人腸道微生物組進行測序而得到的 2000 萬個基因,這來自于 4,600 多種微生物9。


        Bonny 說:“微生物組的魅力在于,深入研究這個擁有 2000 萬個基因產物的庫就像走進亞馬遜叢林,在豐富的生物中尋找藥物一樣?!?/p>


        為了篩選出 2,000 萬種細菌產物中哪些可能對 CPI 響應者的免疫應答負責,Enterome 在數據集上運行了幾次生物信息學過濾器,得到了一個包含 20000 種蛋白質的“短列表”。這是細菌可能會分泌的類似細胞因子、趨化因子或激素的小分子,它們可能會與人類細胞受體相互作用。


        接下來,Enterome 將會在這些細菌肽中搜尋以尋找類似于特定腫瘤抗原的分子,例如由膠質母細胞瘤腫瘤唯一表達的 IL-13Rα2。目前,Enterome 鑒定出了三種細菌抗原,并將其放入其疫苗產品 EO2401 中,以期喚醒識別這些抗原的 T 細胞。


        在臨床試驗中,膠質母細胞瘤患者在 CPI 治療的最初幾個月中,每三周進行一次疫苗接種?!叭绻覀冋_的話,我們可以靶向已經見過這些微生物抗原的記憶 T 細胞群,” Bonny 說,“因此,我們預計它會很快就能找到?!?/p>


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        潛在陷阱中許下承諾


        Weight 說,過去五年在該領域的工作已經表明,腫瘤學家“需要關注這種復雜的相互作用是如何在患者治療中發揮作用的”。


        在他的實踐中,這意味著建議患者在開始 CPI 治療之前的 6~8 周內盡可能不服用抗生素,更令人驚訝的是,Weight 還建議他的患者在此階段不要服用非處方益生菌。據 Weight 說,沒有證據表明益生菌會提高 CPI 治療的功效。事實上,這些高度精選的菌株可能會破壞患者起到保護作用的天然微生物組。


        Sumanta Pal 還警告說,研究人員需要更好地了解微生物組如何影響免疫療法。他說:“在我們向患者提供強化 Akk 菌的產品之前,我們需要確定 Akk 菌真的是關鍵因素?!?/p>


        在這個令人難以置信的復雜空間中,研究人員還有許多問題需要回答。


        Khoruts 說:“免疫腫瘤學是癌癥研究中的巨大突破,”他提到前總統 Jimmy Carter 因 CPI 治療而活著。他指出,微生物組腫瘤學領域處于非常早期的階段,有許多不同的想法可以追尋,候選者需要通過試驗驗證。


        他說:“即使在最佳情況下,也只有 40%的患者對 CPI 有所響應。作為一個領域,我們還有很大的提升空間?!?/p>



        參考資料:https://mp.weixin.qq.com/s/DczAHEr_hsi5KBbhg1EvbQ