资讯中心

NEWS

抗肿瘤免疫治疗CTLA-4阻断剂依赖肠道菌群【菌群移植与肿瘤免疫治疗(二)】

2019-05-13

文献简介

抗肿瘤免疫治疗CTLA-4阻断剂依赖肠道菌群

Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota

期刊:Science  日期:2015年11月5日  IF:34.661

一、摘要

抗体靶向CTLA-4已成功用于肿瘤的免疫治疗。本文发现CTLA-4阻断剂的抗肿瘤效果依赖于不同的细菌。在小鼠和病人中,T细胞特定响应B. thetaiotaomicron  B. fragilis,这些菌与CTLA-4的阻断效果有关。抗生素处理和无菌小鼠的肿瘤对CTLA-4阻断无响应,但在喂食了B.fragilis之后得到改善。给小鼠移植人类菌群微生物的实验也证明,采用CTLA-4阻断剂治疗黑色素瘤患者的疗效与B. fragilis具有抗肿瘤特性的副产物有关。本研究揭示了细菌在CTLA-4阻断剂疗效中的重要作用


二、背景

Ipilimumab是一款针对CTLA-4的单克隆抗体,CTLA-4T细胞活化的主要负调节因子,于2011年被批准用于改善黑色素瘤患者(MM)的总体生存率。然而,ipilimumab对CTLA-4的阻断常常导致肠道发生与免疫相关的不良事件接受ipilimumab治疗的患者会肠道菌群产生抗体因此,鉴于之前对其他癌症治疗的发现,探讨肠道微生物在CTLA-4阻断免疫调节作用中的作用,对于肿瘤免疫检查点阻断剂的未来发展至关重要。


三、研究结果

本研究比较了CTLA-4特异性9D9抗体对特定无致病性(SPF)和无菌(GF)条件下小鼠MCA205肉瘤的相对治疗效果。肿瘤生长在SPF组中得到才控制,在GF组中未得到控制(图1 A和B此外,联合使用广谱抗生素[氨苄青霉素+粘菌素+链霉素(ACS)](图1C)以及单独使用亚胺培南但不使用粘菌素降低了CTLA-4特异性抗体的抗肿瘤作用。这些结果表明,在Ret黑色素瘤和MC38结肠癌模型中证实了CTLA-4阻断的抗癌作用需要肠道微生物群。此外,在GF或ACS处理的小鼠中,Ab对CTLA-4诱导脾脏效应细胞CD4+T细胞和肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)的激活显著降低(图1D和E)。




图1. AB分别为五次注射CTLA-4isotype对照后(箭头为注射时间)SFP组、GF组肿瘤的生长情况。C为存在ACS(左边)或单一抗生素下的肿瘤生长情况。D,E为第三次注射CTLA-4和isotype对照后2天的Ki67、ICOS、CD4+、CD8+的表达情况。


接下来,本文讨论了肠道微生物群对CTLA-4 Ab治疗引起的肠道损伤的发生率和严重程度的影响。在第一次给予CTLA-4 Ab后不久(24小时),本研究观察到回肠和结肠中肠上皮细胞(IECs)的细胞死亡和增殖增加(图2A)。CTLA-4 Ab诱导的IEC增殖在RegIIIβ缺陷小鼠中缺失。与此同时,在CTLA-4 Ab处理的小鼠远端回肠中,Il17a、Ifng、Ido1、1型ifn相关基因产物和CTLA-4的转录水平显著升高T细胞的耗竭,包括上皮内淋巴细胞(IELs)(通过诱导CD4和CD8特异性抗体),消除了CTLA-4特异性抗体诱导的IEC凋亡(图2A)。当crypt-derived三维小肠类肠细胞暴露于Toll样受体(TLR)激动剂(在本实验中充当微生物配体),并随后与用抗CTLA-4抗体处理的小鼠获得的IELs混合时,类肠细胞内的IECs发生凋亡(图2B)。因此,CTLA-4 Ab破坏了IEC-IEL的稳态平衡,有利于在微生物产物存在下IEC的凋亡死亡



图2. CTLA-4 Ab注射后IEC细胞凋亡和肠道失调情况。


为了探索这种T细胞依赖的IEC死亡是否会引起微生物群组成的扰动,本文对小鼠粪便进行16s测序。主成分分析表明,单次注射CTLA-4 Ab就足以在属水平上显著影响微生物群落(图2C)。 CTLA-4阻断导致粪便中Bacteroidales和Burkholderiales的丰度快速降低,Clostridiales相对增多(图2C)。对小肠粘膜和粪便中拟杆菌属和种的qPCR分析,显示这些菌在粪便中的相对丰度有下降的趋势,这与注射CTLa-4抗体24-48小时后小肠粘膜中一些特定种的相对富集(例如B. thetaiotaomicron (Bt)B. uniformis)形成鲜明对比(图2D)。其中最具调节性的拟杆菌属分离株之一脆弱杆菌(B. fragilis, Bf)在结肠粘膜中被PCR检测到,但CTLA-4 Ab对其表达无显著影响

接着,为了建立小肠中不同细菌与CTLA-4阻断药物抗肿瘤效果之间的因果关系,本研究对ACS处理组和GF组小鼠定植了一些与CTLA-4 Ab治疗有关的细菌以及Bf。喂食了Bt, Bf, Burkholderia cepacia(Bc),或Bc、Bf 混合物的ACS处理组恢复了CTLA-4 Ab的抗肿瘤反应,其他的菌株则没有起作用(图3A)。同样,口腔喂食Bf,定植在粘膜层GF组,诱导辅助T细胞1 (TH1) tumor-draining淋巴结中的免疫反应,促进了瘤内的成熟树突状细胞(DCs)最终恢复了GF肿瘤载体对CTLA-4 Ab的治疗反应(图3B)

本研究还分析了CTLA-4阻断期间小鼠和人类针对不同细菌的记忆T细胞反应动力学CD4+T细胞取自CTLA-4 Ab治疗小鼠的脾脏MM或非小细胞肺癌(NSCLC)患者的血液,在两次使用ipilimumab后,CD4+T细胞趋向于恢复TH1表型(图3C、D和E)。与这种T细胞响应CTLA-4 Ab抗癌活性相关的功能进一步通过过继性转移记忆Bf特异性TH1细胞到GF或ACS组的肿瘤载体中,部分恢复了免疫检查点阻剂的疗效。CTLA-4阻断诱导的菌群相关免疫刺激作用,依赖于固有层CD11b+ DC,CD11b+ DC可以加工两性离子多糖,然后加上白细胞介素-12(IL-12依赖的同源Th1,对Bf的荚膜多糖进行免疫反应。然而,在肠道耐受受损的情况下,它们似乎不是TLR2/ TLR4介导的先天信号传导的结果



图3. 记忆T细胞对Bt、Bf的反应及CTLA-4 阻断的抗癌作用。


为了回答发现的这些临床相关性,本研究分析了25例MM患者在接受ipilimumab治疗前后肠道微生物组的组成。根据粪便中的属水平进行聚类分析,可分成具有明显区别的三类(图4A),由异源菌或Prevotella驱动A和不同拟杆菌种驱动的BC类(图4B)。在ipilimumab治疗过程中,MM患者中C患者比例增加,B患者比例下降(图4B)。接着本研究在GF小鼠接种肿瘤前2周,将不同类的MM患者的肠道菌群移植到小鼠中,随后用CTLA-4 Ab进行治疗,移植了C类患者肠道菌群的小鼠,其体内肿瘤对CTLA-4阻断反应显著,而移植了B类患者肠道菌群的小鼠则没有抗癌作用(图4C)。qPCR分析显示,虽然拟杆菌目的细菌同样定植在受体小鼠的肠道中,来自C类患者的粪便特别地促进产生免疫性的Bf和Bt的定植(图4D)此外,CTLA-4 Ab治疗后,只有C受体小鼠有Bf的生长。值得注意的是,C类受体小鼠在经过CTLA-4阻断治疗后,Bf在粪便中的丰度与肿瘤大小呈负相关(图4E),因此,ipilimumab可以改变肠道中免疫原性拟杆菌的丰度,进而影响其抗癌效果。


最后,ACS组通过结合Bf和Bc的肠道菌群重构减少了CTLA-4阻断引起的结肠炎的组织病理学特征。万古霉素没有这种有效的毒性解耦作用,可以增强CTLA-4阻断剂的抗肿瘤作用,但会恶化组织病理学评分为了支持这一观点,Bf在CTLA-4阻断的情况下维持它的调节特性。


因此,CTLA-4阻断剂的有效性受微生物群组成(B.fragilisB.thetaiotaomicronBurkholderiales)的影响。微生物群的组成影响白细胞介素12 (IL-12)依赖的TH1免疫反应,这有助于控制小鼠和患者的肿瘤,同时保留肠道完整性。与以前的研究结果一致,结肠炎(在IL-10缺乏和CTLA-4阻断的情况下)甚至可以拮抗抗癌效果。几个因素可能决定了为什么这种共生体可能适合“抗癌益生菌”。Bf在肠粘膜层的分布以及它与Burkholderiales的关系可能解释了CTLA-4 Ab的免疫调节作用。未来的研究将确定,在不同的微生物与肿瘤新抗原之间的潜在分子模拟是否可以解释免疫检查点阻断剂的毒性和有效性。MM和NSCLC的前瞻性研究可以验证肠型与免疫检查点阻断剂长期有效的相关性,目的旨在用拟杆菌属或移植C类相关的菌群来补偿B类患者,以改善他们的抗肿瘤免疫反应。




图4. ipilimumab诱导的患者微生物失调的生物学意义。


DOI:10.1126/science.aad1329


历史推荐

《自然-医学》:肿瘤免疫治疗再获突破!菌群移植可缓解免疫检查点抑制剂治疗引发的副反应【菌群移植与肿瘤免疫治疗(一)】