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肠道菌群能影响黑色素瘤患者抗PD-1免疫治疗的效果【菌群移植与肿瘤免疫治疗(四)】

2019-05-13

文献简介

肠道菌群调节黑色素瘤患者抗PD-1免疫治疗的效果

Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients

期刊名称:Science  时间: 2017年 11月2日  IF:41.058


一、背景

针对细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4(CTLA-4)和程序性细胞死亡蛋白-1(PD-1)的免疫检查点抑制剂治疗黑色素瘤和其他癌症,目前已卓有成效,取得了巨大的进展;然而,这些治疗的效果往往有异质性大,效期短的问题。近期的研究发现,影响肿瘤进展和肿瘤治疗效果的因素除了肿瘤基因组以外,还包括宿主因素,如肠道微生物组。大量研究表明,肠道菌群可能通过先天免疫和适应性免疫影响抗肿瘤的免疫应答,而通过调节肠道菌群可以改善免疫治疗的响应;临床前的小鼠模型试验证明肠道菌群能影响肿瘤对免疫检查点阻断疗法的响应,然而,这类工作还很少在肿瘤病人中得到广泛的研究。为了更深入地理解人体微生物组对免疫检查点阻断疗法的作用,研究团队前瞻性地从112例开始应用抗PD-1抑制剂治疗转移性黑色素瘤的患者体内收集了口腔和肠道菌群,进行后续分析。


二、研究结果

共有89例患者纳入该研究,根据评估标准RECIST1.1,在初始抗PD-1治疗后6个月分别归入响应组(R,n=54)和无响应组(NR,n=35)。 


转移性黑色素瘤患者的口腔和肠道菌群的菌种有较大差异,口腔微生物群中乳酸杆菌丰度最高,肠道微生物群中拟杆菌丰度最高(图1B)。口腔和肠道微生物之间的菌群结构有明显的分离,能从两者的菌群组成结构进行区分。

菌群多样性降低(菌群失衡)与肿瘤治疗方式的效果不佳有关抗PD-1治疗中有响应的患者R(n=30),肠道菌群的α多样性明显高无响应组NR(n=13)的患者(p<0.01;图1C)。而两组患者的口服微生物群α多样性无显著性差异 (R=54,NR=32,P=0.11)。


菌群多样性影响无进展生存期(PFS),肠道菌群α多样性高的患者PSF显著长于α多样性较低的患者(P=0.02和0.04;图1D,E)。此外,β多样性PCoA分析发现肠道微生物群中具有显著的聚类效应,响应组和无响应组能聚成两簇(图1F)。在口腔微生物群均没有以上特征。




菌群的组成差异可能影响癌症的发展和对治疗的响应,为了确定抗PD-1治疗R和NR患者的口腔和肠道微生物差异,我们比较了在R和NR组菌群OTUs的富集情况。发现梭菌目富集在R组患者的肠道中,拟杆菌目富集在NR组患者肠道中(图2A和2B)。在口腔菌群中,R和NR之间的富集作用没有显着差异。为了进一步探讨,我们用LEfSe分析、多水平分类单元分析、WGS测序进行比较,不仅验证了OUT富集分析的结果,还发现梭菌目/瘤胃菌科/粪杆菌属也富集在R组患者肠道中,而泰氏拟杆菌/大肠杆菌/厌氧大肠杆菌富集在NR组患者肠道中(图2C-F)。




为了研究细菌的构成与抗PD-1治疗效果的相关性,我们通过crOTUs对肠道菌群进行非监督等级聚类。发现患者被分成两组,第1组完全由R有相应者组成,梭菌目、反刍球菌富集,而2组则由R和NR的患者混合组成(P=0.02),拟杆菌目富集程度较高(图3A、3B)。


单变量Cox比例风险分析表明肠菌α多样性(HR=3.6,95%CI=1.02-12.74),粪杆菌属丰度(HR=2.92,95%CI=1.08-7.89),    (HR=0.39,95%CI=0.15-1.03)对抗PD-1治疗效果有强预测性(图3C)。

我们利用菌群宏基因组WGS对合成代谢通路进行非监督分层聚类,能把患者分为两组,组1中69.2%的患者有响应,组2中只有41.7%患者有响应;在KO做相同据剋分析,结果相似,组1中70.6%的患者有响应,组2中37.5%的患者有响应(图3D)。


肠菌的crOTU、粪杆菌属、拟杆菌目、合成代谢通路和KO能预测PD-1的治疗反应。


 



肿瘤组织的免疫组化(IHC)结果显示:R组患者肿瘤组织中CD8+T细胞的含量比NR组高(p=0.04)(图4A)。肿瘤组织中CD8+T细胞和肠道中粪杆菌属的丰度呈正相关(图4B、4C)。利用流式细胞仪和细胞因子检测分析系统的方法显示, 肠道中粪杆菌属和患者血样中CD8+T细胞数量也呈正相关(图4D)。与肠道中拟杆菌目多的患者相比,富含粪杆菌属的患者具有更高的免疫细胞密度,抗原处理和肿瘤标记物呈递也更多(图4E、4F)。这表明肠道菌群可能通过上调CD8+T等免疫细胞和抗原呈递分子调节抗PD-1治疗效果


我们还在无菌带瘤小鼠上进行了菌群移植(HMT)实验(图4G)。比起移植NR组患者肠菌的小鼠,小鼠移植R组患者肠菌14天时的肿瘤明显减小(P=0.04,图4H)。移植R组菌群的小鼠进行抗PD-1治疗后,疗效也明显好于移植NR组的小鼠(图4I)。


小鼠粪便样本进行16S测序,移植R组菌群的小鼠的粪便中粪杆菌属丰度也较高(P<0.01)。此外,移植R组菌群的小鼠肿瘤和肠道内CD8+T细胞数量高于移植NR患者菌群的小鼠,与人体数据相符((图4J、4K)。



三、总结语

对黑色素瘤患者的口腔和肠道菌群进行分析充分表明肠道菌群的结构和功能显著影响PD-1抑制剂抗肿瘤免疫疗法的效果。

DOI:10.1126/science.aan4236


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