《自然》子刊：口服菊粉凝胶或增强免疫治疗效果！科学家发现菊粉凝胶可调节肠菌，增强T细胞功能并与抗PD-1协同抗肿瘤丨科学大发现
我们早早就知道肠道微生物是人体内一群庞大而复杂的神秘生物，一直以来，它们都是以亦敌亦友的身份与人类朝夕相处，典型的敌人做派莫过于它们与肥胖、糖尿病、帕金森病、炎症性肠病、自闭症等多种疾病息息相关[1-4]。
然而，最令人瞠目结舌的是肠道菌群居然与肿瘤免疫治疗之间也存在着千丝万缕的关系。
近日，密歇根大学James J. Moon领衔的研究团队在Nature Biomedical Engineering上发表重要成果[5]。他们证明具备 “结肠滞留”特性的口服菊粉凝胶，能够增加肠道中有益共生微生物及其代谢物短链脂肪酸（SCFAs）的水平，后者可诱导CD8+T细胞的分化，与抗PD-1免疫治疗协同，能在多种肿瘤模型中发挥强大的抗肿瘤作用。
如果说免疫疗法让肿瘤治疗步入了全新的时代，那么免疫检查点阻断（ICB）则是开辟肿瘤免疫治疗新纪元的元老角色。2018年诺贝尔生理学或医学奖花落肿瘤免疫检查点疗法，正式官宣了负向免疫调控的重大意义，自此，肿瘤免疫治疗完成了从“免疫增强疗法”到“免疫正常化疗法”的完美蜕变！
ICB疗法虽然在癌症治疗中大放异彩，却没有成为对抗肿瘤的终点。研究表明，免疫检查点单克隆抗体的治疗在临床上仅能对约25%的患者起效[6]，而且还可能发生严重的免疫相关不良事件。
而近几年，越来越多的研究成果揭示了靶向肠道微生物群在治疗炎症、代谢和神经变性疾病以及癌症等方面的巨大潜力。
其实早在2012年，Romina团队就发现共生细菌能够通过调节肿瘤微环境控制荷瘤小鼠对治疗的反应[7]；2015年，《科学》杂志发表的两篇重磅研究更添实锤，他们指出，CTLA-4和PD-L1单克隆抗体治疗的有效性依赖于肠道微生物的组成与丰度[8-9]；2018年初的三项研究成果以人类癌症患者的体内数据做支撑，证明黑色素瘤患者肠道菌群的丰度与组成确实会影响PD-1阻断剂的疗效，而且在对治疗响应明显的患者肠道菌群中，瘤胃球菌属丰度较高[10-12]。
此外，科学家还对肠道微生物群调节抗肿瘤免疫反应的机制做了探究，虽然很多具体的细节并不明确，但是肠道微生物发酵产生的代谢物，尤其是SCFAs如乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐，似乎在CD8+T细胞的免疫应答中起到了关键作用[13]。
但科研的情节从来都不会按爽文的套路发展，就在大家以为靶向肠道微生物能开启癌症治疗新篇章、创造下一个传奇的时候，真正的挑战和困难其实才刚刚拉开帷幕。
例如，如何准确鉴定出有利于癌症治疗的益生菌？在实际应用中，粪便微生物群移植产品的规模化生产如何进行？质量控制标准该如何建立？
针对以上机遇与挑战，James团队设计了一种“结肠滞留”的口服菊粉凝胶，用于原位调节结肠微生物群（研究证明共生微生物如Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia在对ICB疗法应答的患者中普遍存在，且主要存在于结肠），并在小鼠的多个肿瘤模型中证明了其协同抗PD-1治疗可发挥强大、长效的抗肿瘤免疫应答。
研究方案初步则是需要确定一个研究对象，能够安全的调节肠道微生物群，协同抗PD-1治疗增强抗肿瘤免疫应答。为此，他们从FDA公认安全的列表中选择了几种可以增加肠道微生物群丰度和多样性的膳食纤维，包括没食子酸、褐藻多糖、低聚果糖、褪黑素和菊粉。
随后他们在BALB/c 小鼠身上分别建立了预防性和治疗性的CT26皮下瘤模型，并检测了这些膳食纤维在调节肠道微生物群、预防或抑制肿瘤生长、以及增加特异性CD8+T细胞等方面的效力。
他们发现经灌胃途径摄入的菊粉，能显著提高抗PD-1治疗的全身抗肿瘤疗效，有效减缓肿瘤生长；与单独使用抗PD-1相比，菊粉协同抗PD-1显著增加了小鼠体内免疫显性表位CT26 gp70特异性CD8+T细胞。由此可见，菊粉在后续研究开展中具有极大的应用潜力。
菊粉与抗PD-1联合显著延缓、抑制了肿瘤生长，并且延长了小鼠生存期，增加了特异性CD8+的T细胞
接着，他们通过16S核糖体RNA基因测序技术分析了小鼠粪便样本，以探究联合给药后肠道微生物群丰度及其代谢物变化。
他们发现菊粉联合抗PD-1显著增加了临床上已鉴定出的有益共生菌群Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia的相对丰度，而且斯皮尔曼相关系数分析结果显示肠道共生微生物的代谢物SCFAs似乎与ICB疗效之间存在关联。
菊粉与抗PD-1协同显著增加了Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia的相对丰度，并提示SCFAs与联合治疗的效果有关
以上研究基本确定了菊粉在后续研究中的C位，但是怎样设计才能最大化菊粉协同抗PD-1的“1+1>2”的效果呢？
James团队将目光聚焦在了菊粉的化学性质上。作为多糖纤维，菊粉经简单的加热-冷却过程即可制成凝胶，科学家们大胆设想，既然大部分有益菌群聚集在结肠，那么菊粉凝胶能否延长原位调节结肠微生物群的作用时间，从而进一步增强全身抗肿瘤免疫反应呢？
菊粉凝胶在口服9.5h后还能保持较高的结肠滞留
幸运的是，研究结果并没有辜负科学家的盛情期许，他们发现与游离菊粉相比，菊粉凝胶不仅能延长在结肠中的停留时间，而且联合抗PD-1后能进一步增加Akkermansia的相对丰度。
在接下来的实验中，他们探究了口服菊粉凝胶结合抗PD-1治疗对全身免疫反应的效果，结果表明，具有“结肠滞留”特性的菊粉凝胶能诱导产生更多的特异性CD8+T细胞，甚至激发长效的免疫记忆应答。
口服菊粉凝胶结合抗PD-1治疗显著抑制了肿瘤生长，并且增加了特异性CD8+T细胞的比例和功能
虽然已经见证了菊粉凝胶与抗PD-1疗法协同激发全身免疫应答的硬实力，然而免疫系统作为体内一个复杂但精妙的防卫体系，不禁让人好奇，局部调节肠道菌群究竟是如何影响全身免疫应答的？
James教授显然也意识到了从肠道菌群到全身免疫反应这中间大段的空白，于是他开展一系列实验探究隐藏在联合治疗背后的内在机制。
研究发现，联合治疗显著增加了共生微生物发酵产生的SCFAs，后者以G蛋白偶联受体43（GPR43）依赖性的方式增加了全身的IFN-γ+CD8+T细胞以及Tcf1+PD-1+CD8+T细胞，诱发了以CD8+T细胞为主导的抗肿瘤免疫应答。
口服菊粉凝胶结合抗PD-1治疗显著增加了肿瘤和淋巴结中Tcf1+PD-1+CD8+T细胞的比例
除此之外，联合治疗能够改变肿瘤免疫微环境，增加NK细胞和中性粒细胞的比例，同时下调免疫抑制的Treg细胞，诱导巨噬细胞向具有抗癌作用的M1亚型分化，从而逆转肿瘤免疫抑制微环境。
研究接近尾声之际，James团队还建立了针对不同供应商、不同种属与不同细胞系等多个肿瘤模型，全面验证了口服菊粉凝胶与抗PD-1疗法联合的普用性。
笔者以为，James团队的研究思路新颖，打破了常规的免疫联合治疗手段，以医疗生物界炙手可热的“大明星”肠道微生物群为切入点，联合了肿瘤免疫治疗领域的“巨星”ICB疗法，开创了一种声东击西的治疗新策略，确实为今后的癌症联合治疗提供了新的思路和机会。
但另一方面，肠道微生物群和免疫系统都是人体内比较错综复杂的存在，往往牵一发而动全身，调节过度引起的微生物群紊乱对治疗无疑是雪上加霜。因此，未来的研究工作中更要慎重严谨，寻求安全、高效的联合方法。
参考资料：
1. Lynch, S. V. & Pedersen, O. The human intestinal microbiome in health and disease. N. Engl. J. Med. 375, 2369–2379 （2016）.
2. Gilbert, J. A. et al. Current understanding of the human microbiome. Nat. Med. 24, 392–400 （2018）.
3. Schmidt, T. S. B., Raes, J. & Bork, P. The human gut microbiome: from association to modulation. Cell 172, 1198–1215 （2018）.
4. Cryan, J. F., O’Riordan, K. J., Sandhu, K., Peterson, V. & Dinan, T. G. The gut microbiome in neurological disorders. Lancet Neurol. 19, 179–194 （2020）.
5. Han K, Nam J, Xu J, et al. Generation of systemic antitumour immunity via the in situ modulation of the gut microbiome by an orally administered inulin gel. Nat Biomed Eng. 2021;10.1038/s41551-021-00749-2.
6. Kim K, Skora AD, Li Z, et al. Eradication of metastatic mouse cancers resistant to immune checkpoint blockade by suppression of myeloid-derived cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111（32）:11774-11779.
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8. Vétizou M, Pitt JM, Daillère R, et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota. Science. 2015;350（6264）:1079-1084.
9. Sivan A, Corrales L, Hubert N, et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy. Science. 2015;350（6264）:1084-1089.
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11. Gopalakrishnan V, Spencer CN, Nezi L, et al. Gut microbiome modulates response to anti-PD-1 immunotherapy in melanoma patients. Science. 2018;359（6371）:97-103.
12. Matson V, Fessler J, Bao R, et al. The commensal microbiome is associated with anti-PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients. Science. 2018;359（6371）:104-108.
13. He Y, Fu L, Li Y, et al. Gut microbial metabolites facilitate anticancer therapy efficacy by modulating cytotoxic CD8+ T cell immunity. Cell Metab. 2021;33（5）:988-1000.e7.
责任编辑 | 代丝雨