應雨妍 應雨妍

科技點亮生活

雖然人類對癌癥的記錄最早可以追溯到公元前1600年,但直到17世紀,還有科學家認為,癌癥是一種“毒”,而且具有傳染性[1],與我們目前對癌癥的“科學認知”相差了十萬八千里。隨著人均壽命的延長和生活方式的變化,近年來,癌癥的發病人數不斷增加,成為了第二大死亡原因,也催生出了一些新型癌癥療法,例如免疫治療。

我們是從什么時候開始尋求激活消極怠工的免疫系統來抵抗癌癥的呢?大概是19世紀末期吧,美國的一位外科醫生William Bradley Coley收治的一位患有肉瘤的患者,在手術后發生了丹毒感染(A組β溶血性鏈球菌感染),但奇怪的是,他的腫瘤竟然消失了[2]。當時,也有一些其他醫生在自己的患者中觀察到了這種現象。

William Bradley Coley(中)(圖片來源:wikipedia.org)
William Bradley Coley(中)(圖片來源:wikipedia.org)

Coley醫生覺得,這和他們的感染有關系,為了復制這個現象,他可以說是“膽大包天”,竟然嘗試著給一位頸部和扁桃體有腫瘤的患者注射了化膿性鏈球菌,患者不負所望的發生了感染,但同時,腫瘤也在2周內消失了[2]。

雖然效果不錯,但由于缺乏確切的科學證據,還有接種病原體微生物的巨大風險,Coley的治療方法并沒有被廣泛接受和研究。

直到20世紀晚期,第一個免疫檢查點——CTLA-4被發現,科學家們意識到,打破抑制,激活免疫系統,或許是對抗癌癥的新方法。于是,第一個免疫檢查點抑制劑(ICI),CTLA-4抑制劑隨之誕生了。24年后的2011年,它獲批上市,開辟了腫瘤免疫學的“新紀元”。

CTLA-4被發現沒幾年,另一個免疫檢查點——PD-1也被發現了,作為后起之秀,PD-1抑制劑已經是目前應用最廣的ICI了,在很多癌種中,能夠比傳統的化療等療法顯著延長患者的生存期。

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但盡管如此,能夠在ICI中獲益的患者仍然是少數。為什么對ICI不響應?要是解決了這個問題,那就又能有一大批患者重獲新生了。通過多年的研究,研究人員們已經發現了不少原因,例如PD-1的配體PD-L1的表達水平、腫瘤突變負荷(TMB)和腸道微生物等等。

其中,筆者最關注的莫過于腸道微生物了,為什么呢?因為在眾多原因中,腸道微生物大約是為數不多,可以被人為干預,來改善患者對ICI的響應的。

2015年,有兩篇重磅研究同時刊登在了《科學》雜志上[3,4]。一篇來自于來自芝加哥大學的Thomas Gajewski團隊[3]。

Thomas Gajewski(圖片來源:芝加哥大學官網)
Thomas Gajewski(圖片來源:芝加哥大學官網)

他們在一次實驗中偶然發現,實驗室里兩批來自不同小鼠培育機構(JAX和TAC),基因組相似的同品系小鼠在誘導產生黑色素瘤時,TAC小鼠腫瘤的侵襲性明顯更強,T細胞的水平更低。在逐一排除了可能原因后,他們確定,就是腸道微生物搞的鬼!

研究人員將JAX小鼠的糞便移植給TAC小鼠,果然抑制了腫瘤的生長,而加上PD-L1抑制劑之后,效果就更好了。進一步的研究發現,JAX小鼠的“抑癌優勢”是由雙歧桿菌屬細菌賦予的,用雙歧桿菌來代替糞便,起到了同樣的效果

而另一篇研究中,法國Gustave Roussy癌癥中心的Laurence Zivogel團隊也有類似的發現[4]。

這兩篇研究首次確定了腸道微生物能夠影響ICI的療效,研究發表之后也引起了很多研究人員的興趣。

(圖片來源:pixabay.com)
(圖片來源:pixabay.com)

仔細想一下,腸道微生物與免疫其實關系很是密切,它能夠刺激腸黏膜的杯狀細胞分泌黏蛋白,保護黏液層的完整性,幫助維持腸道屏障功能;也作為重要抗原,刺激腸道黏膜相關淋巴組織(GALT)的發育成熟。當腸道微生物的穩態被打破,就可能會導致腸道屏障破壞,局部,甚至全身免疫反應受損。

所以說,同是調節免疫系統,一些腸道微生物和ICI產生協同作用,也是很合理的。

在小鼠實驗的基礎上,研究人員開始爭分奪秒地對使用ICI的癌癥患者進行研究。從2017年下半年開始,患者們的數據陸續出爐。

Gajewski團隊這一次將研究結果在患者中成功“復制”。他們分析了40多名轉移性黑色素瘤患者,確定對PD-1抑制劑的響應與腸道微生物之間存在顯著關聯,響應的患者有更高水平的長雙歧桿菌、產氣柯林斯菌和屎腸球菌,把這些患者的糞便移植給無菌小鼠后,小鼠的腫瘤免疫應答增強,也讓抗PD-L1治療的效果更上一層樓[5]。

非小細胞肺癌患者接受抗生素治療(ATB)和未接受抗生素治療(NoATB)的OS對比
非小細胞肺癌患者接受抗生素治療(ATB)和未接受抗生素治療(NoATB)的OS對

Zivogel團隊也沒有落下,他們同時選擇了兩種常見癌癥:非小細胞肺癌和腎癌,兩組患者雖然來自不同的隊列,但使用的都是PD-1抑制劑nivolumab[6]。研究人員一開始發現,在使用nivolumab前后2個月內接受過抗生素治療的患者,無進展生存期(PFS)和總生存期(OS)幾乎相差一倍!

果然,抗生素殺死了大量腸道微生物后,免疫治療效果就受到了影響,于是他們又對患者的糞便樣本進行測序,發現,對nivolumab響應良好的患者,有Akkermansia muciniphila(Akk菌)的富集。

反之,將Akk菌移植給接受抗生素治療的小鼠,原本對nivolumab不響應的小鼠就恢復了響應。這樣一來,證據鏈就變得完整了,腸道微生物果然很大程度上影響了PD-1抑制劑的治療效果。

同期另一篇針對黑色素瘤患者的研究也證實了ICI治療有效和無效患者腸道微生物間的顯著差異,不過他們發現的主要差異在瘤胃球菌屬細菌中[7]。

(圖片來源:pixabay.com)
(圖片來源:pixabay.com)

除了幾位領域先鋒外,同時期內還有不少相似的研究,也各有特色。例如一項同時涵蓋了幾種ICI以及聯合治療的研究,研究人員對使用CTLA-4抑制劑、PD-1抑制劑,以及CTLA-4抑制劑聯合PD-1抑制劑治療的轉移性黑色素瘤患者的腸道微生物進行了分析[8]。

研究共納入了39名患者,其中有24人對ICI治療有響應,表現出腫瘤縮小,或是疾病穩定,而剩下15人則無響應,疾病持續進展,患者對治療的響應率和疾病控制率都與之前的研究一致。

在所有患者中,腸道微生物的多樣性并沒有太大差別,但是對ICI有響應的患者,在開始治療前,腸道中Bacteroides caccae和Streptococcus parasanguinis的水平明顯更高。

(圖片來源:pixabay.com)
(圖片來源:pixabay.com)

另外有意思的是,同樣是黑色素瘤,不同的ICI治療方案,有響應的患者間的優勢腸道微生物也不同。

這也從側面提示我們,如果想用腸道微生物作為預測ICI響應的生物標志物,或是改善ICI響應的話,可能每一種ICI都要進行逐一的研究才行。

除了這個研究外,還有一項研究記錄了接受nivolumab治療的患者在不同的治療周期時腸道微生物的動態變化[9]。

與第三周期相比,響應的患者在第一周期治療后,痤瘡丙酸桿菌和金黃色葡萄球菌等的水平要高得多,相對的,產氣莢膜梭菌的水平則少得多。

長雙歧桿菌(圖片來源:新西蘭皇家學會Gerald Tannock教授實驗室,掃描電鏡照片)
長雙歧桿菌(圖片來源:新西蘭皇家學會Gerald Tannock教授實驗室,掃描電鏡照片)

研究人員發現,總體來看,與沒有響應的患者相比,有響應的患者長雙歧桿菌和Akk菌等的水平有小幅度的增加。看來,在腸道微生物影響ICI治療效果的同時,ICI也在影響著患者的腸道微生物啊。

另外,我所在的上海交通大學附屬胸科醫院的團隊不久前剛剛在Journal of Thoracic Oncology雜志上發表了一篇研究[10],首次表征了中國人群腸道菌群與免疫治療響應之間的關聯。

之前提到的研究都是在西方國家患者中進行的,而不同種族的人群,腸道菌群組成也差距較大,除此之外,生活的地理環境、生活方式和飲食等都會一定程度上影響菌群的組成。所以,中國患者對ICI治療的響應與腸道微生物有怎樣的關系呢?

為了回答這個問題,我們選擇了中國的37名晚期非小細胞肺癌患者,患者們使用的是首個在中國上市的免疫檢查點抑制劑nivolumab,在開始治療和每次治療前收集糞便樣本進行分析。

研究論文截圖
研究論文截圖

總體來看,患者的腸道菌群組成從門這個較大的分類角度上來看基本是一致的,但是縮小到屬和種的水平上時,就有了一些明顯的差異,對nivolumab響應的患者有高水平的長雙歧桿菌、糞便普雷沃氏菌和Alistipes putredinis等,而在不響應的患者中,則是一種沒有鑒定到種的瘤胃球菌屬細菌。

有意思的是,在響應患者群體中富集的腸道細菌大多屬于促進炎癥的革蘭氏陰性菌,而一些革蘭氏陰性菌已經在研究中被證明與更好的免疫治療臨床響應有關[6-7,11],這也與出現免疫相關不良事件患者通常對免疫檢查點抑制劑治療更敏感這一觀點相一致[12]。

除了組成外,患者們的腸道微生物多樣性也有不小的差異,響應患者的多樣性顯著高于不響應的患者

患者無進展生存率隨時間的變化(50%時對應的為中位PFS)
患者無進展生存率隨時間的變化(50%時對應的為中位PFS)

而根據多樣性指數將患者們分為高低兩組,兩組患者的生存期數據相差非常多,多樣性高的患者接受nivolumab治療后中位PFS可以達到209天,而多樣性低的患者僅有52天,相差了幾倍!而且,多因素風險模型的分析結果表明,多樣性指數可以作為患者PFS的獨立預測因子。

腸道微生物之所以能夠更好地幫助ICI控制疾病的進展,可能有一部分要歸功于微生物對免疫系統的調節,因為,我們在對患者的外周血細胞進行分析后發現,微生物的多樣性同時也與患者體內幾種外周CD8+T細胞和NK細胞的水平呈正相關關系。

在多種外周CD8+T細胞中,以記憶CD8+ T細胞最為顯眼,這是一類生命很長的免疫細胞,能夠肩負起迅速的抗原特異性響應,在免疫記憶響應中發揮關鍵作用,是身體長期監控、擊殺腫瘤的好幫手。

與之相對應的,微生物多樣性高還與主要由外周CD8+ T細胞和NK細胞產生的,能夠介導細胞凋亡的顆粒酶B的水平高有關。除此之外,在微生物多樣性高的患者中,表達Ki67蛋白的記憶CD8+ T細胞的水平也明顯增加,Ki67與細胞增殖密切相關,可能是細胞增殖所必需的核蛋白。

在今年的ASCO上,研究也以Poster的形式被收錄
在今年的ASCO上,研究也以Poster的形式被收錄

因此,Ki67+CD8+ T細胞的增加說明,腸道微生物可能調控了T細胞的增殖,從而協助PD-1抑制劑的起效。

除了腸道微生物之外,在這次的研究中,吸煙也是一個影響nivolumab響應的因素,之前也有研究發現,吸煙會引起更高的突變負荷,可能會增強對ICI的響應[13,14],吸煙的晚期非小細胞肺癌患者與不吸煙的相比,nivolumab治療后的中位PFS更長[15]。

吸煙也可以影響記憶T細胞的水平[16],不過在這次的研究中,吸煙和不吸煙患者的記憶T細胞水平在初始時是相似的,所以說,腸道微生物對記憶T細胞的影響可比包括吸煙在內的其他因素影響大多了。

和前面提到的包含腎癌和非小細胞肺癌的西方患者研究相比,兩個研究中響應和不響應患者的腸道微生物組成還是有所不同的,他們是Akk菌,而我們是長雙歧桿菌、糞便普雷沃氏菌和Alistipes putredinis這三種菌,也再次論證了以種族等固定因素為前提進行研究的必要性。

總的來說,這個研究表明,在中國的非小細胞肺癌患者中,腸道微生物多樣性與nivolumab的更好的療效高度相關,也找到了一些具體的菌種。而不管是這個研究還是之前的研究,都指向了一個核心思想:通過調節腸道微生物,或許可以幫助改善ICI的療效。未來,它或許會帶給我們更多驚喜。

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陸舜教授簡介

上海交通大學附屬胸科醫院腫瘤科主任,上海市肺部腫瘤臨床醫學中心主任,主任醫師,教授,博士生導師

國務院特殊津貼獲得者

國家科技部重點專項首席專家

國際肺癌研究會官方雜志Journal of Thoracic Oncology副主編,LungCancer副主編,The Oncologist雜志編委,兼任多項國內外雜志的編委與特約審稿人。

ASCO多學科診治小組(MCMC)成員

國際肺癌研究會(IASLC)組織委員會

中國抗癌協會肺癌專業委員會主任委員;國家食品藥品監督管理局新藥評審專家

中國醫藥生物技術協會精準醫療分會副主任委員;上海市醫學會腫瘤學會主任委員

中國醫師協會臨床精療醫學專業委員會委員;中國抗癌協會姑息治療委員會委員

上海市醫師協會腫瘤科分會副會長;?腫瘤內科規培組長

上海市醫學會理事;上海市抗癌協會理事

吳階平醫學基金會腫瘤學部常委,吳階平基金會EGFR靶向治療基礎研究基金專家評審委員會委員

上海市領軍人才;上海市優秀學術帶頭人

第一負責人承擔國家和上海市科研基金項目13項;2017年作為主要研究者之一參與或承擔59項國際國內多中心隨機對照臨床研究。2013年作為第1負責人獲得上海市醫學科技獎三等獎。作為第一/通訊作者發表論文及論著200余篇,其中SCI收錄57篇包括JCO、PNAS、Annals of Oncology、Clinical Cancer Research、Chest、JTO、Plos One等知名雜志,總IF 290.8。

 

參考資料:

[1] Yalom, Marilyn (1998). A history of the breast. New York: Ballantine Books. ISBN 978-0-679-43459-7.

[2] Park Y J, Kuen D S, Chung Y. Future prospects of immune checkpoint blockade in cancer: from response prediction to overcoming resistance[J]. Experimental & molecular medicine, 2018, 50(8): 109.

[3] Sivan A, Corrales L, Hubert N, et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti–PD-L1 efficacy[J]. Science, 2015, 350(6264): 1084-1089.

[4] Vétizou M, Pitt J M, Daillère R, et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota[J]. Science, 2015, 350(6264): 1079-1084.

[5] Matson V, Fessler J, Bao R, et al. The commensal microbiome is associated with anti–PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients[J]. Science, 2018, 359(6371): 104-108.

[6] Routy B, Derosa L, Duong C P, et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors[J]. Science, 2018, 359(6371): 91-97.

[7] Gopalakrishnan V, Spencer C N, Nezi L, et al. Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients[J]. Science, 2018, 359(6371): 97-103.

[8] Frankel A E, Coughlin L A, Kim J, et al. Metagenomic shotgun sequencing and unbiased metabolomic profiling identify specific human gut microbiota and metabolites associated with immune checkpoint therapy efficacy in melanoma patients[J]. Neoplasia, 2017, 19(10): 848-855.

[9] Botticelli A, Putignani L, Zizzari I, et al. Changes of microbiome profile during nivolumab treatment in NSCLC patients[J]. 2018.

[10] Jin Y, Dong H, Xia L, et al. The diversity of gut microbiome is associated with favorable responses to anti-PD-1 immunotherapy in Chinese non-small cell lung cancer patients[J]. Journal of Thoracic Oncology, 2019.

[11] Iida N, Dzutsev A, Stewart C A, et al. Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment[J]. Science, 2013, 342(6161): 967-970.

[12] Haratani K, Hayashi H, Chiba Y, et al. Association of immune-related adverse events with nivolumab efficacy in non–small-cell lung cancer[J]. JAMA oncology, 2018, 4(3): 374-378.

[13] Alexandrov L B, Ju Y S, Haase K, et al. Mutational signatures associated with tobacco smoking in human cancer[J]. Science, 2016, 354(6312): 618-622.

[14] Alexandrov L B, Nik-Zainal S, Wedge D C, et al. Signatures of mutational processes in human cancer[J]. Nature, 2013, 500(7463): 415.

[15] Gettinger S , Rizvi N A , Chow L Q , et al. Nivolumab Monotherapy for First-Line Treatment of Advanced Non-Small-Cell Lung Cancer[J]. Journal of Clinical Oncology, 2016:JCO.2016.66.9929.

[16] Nakata A , Takahashi M , Irie M , et al. Relationship between cumulative effects of smoking and memory CD4+ T lymphocyte subpopulations[J]. Addictive Behaviors, 2007, 32(7):0-1531.

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