Cell | 肿瘤微环境的单核细胞重编程可由微生物群触发

原创 骄阳似我 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：骄阳似我

IF：41.582

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亮点：

1.   本文结果表明微生物群信号将肿瘤微环境（TME）中的单核吞噬细胞编程为免疫刺激单核细胞和树突状细胞（DC）。单细胞RNA测序显示微生物群的缺失使TME倾向于促肿瘤巨噬细胞。

2.   从机制上讲，本文发现微生物群衍生的干扰素基因刺激因子（STING）激动剂通过肿瘤内单核细胞诱导I型干扰素（IFN-I）的产生，以调节巨噬细胞极化和自然杀伤（NK）细胞DC串扰。高纤维饮食的微生物群调节触发肿瘤内IFN-I-NK细胞DC轴，提高免疫检查点阻断（ICB）的疗效。

肿瘤微环境（TME）影响肿瘤进展和治疗反应。因此，了解什么调节TME至关重要。单核吞噬细胞（MPs）（即单核细胞[Mo]、巨噬细胞[MAC]和树突状细胞[DC]）是先天性免疫细胞，在宿主防御、组织内稳态和修复中发挥重要作用。MPs也是TME的关键组成部分，它们在TME中扮演着相反的双重角色：它们可以诱导抗肿瘤反应，但也可以促进肿瘤免疫抑制和疾病进展。然而，MP网络的确切性质，即调节其组成和功能状态的线索，以及这如何影响抗肿瘤免疫尚不清楚，使得其治疗靶向性难以实现。

现在已经充分认识到，肠道微生物群影响抗癌免疫，控制自发肿瘤生长以及对化疗和免疫治疗的反应。然而，微生物群作用的细胞和分子基础仍不明确。事实上，大多数研究都着眼于T细胞群的变化，对于微生物群对肿瘤内固有免疫室的影响知之甚少。特别是，MPs，T细胞反应的有效调节器，可由微细胞调节远离肠道的生物群。然而，微生物群是否调节TME中MPs的功能状态以及相关的信号通路尚不清楚。

近期，在cell杂志上发表了一篇名为“Microbiota triggers STING-type I IFN-dependent monocyte reprogramming of the tumor microenvironment”的文章，研究发现需要微生物群衍生的信号来将TME中的MPs编程为免疫刺激Mo和DC；这些信号的缺失使MP序列向促进肿瘤的MAC转移。在机制上证明了微生物群衍生的干扰素基因刺激因子（STING）激动剂通过肿瘤内Mo诱导I型干扰素（IFN-I）产生，从而调节其倾斜和自然杀伤（NK）细胞DC串扰。这种机制可以通过高纤维饮食（FD）的微生物群调控来触发，以改善抗肿瘤反应。该研究揭示了微生物群调节先天免疫细胞之间复杂相互作用的机制，可以利用这种机制克服免疫抑制性TME。

本文转录组学分析表明，缺乏微生物群导致肿瘤内IFN-I信号受损，MPs向抑制性MAC倾斜，而以刺激性Mo和DC为代价。与SPF肿瘤相比，发现浸润GF的Mo和DC的频率和绝对数量显著降低。重要的是，这不是GF特异性缺陷，因为使用广谱抗生素（ABX）消耗SPF小鼠的微生物群会导致类似的表型。与scRNA-seq数据一致，发现SPF和GF小鼠的Mac亚群比例存在显著差异。缺乏微生物群的动物肿瘤中的Mac区室倾向于具有高CD206和MHCII阴性或低表达的促肿瘤表型。这表明在缺乏微生物群的小鼠中存在TME特异性而非全身性DC生成障碍。尽管从不同的TME免疫系统开始，这些肿瘤中的每一个都有显著的差异在没有微生物群的情况下，Mo和DC的频率较低。与EL4中观察到的偏斜一致，发现MC38和BP中的促/抗肿瘤Mac比率增加，GF或ABX小鼠的输卵管肿瘤中也有类似的趋势。这些结果有助于解释微生物群无效小鼠对治疗无效的原因。因此，尽管微生物导向信号的生理水平可能不足以控制自发肿瘤生长，但它们对于规划MPs以获得最佳癌症治疗反应至关重要。图1：微生物群的缺乏使TME向致瘤性MAC倾斜，而以Mo和DC为代价。

为了了解微生物群如何调节TME中的MPs，本文测量了可能影响其功能的肿瘤内细胞因子和趋化因子。来自GF小鼠的EL4肿瘤裂解物显示与Mo和DC的募集、维持和功能相关的蛋白质显著减少。根据转录组学分析，GF小鼠肿瘤中的I型干扰素在蛋白质（IFNa）和mRNA（Ifnb1）水平上也降低。IFN对抗肿瘤反应很重要，先前的研究表明MPs需要微生物群信号在病毒感染后产生IFN-I。因此推测微生物群可以调节TME中IFN-I的产生，产生有利于抗肿瘤免疫的促炎症环境。在缺乏微生物群的情况下，重组TME的一个重要后果是失去治疗效果。为了研究由于缺乏IFN-I信号而导致的相同TME重塑是否也会影响治疗反应，本文使用了奥沙利铂（oxa），这是一种临床上常用的化疗药物，已证明需要微生物群信号和髓样细胞才能发挥疗效。发现Ifnar1 /小鼠对oxa的反应受损。由于缺乏Ifnar1或微生物群信号，STING缺陷（Tmem173 /）导致对oxa的反应相对受损。这些结果表明，微生物群对治疗效果的影响至少部分是通过IFN-I诱导产生的。接下来确定微生物群诱导的IFN-I通路下游的细胞回路，该通路参与TME的重塑。蛋白质数据分析显示，GF和Ifnar1 /肿瘤中对NK细胞募集和激活至关重要的IFN诱导蛋白数量显著降低，如CXCL10、CCL5、IL-15/IL-15R和IL-18。因此，假设在没有微生物群的情况下，TME中IFN-I信号的缺陷导致NK细胞的含量减少和功能受损。发现Ifnar1 /以及缺乏微生物群的小鼠的TME中NK细胞频率显著降低，在GF肿瘤裂解物中Xcl1转录物以及CCL5和GM CSF蛋白减少，并且与SPF相比，GF肿瘤的NK细胞产生较少的Xcl1。本文比较了来自SPF和GF肿瘤的NK细胞的转录谱，发现来自SPF的NK细胞具有活化表型，编码效应蛋白（Gzmb、Serpinb9b、Ifng、Cxcl10和Xcl1）和已知调节NK细胞功能和内环境稳定的转录因子（Ikzf2和Klf2）的基因表达较高。相反，来自GF的NK细胞表达更高水平的编码转化生长因子β诱导蛋白（Tgfbi）的基因，与促肿瘤环境相容，GF小鼠肿瘤裂解物中的IFNg也显著减少。从这些观察结果中得出结论，微生物群诱导的TME中的IFN-I信号导致NK细胞的有效募集和激活，NK细胞通过产生CCL5和XCL1募集DC。为了响应IFN-I，这些DC产生Il15/Il15ra，支持和激活NK细胞，触发正反馈回路以促进抗肿瘤免疫。图2：微生物群调节肿瘤内IFN-I信号和NK细胞DC轴。

不同的肠道微生物群组成与癌症治疗反应相关。因此，本文下一步转向一种更具转化性和可操作性的方法，即使用饮食干预或单一ABX来操纵（而非消融）肠道微生物。SPF小鼠在肿瘤植入前开始喂食不同的饮食或在饮用水中接受单一ABX。与喂饲对照饮食的小鼠相比，喂饲高纤维饮食（FD）的动物的EL4肿瘤的发生率和总DC和CDC1的绝对数量都有所增加，而喂饲高纤维饮食（FD）的动物具有较低的癌症风险。此外，FD导致更好的自发肿瘤生长控制。用MC38模型证实了FD重塑肿瘤内MPs的能力。FD小鼠的MC38肿瘤增加了DC和Mo，减少了MAC，这也导致了自发抗肿瘤反应的改善。更重要的是，FD显著增强了抗PD-1和抗PD-L1治疗的疗效。结果表明，微生物群操纵可以改变TME的固有景观，特别是DC含量，并反过来调节抗肿瘤免疫。然后，将对照组或FD喂养的小鼠的粪便移植（FMT）到GF动物体内，并确认FD的有益抗癌作用确实是由微生物群介导的。接下来研究了IFN-I-NK细胞轴在FD诱导的TME重塑中的作用。发现与对照组饮食喂养小鼠相比，FD喂养小鼠肿瘤中IFN-I基因水平更高，产生Ifnb1的Mo比例更高，NK细胞的Xcl1表达增加。这些结果为FD喂养的小鼠DC含量增加和抗肿瘤反应增强提供了解释，进一步支持了本文的假设，即微生物群通过IFN-I调节TME固有免疫谱。图3：高纤维饮食增加肿瘤树突状细胞和抗肿瘤反应。

最近的研究表明，微生物群会影响癌症患者对ICB的反应，但这是如何发生的尚未显示。因此，为了确定本文的研究结果的相关性，分析了从ICB治疗的黑色素瘤患者发现队列的全肿瘤RNA-seq数据的临床前研究中预测的先天免疫特征。与本文的数据一致，发现IFN-I基因特征与经典Mo、NK细胞和DC的特征之间存在高度显著的正相关。还观察到NK细胞和DC的特征之间存在显著的正相关。接下来，探究了这些相关性与治疗反应的关系。值得注意的是，发现在缺乏微生物群的小鼠中，细胞类型和细胞因子/趋化因子的基因特征显著降低，与应答（R）肿瘤相比，无应答（NR）肿瘤的基因特征也显著降低：经典Mo、IFN-I、NK细胞、趋化因子（XCL1、XCL2和CCL5），DCs、CDC1、IL-15/IL-15RA、IL-18和IFNG。此外，发现以下基因特征的高表达与治疗后总体生存率的提高显著相关：经典Mo、IFN-I、趋化因子、DC、CDC1和IL15RA。虽然NK细胞信号的高表达与更好的存活率没有显著相关性，但观察到它们产生的趋化因子与NK细胞功能的重要性有关。在R和NR个体的TME中观察到的质量差异在本文的临床前模型中得到了充分的概括，这支持了微生物群通过重新编程先天免疫TME来影响个体对ICB的反应的观点。图4：黑色素瘤患者的Mo和IFN-I-NK细胞DC轴与ICB反应相关。

为了在R和NR个体的TME免疫成分差异与微生物群之间建立因果关系，进行了FMT，将ICB治疗的黑色素瘤个体的粪便给予GF小鼠。在植入BP黑色素瘤之前，将来自三个R和三个NR供体的样本分别转移到不同的GF队列中。接受R-FMT的动物TME中的Mo获得刺激性表型并分化为炎症性MAC，其特征是MHCII和中间F4/80和CD68表达水平较高（Mo2和Mac1），与SPF中观察到的相似。相反，接受NR FMT的小鼠显示MPs向表达低MHCII和高水平F4/80、CD68和PDL1（Mo3和Mac2）的MAC倾斜，类似于GF。NR FMT小鼠的肿瘤内DC和Mo也显著减少，前/抗肿瘤Mac比率增加，NK细胞有减少的趋势。此外，NR FMT肿瘤降低了Ifnb1的表达。与R-FMT小鼠相比，这种TME重构最终导致NR-FMT小鼠的肿瘤生长控制较差。这些结果支持了微生物群、肿瘤内IFN-I和ICB反应之间的因果关系。本文的发现为癌症患者的微生物群、肿瘤内IFN-I-NK细胞DC轴和对ICB的反应之间提供了强有力的因果关系。图5：ICB应答者微生物群调节IFN-I并塑造TME中的MP景观。

有大量证据表明，微生物群影响对癌症的免疫反应。然而，目前对其机制的理解还不完全，特别是因为研究往往探索其他组织，如淋巴结、脾脏或肠道，这些组织可能不一定反映肿瘤内发生的情况。这种知识的缺乏阻碍了微生物群靶向疗法的发展。本文揭示了微生物群形成TME的机制天然免疫景观调节抗肿瘤免疫。证明了以下几点：（1）微生物群衍生的STING激动剂（例如cdAMP）通过肿瘤内Mo诱导IFN-I产生，从而触发TME的抗肿瘤倾斜；（2）这些Mo调节NK细胞的募集和激活以及随后的NK细胞DC串扰；（3）当微生物群受到不利破坏时，Mo-IFN-I-NK细胞DC级联反应停止，Mo分化进入肿瘤前体；（4） FD的微生物群调节、产生cdAMP的粘杆菌的单菌落化或cdAMP的全身给药足以触发IFN-I途径并改善抗肿瘤反应；（5）ICB R个体的微生物群移植诱导肿瘤内IFN-I，重塑TME，并有利于对ICB的反应。图6：文章结构总图

研究的局限性

在本研究中，一个尚未回答的重要问题是MPs在哪里接收微生物群衍生的信号。本文无法检测到肿瘤中可测量的CDN水平。这可能是由于水平低于检测方法的检测限、宿主细胞快速摄取或肿瘤中缺失。尽管关注MPs，但未来的研究应该评估髓细胞与淋巴细胞在微生物介导的抗肿瘤效应中的相对作用。虽然在此证明微生物群调节TME中的IFN-I-NK细胞DC轴，但配对肠道微生物群和肿瘤RNA序列数据集的有限可用性使得难以在受影响个体中建立特定微生物和IFN-I表型之间的强关联。重要的是将本文的发现扩展到更大的肿瘤类型队列。尽管存在这些局限性，本文的研究极大地扩展了对抗肿瘤免疫的微生物群调节的知识，并将与抗癌反应相关的元素结合到一个整体的微生物群协调机制中，该机制可用于提高治疗效果。

教授介绍：

Romina S.Goldszmid

Romina Goldszmid博士获得了博士学位。在阿根廷Buenos Aires大学研究基于树突状细胞的黑色素瘤免疫治疗疫苗，其中一部分是作为Rockefeller 大学Ralph Steinman博士实验室的访问学者。随后，她与Alan Sher博士在国立卫生研究院过敏与传染病研究所（NIAID）寄生虫病实验室（LPD）进行了传染病免疫学博士后培训。Goldszmid博士随后回到肿瘤免疫学领域，加入位于NCI CCR的Giorgio Trinchieri博士的实验室，担任专职科学家。她现在是NIH Earl Stadtman综合癌症免疫学实验室的研究者和NIAID LPD的辅助研究者。

Goldszmid博士长期以来一直有兴趣了解在宿主防御中起重要作用的单核吞噬细胞网络[如树突状细胞、单核细胞和巨噬细胞]的发育、功能成熟和动力学机制。特别是，她的研究侧重于将微生物组、单核吞噬细胞发育、癌症和传染病与确定新的潜在治疗干预措施以改善癌症治疗的最终目标联系起来。

参考文献：

Khiem C. Lam， Romina E. Araya，0Romina S.Goldszmid et al. Microbiota triggers STING-type I IFN-dependent monocytereprogramming of the tumor microenvironment[J].Cell 184, 1–19, October 14, 2021