《自然》子刊：口服菊粉凝膠或增強免疫治療效果！科學家發現菊粉凝膠可調節腸菌，增強T細胞功能并與抗PD-1協同抗腫瘤

我們早早就知道腸道微生物是人體內一群龐大而復雜的神秘生物，一直以來，它們都是以亦敵亦友的身份與人類朝夕相處，典型的敵人做派莫過于它們與肥胖、糖尿病、帕金森病、炎癥性腸病、自閉癥等多種疾病息息相關[1-4]。

然而，最令人瞠目結舌的是腸道菌群居然與腫瘤免疫治療之間也存在著千絲萬縷的關系。

近日，密歇根大學James J. Moon領銜的研究團隊在Nature Biomedical Engineering上發表重要成果[5]。他們證明具備 “結腸滯留”特性的口服菊粉凝膠，能夠增加腸道中有益共生微生物及其代謝物短鏈脂肪酸（SCFAs）的水平，后者可誘導CD8+T細胞的分化，與抗PD-1免疫治療協同，能在多種腫瘤模型中發揮強大的抗腫瘤作用。

如果說免疫療法讓腫瘤治療步入了全新的時代，那么免疫檢查點阻斷（ICB）則是開辟腫瘤免疫治療新紀元的元老角色。2018年諾貝爾生理學或醫學獎花落腫瘤免疫檢查點療法，正式官宣了負向免疫調控的重大意義，自此，腫瘤免疫治療完成了從“免疫增強療法”到“免疫正常化療法”的完美蛻變！

ICB療法雖然在癌癥治療中大放異彩，卻沒有成為對抗腫瘤的終點。研究表明，免疫檢查點單克隆抗體的治療在臨床上僅能對約25%的患者起效[6]，而且還可能發生嚴重的免疫相關不良事件。

而近幾年，越來越多的研究成果揭示了靶向腸道微生物群在治療炎癥、代謝和神經變性疾病以及癌癥等方面的巨大潛力。

其實早在2012年，Romina團隊就發現共生細菌能夠通過調節腫瘤微環境控制荷瘤小鼠對治療的反應[7]；2015年，《科學》雜志發表的兩篇重磅研究更添實錘，他們指出，CTLA-4和PD-L1單克隆抗體治療的有效性依賴于腸道微生物的組成與豐度[8-9]；2018年初的三項研究成果以人類癌癥患者的體內數據做支撐，證明黑色素瘤患者腸道菌群的豐度與組成確實會影響PD-1阻斷劑的療效，而且在對治療響應明顯的患者腸道菌群中，瘤胃球菌屬豐度較高[10-12]。

此外，科學家還對腸道微生物群調節抗腫瘤免疫反應的機制做了探究，雖然很多具體的細節并不明確，但是腸道微生物發酵產生的代謝物，尤其是SCFAs如乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽，似乎在CD8+T細胞的免疫應答中起到了關鍵作用[13]。

但科研的情節從來都不會按爽文的套路發展，就在大家以為靶向腸道微生物能開啟癌癥治療新篇章、創造下一個傳奇的時候，真正的挑戰和困難其實才剛剛拉開帷幕。

例如，如何準確鑒定出有利于癌癥治療的益生菌？在實際應用中，糞便微生物群移植產品的規模化生產如何進行？質量控制標準該如何建立？

針對以上機遇與挑戰，James團隊設計了一種“結腸滯留”的口服菊粉凝膠，用于原位調節結腸微生物群（研究證明共生微生物如Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia在對ICB療法應答的患者中普遍存在，且主要存在于結腸），并在小鼠的多個腫瘤模型中證明了其協同抗PD-1治療可發揮強大、長效的抗腫瘤免疫應答。

研究方案初步則是需要確定一個研究對象，能夠安全的調節腸道微生物群，協同抗PD-1治療增強抗腫瘤免疫應答。為此，他們從FDA公認安全的列表中選擇了幾種可以增加腸道微生物群豐度和多樣性的膳食纖維，包括沒食子酸、褐藻多糖、低聚果糖、褪黑素和菊粉。

隨后他們在BALB/c 小鼠身上分別建立了預防性和治療性的CT26皮下瘤模型，并檢測了這些膳食纖維在調節腸道微生物群、預防或抑制腫瘤生長、以及增加特異性CD8+T細胞等方面的效力。

他們發現經灌胃途徑攝入的菊粉，能顯著提高抗PD-1治療的全身抗腫瘤療效，有效減緩腫瘤生長；與單獨使用抗PD-1相比，菊粉協同抗PD-1顯著增加了小鼠體內免疫顯性表位CT26 gp70特異性CD8+T細胞。由此可見，菊粉在后續研究開展中具有極大的應用潛力。

菊粉與抗PD-1聯合顯著延緩、抑制了腫瘤生長，并且延長了小鼠生存期，增加了特異性CD8+的T細胞

接著，他們通過16S核糖體RNA基因測序技術分析了小鼠糞便樣本，以探究聯合給藥后腸道微生物群豐度及其代謝物變化。

他們發現菊粉聯合抗PD-1顯著增加了臨床上已鑒定出的有益共生菌群Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia的相對豐度，而且斯皮爾曼相關系數分析結果顯示腸道共生微生物的代謝物SCFAs似乎與ICB療效之間存在關聯。

菊粉與抗PD-1協同顯著增加了Akkermansia, Lactobacillus和Roseburia的相對豐度，并提示SCFAs與聯合治療的效果有關

以上研究基本確定了菊粉在后續研究中的C位，但是怎樣設計才能最大化菊粉協同抗PD-1的“1+1>2”的效果呢？

James團隊將目光聚焦在了菊粉的化學性質上。作為多糖纖維，菊粉經簡單的加熱-冷卻過程即可制成凝膠，科學家們大膽設想，既然大部分有益菌群聚集在結腸，那么菊粉凝膠能否延長原位調節結腸微生物群的作用時間，從而進一步增強全身抗腫瘤免疫反應呢？

菊粉凝膠在口服9.5h后還能保持較高的結腸滯留

幸運的是，研究結果并沒有辜負科學家的盛情期許，他們發現與游離菊粉相比，菊粉凝膠不僅能延長在結腸中的停留時間，而且聯合抗PD-1后能進一步增加Akkermansia的相對豐度。

在接下來的實驗中，他們探究了口服菊粉凝膠結合抗PD-1治療對全身免疫反應的效果，結果表明，具有“結腸滯留”特性的菊粉凝膠能誘導產生更多的特異性CD8+T細胞，甚至激發長效的免疫記憶應答。

口服菊粉凝膠結合抗PD-1治療顯著抑制了腫瘤生長，并且增加了特異性CD8+T細胞的比例和功能

雖然已經見證了菊粉凝膠與抗PD-1療法協同激發全身免疫應答的硬實力，然而免疫系統作為體內一個復雜但精妙的防衛體系，不禁讓人好奇，局部調節腸道菌群究竟是如何影響全身免疫應答的？

James教授顯然也意識到了從腸道菌群到全身免疫反應這中間大段的空白，于是他開展一系列實驗探究隱藏在聯合治療背后的內在機制。

研究發現，聯合治療顯著增加了共生微生物發酵產生的SCFAs，后者以G蛋白偶聯受體43（GPR43）依賴性的方式增加了全身的IFN-γ+CD8+T細胞以及Tcf1+PD-1+CD8+T細胞，誘發了以CD8+T細胞為主導的抗腫瘤免疫應答。

口服菊粉凝膠結合抗PD-1治療顯著增加了腫瘤和淋巴結中Tcf1+PD-1+CD8+T細胞的比例

除此之外，聯合治療能夠改變腫瘤免疫微環境，增加NK細胞和中性粒細胞的比例，同時下調免疫抑制的Treg細胞，誘導巨噬細胞向具有抗癌作用的M1亞型分化，從而逆轉腫瘤免疫抑制微環境。

研究接近尾聲之際，James團隊還建立了針對不同供應商、不同種屬與不同細胞系等多個腫瘤模型，全面驗證了口服菊粉凝膠與抗PD-1療法聯合的普用性。

筆者以為，James團隊的研究思路新穎，打破了常規的免疫聯合治療手段，以醫療生物界炙手可熱的“大明星”腸道微生物群為切入點，聯合了腫瘤免疫治療領域的“巨星”ICB療法，開創了一種聲東擊西的治療新策略，確實為今后的癌癥聯合治療提供了新的思路和機會。

但另一方面，腸道微生物群和免疫系統都是人體內比較錯綜復雜的存在，往往牽一發而動全身，調節過度引起的微生物群紊亂對治療無疑是雪上加霜。因此，未來的研究工作中更要慎重嚴謹，尋求安全、高效的聯合方法。

參考資料：

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.

7. Kaiser J. Gut microbes shape response to cancer immunotherapy. Science. 2017;358（6363）:573.

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.

10. Routy B, Le Chatelier E, Derosa L, et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1-based immunotherapy against epithelial tumors. Science. 2018;359（6371）:91-97.

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.