肠道微生物组衍生的丁酸盐抑制胃癌肿瘤相关巨噬细胞中的免疫抑制因子PD-L1和IL-10
早期发现和手术治疗对胃癌（GC）取得良好疗效至关重要，IV期和复发性GC预后较差，所以需要新的GC治疗方法。之前的研究发现，肠道微生物组是GC的一个致病因素，因此本文对胃癌患者的肠道微生物组进行了研究，并试图通过调节微生物组代谢物来逆转GC患者免疫细胞和癌细胞的免疫抑制,评估GC患者外周血免疫细胞中程序性死亡配体1（PD-L1）和白细胞介素（IL）-10的水平。通过共聚焦显微镜观察癌症组织的染色切片,利用健康人和GC患者的粪便样本分析肠道微生物组。通过将晚期GC（AGC）患者的外周血单核细胞（PBMC）注射到NSG小鼠体内，然后再注射AGS细胞，建立人源化模型。与健康对照组相比，GC患者免疫细胞中PD-L1和IL-10的表达水平更高,肠道菌群中粪杆菌和双歧杆菌的丰度较低,免疫抑制因子在肿瘤组织的免疫细胞和肿瘤细胞中的水平均有所升高。最近的研究发现，丁酸盐是一种具有代表性的微生物代谢物，具有抗肿瘤作用，并与增强免疫治疗的治疗应答相关。本文评估了丁酸盐在人源化小鼠模型中的抗肿瘤作用，结果表明丁酸盐可抑制免疫细胞中PD-L1和IL-10的表达水平。此外，在人源化小鼠模型中，AGC患者的PBMCs显示免疫抑制因子水平升高。丁酸盐抑制了小鼠的肿瘤生长。文章首次发现丁酸盐作为胃癌的代表性代谢物，其抗肿瘤作用是通过调节免疫抑制标志物的表达实现的，为GC的治疗方法的开发提供了新思路。本文于2023年12月发表在《Gut Microbes》，IF：12.2。
技术路线
主要实验结果：
1.AGC患者树突状细胞和巨噬细胞中免疫抑制标志物水平升高
众所周知，包括胃癌在内的各种癌症都会增加免疫抑制标记物的表达。文章研究了GC患者的PBMC（巨噬细胞和树突状细胞）和癌粘膜中免疫抑制标记物（包括PD-L1和IL-10）的表达水平。与EGC患者相比，AGC患者的PBMC（图1）和癌症粘膜（图2）中有更多的PD-L1和IL-10表达的巨噬细胞（CD68+细胞）、PD-L1和IL-10表达的树突状细胞（CD11c+细胞）以及PD-L1和IL-10表达的巨噬细胞。数据表明，免疫抑制与GC的进展有关。
图1.AGC患者PBMC中免疫抑制标志物水平升高
图2.AGC患者肿瘤粘膜中免疫抑制标志物水平升高
2.GC患者肠道微生物组的菌群失调
为了研究GC是否与肠道微生物组的变化有关，对20名HCs和12名GC患者的粪便样本进行了测序。与HCs相比，GC患者的微生物群菌群种类和丰富度较低（图3a）。使用基于Bray-Curtis相异性（β多样性）的主坐标分析法评估并比较了GC患者和HC之间肠道微生物组组成的整体多样性。HC和GC患者的肠道菌群存在明显差异（图3b）。GC患者的肠道微生物组成发生了改变（图4）。在门一级，与HCs相比，GC患者的放线菌和芽孢杆菌含量较低，而类杆菌含量较高（图4a）。在科一级，与丁酸生产有关的双歧杆菌和瘤胃球菌在GC患者中的丰度低于HC患者，而类杆菌的丰度高于HC患者（图4b）。在菌属水平上，GC患者肠道菌群中产生丁酸盐的细菌也有所减少（图4c）。GC患者和HC线性判别分析（LDA）得分之间的细菌类群相对丰度在属一级也存在明显差异（图4d）。与HC相比，GC患者体内粪杆菌、柯林斯菌、双歧杆菌、f_瘤胃球菌和瘤胃球菌（即产丁酸菌株）的丰度显著降低（图4e）。此外，与EGC相比，AGC患者中粪杆菌、柯林斯菌、双歧杆菌、f_瘤胃球菌和瘤胃球菌（即产丁酸菌株）的丰度也明显降低（图4f）。
图3.GC患者的肠道微生物群谱
图4.GC患者体内微生物丰度的差异
3.丁酸盐治疗抑制GC患者PBMC中PD-L1和IL-10的表达
包括粪杆菌在内的丁酸菌株在GC患者中的丰度低于HCs。文章研究了丁酸盐和粪杆菌在GC患者中的作用。给GC患者的PBMC和THP-1细胞注射丁酸盐和粪杆菌，可减少表达PD-L1和IL-10的巨噬细胞数量（图5a、b）。此外，丁酸盐和粪杆菌还能降低IL-10的浓度（图5c）。
图5.丁酸盐降低PD-L1和IL-10水平
4.丁酸盐抑制GC细胞的生长
接下来，文章研究了丁酸盐对胃癌细胞生长的影响。文章作者用丁酸盐培养胃癌细胞株AGS细胞，并测量细胞的生长情况。在体外培养系统中，丁酸盐明显抑制了AGS细胞的生长（图6a）。随后研究了丁酸盐对GC细胞体内生长的影响。为此在有或无丁酸盐条件下向人源化肿瘤小鼠模型皮下注射了来自健康对照组或GC患者的AGS细胞和PBMCs（图6b、c）。丁酸盐能明显减小肿瘤大小，降低免疫抑制标志物（PD-L1和IL-10）、其调节因子（NF-KB和STAT3）以及癌症组织中的癌生长因子（VEGF和GDF-15）的水平（图6d、e）。数据表明，丁酸盐可通过抑制胃癌癌细胞的生长而发挥潜在的治疗作用。
图6.丁酸盐抑制肿瘤细胞生长
实验方法：
微生物组学分析、免疫染色切片、流式细胞术、PCR扩增，DNA测序、共聚焦显微镜分析、免疫组织化学检测、人源化小鼠模型、酶联免疫吸附测定
参考文献：
Lee SY, Jhun J, Woo JS, Lee KH, Hwang SH, Moon J, Park G, Choi SS, Kim SJ, Jung YJ, Song KY, Cho ML. Gut microbiome-derived butyrate inhibits the immunosuppressive factors PD-L1 and IL-10 in tumor-associated macrophages in gastric cancer. Gut Microbes. 2024 Jan-Dec;16(1):2300846. doi: 10.1080/19490976.2023.2300846. Epub 2024 Jan 10. PMID: 38197259; PMCID: PMC10793689.