Hello, 大家好，小编为大家带来一篇最近刚发表在cell上的文章《A pan-cancer analysis of the microbiome in metastatic cancer》。这篇文章对超过4,000个转移性肿瘤活检标本进行物种水平的微生物基因组表征，确定了肿瘤驻留细菌DNA在全癌种规模上的分布和多样性特征，突出了微生物群落动态与肿瘤免疫及免疫疗效之间的关联。
结果
1、挖掘转移瘤的微生物组成
在多种转移性癌症类型中，采用两种独立的计算方法，Kraken2和PathSeq，对肿瘤内部的微生物组进行了属水平的表征。进一步采用基于宏基因组组装的方法对其进行了物种水平的表征。研究了来自Hartwig医学基金会(Hartwig)队列的4,164个全基因组测序(WGS)的治疗前肿瘤活检标本，其中包括26种癌症类型。使用基于映射的方法，对3,526个样本中的165个属进行了分类，其中49% (81/165)为革兰阴性菌，68% (112/165)为厌氧/兼性厌氧菌。此外，还能够从来源于肿瘤的细菌序列中组装出514个高质量和中等质量的宏基因组组装基因组(MAGs)。最常见的癌症类型是乳腺癌、结直肠癌、肺癌、前列腺癌和黑色素瘤，而肝脏、淋巴结和肺部是获得肿瘤活检标本的最常见的转移部位。在肿瘤活检后，主要的治疗方式是化疗(28%)，其次是免疫治疗(12%)和靶向治疗(12%)。
该分析揭示了来源于细菌的序列在不同癌症类型中的差异，并检测到子宫和肾脏癌中较高的菌群比例，而原发性中枢神经系统(CNS)来源的癌症中的菌群负荷较低。此外，还发现结直肠和肾脏转移瘤中的菌群比例较高。生物多样性指标揭示了多种癌症类型之间普遍存在丰富而平衡的微生物群落，结直肠转移瘤具有最丰富的多样性，而头颈部转移瘤则具有更为主导的属。
2、转移性肿瘤微生物组成
首先确定哪些因素塑造了转移性肿瘤微生物组成。作者计算了所有癌症类型之间的微生物群落相似性，并在考虑了定植部位和其他潜在混杂因素的情况下确定了群落水平的差异。具体来说，观察到原发性中枢神经系统癌症、间皮瘤癌和头颈部癌与其他癌症类型在微生物组成上存在明显差异。还发现结直肠活检标本在转移部位之间的差异最大。
为了进一步探究可能塑造转移性微生物的因素，作者假设缺氧肿瘤可能寄存更多厌氧菌，因为这些细菌适应低氧环境。为了测试这一点，他们在一组具有匹配的RNA测序数据的转移性肿瘤中，使用典型的缺氧基因特征检测了缺氧程度，并进行了基因集富集分析。对于厌氧菌，发现缺氧特征显著富集，而氧响应特征显著减少，而对于需氧菌则观察到相反的效应。作为发现的一个独立验证队列，作者分析了一个外部人乳头状瘤病毒（HPV）阴性的头颈肿瘤队列，发现在更缺氧的肿瘤中有更多厌氧菌的富集，这是通过缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）染色确定的。
接下来，作者假设由基因组变异驱动的不同癌症表型具有特定的群落组成；因此，作者研究了具有微卫星不稳定性（MSI）或稳定性（MSS）的全癌症样本集上进行了群落检测分析。作者发现了两个明显分离的簇，根据MSI状态显著分开，其中簇A主要由MSI患者组成，簇B主要由MSS患者组成。此外，作者发现MSS患者中具有A型簇的患者有更长的生存期。
图3 转移性癌症中肿瘤微生物组的特征
3、肿瘤驻留的微生物群落与肿瘤生物学相关
在建立一般肿瘤特征和肿瘤微生物组之间的联系后，作者进一步研究了微生物群落是否能够影响宿主免疫并影响肿瘤微环境。首先调查转移灶中的革兰氏阴性菌是否与Toll样受体（TLR）家族的表达相关。脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌细胞壁的重要组成部分，是TLR4的强效配体，能够激活TLR4/MD2复合物，从而诱导促炎细胞因子（如白细胞介素（IL）-6、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和I型干扰素（IFNs））的产生。作者定义了LPS负荷，并发现LPS负荷与TLR4信号传导存在显著相关性，但与革兰氏阳性脂肽聚糖（LTA）负荷无关。相反，作者发现LTA负荷与TLR2信号传导存在关联。
此外，作者假设细菌组成与肿瘤基因表达广泛相关并发现肿瘤微生物组成与多个MSigDB标志性基因集和免疫标记基因表达的变异之间存在显著的对应关系。在具有高多样性微生物组的肿瘤中，上皮生长因子受体（EGFR）、转化生长因子β（TGF-β）和TNF-α信号激活。有趣的是，作者发现在细菌多样性较高的肿瘤中，与细胞外基质（ECM）组织和抗微生物肽（AMPs）相关的多个途径显著丰富。
细菌及其产物可以影响先天和适应性免疫细胞群体，但仍不清楚哪些微生物能够重塑免疫细胞环境并改变肿瘤转移灶中的免疫信号传导。因此，首先将肿瘤免疫逃避机制与细菌多样性相关联。发现细菌多样性与癌相关成纤维细胞（CAF）浸润和免疫排斥的标志物之间存在正相关。随后，检查了解混合的肿瘤浸润免疫细胞组成，并发现中性粒细胞、自然杀伤细胞（NK细胞）、巨噬细胞以及调节性T细胞（Tregs）等先天免疫细胞在具有高微生物多样性的肿瘤中明显富集，突显了潜在的先天免疫调节。重要的是，越来越多的证据显示中性粒细胞在肿瘤免疫、进展和对免疫治疗的反应中的重要性。
最后将细菌丰度与免疫细胞功能状态进行相关分析，发现多个细菌与成纤维细胞、内皮细胞、巨噬细胞和CD4 T细胞的细胞状态相关。具体而言，发现双歧杆菌与NK细胞呈正相关。
总之，这些分析揭示了微生物组与免疫系统之间的强关联，同时也揭示了转移性肿瘤中宿主-微生物相互作用的更深层次的生物学相关性。
图4肿瘤微生物组与肿瘤生理的相关性
4、免疫疗法可以重塑肿瘤微生物群落
作者进一步探索治疗对细菌群落的影响。比较了肿瘤在接受免疫治疗（n = 33）、靶向治疗（n = 34）或激素治疗（n = 19）之前（第一次活检）和之后（第二次活检）的细菌丰富度的变化。在接受免疫检查点抑制剂治疗的患者中，细菌丰富度显著降低。此外，还发现已知具有抗生素作用机制的化疗药物（如多柔比星/表阿霉素和博莱霉素）在治疗后细菌丰富度趋向于降低。
另外，在一个小的子集中，发现与无效应患者（PD，n = 9）相比，对于有利反应（最佳总体反应[BOR]，部分反应[PR]/稳定疾病[SD]，n = 14），细菌丰富度显著降低。基于这些观察，接下来分析了以下内容：（1）在对免疫检查点抑制剂具有反应的患者中，哪些细菌在治疗后经常减少，以及（2）这些细菌在治疗前在无效应患者中的普遍性是否较低。发现了几种经常减少的细菌，包括放线菌、拟杆菌、双歧杆菌和普雷沃特菌。此外，已经证明这些属的细菌肽能够出现在肿瘤HLA机制上。综上所述，免疫疗法对转移性肿瘤微生物组有着指导性作用，重构了群落结构，在对免疫疗法具有反应的患者中效果更为显著。
5、Fusobacterium与NSCLC患者对ICB的疗效降低相关
最后，作者试图确定在ICB治疗中缺乏反应的患者中与治疗前细菌群落相关的细菌种群，因为一些微生物有能力形成免疫抑制的微环境。为了做到这一点，进行了一项无偏分析，测试了在ICB单药治疗的NSCLC患者队列（n = 63）中，患者是否具有持久临床益处（DCB，无进展生存期[PFS] > 6个月）与细菌是否具有不同的丰度。在校正潜在混杂因素后，发现Fusobacterium的丰度与DCB呈负相关。多变量Cox比例风险模型显示，纠正全基因突变负荷后，Fusobacterium的持续丰度与降低的总生存率（OS）和PFS显著相关。在所有数据中，基于与先前定义的阈值相当的上四分位数相对丰度阈值，将所有肿瘤分为Fuso高和Fuso低两组。使用这些分类，能够证实Fuso高ICB治疗的NSCLC肿瘤的OS和PFS更差。此外，发现Fuso高肿瘤的细胞毒性、IFNG和主要组织相容性复合物（MHC）II类基因表达特征显著降低。
综上所述，揭示了免疫疗法治疗和疗效对转移性肿瘤微生物组成的明显影响，并且证明F. nucleatum的存在与转移性NSCLC患者对ICB的疗效降低有关。
图5 Fusobacterium的存在与非小细胞肺癌（NSCLC）免疫检查点抑制剂（ICB）疗效呈负相关。
小结
微生物群落存在于人体的多个生态位中，并且是调节宿主免疫系统和抗癌治疗反应的重要调节因子。为了探究微生物组在转移瘤中的存在和相关性，作者整合了4160个转移性肿瘤活检标本的基于映射和组装的宏基因组学、基因组学、转录组学和临床数据。确定了微生物的器官特异性趋向、缺氧肿瘤中厌氧菌的富集、微生物多样性与肿瘤浸润性中性粒细胞的关联，以及嗜杆菌属与肺癌免疫检查点阻断治疗(ICB)抵抗性的关联。此外，长期的肿瘤采样揭示了微生物群落的时间演变，并确定了在ICB治疗中减少的细菌。综上所述，生成了一个转移性肿瘤微生物组的全癌种资源，可能有助于推进治疗策略的发展。
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