Cell | 肠道菌群代谢物增强T细胞干性助力肿瘤免疫治疗

肿瘤微环境中的浸润T细胞在ICB治疗中起关键作用，多个CD8⁺ T细胞亚群已被发现影响抗肿瘤反应。最近的研究表明，以高表达转录因子T细胞因子1（TCF-1，由Tcf7编码）为特征的前体耗竭性T细胞（T_pex）是抗程序性细胞死亡蛋白1抗体（αPD-1）免疫治疗应答的主要亚群。由Tcf7编码的转录因子TCF1特异表达于T_pex细胞，并且TCF1对其发育至关重要。具有干细胞特性的T_pex细胞表现出自我更新、增殖和分化为效应CD8⁺ T细胞（T_eff）以限制肿瘤发生的能力。

Tcf7的表达水平可作为ICB治疗患者的阳性预后指标。由于在小鼠中观察到Tcf7缺乏与肠道菌群失衡之间存在明显的相关性，需要进一步研究肠道菌群及其代谢物是否可以调节CD8⁺ T细胞的干性程序。

L.johnsonii通过激活肿瘤浸润性CD8⁺ T细胞促进αPD-1免疫治疗应答

小鼠肿瘤αPD-1免疫疗法与人类临床治疗效果相似，都表现出耐药性。基于此，作者使用MC38细胞系模拟αPD-1对结直肠癌（CRC）的治疗模型，并根据肿瘤体积将小鼠分为“低响应”组和“有效治疗”组。FMT证实肠道菌群影响ICB疗效。接着，为分析菌群差异，作者对两组小鼠粪便进行宏基因组学和16S rRNA测序，发现约氏乳杆菌组间丰度差异明显，口服可增强MC38肿瘤对αPD-1治疗的应答，增加CD8⁺ T细胞比例，并伴随着效应T细胞因子如干扰素-γ和肿瘤坏死因子的释放。综上，L.johnsonii通过激活肿瘤浸润性CD8⁺ T细胞增加αPD-1免疫治疗的有效性。

L.johnsonii通过色氨酸代谢促进ICB反应性

为了探究这种功能是否是由约氏乳杆菌本身或其代谢物产生的，作者给小鼠注射活的约氏乳杆菌（L.j组）、高温灭活乳杆菌（加热组）、超声破坏乳杆菌（超声组）、原始培养基（MRS组）和约氏乳杆菌的条件培养基（L.j CM组），发现只有Lj. CM组的免疫治疗效果与活的约氏乳杆菌组相当，表明约氏乳杆菌主要是通过分泌代谢物发挥抗肿瘤作用。接着，通过血浆液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，作者确定色氨酸代谢途径，并结合小鼠色氨酸缺乏饮食实验确定色氨酸是约氏乳酸杆菌产生增效免疫治疗的必要条件。

L.johnsonii衍生的IPA通过CD8⁺ T细胞促进ICB反应性

作者通过检测约氏乳杆菌中上调的血浆色氨酸相关代谢物，发现IPA含量增加显著。IPA是一种由肠道菌群产生的吲哚类似物，已被证明在抗氧化、抗癌、抗炎、维持肠道稳态等方面具有一定作用。给予小鼠IPA灌胃，血浆或瘤内IPA水平升高，且αPD-1疗效增强。在Rag1^-/-小鼠模型中（免疫缺陷小鼠：缺乏T、B淋巴细胞），发现单菌或IPA治疗均未能减少肿瘤生长，而用CD8中和抗体（清除T细胞）处理小鼠可逆转约氏乳杆菌和IPA的抗肿瘤作用。因此，作者推测经IPA处理的CD8⁺ T细胞可以维持在活化状态，并通过将预处理的CD8⁺ T细胞或B细胞过继性转移到Rag1^-/-小鼠中证实。综上，约氏乳杆菌衍生的代谢物IPA依赖于CD8⁺ T细胞来促进对ICB治疗的反应性。

IPA通过促进T_pex细胞来维持CD8⁺ T细胞的应答

CD8⁺ T细胞由不同的细胞亚群组成，它们具有不同的功能，并协同调节肿瘤的免疫微环境。为揭示IPA对CD8⁺ T细胞亚群的作用，作者通过对小鼠肿瘤中分选出的CD8⁺ T细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单细胞T细胞受体测序（scTCR-seq）和单细胞分析与高通量测序（scATAC-seq），发现IPA治疗增加了肿瘤中的T_pex细胞和T_eff细胞比例，并且CD8⁺ T细胞在T_pex细胞分化过程中富集。由于Tcf7的表达标志着T_pex细胞的激活，在Tcf7敲除小鼠模型中进一步证实IPA通过增加肿瘤中的T_pex细胞来增强免疫治疗作用。

为进一步研究IPA治疗后CD8⁺ T细胞的分化途径，作者对CD8⁺ T细胞的四个经典亚群进行了轨迹分析，结果显示初始CD8⁺ T细胞发育为T_pex细胞并激活CD8⁺ T细胞和T_eff细胞。综上所述，IPA增加了肿瘤微环境中T_pex细胞的频率，促进其向T_eff细胞分化，从而增强ICB的应答性。

IPA通过修饰Tcf7基因SE区域的H3K27乙酰化来激活T_pex细胞

由于T_pex细胞主要受组蛋白修饰的调控，作者进一步探究IPA是否通过Tcf7基因的组蛋白重塑激活T_pex细胞。通过scRNA-seq、scATAC-seq和scTCR-seq发现IPA处理可能通过增强Tcf7基因在超增强子区域的H3K27ac来激活T_pex细胞。对分选的CD8⁺ T细胞中H3K27ac进行了染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）、核酸酶靶向切割和释放（CUT&RUN）以及靶向剪切及转座酶技术（CUT&Tag）等实验，进一步证实IPA处理增加了Tcf7基因SE的H3K27ac乙酰化。综上所述，IPA通过修饰Tcf7基因SE区H3K27乙酰化来促进CD8⁺ T细胞的干性程序以增强免疫治疗效果。

L.johnsonii约氏乳杆菌与C.sporogenes产孢杆菌协同生产吲哚-3-丙酸

色氨酸可被肠道菌群依次代谢为吲哚-3-丙酮酸（IPYA）、吲哚-3-乳酸（ILA）、吲哚-丙烯酸（IA）和吲哚-3-丙酸（IPA），但约氏乳杆菌如何代谢色氨酸生成IPA尚不清楚。作者通过实验发现约氏乳杆菌培养上清液中无法检测到IPA的产生，但可以检测到其上游产物ILA。这表明约氏乳杆菌只能将色氨酸代谢为ILA，而不能进一步代谢为IA或IPA。给予Abx预处理的MC38小鼠ILA，没有提高αPD-1疗效，也不再升高血浆IPA水平。基于此，作者假设约氏乳杆菌需要与其他共生微生物合作才能产生IPA。

单独给予无菌小鼠约氏乳杆菌仅能产生大量的ILA，而与产孢梭菌联合（可以将ILA转化为IPA）才可以在无菌鼠中产生IPA，这表明约氏乳杆菌产生的ILA需要进一步被产孢梭菌代谢为IPA以提高免疫治疗的效果。对约氏乳杆菌进行全基因组测序，并使用蛋白质基本局部比对搜索工具（BLAST）来搜索与fldH（fldH是来自产孢梭菌的基因，编码将色氨酸转化为ILA的关键酶）相似的序列，确定了ldhA可能是约氏乳杆菌产生ILA所必需的，并在大肠杆菌中进行过表达实验证实约氏乳杆菌依赖ldhA编码ILA产生的酶。

IPA促进泛癌和CRC衍生类器官的ICB反应性

最后，作者在多种小鼠肿瘤模型（乳腺癌皮下瘤、乳腺脂肪垫原位植入模型、MMTV-PyMT自发瘤模型、黑色素瘤皮下移植模型和盲肠原位植入模型）中验证了IPA通过增强T_pex细胞的浸润从而增加对免疫治疗的反应性。此外，为探究IPA是否可以作用于人CD8⁺ T细胞以提高ICB治疗的反应性，作者在类器官水平上验证了IPA对肿瘤免疫治疗的促进作用。综上所述，通过菌群衍生的IPA调节CD8⁺ T细胞的干细胞程序可能是一种有希望的方法，可以增强肿瘤ICB治疗的临床效果。

本文发现L. Johnsonii可以通过增加IPA的合成和增强T_pex细胞活性来提高ICB的治疗效果。约氏乳杆菌与产孢梭菌合作生产的IPA可以调节CD8⁺ T细胞的干细胞程序，并通过增加Tcf7超级增强子区域的H3K27乙酰化，从而促进CD8⁺ T细胞向T_pex细胞的分化。然而，IPA是否可以作为CD8⁺ T细胞干性调节剂用于辅助免疫治疗，还需要进一步研究验证。

总的来说，L. Johnsonii和细菌衍生的IPA可能成为接受个性化癌症免疫治疗患者有效的药物辅助剂。提高IPA的生物利用度以提高肿瘤内浓度，可能为临床上改善免疫治疗效果开辟新策略。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38490195/

撰稿 | 李   瑞

审稿 | 顾韫慧

编辑 | 陈蓦珊

参考文献

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