靶向PD-1的Pembrolizumab已被批准作为微卫星不稳定型（MSI）结直肠癌（CRC）患者的一线疗法，然而，85%的CRC患者为微卫星稳定型（MSS），这类患者通常对免疫检查点阻断疗法（ICB）具有抗性【1, 2】。已有研究表明来自对ICB治疗有反应患者的粪便微生物群移植物（FMT）可逆转黑色素瘤患者对ICB的耐药性【3】，提示肠道微生物组成在不同类型癌症的ICB反应中的潜在作用。具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum, Fn）是一种革兰氏阴性厌氧菌，被认为是CRC的致病菌，一项包含1041名CRC患者的研究表明，Fn丰度与MSI CRC中的肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）呈负相关，但与MSS CRC中的TIL呈正相关，表明Fn对CRC肿瘤免疫微环境（TIME）的不同影响取决于微卫星状态【4】。此外，Fn是否以及如何在MSS CRC中调节ICB治疗反应在很大程度上未知。近日，来自中山大学的于君教授团队在Cancer Cell杂志上发表了一篇题为Fusobacterium nucleatum facilitates anti-PD-1 therapy in microsatellite stable colorectal cancer的文章，他们证明MSS CRC患者中Fn丰度与PD-1表达呈负相关，在MSS CRC人源化小鼠模型中，Fn可通过抑制TIME内的CD8+ T细胞耗竭来增强抗PD-1治疗效果。就机制而言，Fn衍生代谢物丁酸作为组蛋白脱乙酰酶（HDAC）抑制剂，可诱导Tbx21启动子处的H3K27ac，进而激活TBX21信号传导以抑制PD-1表达和CD8+ TIL耗竭，若敲除Fn中与负责合成丁酸的基因则能消除其抗PD-1作用。此外，他们还发现在MSS CRC患者中，高瘤内Fn预示着对抗PD-1治疗的良好反应，提示Fn作为MSS CRC免疫治疗反应的潜在生物标志物。为了解Fn在调节MSS CRC患者抗PD-1疗效中的作用，该团队招募了25名接受抗PD-1治疗的MSS CRC患者并测定治疗前粪便或瘤内Fn丰度，发现Fn丰度与接受抗PD-1治疗的MSS CRC患者的无进展生存期和总生存期呈正相关，且接受高丰度Fn FMT的CRC小鼠模型对抗PD-1治疗有显著反应，表现为肿瘤体积/重量减轻，CD8+TIL的PD-1表达降低伴随TNFα、GZMB和IFNγ表达增加。为确认Fn如何增强抗PD-1功效，他们将CT26（小鼠结肠癌细胞）同种异体移植的CRC小鼠随机分组后用Fn条件培养基（CM）、UA159（变形链球菌菌株对照）CM灌胃，并用抗PD-1单抗或对照IgG治疗后，仅在Fn CM+抗PD-1治疗组观察到肿瘤生长受限、CD8+TIL活性增强等表型，提示Fn的分泌蛋白足以增强抗PD-1功效。为了确认Fn CM中的活性成分，他们利用非靶向代谢组学分析小鼠粪便样本，发现丁酸、乙酸、丙酸和戊酸等短链脂肪酸在Fn CM和Fn灌胃无菌小鼠的粪便中富集，体外共培养后只有丁酸能降低CD8+T细胞的PD-1表达水平，同时以剂量依赖性方式诱导CD8+T细胞中的TNFα、GZMB和IFNγ。为进一步证实丁酸的重要性，他们构建了丁酸合成必不可少的烯酰辅酶A水合酶突变的Fn菌株，与WT Fn CM相比，突变Fn CM减少PD1+CD8+T细胞的效果明显较差，且未能诱导TNFα、GZMB和IFNγ高表达。此外，丁酸还能增强MSS CRC患者来源的类器官与自体CD8+T细胞共培养时的抗PD-1功效，表明Fn对CD8+T细胞的增强功能依赖于丁酸的产生。为了确定Fn抑制PD-1表达的分子机制，他们对Fn CM、突变Fn CM和空白培养基处理的CD8+T细胞进行RNA-seq分析，发现Fn CM显着改变了CD8+T细胞中的基因表达谱，除了Gzmb、Gzmc、Ifng和Tnf等上调外，活化T细胞中表达的关键转录因子Tbx21也在Fn CM组中特异性上调。考虑到Tbx21对于T细胞激活至关重要，他们敲除了CD8+T细胞中的Tbx21，Fn CM或丁酸对PD-1表达的抑制作用也立即被消除。为进一步了解丁酸对Tbx21的作用机制，他们用FITC标记的示踪剂追踪丁酸定位，发现其积累在细胞核中，已知丁酸可以通过阻断组蛋白脱乙酰酶（HDAC）来调节信号传导【5】，他们通过活性测定证实Fn CM或丁酸可下调HDAC活性，若用HDAC泛抑制剂或HDACI类、II类、III类和IV类特异性抑制剂处理CD8+T细胞，仅泛HDAC或I类抑制剂可抑制PD-1表达，其中，HDAC3i RGFP966或HDAC8i PCI-3405l能以剂量依赖性地减少PD-1+CD8+T细胞。此外，他们还通过ChIP-qPCR分析证明Fn CM和丁酸均能增加Tbx21启动子处的H3K27ac以提高TBX21表达。综上所述，这项工作揭示了Fn及其代谢物丁酸如何增强MSS CRC的抗PD-1疗效，因此，MSS CRC中的高Fn丰度可能预示着对抗PD-1治疗的良好反应，提高结肠丁酸可能是改善MSS CRC患者抗PD-1免疫治疗临床反应的潜在策略。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ccell.2024.08.019
制版人：十一
1. Overman, M.J., Lonardi, S., Wong, K.Y.M., Lenz, H.-J., Gelsomino, F., Aglietta, M., Morse, M.A., Van Cutsem, E., McDermott, R., Hill, A., et al. (2018). Durable clinical benefit with nivolumab plus ipilimumab in DNA mismatch repair-deficient/microsatellite instability-high metastatic colorectal cancer. J. Clin. Oncol. 36, 773–779.2. Casak, S.J., Marcus, L., Fashoyin-Aje, L., Mushti, S.L., Cheng, J., Shen, Y.L., Pierce, W.F., Her, L., Goldberg, K.B., Theoret, M.R., et al. (2021). FDA approval summary: pembrolizumab for the first-line treatment of patients with MSI-H/dMMR advanced unresectable or metastatic colorectal carcinoma. Clin. Cancer Res. 27, 4680–4684.3. Davar, D., Dzutsev, A.K., McCulloch, J.A., Rodrigues, R.R., Chauvin, J.-M., Morrison, R.M., Deblasio, R.N., Menna, C., Ding, Q., Pagliano, O., et al. (2021). Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti–PD-1 therapy in melanoma patients. Science 371, 595–602.4. Hamada, T., Zhang, X., Mima, K., Bullman, S., Sukawa, Y., Nowak, J.A., Kosumi, K., Masugi, Y., Twombly, T.S., Cao, Y., et al. (2018). Fusobacterium nucleatum in colorectal cancer relates to immune response differentially by tumor microsatellite instability status. Cancer Immunol. Res. 6, 1327–1336.5. Liu, H., Wang, J., He, T., Becker, S., Zhang, G., Li, D., and Ma, X. (2018). Butyrate: a double-edged sword for health? Adv. Nutr. 9, 21–29.BioART战略合作伙伴
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