1
你好，我是王立铭。2023年9月6日，第55期《巡山报告》又和你见面了。
本期报告的主题是最近二十年以来大红大紫的两个生物医学概念--肠道菌群和癌症免疫疗法。
所谓“肠道菌群”（gut microbiota），是更广义的人体共生菌群的一部分，也是其中数量和多样性最高、功能最重要的一部分，因此两个概念在很大程度上可以相互替代。在人体各个器官，比如皮肤、生殖器、口腔以及肠道内部，寄生着大量细菌，种类可能多达1000种，数量更是可能高达100万亿个，超过了人体细胞的总数 [1]。近年来人们越来越认识到，人体共生菌作为一个整体，在人体健康和疾病中有深刻和广泛的参与。在免疫系统疾病、代谢系统疾病、神经系统疾病、肿瘤和心血管疾病中，我们都能看到人体共生菌发生了系统性的变化，起到了意想不到的正向或负向作用。基于这些发现，我们甚至可以把共生菌看成是维护人体活动至关重要的一个外部器官。
所谓“癌症免疫疗法”（cancer immunotherapy），则是半个多世纪以来癌症治疗领域最具突破性的进展。它的基本逻辑是，人体细胞发生基因变异成为癌细胞、获得不受控制的生长繁殖能力后，绝大多数会被人体免疫系统识别和杀伤，并不会发展成为癌症。因此，成功获得生长优势的癌细胞往往需要释放特定信号，给免疫系统“踩刹车”，抑制免疫系统的识别和杀伤。这类免疫系统的刹车被称为“免疫检查点”（immune checkpoint）。基于这一原理，研究者可以针对这些免疫检查点开发药物，阻止癌细胞对免疫功能踩刹车，从而重新唤起免疫系统的机能，杀伤癌细胞。比如，PD-1/PD-L1就是一对免疫检查点，癌细胞可以通过表达PD-L1，结合T细胞表面的PD-1，抑制T细胞的杀伤功能。而靶向PD-1的药物（如Nivolumab和Pembrolizumab）和靶向PD-L1的药物（如Atezolizumab和Durvalumab），都已经被证明在多种癌症类型中起效 [2]。
单单这么描述的话，两个概念之间似乎没有什么明确的关联。但是在2015年，研究者首次在小鼠模型中证明，肿瘤免疫药物的作用同样需要共生菌群的存在。在无菌培养的小鼠中，或者利用抗生素消灭小鼠的肠道菌群，癌症免疫药物就失去了疗效 [3][4]。到了2018年，研究者进一步在人体中确认：黑色素瘤患者中，人体对癌症免疫药物的反应程度也和共生菌群的特征有关 [5][6]。和小鼠的发现类似，使用抗生素会降低癌症患者对癌症免疫药物的响应 [7]。
这种关联从逻辑上倒是不难理解：共生菌群已经被证明可以调节人体免疫系统的正常发育和功能行使，而癌症免疫疗法的作用显然会受到人体免疫系统功能状态的影响。但是，其中具体的机制一直不为人所知。
研究者已经在尝试，通过肠道菌群移植的方法来提高癌症免疫疗法的成功率，比如将对癌症免疫药物有良好响应的患者的肠道菌群移植到其他患者体内，也确实见到了一些积极的信号 [8]。但很显然，这种方法过于繁琐和粗糙，安全性也存在一些隐患，可能将某些致病菌或耐药菌移植进入患者体内。
一个更精确的办法是，深入理解共生菌群的哪些组分、通过什么生物学机制、影响了哪些免疫细胞的什么功能，从而影响了癌症免疫药物的疗效。基于这些理解，我们也许可以开发有针对性的药物，绕过肠道菌群的操纵，直接提升癌症免疫药物的功效。
肠道共生菌可通过免疫检查点-PD-L2/RGMb影响肿瘤免疫药物的药效
2023年5月11日，发表在《自然》杂志的一篇论文向着这个方向迈出了重要一步。哈佛大学医学院的三个科学家团队，包括癌症免疫疗法的先驱Gordon Freeman和Arlene Sharpe实验室，以及肠道菌群研究的先驱Dennis Kasper实验室，合作完成了这项研究 [9]。研究者发现，共生菌群可能影响了和PD-L1/PD-1存在竞争关系的另一对免疫检查点——PD-L2/RGMb，从而影响了肿瘤免疫药物的药效。而这当然也立刻提示了全新的肿瘤治疗方法。
接下来，我详细说一下这项研究的内容。
首先，研究者们验证了，在小鼠模型中，肠道菌群确实会影响肿瘤免疫疗法的有效性。在小鼠体内接种结肠癌细胞MC38，这些癌细胞能够快速生长成瘤。这是一种常用的、已知能够响应癌症免疫药物的肿瘤模型。研究者发现，无菌培养的小鼠或利用抗生素消灭肠道菌群的小鼠，则失去了对PD-L1抗体药物的响应，肿瘤会持续快速增大；而将来自健康人或者健康小鼠的肠道菌群移植到这些小鼠体内，PD-L1抗体药物的药效又得到了完全的恢复。相应的，研究者也发现，上面这些有正常肠道菌群的小鼠体内，免疫系统的功能更为活跃。这就说明，刚才说到的之前的研究工作是可靠的：肠道菌群的缺失确实会大大抑制免疫活动，影响癌症免疫药物的疗效。
研究者试图理解这种抑制作用是如何实现的。他们发现，缺乏肠道菌群的小鼠体内，一个免疫检查点分子——PD-L2——的表达量升高了。考虑到免疫检查点分子的作用是抑制免疫机能，研究者自然会想到，也许就是PD-L2的异常升高，让这些无菌小鼠的免疫机能被压制，失去了对癌症免疫药物的反应。果然，研究者发现，如果在使用PD-L1抗体药物抗癌的同时，加上一个PD-L2抗体药物，肿瘤杀伤作用就会变得非常明显，即便在无菌小鼠中也是如此。而且，这一现象还在多种小鼠肿瘤模型中得到了验证。
为了进一步证明这个发现的临床意义，研究者们还把几位对癌症免疫药物没有响应的人类患者的肠道菌群移植到了无菌小鼠体内，结果发现，这些小鼠也同样对PD-L1抗体药物没有响应，但加上一个PD-L2抗体药物之后，就有了明显的抗癌效果。
如果无菌小鼠是因为过多的免疫检查点分子PD-L2，导致了免疫功能的抑制和抗癌效果的消失，那么在拥有正常肠道菌群的小鼠中，又是什么因素把PD-L2降低到了正常水平呢？研究者用不同的抗生素处理小鼠，再用16S RNA测序和单细菌培养的方法追踪小鼠肠道菌群的变化，最终聚焦到一种特殊的细菌类型——粪芽孢杆菌（Coprobacillus cateniformis）。这类细菌被消灭，小鼠就失去了对癌症免疫药物的响应；而只要给无菌小鼠移植这么一种细菌，癌症免疫药物就又可以成功杀伤肿瘤了。
粪芽孢杆菌是癌症免疫疗法起效的关键。粪芽孢杆菌又是如何起作用的呢？这里要稍微补充一点免疫学的背景知识。
简单来说，肠道细菌作为一种来自人体之外的物质，本身也是人体免疫系统识别的对象。特别是一类特殊的免疫细胞——树突状细胞，能够高效的吞噬细菌，将细菌粉碎，并提取其中的物质，比如细菌特有的蛋白质和糖分子，展示在自己的表面，用于训练和激活有杀伤能力的T细胞，对外来细菌进行追踪和杀伤。这个过程也被称为“抗原递呈”。因此，树突状细胞天然就成了肠道菌群和人体免疫系统之间的中介和桥梁。而与此同时，人们早已知道，PD-L2在树突状细胞中有特异表达 [10]。因此，一个自然的推测就是，粪芽孢杆菌是通过直接作用于树突状细胞，抑制其表达PD-L2，起到重新激活免疫系统的作用的。
顺着这个思路，研究者果然发现，在无菌小鼠中，PD-L2在树突状细胞有异常的表达升高。换句话说，粪芽孢杆菌确实可以直接抑制树突状细胞中PD-L2的表达，刺激树突状细胞的活动，增强癌症免疫药物的效果。更进一步的，研究者还在体外培养树突状细胞，并做了小鼠移植，来直接观察树突状细胞的治疗作用。他们发现，如果在培养皿里用粪芽孢杆菌的提取物直接刺激树突状细胞，或者直接在树突状细胞中敲除PD-L2基因的表达，再把这些细胞移植到无菌小鼠中，那么即便是无菌小鼠，也能对癌症免疫药物有很好的响应。相反，如果在树突状细胞中强制表达高水平的PD-L2，那么粪芽孢杆菌的治疗作用就失效了。这些实验很好的证明了，在肠道菌群和癌症免疫治疗的关系中，树突状细胞和PD-L2起到了枢纽作用：肠道细菌，比如粪芽孢杆菌，可以直接抑制树突状细胞内部的PD-L2，唤醒树突状细胞的功能，让癌症免疫药物得以起效。
到这里，治疗癌症的一个新思路就呼之欲出了：对于那些对癌症免疫药物没有反应的癌症患者来说，如何唤醒他们体内的树突状细胞就成了核心。直接使用粪芽孢杆菌移植是一个自然的思路；而更精细的看，使用粪芽孢杆菌的提取物作为药物可能更安全可控。另一个思路则是，在实验室培养功能更活跃的树突状细胞，再移植到患者体内，比如用粪芽孢杆菌提取物刺激树突状细胞，或者干脆直接敲除这些细胞中的PD-L2基因。这些方法也许可以让更多的癌症患者响应癌症免疫药物，更好地抑制肿瘤生长。但是研究者们并没有就此停步，他们试图追问的下一个问题是：为什么是PD-L2？以及围绕PD-L2，是不是可以做更多的文章？
这里，我们又要暂时停下，回顾一下PD-L2是个什么样的分子。
我们刚刚简单介绍了PD-L1。作为最著名的免疫检查点分子，PD-L1在正常条件下主要在胎盘组织中高表达，保护胚胎免受母亲免疫系统的攻击。要知道，对于母亲来说，携带父亲遗传信息的胎儿也是不折不扣的外来物质 [11]。这个作用机制被肿瘤细胞“借用”，用于保护自己免受免疫系统攻击，得以不受控制的生长和繁殖。具体而言，PD-L1可以和免疫细胞表面的PD-1分子结合，给免疫细胞踩刹车。PD-L2的功能和PD-L1非常类似。它在2001年被首次报道，发现者正是本次研究的主角之一——Gordon Freeman和Arlene Sharpe夫妇 [12]，而且PD-L2也能结合PD-1并抑制免疫系统的功能 [13]。换句话说，肿瘤细胞可以通过两只脚（PD-L1和PD-L2）踩同一个刹车板（PD-1），给免疫系统踩刹车。这也就不奇怪，为什么人们会观察到，PD-L1/L2都高表达的肿瘤更危险，预后效果更差了 [14]。
那么，肠道菌群是不是基于同样的原因影响了癌症免疫药物的作用呢？看起来不是。因为研究者们还发现，如果同时使用靶向PD-1和PD-L2的药物，抗癌效果就要超过单独使用PD-1药物。要知道，根据刚才的讨论，PD-L1和L2这两只脚都是通过PD-1这一个刹车板起作用的，既然如此，只要把PD-1这个刹车板拆了，按理说就能实现理想的药效才对。为什么现在会有效果差异呢？
研究者们想到，既往研究还发现，除了PD-1，PD-L2还有另外一个作用目标，叫作RGMb [15]。这个RGMb蛋白的表达比较广泛，神经系统、免疫系统、上皮细胞均有表达。PD-L2结合TGMb，也能起到给免疫活动踩刹车的作用。研究者们证明，单纯阻断PD-L2和RGMb的结合，就足以重新激活无菌小鼠的免疫系统，让肿瘤免疫药物起作用；而敲除免疫细胞中的RGMb，或直接设计抗体药物干扰RGMb的功能，也能起到类似的效果。
说到这里，更多的潜在治疗方式就呼之欲出了。既然树突状细胞是通过PD-L2/RGMb这一对组合抑制免疫机能的，那么破坏两者的相互作用，或者直接干扰T细胞的RGMb功能，也都应该可以让患者对癌症免疫药物有更好的响应，更好地杀伤肿瘤。
这项新研究的内容就基本介绍完了。在我看来，这是人们第一次在肠道菌群和癌症免疫疗法之间建立可信的联系。在此之前，虽然各种证据指向两者之间的关联，但这种关联的因果关系总是显得比较松散和可疑。
对癌症免疫药物有响应和没有响应的两群患者，固然存在肠道菌群的显著差异，但这种差异在多大程度上是药物响应的原因却存在疑问。例如，人们完全可以争论说，是两群患者天生的遗传差异，或者是肿瘤本身条件的差异，导致了肠道菌群的差异。菌群移植实验固然在一定程度上说明，“好”菌群能够恢复患者对药物的响应，但鉴于菌群移植手段非常粗糙，我们很难明确知道是不是肠道菌群本身，以及到底是哪些细菌的什么特征，影响了癌症免疫疗法的效用。
而这项新研究用可靠的数据证明，起码在小鼠肿瘤模型中，肠道菌群对癌症免疫疗法的影响是非常具体和特异的，主要通过影响树突状细胞的功能来实现。更具体来说，特定的肠道细菌，比如粪芽孢杆菌，能够降低树突状细胞中的免疫检查点PD-L2，进而释放T细胞中免疫检查点RGMb的抑制作用，唤醒免疫系统，让癌症免疫药物更好地起效。当然，我们必须认识到，考虑到肠道菌群和免疫系统的复杂性，很难想象菌群的作用是如此单一和线性的：其他种类的细菌通过其他的免疫检查点来实现类似效果，也是完全有可能的。但无论如何，人们现在拥有了一套抓手可以开发新药，和已有的癌症免疫药物配合使用，造福癌症患者。就像刚才说的，直接使用粪芽孢杆菌移植、利用粪芽孢杆菌刺激树突状细胞、对树突状细胞进行体外培养刺激和输入、针对PD-L2和RGMb设计药物，都是可能的选择。
最后，值得一提的是：
作为半个世纪以来癌症治疗领域影响最深远的革命，癌症免疫疗法的价值毋庸置疑，也实实在在拯救了大量传统疗法无效的患者。但它面临的一大困境是，不管在哪种肿瘤类型中，都只有大致15%-20%的患者能够有效和持续地响应 [16]。如何有效的预测药物响应以避免无效用药，以及如何提高患者对药物的响应比例，是这个领域面临的最大挑战。从肠道菌群入手是重要的思路，但绝不是唯一的可能。将癌症免疫药物和传统化疗、放疗、靶向药物联合使用，利用细胞因子药物进一步活化患者的免疫系统，发掘肿瘤新抗原，以更好的训练人体免疫系统，都是正在被积极尝试探索的思路 [17]。
我们期待有朝一日，能将所有的“冷”肿瘤变成对癌症免疫药物的“热”肿瘤，让所有癌症患者都享受到革命性疗法的福音。
1. https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(03)12489-0/fulltext
2. https://www.nature.com/articles/s41571-022-00600-w
3. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aac4255
4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad1329
5. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aan4236
6. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aao3290
7. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aan3706
8. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb5920
9. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06026-3
10. https://rupress.org/jem/article/193/7/839/25946/B7-Dc-a-New-Dendritic-Cell-Molecule-with-Potent
11. https://journals.lww.com/intjgynpathology/abstract/2017/03000/pd_l1_expression_in_human_placentas_and.7.aspx
12. https://www.nature.com/articles/ni0301_261
13. https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0601347103
14. https://jitc.bmj.com/content/7/1/233
15. https://rupress.org/jem/article/211/5/943/41691/RGMb-is-a-novel-binding-partner-for-PD-L2-and-its
16. https://jamanetwork.com/journals/jamanetworkopen/fullarticle/2732329
17. https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abo3605
好，这就是本月的《巡山报告》。一个月后，我再次为你巡山。
END
狗仔卡
发表于 2023-9-10 03:58 PM
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡