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2019-07-24浏览量:2569

『公海赌船网址成果展』Akk菌等肠道菌群显著影响肝细胞癌患者免疫治疗的响应程度

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)因恶性程度高,预后差,死亡率高,被列为全球第四大癌症。口服多激酶抑制剂索拉非尼是标准的晚期HCC全身治疗方法,其客观缓解率(objective response rate,ORR)低于5%。近年来,抗PD-1(programmed cell death protein 1,程序性死亡受体1)免疫阻断疗法在肝癌治疗中显示出良好的治疗效果。在两项索拉非尼难治性肝癌的抗PD-1免疫治疗中(多中心二期研究),本治疗方法客观缓解率接近20%,是口服索拉非尼的四倍。然而,影响肝癌抗PD-1免疫治疗响应的因素尚不清楚。

 

近年来,肠道菌群在调节多种肿瘤免疫治疗响应效果中的作用受到越来越多的关注。但关于肠道菌群对肝癌免疫治疗疗效影响的研究尚未见报道。此外,目前研究更多的是关注基线状态,而不是免疫治疗过程中肠道菌群的动态变化。因此,本研究采用深度宏基因组测序的方法,研究肝细胞癌患者接受抗PD-1治疗的过程中肠道菌群的变化特征,鉴定出与治疗响应度密切相关的菌群及其代谢特征,旨在为进一步探究肠道菌群与宿主免疫应答的关系初步奠定理论基础。

 

文献ID

题目:Gut microbiome affects the response to anti-PD-1 immunotherapy in patients with hepatocellular carcinoma

译名:肠道菌群显著影响肝细胞癌患者对抗PD-1免疫治疗的响应程度

发表期刊:《Journal for ImmunoTherapy of Cancer》

发表时间:2019    IF:8.676

通讯作者:方维佳、秦楠

发表单位:浙江大学附属第一医院;公海赌船网址基因研究院

检索:https://doi.org/10.1186/s40425-019-0650-9

 

测序产品及平台

宏基因组测序

BGISEQ-500 RS,PE100

 

研究内容及技术路线

研究对象:本研究中的患者均来自临床研究,入组患者均是巴塞罗那组织学分期鉴定为C期,既往接受过索拉菲尼治疗但仍有病情进展的患者。其他入选标准包括:影像学可测量疾病、主要器官功能正常、ECOG评分为0或1,以及肝功能Child-Pugh评分为A级。

 

患者接受某国产抗PD-1药物(3mg/kg,q3w)治疗直至疾病进展或停止用药。在治疗之前1个月及治疗期间,均不使用抗生素。分别在开始治疗前(基线,Day 0)和每个治疗日当天前后收集1次粪便样本用于宏基因组测序。

 

治疗过程中,患者每6周接受一次影像学评估。其中6个月内完全或部分缓解(CR、PR)、或疾病稳定(SD)的患者被定义为响应者(Responder,R),而疾病进展(PD)或稳定期少于6个月的患者被定义为非响应者(Non-responder,NR)。

 

本研究分别收集R组和NR组患者的动态检测粪便样本并做宏基因组研究。为避免其他因素干扰比较结果,患者的年龄、地域、其他身体指标等因素均保持基本一致,排除任何特殊的饮食、用药习惯。

 

研究成果

1、响应组与未响应组患者治疗过程中的实时肠道菌群特征

整体而言,R组比NR组显示出更高的物种和基因数目(图1a)。而基于Bray-Curtis距离的β-多样性分析显示,R和NR两组菌群结构在治疗早期时间点并没有显著差异,而从第6周开始,R和NR两组之间显示出了显著的组间差异(图1b,图2 a-d)。对每个个体的菌群组成进行动态检测,发现治疗开始前R组和NR组的粪便菌群均以革兰氏阳性的厚壁菌门、革兰氏阴性的拟杆菌门、变形菌门为主,与健康成人的研究结果基本一致,初步推测这些患者在基线状态时并未发生严重的肠道菌群失调。

 

图1 R组和NR组在微生物多样性上的差异。(a)两组的Alpha多样性比较;(b)两组基于bray-cuits距离的Beta多样性比较;(c)两组的菌群组成动态趋势。

 

图2 R组与NR组基于bray-cuits距离的PCoA分析。a-d分别对应图1b中D0、W1、W3、W6四个时间点。

 

在整个观察周期内,R组门水平上的微生物组成虽然有一定波动,但整体保持相对稳定的状态,而在NR组中,观察到变形菌门在第3周开始明显增加,并有持续增加的趋势,在第12周开始占主导地位(图1c)。在种的水平上,这些占主导地位的变形菌门主要是大肠杆菌。进一步研究发现,虽然R组和NR组的菌群差异随着用药时间延长而逐渐变得显著,但对R组和NR组的每个个体而言,其自身的菌群结构仍始终保持相对稳定的个体特征(图3)。

 

图3 每个个体在整个观察周期内的Sankey图(流式图)分析,研究每个个体菌群结构随时间的动态特征规律,显示入组患者菌群始终保持相对稳定的个体特征。

 

2、响应组与未响应组患者的肠道菌群组成及功能差异

对R组和NR组进行LEfSe分析发现20个在R组中富集的物种和15个在NR组中富集的物种(图4a)。在R组富集菌种中,有4种乳酸杆菌(Lactobacillus. orisLactobacillus. mucosaeLactobacillus. gasseriLactobacillus. vaginalis)、1种双歧杆菌(Bifidobacterium dentium,牙列双歧杆菌)和1种链球菌(Streptococcus thermophilus,嗜热链球菌)是具有潜在益生作用的产乳酸菌(Lactic acid bacteria),它们通过抑制病原微生物的生长和伴随的毒力因子,来增强宿主的代谢和免疫水平。之前曾有研究表明,口服双歧杆菌可提高PD-L1特异性抗体治疗的肿瘤调控效果。除此之外,Coprococcus comesBacteroides cellulosilyticusSubdoligranulum sp等在R组中富集的细菌也具有降解膳食纤维、参与短链脂肪酸合成的有益代谢功能。

 

R组的富集菌还包括1种毛螺菌科细菌(Lachnospiraceae bacterium 7_1_58FAA) 及2种瘤胃球菌(Ruminococcus obeumRuminococcus bromii),以及嗜粘蛋白艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)。有文献表明, 嗜粘蛋白艾克曼菌A.muciniphila和瘤胃球菌能够维持正常肠道通透性,调节全身免疫,从而有益宿主健康。之前曾有文献发现,在抗PD-1免疫治疗的黑色素瘤患者中,瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)相对丰度显著增高,而在2018年发表于Science杂志的一项研究中,作者发现口服补充A. muciniphila有利于提高MCA 205肉瘤和RET黑色素瘤小鼠模型对PD-1免疫治疗的响应度。研究进一步用SparCC算法研究了R组和NR组中分别富集的物种之间的相关性(图4b),发现R组中富集物种之间的关联显著程度均高于NR组,其中4个乳酸菌之间的相关性最强,说明它们之间可能有着比较密切的代谢互作。

 

图4 R和NR组中分别富集的菌种及其代谢功能。(a)LEfSe分析鉴定出分别在R组(红色)和NR组(蓝色)里富集的菌种;(b)SparCC分析R组和NR组中分别富集的物种之间的相关性;(c)R组富集物种的功能基因簇展示。

 

通过对R组中富集物种的功能基因簇研究,作者共鉴定出189个KOs在R中富集(Kruskal-Wallis rank sum test,P<0.05)。其中123个富集KOs与18个富集物种之间存在显著正相关(Spearman’s correlation, rho>0.5) (图4c)。

 

其中,纤维二糖转运系统(ko02010)与B. dentium显著相关;果胶裂解酶(K01732,可能参与果胶的代谢)与A. muciniphila有关,纤维素和果胶均为膳食纤维,有潜在的抗炎作用,从而维持宿主的免疫功能。

 

甲烷合成途径(ko00680)与4种乳酸菌和R. obeum相关,据报道,宿主肠道中产生的甲烷可能具有改善氧化应激损伤,抑制机体炎症反应的作用。

 

其他具有潜在益处的途径还包括与R. obeum相关的硫酸盐还原途径(ko00920)和碳固定途径(ko00720),与B. cellulosilyticusA. colihominis相关的类胡萝卜素生物合成途径(ko00906),与C. comes相关的不饱和脂肪酸代谢途径(ko00590)等。这些发现进一步提示了肠道菌群影响肝癌患者抗PD-1免疫治疗疗效的可能途径,为未来进一步深入研究其潜在机制打下了基础。

 

3、研究亮点和未来方向

1. 本研究首次关注了肠道菌群与肝细胞癌抗PD-1治疗响应度之间的关系,发现了响应者和非响应者在治疗早期的菌群动态特征差异,该发现提示,菌群可能作为一种预测免疫疗法效果的生物标记物,具有一定的早期诊断价值。

2. 相关菌种和代谢途径的研究进一步发现了R组富集的细菌种类,以及这些细菌可能参与的有益代谢途径,提示了肠道菌群参与免疫调节、优化治疗效果的潜在机制,可能为未来肝癌的治疗提供调控策略。

3. 本研究以患者的动态检测数据为依据,不囿于原先的基线状态研究,为未来的研究方向拓宽了思路,鼓舞了我们及合作者在未来的研究中,进一步使用多组学、多维度相结合的方法,深挖机制,获得更多更全面的研究成果。

 

合作科学家介绍

 

方维佳教授

现就职于浙江大学医学院附属第一医院肿瘤内科,香港大学和美国印第安纳大学访问学者,担任中国临床肿瘤学会肝癌专家委员会常委,中国临床肿瘤学会胆道肿瘤专家委员会常委,中国临床肿瘤学会理事等多种学术兼职。带领团队致力于发展多学科综合诊治平台上的肿瘤内科个体化精准治疗。

 

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