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项目文章Cell Metab | 上交大陈豪燕等团队揭示肠道菌群-代谢物互作调控泛癌PD-1/PD-L1免疫治疗响应

2025-02-13

中科新生命

免疫检查点阻断（ICB）疗法通过靶向免疫检查点蛋白激活抗肿瘤免疫，但患者响应率仅为20%-40%。研究表明，肠道微生物及其代谢产物显著影响ICB疗效。不同肠型具有特定的微生物组成和代谢特征，尽管已有研究揭示了ICB反应相关肠型，但其代谢特征与宿主免疫反应的具体机制仍待阐明。

2025年2月，上海交通大学医学院附属仁济医院陈豪燕/肖秀英课题组、苏州大学第一附属医院何宋兵、江苏省肿瘤医院沈波等人在Cell Metabolism（IF27.7）杂志在线发表了题为“Interplay between gut microbial communities and metabolites modulates pan-cancer immunotherapy responses” 的研究论文，揭示了肠道菌群与代谢物互作调控泛癌免疫治疗响应的新机制。研究通过多组学分析鉴定出五种与抗PD-1/PD-L1治疗响应密切相关的肠型，发现菌群代谢产物苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）可抑制T细胞活性，影响免疫治疗效果。此外，研究证实肠道菌群移植（FMT）可重塑耐药患者的肠道微生态，恢复其对PD-1单抗的治疗响应，为克服免疫治疗耐药提供了新策略。中科新生命为该研究提供了H650医学高通量靶向代谢组检测服务。

研究材料

人粪便样本、模型小鼠

研究步骤

图1 实验设计方案

步骤1：对303例接受抗PD-1/PD-L1治疗的癌症患者（队列1：n=165；队列2：n=138）进行粪便样本宏基因组和高通量靶向代谢组检测；

步骤2：整合公共数据，并构建预测模型；

步骤3：基于肠道微生物组数据鉴定ICB治疗相关肠型，并分析其代谢特征；

步骤4：利用KEGG数据库注释功能模块，解析不同肠型的功能差异；

步骤5：通过小鼠模型验证关键代谢物PAGln对ICB疗效的调控作用。

研究结果

1. 与抗PD-1/PD-L1治疗响应相关的微生物和代谢物

宏基因组分析显示，治疗响应者（Rs）与非响应者（NRs）的β多样性存在显著差异。共鉴定出11个与治疗响应正相关的菌属，74个相关菌种（20个促进响应，8个抑制响应）（图2A-C）。高通量靶向代谢组结果也显示Rs和NRs存在明显差异。16种与响应呈正相关的代谢物，5种与响应呈负相关的代谢物（图2D-E）。排除抗生素影响的相关性分析表明，Rs中增加的菌群与代谢物呈正相关，而NRs中增加的菌群与Rs相关代谢物呈负相关（图2F）。

图2 队列1中Rs和NRs的肠道菌群及代谢物差异分析

2. 构建抗PD-1/PD-L1治疗响应预测模型

整合四个已发表抗PD-1治疗队列（n=568）和队列1（n=165）数据，共733个样本。采用随机森林（RF）算法结合迭代特征消除（IFE）构建预测模型，并在队列2（n=138）中验证。结果显示，菌群-代谢物整合模型的预测性能最优（AUC=0.87），显著优于单一组学模型（图3）。

图3 机器学习构建预测模型及准确性评估

3. 抗PD-1/PD-L1治疗响应及预后相关肠型鉴定

基于733个样本的分区围绕中位数（PAM）聚类分析，鉴定出5种具有显著α多样性差异的肠型：Ruminococcus (肠型1, E_Rumin)、 Escherichia (肠型2, E_Esch)、Bacteroides (肠型3, E_Bact)、Clostridium (肠型4, E_Clos)和 Prevotella (肠型5, E_Prev)，每种肠型特有属的丰度都存在差异（图4A-H）。其中，E_Rumin和E_Bact肠型患者表现出更高的治疗响应率和更长的无进展生存期（PFS）（图4I-K）。通过小鼠模型和临床队列验证，发现粪便微生物群移植（FMT）可诱导响应相关肠型。在两个黑色素瘤队列中，接受Rs供体FMT的难治性患者中，E_Rumin/E_Bact肠型患者较其他肠型患者表现出显著更高的反应率（图4L）。

图4 整合宏基因组学数据鉴别肠型

4. 不同肠型的微生物功能模块及代谢特征分析

确定每种肠型特有的功能丰度模块，为解析肠型间微生物群落功能差异提供了依据，并比较了队列1中不同肠型的代谢特征（图5A-B）。发现，肠型1：苯胺-2-磺酸盐、天冬酰胺、牛磺酸及核苷酸类似物浓度较高；肠型2：PAGln和4-乙酰氨基丁酸浓度较高，其中高丰度的Klebsiella pneumoniae可能与PAGln的产生有关；肠型2和5： γ-氨基丁酸（GABA）和嘌呤浓度较高；肠型5：纤维二糖、S-腺苷甲硫氨酸和肌肽浓度较高；肠型3：核糖酸和草酸浓度较高；肠型4：多种有机酸及其衍生物浓度较高。这些代谢特征为阐明肠型与宿主代谢之间的关系提供了重要线索。

图5 不同肠型的功能和代谢情况

5. 肠型间微生物与代谢物相互作用的生物学机制

肠型1：丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代谢（map00250）和组氨酸代谢（map00340）高度激活，可促进天冬酰胺生成，其高丰度的9种菌群相关KO基因也显著上调；肠型2：苯丙氨酸代谢（map00360）、谷氨酸代谢（map00250）和GABA分流（M00027）被激活，参与PAGln和GABA代谢，其高丰度的5种菌群中7个KO基因与PAGln代谢相关；肠型4：产甲烷途径上调，14个相关KO基因丰度增加，主要归因于优势菌Methanobrevibactersmithii（图6）。表明，每种肠型都具有独特的菌群组成和代谢特征，这些特征可作为生物标志物，用于预测患者对免疫治疗的响应。

图6 个体肠型中微生物与代谢物的互作机制

6. PAGln减弱抗PD-1治疗效果的体内验证

作者想探究PAGln是否会降低体内抗PD-1治疗效果。对肿瘤小鼠分别进行抗 PD-1治疗及抗PD-1联合PAGln注射治疗。结果显示，联合PAGln治疗的小鼠，其肿瘤体积与重量显著增加，且血清中PAGln浓度更高（图7A-D）。与抗PD-1治疗组相比，联合治疗组小鼠有效CD8⁺T细胞比例更低、耗竭 CD8⁺T细胞比率更高，免疫刺激反应下降，CD8⁺T细胞浸润减少（图7E- M）。该实验证明PAGln在免疫治疗中存在潜在不利影响。