Science 丨大海捞针，小小致病菌也可成为抗癌的“最强辅助”

原创咸姐 BioArt

撰文 | 咸姐

责编 | 酶美

癌症免疫疗法利用患者的免疫系统来阻止肿瘤生长，并已证明对各种实体肿瘤和血液肿瘤具有临床疗效，尤其是针对免疫检查点抑制蛋白（如CTLA-4、PD-1和PD-L1）的抗体已被批准用于治疗许多人类癌症。然而，患者对免疫检查点抑制剂的反应却各有不同【1, 2】。研究证实，检查点阻断的成功依赖于许多因素，包括肿瘤的突变负荷、成功的肿瘤抗原呈递、淋巴细胞的募集和浸润以及肿瘤微环境中的信号等等。近年来，人们已经证明肠道菌群是抗CTLA4、抗PD-1和抗PD-L1癌症免疫疗法疗效相关的有效因素，微生物群在增强癌症免疫治疗反应中的作用已成为研究的主要焦点。

基于病人或临床前动物模型的实验均表明，特定微生物种类的存在与肿瘤对检查点阻断剂的反应性相关。关于微生物群在免疫治疗中的辅助作用的最有说服力的证据之一来自最近的一项临床研究，该研究表明，对PD-1免疫检查点治疗有反应的黑色素瘤患者的粪便微生物群移植可以改善PD-1抑制剂对原先对治疗无效的黑色素瘤患者的疗效【3】。毫无疑问，了解微生物群在改善免疫检查点治疗反应中的作用机制是我们能够利用它们进行靶向辅助治疗的关键。然而微生物群庞大的多样性，注定了确定这背后的机制是一个巨大的挑战。迄今为止确定的相关微生物或途径也各不相同，犹如大海捞针，好坏参半的微生物群，我们以为的致病菌就真的罪不可赦吗？不可否认，我们对参与免疫调节的微生物的认识尚浅，对其分子机制更是所知甚少。

近日，来自美国洛克菲勒大学的Howard C. Hang团队在Science上在线发表题为Enterococcus peptidoglycan remodeling promotes checkpoint inhibitor cancer immunotherapy 的研究，利用小鼠肿瘤模型，发现肠球菌属可以改善检查点抑制剂的免疫治疗疗效，揭示了其作用机制——活性肠球菌表达并分泌产生免疫活性胞壁肽的NlpC/p60肽聚糖水解酶SagA及其同源物，通过肽聚糖传感器NOD2促进免疫治疗反应。由此提出具有特殊肽聚糖重塑活性的微生物群和基于胞壁肽的疗法可能增强癌症免疫治疗，并可作为下一代佐剂。

肠球菌为革兰阳性（G+）球菌，广泛分布于自然环境及人和动物消化道内。20世纪80年代以来，肠球菌严重感染的发生率和病死率明显升高，并且由于肠球菌的固有耐药和获得性耐药使许多常用抗菌药物在治疗肠球菌感染时失败。然而，故事在此出现了转折。有研究表明，对以PD-1为靶点的免疫疗法治疗有反应性的患者中富集肠球菌属细菌。此外，肠球菌也被发现可以触发免疫信号通路，调节感染、自身免疫和移植物抗宿主病。那么特定肠球菌种和菌株是否能够改善对检查点抑制剂免疫治疗的反应，从而一雪前耻呢？

给予用广谱抗生素“鸡尾酒”预处理2周后的小鼠口服不同种类的肠球菌，同时皮下植入B16-F10黑色素瘤细胞，并给予抗PD-L1治疗（图1）。研究人员发现，当无治疗干预时屎肠球菌（E. faecium，Efm）的给予并不会改变肿瘤生长，但是当进行抗PD-L1免疫治疗时，与单独治疗相比，给予Efm可以显著降低肿瘤大小。同样的抗肿瘤活性也在其他三种类型肠球菌中被发现，而且均与细菌接种量无关，但是也有两类肠球菌没有这种抗肿瘤活性。

图1

是什么造成了这种种类特异性差异呢？研究人员从每种肠球菌中分离出球囊，并通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）分析消化的肽聚糖片段，以比较不同肠球菌的肽聚糖组成。结果显示，与非活性菌类不同，所有免疫治疗活性肠球菌都显示出类似的肽聚糖片段模式，并且含有大量较小的非交联肽聚糖片段，提示存在较高水平的肽聚糖重塑和转换。通过进一步检测肠球菌基因组组装肽聚糖重塑酶的特征表达，研究人员发现了一类在所有免疫治疗活性肠球菌中高度保守的NlpC/p60水解酶，包括肽聚糖水解酶分泌抗原A（SagA，可提高宿主对肠道感染的免疫力）。随后，通过将SagA NlpC/p60结构域与人类微生物组计划的基因组进行比对，结果显示在人类微生物群中发现的活性肠球菌种中存在并保存着SagA同源基因。对每种肠球菌的分泌蛋白和细胞相关蛋白组分进行Western印迹也直接证明了SagA样蛋白在这些肠球菌种中是高表达且高分泌的，而且均显示出D,L-内肽酶活性，产生胞壁肽GMDP（GlcNAc-胞壁酰二肽）。由此证明具有免疫治疗活性的肠球菌具有相似的肽聚糖组成和重塑活性。

随后，研究人员在非活性肠球菌种粪肠球菌（E. faecalis）中表达SagA，构成工程菌株E. faecalis-SagA，将其给予黑色素瘤成瘤小鼠后，发现与非活性E. faecalis相比，接受E. faecalis-SagA的小鼠在抗PD-L1治疗下表现出显著的肿瘤生长抑制，呈现出与免疫活性菌类似的抗肿瘤活性。与此同时，研究人员在具有完整复杂微生物群的动物模型中检测了SagA表达对检查点抑制剂治疗的效果，得出了与抗生素预处理小鼠模型相似的结果，表达SagA的肠球菌种具有显著的抗肿瘤活性。同样地，对于其他肿瘤（纤维肉瘤和结肠癌）模型以及其他检查点抑制剂，表达SagA的肠球菌种也可导致治疗时肿瘤生长的显著下降。

最后，研究人员发现，这些活性肠球菌对不同靶向治疗的广泛疗效是由适应性免疫反应介导的。与此同时，研究还发现，对于给予E. faecalis-SagA的动物而言，NOD2（胞壁肽的关键模式识别受体）是抗PD-L1抗肿瘤活性所必需的。此外将异源表达SagA、酶活性失活SagA或分泌缺陷SagA的益生菌（乳酸乳球菌）给予抗生素预处理黑色素瘤小鼠，在接受抗PD-L1治疗后，发现异源表达SagA的益生菌具有与活性肠球菌类似的抗肿瘤效应，但异源表达酶活性失活SagA的益生菌完全没有此效果，由此表明SagA的酶活性是抑制肿瘤生长所必需的。而单独的SagA酶解产物如胞壁酰二肽（MDP）即可改善对检查点治疗的反应，实验证实NOD2活性激动剂就足以改善检查点抑制剂的疗效，产生促炎肿瘤微环境（图2）。

图2

综上所述，本研究发现具有独特NlpC/p60肽聚糖水解酶活性的肠球菌可在体内产生NOD2活性胞壁肽，并调节检查点阻断免疫治疗的疗效。同时指出肽聚糖重塑酶用于重编程益生菌可作为一种新的提高检查点阻断抑制剂疗效的治疗方法，并且强调微生物产生或合成的能够激活肽聚糖模式识别受体的小分子可被用作下一代免疫治疗佐剂，以此开辟了利用内源性佐剂对抗癌症的新途径。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6558/1040

制版人：十一

参考文献

1. U. Sahin, Ö. Türeci, Science 359, 1355–1360 (2018).

2. A. Ribas, J. D. Wolchok, Science 359, 1350–1355 (2018).

3. D. Davar et al., Science 371, 595 (2021).

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