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Immunity (IF 31.428) | 单细胞转录组+16s:乳酸菌化身胰腺癌“帮凶”

2022-03-25
中科新生命
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传统认知里,乳酸菌是促进胃肠道功能的有益菌群,在工业、农牧业、食品和医药等与人类生活密切相关的重要领域具有极高的应用价值。近日,来自多伦多大学的Tracy L. McGaha教授团队在Immunity (IF 31.428)上发表了题为“Tryptophan-derived microbial metabolites activate the aryl hydrocarbon receptor in tumor-associated macrophages to suppress anti-tumor immunity”的学术研究,打破了人们对乳酸菌的固有印象,该研究运用单细胞转录组技术联合肠道微生物,证明了乳酸菌通过色氨酸代谢途径激活肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAM)芳香氢受体(aryl hydrocarbon receptor,AhR)的活性,最终促进肿瘤生长并破坏免疫检查点的抑制效果。


研究材料

荷瘤小鼠;AhR缺陷型荷瘤小鼠

技术路线

· 步骤1:转录组数据揭示AhR控制胰腺癌中肿瘤相关巨噬细胞的功能;

· 步骤2:单细胞转录组验证巨噬细胞中AhR功能对胰腺癌的影响;

· 步骤3:微生物测序结果表明AhR在肿瘤巨噬细胞中被乳酸菌产生的色氨酸代谢物激活;

· 步骤4:膳食色氨酸是PDAC TME中免疫表型的关键驱动因素;

· 步骤5:AhR在人肿瘤巨噬细胞中表达富集,并与生存相关。

研究结果

1. AhR是促肿瘤表型的关键驱动因素

为了了解巨噬细胞在胰腺导管腺癌(PDAC)中的作用,作者首先比较了PDAC中TAM和正常巨噬细胞的转录组数据,结果TAM显示出880个基因的上调表达,包括促癌基因Arg1、Nos2和Cd274,以及编码AhR的基因Cyp1b1。

前人的研究表明,AhR是一种有效的免疫调节因子,为了测试AhR在PDAC中是否具有免疫调控作用,作者构建了Lyz2cre/+Ahrfl/fl(AhR缺陷型)小鼠模型,发现在AhR缺陷的小鼠中CD45表达下降,MHCII, CD40 和PDL1表达增加,以及促癌基因(Arg1和Ido1)的表达下调和促炎基因(Il1b、Gzb和MHCII)表达上调,这些结果均表明AhR的免疫调控作用。此外,作者还发现在AhR缺陷的小鼠中CD8+ T细胞活化数量增加,而肿瘤的重量和浸润性癌的比例明显低于TAM,ROC曲线也表明AhR缺陷的小鼠具有更好的存活率。


图1 AhR缺陷驱动TAM和CD8+T细胞的炎症极化

2. AhR重塑PDAC中的转录景观 

为了了解巨噬细胞中AhR功能对TME的影响,作者对肿瘤组织和AhR缺陷肿瘤组织进行了质谱流式和单细胞转录组分析,均鉴定出3个巨噬细胞簇。iGSEA富集分析表明AhR缺陷影响了包括干扰素响应通路,信号转导网络及免疫调节相关基因的表达,且PDAC TME中的巨噬细胞群体表现出具有前肿瘤、替代极化状态特征的转录谱。


图2  AhR重塑PDAC中的免疫转录景观

3.乳酸菌通过色氨酸代谢途径激活AhR

由于AhR是色氨酸代谢产生的受体,接下来,作者拟寻找在TME中驱动AhR活性的配体来源。前人的研究表明,乳酸菌能够通过色氨酸代谢产生吲哚,且乳酸菌是炎症性疾病骨髓细胞中AhR活性的重要驱动因素。于是作者使用乳酸菌不耐受的Amp和耐受的Vanc分别处理荷瘤小鼠,肠道微生物检测结果发现抗生素Amp降低了乳酸菌的相对丰度,且Amp抑制乳酸菌之后能够有效的提高MHCII和PD-L1的表达来提高免疫应答效果,从而抑制肿瘤的生长。该数据表明抗生素治疗、乳酸菌调节以及肿瘤内免疫调控之间潜在的联系

通过质谱分析发现乳酸菌L. reuteriL. murinus能产生吲哚类物质激活AhR,且L. murinus的产量更多。随后作者测试了L. murinus是否会影响PDAC中的肿瘤生长和炎症,在无菌小鼠肠道中移植L. murinus后研究其对肿瘤生长的影响,结果显示L. murinus不仅能够促进PDAC肿瘤生长,增加AhR活性,还能促进Arg1, Ido1, Il10等促癌基因的表达,这表明L. murinus可以驱动TAMs获得免疫抑制程序


图3 乳酸菌驱动TME中的免疫抑制

4. 饮食影响肿瘤生长及免疫调控

由于色氨酸代谢是激活AhR的关键机制,作者测试了通过调整饮食去除色氨酸是否会影响肿瘤的生长。结果发现,去除色氨酸后肿瘤重量显著降低,而在饮食中加入吲哚之后,又能显著的增加肿瘤重量。这些数据表明,膳食色氨酸是PDAC TME中免疫表型的关键驱动因素


图4 膳食中色氨酸和吲哚可促进免疫抑制和PDAC生长

5. AHR表达和活性与人胰腺导管腺癌的患者预后相关

随后,通过胰腺癌TCGA数据库分析发现,低表达AhR有利于生存,且PDAC TCGA队列中AhR表达特征与T细胞和巨噬细胞基因表达呈负相关。


图5 AhR的活性与人类PDAC患者的预后有关

小编小结

文章聚焦于肠道菌群对肿瘤的免疫调控,运用单细胞转录组技术联合肠道微生物,揭示了乳酸菌通过代谢食物中的色氨酸,激活肿瘤相关巨噬细胞,促进肿瘤生长的机制,为更个性化的癌症治疗指明了方向。

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