Микробиота кишечника и иммунотерапия (аннотация)
Микробиота кишечника взаимодействует с организмом, участвуя в пищеварении и метаболизме, влияя на иммунитет организма и формирование заболеваний.
Исследования показали, что разнообразная микробиота кишечника создает симбиотические отношения с иммунной системой организма, способствуя гомеостазу, а нарушение гомеостаза может привести к хроническому воспалению, аутоиммунным заболеваниям и даже раку. В последние годы исследования в области иммунотерапии в основном сосредоточены на применении ингибиторов иммунных контрольных точек (ICIs), включая антитела против антигена цитотоксических Т-лимфоцитов-4 (CTLA-4), белка программируемой клеточной смерти 1 (PD-1) и лиганда программируемой смерти 1 (PD-L1). В настоящее время ICIs постепенно становится незаменимым методом в лечении гематологических опухолей и разнообразных солидных злокачественных новообразований и достигла замечательной эффективности. Хотя иммунотерапия имеет много преимуществ, эффективность ингибиторов иммунных чекпойнтов невысока, и у разных пациентов также имеются большие различия в ответе на лечение. В данном обзоре рассматривается взаимосвязь между микробиотой кишечника и иммунотерапией.
Микробиота кишечника
В последние годы микробиота кишечника стала одной из самых актуальных тем в медицине, микробиологии, экологии и генетике. Микробиота кишечника представляет собой очень сложную экосистему, насчитывающую более 2 000 видов, которые в основном включают бактерии, вирусы и грибы. Исходя из функции и природы микробиоты кишечника, ее можно условно разделить на три типа: полезные бактерии, патогенные бактерии в нестабильном состоянии и патогенные бактерии.
Полезные бактерии могут снижать выработку холестерина, синтезировать различные витамины, способствовать перистальтике кишечника, повышать иммунитет и т.д., при этом их представителями являются Bacteroidetes, Clostridium, Bifidobacterium, Lactobacillus; Патогенные бактерии в нестабильном состоянии полезны для здоровья при нормальных условиях. Однако при определенных условиях, таких как низкий иммунитет и слабая конституция, они могут размножаться бесконтрольно или переходить из кишечника в другие части тела, приводя к повреждению кишечника, представителями этих бактерий являются Escherichia coli и Enterococcus. Патогенные бактерии относятся к бактериям, не свойственным кишечному тракту. Выйдя из-под контроля, они влияют на иммунитет организма и приводят к формированию заболеваний, среди них Salmonella и патогенная E. coli.
Исследования показали, что разнообразная микробиота кишечника устанавливает симбиотические отношения с иммунной системой организма. Нарушение этих отношений может привести к возникновению и развитию опухолей. Nejman et al. проанализировали семь типов рака (опухоли молочной железы, легких, яичников, поджелудочной железы, меланомы, костей и мозга) и обнаружили, что разные типы и подтипы опухолей имеют разный состав микробиома (Nejman et al., 2020).
Относительное содержание Bacillus, Enterobacteriaceae и Staphylococcus было выше в тканях молочной железы пациентов, страдающих раком молочной железы (Urbaniak et al., 2016). У пациенток, страдающих эстроген-рецептор-положительным раком молочной железы, концентрация микроорганизмов, детоксицирующих мышьяк, была выше, чем у пациенток с эстроген-рецептор-отрицательным раком молочной железы. У пациентов, страдающих колоректальным раком, были чрезмерно представлены Firmicutes и Fusobacteria, а количество полезных бактерий было снижено. Протеобактерии являются доминирующими бактериями при раке поджелудочной железы. Присутствие Fnucleatum в тканях рака пищевода ассоциируется с плохим прогнозом. Количество E. coli и Enterococcus увеличивалось у пациентов, страдающих раком печени (Zhou et al., 2020).
Иммунотерапия
В настоящее время известные методы иммунотерапии включают цитокины, Т-клетки (ингибиторы контрольных точек, агонисты костимулирующих рецепторов), модификации Т-клеток, онколитические вирусы, терапию, направленную на другие типы клеток, и вакцины, среди которых монотерапия или комбинированная терапия ICIs приводит к устойчивой ремиссии и значительному преимуществу в выживании при различных солидных опухолях и уже одобрена для лечения первой или второй линии при различных опухолях. К ним относятся меланома, почечно-клеточная карцинома (RCC), гепатоцеллюлярная карцинома, уротелиальная карцинома, карцинома головы и шеи, немелкоклеточный рак легкого (NSCLC) и рак желудка. В последние годы ICIs стали новой вехой в улучшении клинического лечения рака. Например, при раке легких иммунотерапия применяется от второй линии к первой; от метастатического рака легких к локализованному, к неоадъювантной терапии, а затем к адъювантной терапии; и от высокоселективной монотерапии к комбинированной терапии. Что касается рака желудка, то с 2018 года уровень рекомендаций по иммунотерапии переходит от третьей линии лечения к первой.
Хотя иммунотерапия имеет много преимуществ, она все еще имеет определенные ограничения, которые включают низкую общую частоту ответов на лечение, приобретенную лекарственную устойчивость и связанные с иммунотерапией побочные реакции. В настоящее время методы прогнозирования эффекта иммунотерапии в основном определяются секвенированием генов и лабораторным исследованием, включая экспрессию PD-1/PD-L1, микросателлитный статус, мутационную нагрузку опухоли. Однако эти методы не позволяют хорошо отсеять пациентов, которые могут получить пользу от иммунотерапии, а микробиота кишечника, как показали некоторые доклинические и клинические исследования, ассоциируется с эффективностью иммунотерапии, что делает ее возможной новой мишенью для прогнозирования чувствительности к иммунотерапии.
Микробиота кишечника влияет на эффективность иммунотерапии
На основании существующих доклинических и клинических исследований мы выяснили, что микробиота кишечника влияет на эффективность иммунотерапии. В 2015 году Sivan et al. обнаружили, что бифидобактерии могут усиливать противоопухолевый иммунитет у мышей, сравнив рост меланомы у мышей с разной комменсальной микробиотой и различия в спонтанном противоопухолевом иммунитете (Sivan et al., 2015). Это исследование выявило связь между микробиотой кишечника и эффективностью ICI. Для дальнейшего подтверждения роли микробиоты кишечника в регуляции эффективности иммунотерапии меланомы многие исследователи провели клинические испытания.
Matson et al. проанализировали образцы кала 42 пациентов с метастатической меланомой до начала иммунотерапии, из которых 16 пациентов ответили на лечение, а 26 пациентов не ответили. Согласно результатам исследования, было установлено, что Bifidobacterium longum, Collinsella aerofaciens и Enterococcus faecium имеют более высокую относительную численность у пациентов, ответивших на ингибиторы PD-1. Затем, в мышиной модели, было установлено, что фекальная трансплантация от отвечающих на лечение пациентов (респондеров) улучшает контроль опухоли, усиливает Т-клеточный ответ и повышает эффективность терапии ингибиторами PD-1 (Matson et al., 2018).
Chaput et al. сравнили кал 26 пациентов с меланомой, получавших терапию ипилимумабом, и обнаружили, что пациенты с исходным преобладанием Faecalibacterium и других Firmicutes имели более длительную выживаемость без прогрессирования (PFS), чем пациенты с исходным преобладанием Bacteroidetes (Chaput et al., 2017).
Исследование, опубликованное Frankel et al., включало 39 пациентов с метастатической меланомой, получавших различные виды иммунотерапии, и показало, что ICI респондеров всех видов лечения были обогащены Bacteroides caccae. У респондеров, получавших комбинацию блокады иммунных чекпойнтов анти-CTLA4 и анти-PD-1, кишечный микробиом был обогащен Faecalibacterium Prausnitzii, Bacteroides thetaiotamicron и Holdemania filiformis (Frankel et al., 2017).
Чтобы глубже изучить эту взаимосвязь, исследователи изучили то же самое при других видах рака. Jing et al. сравнили стул 37 пациентов с немелкоклеточным раком легких (NSCLC), получавших ниволумаб, и обнаружили, что у респондеров было высокое содержание B. longum, Alisberia и Prevotella (Jin et al., 2019).
Routly et al. обнаружили, что в микробиоте кишечника пациентов с NSCLC и раком почек, получавших терапию ингибиторами PD-1, уровни Akkermansia в стуле респондеров были значительно выше, чем у нереспондеров (Routy et al., 2018).
Gopalakrishnan et al. сравнили кал 112 пациентов с меланомой, получавших лечение ингибиторами PD-1, и обнаружили, что респондеры были изобилуют Faecalibacterium и Ruminococcus, а нереспондеры - Bacteroides (Gopalakrishnan et al., 2018).
Yi Zheng et al. также выявили взаимосвязь между специфической микробиотой кишечника и эффективностью иммунотерапии при раке печени. Исследование показало, что у пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой, получавших терапию ингибиторами PD-1, в микробиоте кишечника респондеров было выше содержание Akkermansia и Ruminococcus (Zheng et al., 2019). Эти доклинические и клинические данные подтверждают роль микробиоты кишечника в модуляции эффективности иммунотерапии различных видов рака.
Влияние антибиотиков на иммунотерапию
Результаты многочисленных исследований показали, что на микроэкологический баланс микробиоты кишечника могут влиять множество факторов, включая способ доставки, генетику хозяина, возраст, диету, инфекцию, антибиотики (АТБ) и так далее. В клинической практике мы уделяем больше внимания влиянию применения антибиотиков на микробиоту. Антибиотики контролируют инфекцию, при этом уменьшая разнообразие бактерий, что может привести к дисбиозу кишечника. Нарушенная микробиота кишечника, в свою очередь, влияет на иммунную систему.
Routy et al. рассмотрели 140 пациентов с прогрессирующим NSCLC, 67 пациентов с RCC и 42 пациента с уротелиальной карциномой. Данные показали, что PFS и общая выживаемость (OS) значительно сократились в группе, получавшей АТБ, при объединении всех пациентов (медиана PFS: 3,5 против 4,1 месяца; медиана OS: 11,5 против 20. 6 месяцев); для пациентов, страдающих распространенным NSCLC, OS была короче в группе лечения с применением АТБ (медиана OS: 8,3 против 15,3 месяца); для пациентов, страдающих RCC, PFS в группе лечения с применением АТБ также была короче (медиана PFS: 4,3 против 7,4 месяца; Routy et al., 2018).
Hakozaki et al. ретроспективно проанализировали данные 90 пациентов с NSCLC, получавших ниволумаб, и обнаружили, что 13 пациентов получали АТБ до ниволумаба. Данные показали, что у пациентов с NSCLC, получавших АТБ до ниволумаба, PFS и OS были значительно короче (медиана PFS: 1,2 против 4,4 месяца; медиана OS: 8,8 против NR месяцев, p = 0,037; Hakozaki et al., 2019).
Wilson et al. провели мета-анализ пациентов с различными типами опухолей, получавших преимущественно ингибиторы PD-1 или ингибиторы PD-L1. Данные показали, что пациенты, которые не использовали АТБ до или во время иммунотерапии, имели более длительные OS и PFS (Wilson et al., 2020). Другое исследование включало 568 пациентов, из которых 114 (20,1%) получали лечение АТБ до начала ICI. Данные показали, что OS пациентов в группе, подвергшейся воздействию антибиотиков, была значительно хуже, чем в группе без воздействия. Медиана выживаемости была короче среди всех пациентов в группе, подвергшейся воздействию антибиотиков, чем в группе без воздействия (mPFS: 27,4 против 43,7 месяцев; Mohiuddin et al., 2021).
В противоположность этим данным, исследование Kaderbhai et al. показало, что прием антибиотиков не влияет на PFS у пациентов с NSCLC, получавших терапию ниволумабом (Kaderbhai et al., 2017). В связи с ограниченностью клинических данных в настоящее время влияние приема антибиотиков на иммунотерапию необходимо оценивать при больших объемах выборки.
Механизм взаимодействия микробиоты кишечника и иммунной системы
Микробиота кишечника может взаимодействовать с организмом через множество различных механизмов, влияя на иммунную систему организма и регулируя эффект иммунотерапии. В настоящее время известны следующие основные механизмы:
(1) Бактериальные метаболиты попадают в кровоток и связываются с клетками хозяина через рецепторы, тем самым влияя на иммунную систему хозяина. Mager et al. показали, что механизм, связывающий микробиом кишечника мыши с ответом на ICIs, заключается в наличии продуцируемой микроорганизмами пуринового рибозида, называемого инозином (Mager et al., 2020). Инозин, кишечный метаболит, вырабатываемый Bifidobacterium и Akkermansia muciniphila, усиливает дифференцировку Th1 и эффекторную функцию A2AR-экспрессирующих наивных Т-клеток, что в свою очередь не способствует эффективности анти-CTLA-4 и анти-PD-L1 терапии.
Между тем, данное исследование показало, что бактерии, ассоциированные с повышением эффективности иммунотерапии, производят короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК). Короткоцепочечные жирные кислоты являются основными терминальными метаболитами, производимыми микробами кишечника (Macfarlane and Macfarlane, 2003). Более высокие концентрации КЦЖК в кале и плазме крови у лиц, ответивших на иммунотерапию, были связаны с более длительным сроком PFS (Nomura et al., 2020). Короткоцепочечные жирные кислоты обладают иммуномодулирующими функциями. Например, было показано, что масляная кислота индуцирует дифференциацию Foxp3 + CD4 + Treg (Arpaia et al., 2013; Furusawa et al., 2013; Smith et al., 2013). Масляная кислота и другие КЦЖК увеличивают экспрессию IFNγ и гранзима B в CD8 + цитотоксических Т-лимфоцитах и интерлейкина-17, секретированного CD8 + Т-клетками (Luu et al., 2018).
(2) Патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMPs), такие как липополисахариды, выделяются микробиотой кишечника и регулируют иммунную функцию путем активации рецепторов распознавания паттернов, таких как толл-подобные рецепторы (TLRs). Комменсальные бактерии могут стимулировать дендритные клетки (ДК), которые, в свою очередь, могут подавать сигналы на Toll-подобные рецепторы (TLR) для обучения иммунной системы дифференциальному распознаванию патогенных и непатогенных микробов. Микробиота кишечника способствует созреванию местной кишечно-ассоциированной лимфоидной ткани (GALT) и индуцирует дифференцировку, созревание и активацию В-клеток (Fagarasan et al., 2002; Ouwehand et al., 2002; Wei et al., 2008; Lundell et al., 2012). Кроме того, микробиота кишечника регулирует системный иммунный ответ и изменяет активность иммунных клеток с помощью растворимых иммунорегуляторных факторов и циркулирующих цитокинов. Нарушая целостность кишечной стенки, активируя иммунные пути, рекрутируя иммунные клетки и инициируя противораковый иммунный ответ, ICI может способствовать переносу микроорганизмов в отдаленные опухолевые ткани, тем самым усиливая иммуноактивирующий эффект кишечной микробиоты на всю иммунную систему (Almonte et al., 2021).
Проанализировав подобные доклинические и клинические исследования, мы обнаружили взаимосвязь между микробиомом и иммунной системой. Однако конкретный механизм того, как кишечная микробиота влияет на иммунную систему, все еще не до конца ясен и требует дальнейшего обсуждения в будущем. Тем не менее, современные доклинические и клинические данные свидетельствуют о том, что наличие и состав микробиоты кишечника играет определенную роль в иммунотерапии. Исходя из этого, мы предлагаем стратегию регулирования иммунотерапии путем манипулирования микробиотой кишечника. Известные методы в основном включают трансплантацию фекальной микробиоты, регулирование рациона питания, пребиотики и т.д.
Трансплантация фекальной микробиоты
Предыдущие исследования показали, что трансплантация фекальной микробиоты (FMT) является клинически эффективным методом восстановления микробиоты кишечника для лечения рецидивирующих инфекций C. difficile. Также есть данные, что FMT может помочь в лечении воспалительных заболеваний кишечника. Кроме того, проводится большое количество клинических исследований, направленных на изучение роли FMT в иммунотерапии опухолей.
Matson et al. обнаружили, что использование фекалий респондентов иммунотерапии для восстановления кишечной микробиоты безмикробных мышей может контролировать рост опухоли и повышать иммунную эффективность (Ouwehand et al., 2002). Routy et al. пришли к аналогичному выводу, утверждая, что FMT от пациентов с раком, реагирующих на ICIs, стерильным или получающим антибиотики мышам повышает эффективность иммунотерапии (Routy et al., 2018).
Два недавних клинических исследования 1 фазы предполагают, что FMT может быть способна преодолеть резистентность к иммунотерапии (Baruch et al., 2021; Davar et al., 2021). Erez N et al. включили 10 пациентов с метастатической меланомой, которые не реагировали на анти-PD-1 терапию, в клиническое исследование I фазы. Анти-PD-1 иммунотерапия и FMT были предоставлены пациентам донорами, которые дали полный ответ на иммунотерапию метастатической меланомы. Клинические ответы наблюдались у трех пациентов, причем у двух наблюдались частичные ответы, а у одного - полный ответ (Baruch et al., 2021). Davar et al. получили аналогичные результаты (Davar et al., 2021).
Основываясь на вышеизложенных результатах, мы считаем, что FMT в сочетании с ICI может улучшить ответ пациентов на иммунотерапию. Однако оптимальная доза, способ введения и критерии отбора донорского стула все еще не определены с точки зрения эффективности и безопасности лечения FMT, и для их изучения необходимо проведение большего количества высококачественных исследований на больших выборках.
Диета и функциональные продукты питания
Диета является важным фактором, влияющим на микробиоту кишечника. Исследователи обнаружили различия в структуре микробиоты кишечника при разных привычках питания. В кишечной микробиоте вегетарианцев доминируют Clostridium coccoides и Clostridium ramosum (Hayashi et al., 2002). В кишечном тракте людей с длительным высоким уровнем потребления мяса преобладали бактерии Faecalibacterium prausnitzii (Mueller et al., 2006). Диета с высоким содержанием жиров уменьшает количество Bacteroidetes и Bifidobacterium и увеличивает количество Firmicutes и Proteobacterium (Zhang et al., 2012). Высокобелковая диета может заставить Bacteroidetes и Bacillus bicinophilus размножаться в кишечнике, что может привести к снижению иммунитета человека и повышению риска заболеваний (включая метаболические заболевания; Forouhi et al., 2018). Поэтому мы можем улучшить структуру кишечной микробиоты и создать более благоприятную микроэкологию, скорректировав свой рацион.
Функциональные продукты питания, такие как пребиотики, способствуют функциональной стабильности тонкой и толстой кишки, а метаболизм этих веществ кишечной микробиотой может улучшить функцию желудочно-кишечного тракта и барьерный гомеостаз, повысить способность человеческого организма к усвоению минералов, регулировать энергетический обмен и снизить риск заражения кишечными патогенными бактериями (Sanders et al., 2019).
Пробиотики - это класс активных микроорганизмов, которые приносят пользу хозяину, колонизируя организм человека и изменяя состав определенной части микробиоты хозяина. Они могут защищать слизистый барьер кишечника, поддерживать баланс состава кишечной микробиоты и повышать иммунитет организма. В настоящее время наиболее часто используемые пробиотики в основном включают бифидобактерии, лактобактерии и дрожжи. Пробиотики могут регулировать кислотно-щелочной баланс кишечной среды путем выработки КЦЖК. Кроме того, в процессе метаболизма пробиотики могут регулировать активность макрофагов, цитокинов и уровень иммуноглобулинов для активации иммунного ответа (La Fata et al., 2018). Некоторые ученые предложили разработать иммунотерапевтические пробиотики для повышения иммунной эффективности (Dai et al., 2020), хотя их практическое применение все еще затруднено по многим аспектам.
До сих пор неизвестно, какие конкретные бактерии наиболее тесно связаны с возникновением и развитием опухолей, какие бактерии наиболее способствуют повышению иммунной эффективности, и как рационально использовать антибиотики, наиболее подходящие для пациентов, что требует дальнейшего изучения в клинических испытаниях. Микробиота кишечника подвержена влиянию множества факторов, и сопоставимость результатов исследований ограничена из-за различий в методах секвенирования, региональных различий субъектов, привычек питания и образа жизни, использования других терапевтических препаратов, пола и возраста и т.д. Поэтому эти факторы могут быть учтены в последующих клинических исследованиях, чтобы сделать взаимосвязь между микробиотой и иммунотерапией более четкой. В настоящее время эффективность иммунотерапии невысока, поэтому вопрос о том, как отсеять людей, которые могут получить пользу от иммунотерапии, стал основным в клинической практике. Обнаружение биомаркеров является краеугольным камнем точной иммунотерапии. В последние годы уделялось внимание и изучались геномные маркеры опухоли, маркеры иммунного микроокружения опухоли, генетические маркеры герминальной линии хозяина, маркеры системного кровообращения и другие маркеры, но биомаркеры с высокой чувствительностью и специфичностью не были найдены. В будущих исследованиях можно продолжить изучение взаимосвязи между кишечной микробиотой и иммунотерапией, чтобы сделать ее новой мишенью для прогнозирования. В то же время можно объединить различные биомаркеры, чтобы повысить точность скрининга пациентов и сделать иммунотерапию точной и индивидуализированной.
