Опухолерезистентные Lactobacillus iners обеспечивают устойчивость к химиолучевой терапии за счет лактат-индуцированной перестройки метаболизма (аннотация)Опухолерезистентные Lactobacillus iners обеспечивают устойчивость к химиолучевой терапии за счет лактат-индуцированной перестройки метаболизма
Опухоли, даже расположенные в якобы стерильных органах, имеют уникальный микробиом, который может изменять ответ на проводимое лечение и выживаемость.
Хотя микробиом кишечника косвенно влияет на ответ опухоли через системные механизмы, включая многочисленные иммунные и метаболические пути, бактерии, обитающие в опухоли, могут непосредственно влиять на рост, выживание и функционирование опухоли.
Понимание сложных механизмов взаимодействия опухоли и микробиоты сопряжено с рядом трудностей. В доклинических моделях манипуляции с микробиомом на моделях опухолей in vivo не позволяют достоверно воспроизвести изменения в микробиоме человека. В клинике изучение микробиома опухоли ограничивается доступностью биопсий опухоли, недостатками оптимизированных протоколов секвенирования и анализа образцов опухоли, помещенных в формалин, а также референсных библиотек секвенирования. Опухолевые штаммы развиваются в уникальных экологических нишах и под селективным давлением, адаптируются или приобретают дополнительные гены и функции, необходимые для выживания в условиях низкого содержания питательных веществ, кислорода или pH. Углубленное изучение микробиома опухоли остается серьезной проблемой для большинства типов опухолей.
Экзофитные раки шейки матки развиваются в слизистой оболочке и поддаются повторному взятию проб опухолевого микробиома. Поэтому мы использовали рак шейки матки и комбинированную платформу глубокого секвенирования, иммунного профилирования и направленного культивирования бактерий для изучения возможных механизмов прямого взаимодействия опухоли и микробиома в процессе противоопухолевой терапии.
В данном исследовании мы проанализировали бактерии, обитающие в опухоли, на предмет их ассоциации с плохим ответом на лечение у 101 пациентки с раком шейки матки, получавшей химиолучевую терапию и включенной в проспективное исследование по серийному сбору биомаркеров в двух учреждениях. Затем мы объединили эти данные с данными целевого культивирования для выявления и профилирования ключевой опухолевой микробиоты, ассоциированной с резистентностью к лечению.
В данном исследовании мы продемонстрировали, что L. iners, являющаяся облигатной L-лактат-продуцирующей факультативно-анаэробной бактерией, ассоциированной с раком шейки матки, вызывает устойчивость к лечению за счет эффективной продукции L-лактата и метаболической перестройки в опухолях. Это подтверждается сильными клиническими ассоциациями, индукцией L. iners или L-лактатом резистентности к химиотерапии и облучению, а также высокой продукцией лактата in vitro и в опухолях после облучения. Этот вывод не ограничивается бактериями или опухолями шейки матки; напротив, мы утверждаем, что опухоль-ассоциированные лактобактерии (ЛАБ) участвуют в лактат-опосредованной метаболической перестройке подобно описанным взаимодействиям опухоль-строма или опухоль-иммунные клетки, что имеет широкое значение для многих типов рака.
Лактат является мощной обменной молекулой метаболической связи между раковыми клетками, а не просто продуктом метаболизма, и взаимодействует со многими известными механизмами резистентности к лечению. Метаболическое сопряжение происходит за счет использования обратимого фермента ЛДГ для преобразования лактата в пируват или наоборот, и, в свою очередь, рециркуляции NAD в NADH+. Экспрессия лактата и ЛДГ в опухоли коррелирует с агрессивной биологией опухоли и плохой выживаемостью при различных видах рака, включая рак шейки матки, возможно, потому, что более высокий уровень лактата в опухоли свидетельствует о более высоком метаболическом процессе глюкоза-лактат. Он может служить метаболическим топливом, "гормоном", воспринимаемым мембранными рецепторами, и эпигенетическим модификатором через лактилирование гистонов, что может непосредственно влиять на синтез ДНК и приводить к резистентности к лучевой и химиотерапии.
Лактат - это "лактормон", действующий в гормональном контуре положительной обратной связи и являющийся обменной молекулой и ключевым регулятором взаимодействий между опухолевыми и окружающими клетками, включая взаимодействие опухоль-строма, раковая клетка-раковая клетка, раковая клетка-астроцит и раковая клетка-фибробласт. Раково-ассоциированные фибробласты могут активироваться высвобождением SIRTUIN3 в результате контакта опухоли со стромой, что, в свою очередь, приводит к окислению митохондрий и повышению экспрессии MCT4, биосинтезу лактата, транспортера глюкозы 1 и гликолизу. SIRTUIN3 является ключевой молекулой при раке шейки матки. Лактат также является сильным промотором рекрутирования дендритных клеток и опухоль-ассоциированных макрофагов в микроокружение опухоли. Мы предполагаем, что L. iners в микроокружении опухоли находится в симбиотических отношениях с раковыми клетками, стимулируя их рост по этим путям, подобно тому, как это было продемонстрировано для фибробластов или иммунных клеток.
Рак легких, имеющий общие с раком шейки матки ключевые метаболические гены, включая PI3K/AKT, STK11 и TP53, демонстрирует поразительное предпочтение утилизации лактата перед глюкозой для подпитки цикла лимонной кислоты. Эта активность особенно сильно проявляется при адаптации раковых клеток к окислительному стрессу, когда избыток лактата приводит к повышению регуляции MCT1 и MCT4 для общего притока и оттока лактата. Этот феномен "лактатной зависимости" приводит к эффективному использованию лактата для подпитки цикла ТСА и других метаболических путей, а также к еще большему предпочтению лактата перед глюкозой. L. iners в опухолевом микроокружении может аналогичным образом "заправлять" клетки рака шейки матки и усиливать петлю обратной связи по лактату, возникающую в результате окислительного стресса после лучевой или химиотерапии.
Существует множество терапевтических возможностей для воздействия на ЛАБ, участвующие в терапевтической резистентности. Модификация микробиома влагалища является вполне осуществимой, недорогой и относительно малоопасной. Например, при бактериальном вагинозе местное применение метронидазола с последующим восстановлением полезного штамма L. crispatus, известного как LACTIN-V, привело к колонизации влагалища L. crispatus почти у 80% пациенток. Другие потенциальные методы лечения, направленные на уничтожение L. iners, такие как местное применение бактериоцинов, литических фагов, биоинженерных бактерий или клинически проверенных пробиотиков, могут быть использованы для лечения рака. Лактобациллы сами по себе являются перспективными кандидатами для биоинженерной микробной терапии рака благодаря простоте редактирования генома и общей непатогенности. Сама L. iners может быть использована для доставки противораковых препаратов с опухолевой специфичностью, учитывая ее тесную взаимосвязь с опухолями шейки матки и цервиковагинальной нишей.
Помимо бактериального таргетного воздействия, у пациентов с опухолевыми ЛАБ может быть полезно системное применение таргетной терапии, связанной с поглощением и превращением лактата. Существует несколько клинически доступных ингибиторов ЛДГ, которые могут предотвратить превращение лактата в пируват в этих опухолях. Известен сильный синергизм между гемцитабином и ингибиторами ЛДГ, поэтому наши данные, свидетельствующие о крайней резистентности к терапии L-лактатом, дают основание для адъювантного или одновременного применения ингибитора ЛДГ у этих пациентов. Кроме того, на различных стадиях клинической и доклинической разработки находится несколько перспективных ингибиторов MCT, включая первые в своем классе одиночные ингибиторы MCT1 и MCT2, а также двойные ингибиторы MCT1/MCT4 и MCT2/MCT4.77 Ингибиторы MCT1, обладающие опухолевой специфичностью и очень высоким сродством к MCT178 или ингибиторам ЛДГ, могут быть использованы в качестве целевой терапии у пациентов с лактат-продуцирующими бактериями.
В целом эти данные убедительно свидетельствуют о возможности целенаправленного воздействия на опухолевое микроокружение опухолей, населенных молочнокислыми бактериями, для последующей клинической трансляции.
