文獻賞析

華盈視角:腸道菌群—膽汁酸—腫瘤免疫三元調控與肝癌發生的秘密

2019/02/14

        原發性肝癌和肝轉移目前是癌癥相關死亡的主要原因之一,肝腸循環是肝臟與小腸發生互通的主要渠道。已有研究發現肝臟可以通過門靜脈接觸到腸道細菌代謝物,肝臟疾病通常與腸道菌群的組成或失調有關,但是腸道微生物是否與肝癌形成有關?其具體機制如何?科學界尚未探明。最近,發表在《Science》上的一項研究發現了腸道菌群-膽汁酸代謝-腫瘤免疫三元調控關系對于肝癌形成的重大作用,受到科學界廣泛關注。

 

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華盈生物為您傾情解讀

1、腸道微生物群對肝癌的抑制作用

        為了研究腸道菌群對腫瘤的影響,作者使用了不同的肝癌荷瘤小鼠模型,利用抗生素混合物(ABX,由萬古霉素、新霉素和復方亞胺硫霉素組成)清除小鼠的腸道共生菌,發現接受抗生素治療的小鼠中,MYC轉基因小鼠誘導的原發性肝癌腫瘤模型腫瘤數量、體積減小(圖1A);皮下植入EL4胸腺腫瘤模型,腫瘤生長不受影響,但肝轉移減少(圖1B);脾內腫瘤模型,肝轉移減少,肺轉移增加(圖1C);通過尾靜脈腫瘤模型,確證了抗生素ABX能引起肝臟選擇性抑瘤(圖1D)。 這些結果表明,腸道微生物可以特異性地改變肝內腫瘤的生長動力學。

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圖1 不同模型中腸道微生物改變對肝臟腫瘤的抑制作用


2、肝臟NKT細胞介導腫瘤抑制

        為什么對腸道菌群的清理,腫瘤生長受到抑制呢?為了探索腫瘤抑制背后的機理,對免疫細胞亞群上進行研究,發現ABX處理EL4皮下腫瘤模型小鼠和MYC小鼠肝癌模型小鼠中的肝臟自然殺傷T(NKT)細胞均顯著增多,而腎臟NKT細胞保持不變(注:CD1d是NKT細胞的表面marker),表明免疫細胞聚集的肝臟特異性(圖2A-B)。進一步研究發現,ABX處理的無瘤小鼠比未經ABX處理的小鼠,肝臟中NK細胞的絕對數量和相對比例均有升高(圖2C-D)。以上結果提示:ABX治療后,NKT細胞的聚集可能是抑制腫瘤的主要原因。

 

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圖2 清除腸道共生菌后肝臟NKT細胞與腫瘤的變化


        為了進一步驗證肝臟NKT細胞的作用,采用抗CD4的抗體清除NKT細胞后,發現即使小鼠接受ABX治療,腫瘤依然迅速發展,而采用抗CD8的抗體清除CD8+T細胞后,ABX治療可以明顯抑制腫瘤生長(圖2E-F),綜合表明肝臟NKT細胞對腸道微生物引起的肝臟腫瘤生長是必需的。


3、膽汁酸/CXCL16/CXCR6軸控制肝臟NKT聚集

       有文獻正證實趨化因子受體CXCR6介導NKT細胞在肝臟中的活性和聚集,作者發現了所有肝NKT細胞中均表達趨化因子受體CXCR6,且肝臟內表達CXCR6的細胞中75%都是NKT細胞,這一比例在ABX處理后也沒有變化,并且ABX處理的小鼠NKT細胞更加活躍(圖3A-C)。特異性抗原刺激后,萬古霉素(ABX組分之一)處理的小鼠肝NKT細胞中干擾素-γ(IFN-γ)明顯增加(圖3D),說明腫瘤免疫已被啟動。綜上,清除腸道微生物導致肝臟NKT聚集,活化NKT細胞在遇到抗原負載的腫瘤細胞時會產生IFN-γ,抑制腫瘤生長。

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圖3 CXCR6介導NKT細胞在肝臟中的存活和積累

 

        進一步研究發現,ABX處理并不改變肝臟NKT表面CXCR6的表達量(圖4A),而肝竇內皮細胞(LCEC)表達的CXCL16(CXCR6細胞配體)升高(圖4B-C),并且使用CXCL16能使肝臟NKT增加(圖4D),因此,ABX促進LCEC表達CXCL16,CXCL16將NKT召集到肝臟發揮抑瘤作用。


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圖4 ABX促進LCEC表達CXCL16介導NKT聚集

       
        那么又是什么促進CXCL16的表達呢?

        細胞表面CXCL16已被證實參與了脂質代謝,膽汁酸在脂肪代謝中起著重要作用,而腸道微生物可以調節腸道內膽汁酸代謝和組成。因此作者嘗試尋找膽汁酸和CXCL16之間可能存在的聯系

        首先使用膽汁酸螯合劑(消膽胺)減少肝臟中的膽汁酸水平,發現肝NKT和CXCR6+細胞增加,與ABX作用類似,提示膽汁酸通過CXCL16調控參與肝NKT細胞聚集(圖5A)。 

        通過靶向代謝組學測定肝臟組織中膽汁酸譜,分析參與NKT細胞調節的膽汁酸類型,由于腸道共生細菌可以將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸,在ABX處理的小鼠中,發現初級膽汁酸增加,次級膽汁酸降低,尤其是初級膽汁酸中的T-β-MCA和β-MCA,以及次級膽汁酸中的T-ω-MCA、牛磺脫氧膽酸(TDCA)、ω-MCA、牛磺膽酸(TLCA)和牛磺熊去氧膽酸(TUDCA)均顯著變化(圖5B)。在小鼠原代LSECs中研究膽汁酸對CXCL16表達的影響。發現,初級膽汁酸T-β-MCA促進CXCL16mRNA的表達,而次級膽汁酸ω-MCA則相反(圖5C)。

 

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圖5 膽汁酸對CXCL16、NKT和腫瘤的影響


        給小鼠喂食膽汁酸,觀察肝臟NKT細胞、CXCL16的表達以及肝腫瘤生長的變化,發現喂食次級膽汁酸ω-MCA使肝臟NKT聚集減少,而喂食初級膽汁酸CDCA增強了NKT細胞聚集(圖5D)。觀察喂食膽汁酸對肝臟腫瘤生長的影響,發現次級膽汁酸LCA或ω-MCA逆轉了抗生素引起的肝腫瘤生長抑制,而初級膽汁酸CDCA增強了腫瘤抑制(圖5E)。增強CXCL16在肝臟中的表達(圖5E)可以消除次級膽汁酸對肝腫瘤生長的影響,表明這種作用是NKT細胞介導的。因此,ABX清除腸道共生菌模型中,誘導CXCL16表達的初級膽汁酸增加,而抑制CXCL16的次級膽汁酸減少,導致了CXCL16的上調和肝NKT細胞聚集,從而發揮抗腫瘤作用。

        進一步,研究人員通過單獨使用ABX中的三種抗生素處理以進一步縮小靶向細菌范圍。結果發現梭狀芽孢桿菌Clostridium scindens在小鼠腸道中參與膽汁酸的代謝,將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸。在抗生素的處理下,此種細菌減少,初級膽汁酸得到積累,進而促進CXCL16的表達、NKT免疫細胞聚集,對腫瘤產生抑制效果(圖略)。

 

4、膽汁酸對人肝臟CXCL16表達的調控

        最后,回歸人類樣本加強證據鏈。與小鼠類似,初級膽汁酸CDCA和TCA誘導了SK-HEP1中的CXCL16 mRNA表達(圖6A)。在肝癌或膽管癌患者的非腫瘤肝組織中,初級膽汁酸CDCA水平與CXCL16表達相關(圖6B),而次級膽汁酸GLCA則相反。初級/次級的比值與CXCL16的表達增加有關,表明膽汁酸對CXCL16表達也存在相反作用。最終,在臨床樣本中得到了細胞和動物模型實驗同樣的結論。

 

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 圖6 膽汁酸對人肝臟CXCL16表達的影響


小結

        本研究將腫瘤發生與腸道菌群、膽汁酸代謝和腫瘤免疫緊密聯系,創新性十足。同時,通過詳實的數據,證實了腸道微生物利用膽汁酸調控小鼠肝臟NKT細胞聚集,進而介導抗腫瘤免疫的創新機制。為通過調控膽酸代謝和腸道菌群來治療肝癌,提供了新的理論基礎并明確了治療靶點。

        本文中用到的膽汁酸全譜代謝組學分析和細胞因子篩選兩種技術可由華盈生物提供專業的技術服務。

 

原文鏈接:http://science.sciencemag.org/content/360/6391/eaan5931

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