乳腺癌的发病率逐年增高，并成为中国女性发病率最高的恶性肿瘤，是人们常说的“红颜杀手”。其中，三阴性乳腺癌恶性程度较高，患者生存预后较差，易出现早期复发和转移，且既往缺乏有效的针对性治疗策略，素有最“毒”乳腺癌之称。近日，复旦大学肿瘤医院邵志敏教授、江一舟教授课题组携手复旦大学基础医学院教育部/卫健委/医科院医学分子病毒学重点实验室赵超课题组，发现微生物代谢产物氧化三甲胺（TMAO）可以激活抗肿瘤免疫，提高三阴性乳腺癌免疫治疗疗效。这意味着微生物代谢产物TMAO有望成为三阴性乳腺癌临床免疫治疗的新策略，助推免疫治疗。该项重要研究成果已在北京时间3月12日凌晨在国际权威期刊Cell Metabolism(《细胞代谢》)以封面文章发表。
研究借助多维组学分析发现，三阴性乳腺癌患者中免疫调节亚型（Immunomodulatory, IM。即，对免疫治疗可产生应答组）的乳腺微环境中，梭菌目下菌属的占比显著高于其他亚型患者，提示瘤内共生菌群可能与抗肿瘤免疫应答有关。结合代谢数据分析发现，梭菌相关代谢产物TMAO在IM亚型患者中的丰度更高，且与微环境内CD8+ T细胞比例和gamma干扰素表达量成正相关。体内外实验证明，组织内TMAO诱导乳腺癌细胞发生由GSDME介导的焦亡，向微环境内释放大量炎性因子，从而实现对肿瘤特异性CD8+ T细胞募集和功能活化。同时发现，TMAO可活化内质网应激相关的PERK蛋白，继而切割GSMDE的上游蛋白caspase-3诱导肿瘤细胞发生焦亡。通过给小鼠喂食TMAO前体物胆碱可提高血浆和瘤内TMAO水平，激活三阴性乳腺癌抗肿瘤免疫，提高免疫治疗疗效。因此，补充胆碱摄入可以作为提高三阴性乳腺癌免疫治疗疗效的临床潜在治疗策略。
与常见文章报道的抗肿瘤激活剂直接作用于免疫细胞发挥作用不同，该研究从独特角度出发，发现特殊微生物群落借助代谢产物直接作用于肿瘤细胞，诱导其焦亡，继而促进免疫细胞浸润，最终发挥抗肿瘤作用。该研究，提出一种菌群促进细胞微环境炎性浸润的新机制，为提升特异性免疫应答效率提供了全新的思路。
三阴性乳腺癌免疫治疗疗效难题亟需破解
“乳腺癌像一个‘大家族’，可细分为腔面A、腔面B、HER-2阳性和三阴性四大亚型，其中三阴性乳腺癌是最‘毒’的一种，”项目主要研究者邵志敏教授表示，“三阴性乳腺癌占乳腺癌总体人群的10%-20%，其雌激素受体、孕激素受体以及HER-2表达均为阴性。与其他三种乳腺癌亚型相比，三阴性乳腺癌患者生存预后较差。”
近年来，以PD-1抑制剂为代表的免疫治疗成为三阴性乳腺癌颇具前景的治疗手段。但即便如此，随着临床研究的不断深入，仍有相当一部分患者难以从免疫治疗中获益。为了进一步提高精准治疗疗效，复旦大学肿瘤医院邵志敏教授、江一舟教授团队于2019年提出“复旦分型”，发现三阴性乳腺癌中有一类独特的免疫调节亚型（Immunomodulatory, IM），其患者有较为活化的免疫微环境特征，能够从免疫治疗中获益。“如何提高三阴性乳腺癌免疫治疗疗效，是亟待解决的临床难题。”邵教授评价道。
独特视角揭示新策略：小小细菌成免疫治疗关键“援军”
既往研究中，各国科学家从人体本身的角度对免疫治疗进行研究，尝试通过调控肿瘤细胞和免疫细胞来提高免疫治疗疗效，但他们往往忽视了一个重要的角色——共生细菌。
人体中生活着大量的细菌，在正常情况下，这些细菌与人体共生，并对于维持人体健康发挥着重要作用，这类细菌也被称作共生细菌。研究表明，人体乳腺组织中也存在着共生细菌群。
无论是正常乳腺组织还是患有乳腺癌的乳腺组织，这类共生菌群都是细胞微环境的重要组成部分。那么在肿瘤细胞与免疫细胞战斗的战场上，共生菌群这支神秘的部队究竟是“敌”是“友”，是否在抗击肿瘤中发挥了作用？
为了探究这个科学问题，团队基于复旦大学附属肿瘤医院三阴性乳腺癌队列，通过多组学维度进行分析，发现免疫调节亚型（IM）患者的乳腺微环境中梭菌目菌属的占比显著高于其他亚型患者，提示瘤内共生菌群可能影响三阴性乳腺癌的肿瘤微环境。结合代谢数据分析发现，梭菌相关代谢产物TMAO同样在IM亚型患者中有着更高的丰度，且与微环境内CD8+ T细胞比例成正相关，而CD8+ T正是人体发挥抗肿瘤功能的关键“战士”。因此，梭菌目共生菌和相关代谢产物TMAO是人体抗击三阴性乳腺癌的“友军”。
团队进一步探究TMAO是如何帮助人体抑制三阴性乳腺癌的。研究团队基于小鼠动物模型开展相关实验，发现上调瘤内TMAO水平可以通过增加瘤内微环境中CD8+ T细胞的浸润，激活CD8+ T细胞的功能并有效抑制三阴性乳腺癌的生长。机制探索发现，TMAO诱导乳腺癌细胞发生由GSDME介导的焦亡，向微环境内释放大量炎性因子，从而增加微环境中CD8+ T细胞的浸润，并激活CD8+ T细胞发挥抗肿瘤功能。研究同时发现，TMAO诱导的肿瘤细胞焦亡与内质网应激密切相关。TMAO通过活化PERK蛋白，进一步切割GSMDE的上游蛋白caspase-3诱导肿瘤细胞发生焦亡。
菌群代谢产物未来有望助推免疫治疗
在发现这个令人振奋的科学现象后，团队也积极推进转化性研究。结合临床三阴性乳腺癌免疫治疗队列，研究团队发现，高血浆TMAO水平的患者对免疫治疗反应性更好，且小鼠体内实验同时证实提高血浆TMAO水平可以有效抑制小鼠肿瘤的生长。为了探究临床可及的治疗方案，研究团队通过给小鼠喂食TMAO前体代谢产物胆碱提高血浆TMAO和瘤内水平，并且证实补充胆碱摄入可以激活三阴性乳腺癌抗肿瘤免疫，提高免疫治疗疗效。胆碱是人体日常摄入的营养物质之一，常见于蛋白、鱼肉、牛肉中，安全性较好，在以往临床中常被用作营养补剂。因此，补充胆碱摄入有望成为提高三阴性乳腺癌免疫治疗疗效的临床潜在治疗策略。邵教授团队也已开启口服胆碱提高三阴性乳腺癌免疫治疗疗效的临床试验，希望能够推动三阴性乳腺癌免疫治疗的发展。
图1 菌群通过代谢产物TMAO促抗肿瘤免疫示意图
“在‘复旦分型’的基础上，我们从微生物代谢组的独特角度出发，聚焦免疫治疗的临床问题，发现微生物代谢产物TMAO可以激活三阴性乳腺癌抗肿瘤免疫，并提高免疫治疗疗效。”邵教授表示，“该研究进一步完善了复旦大学附属肿瘤医院乳腺外科“临床问题-科学研究-临床实践”的体系，为三阴性乳腺癌精准免疫治疗提供了新的策略。也希望这项研究能够在临床实践中提高免疫治疗疗效，切实地帮助三阴性乳腺癌患者。”
本文第一作者为王海，荣星喻，赵干和周逸凡，通讯作者为邵志敏，赵超和江一舟。
论文链接 https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.02.010
