唐獎 Tang Prize 微生物與免疫學 癌症生物學 科學報導

2014年唐獎回顧-不只是免疫檢查點抑制劑-腸道菌與新陳代謝

隨著人類壽命增長、不均衡的飲食與外在環境汙染加劇,癌症多年盤據國人十大死因之中。惡性腫瘤起因於自體細胞的異常增生,導致人體局部與系統性的生理平衡崩潰。2014 年唐獎生技醫藥獎頒給了 Dr. James P Allison 及 Dr. Honjo Tasuku 以表彰他們對發現 CTLA-4 與 PD-1 的貢獻,兩人亦於 2018 年共同獲得諾貝爾生理學或醫學獎。免疫檢查點抑制劑的相關藥物開發是近年癌症研究中最熱門的解決方案,然而隨著臨床試驗開展,科學家很快就發現免疫檢查點抑制劑未能有效治癒大部分的癌症患者。

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共生菌與代謝──超越單一免疫檢查點抑制劑

免疫檢查點抑制劑是透過藥物競爭的方式,避免 T 細胞上的剎車機制被啟動,因而持續活化並攻擊腫瘤細胞。然而在臨床試驗中,抑制劑未能有效使患者體內的腫瘤細胞被清除。科學家因此積極尋找其他能輔助腫瘤細胞清除的機制,除了開始混合使用各種抑制劑與藥物之外,其中有兩個領域愈趨熱門──體內共生菌對癌症的影響與腫瘤及免疫細胞的新陳代謝。

腸道共生菌是人體生理平衡的要素之一

近十年間,「腸道菌革命」以黑馬之姿在科學界迅速擴展,從動物社交行為 [1] 到代謝疾病遺傳 [2]。腸道菌與癌症關係的研究起步相對較晚,終於在 2017 年底出現新突破,三篇來自不同團隊的研究指出腸道菌與免疫檢查點抑制劑間的關係 [3, 4, 5]。無菌小鼠移植免疫療法敏感患者的腸道菌後,療效顯著優於對照組。糞便微生物移植能否變成未來癌症治療的關鍵?

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腸道菌與癌症患部的位置較遠,而且相對隔離,造成兩者交互作用的關係難以闡明。一般認為腸道菌經由三條路徑加重或減緩宿主的罹癌風險,包括改變宿主細胞增生與死亡的平衡、調控免疫系統功能、與影響腫瘤微環境內的新陳代謝。造成 DNA 損傷的機制是體內微生物彼此競爭生存空間的方式之一,微生物彼此的攻防機制會影響人體基因的調控而影響到癌症的發展 [6]。生理平衡狀況下,腸道共生菌可以適當的刺激人體的免疫系統但不引起疾病或發炎,然而當區隔共生菌的腸道屏障受損時,微生物的侵入與刺激釋放的發炎因子會加重宿主的發炎反應,而加速癌症發展 [7]。近年來,食物療法在癌症治療裡漸漸成為一種新穎的治療方式,碳水化合物類的食物被腸道微生物分解後會形成短鏈脂肪酸,短鍊脂肪酸在部分基因表現缺乏的情況下,會使腸壁上皮細胞過度增生,導致大腸癌的發生 [8];另外也有研究指出微生物會利用胃酸作為訊息傳遞者以增加肝臟免疫細胞的聚集,進而抑制肝癌的形成 [9]。總結來說,微生物以多種機制參與在癌症發展的進程中。

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圖一、腸道菌會影響對各種癌症療法反應及相關毒性,經由腸道粘膜與相關淋巴組織內的局部變化調節全身免疫功能。Pathogen-associated molecular pattern(PAMP)與Antigen-presenting cell(APC)和innate effector通過pattern-recognition receptor( PRR)(如Toll-like receptor)的相互作用協助啟動後天免疫反應。以上組合使浸潤在腫瘤內的淋巴細胞變多,並減少髓源性抑制細胞,最終造成免疫系統抗癌能力增強。圖片來源:DOI: 10.1038/s41591-019-0377-7

腸道共生菌影響免疫檢查點抑制劑在癌症中的療效

免疫療法在部分癌症(黑色素瘤,肺癌等)治療中獲得顯著的成功,但在大腸癌治療上卻不見其療效,由於大腸癌的微環境裡微生物密集分佈,使得醫學界開始好奇微生物是否會影響免疫療法的效果,先後提出了多個腸道菌參與大腸癌形成的假設機制 [10]。2013 年,法國免疫學家Dr. Laurence Zitvogel 首先發現部分抗癌藥物仰賴腸道菌活化宿主的免疫系統 [11],他們隨後在 2015 年利用小鼠實驗提出腸道菌會影響免疫療法的概念,他們發現無菌小鼠對 CTLA-4 抑制劑的免疫治療無反應。當給予 Bacteroides fragilis 後,治療效果顯著改善了 [12]。2018 年,他們進一步發表了 PD-1 抑制劑的臨床證據,在免疫療法敏感病患與抗性病患間,腸道菌的組成有顯著差異。以糞便微生物移植的方式,無菌小鼠移植了敏感病患的腸道微生物後,免疫治療的效果顯著高於移植抗性病患腸道菌的組別 [3]。同時間,另一組由安德森癌症中心 Dr. Jennifer Wargo 帶領的團隊發現免疫療法敏感的病患有較多樣性的腸道菌群,這些菌群促使釋放的細胞激素進一步聚集 T 細胞並使他們浸潤到癌症組織內 [4],值得注意的是,在無使用抗生素的組別,免疫療法的效果從 25% 上升到 40%,這些研究提出了一個重要的觀念──免疫抑制劑跟抗生素的搭配使用會造成療效降低。近期研究指出,微生物可能經由調控蛋白質折疊的機制 [13] 影響到免疫抑制劑的效果,但詳細機制相當複雜且具爭議。其中包括了微生物的組成成分、抗原呈現細胞與免疫細胞的受體、甚至是局部與遠端作用(圖一) [14]。儘管這些研究結果之間有分歧,但基於現有的證據可以確定,腸道菌在癌症的治療中扮演重要的角色。

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腫瘤微環境影響癌細胞與免疫細胞的行為

當視野回到腫瘤微環境中,腫瘤是一個極致緊密與複雜的空間,當中充斥著大量增生的腫瘤細胞與浸潤的免疫細胞。不僅如此,當中也包含著各種細胞的代謝物與細胞激素。隨著腫瘤的發展,血管新生會進入腫瘤中,更近一步觸發腫瘤轉移與微環境養分的轉換。其中癌症研究中最關注的便是腫瘤細胞本身的代謝轉變、免疫細胞的代謝轉變、與兩者之間的交互與競爭的關係。

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新陳代謝供應細胞的能量來源與原料(如胺基酸、核苷酸等),可以說是細胞運作的核心。經過演化,細胞當中的新陳代謝機制大多倚賴酵素催化,過往的研究大多專注於基因調控影響的代謝機制。近期的研究卻開始顯示新陳代謝透過影響細胞的能量來源與基礎代謝物的供給,影響細胞的基因表現或是外在行為。代謝物本身作為聚合物的單元與各種修飾的原始材料,可以透過影響蛋白質修飾、核酸修飾、組蛋白修飾等影響基因表現 [15,16],進而改變細胞的狀態。代謝物的範疇極廣,從金屬離子、小分子到大分子都可能影響細胞狀態,而且也可以透過各種通道或是運輸系通運出細胞並改變環境及影響其他細胞的新陳代謝。

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腫瘤微環境影響免疫細胞的組成與新陳代謝

在腫瘤微環境之中,腫瘤快速增生,並使用大量的葡萄糖及糖解作用產生能量,腫瘤細胞也因此排出大量的乳酸到環境之中。這使得腫瘤微環境成為一個缺氧、缺糖、及酸性的環境。這使得浸潤的免疫細胞被迫使用脂肪酸氧化 (fatty acid oxidation, FAO) 或麩胺酸 (glutamate) 及麩醯胺酸 (glutamine) 作為能量來源。這些改變迫使進入腫瘤區域的巨噬細胞、自然殺手細胞、T 細胞等,由活化狀態轉為免疫抑制性。更會導致免疫抑制性的骨髓衍生抑制細胞 (MDSC) 及調節性 T 細胞 (Treg) 增加[17]

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圖二、腫瘤細胞的新陳代謝產物及養分攝取會影響 T 細胞抑制腫瘤發展的功能,其中更包含多種免疫細胞的參與。做為非常複雜的網路,各種發炎、抑制發炎、細胞激素、代謝物等都參與腫瘤塑造的過程。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41571-019-0203-7

以胞殺性 T 細胞為例,受到 PD-1 訊號抑制的 T 細胞在活化後逐漸轉為耗竭的 T 細胞。此時細胞內部的能量產生下降,減少糖解作用及氧化磷酸化的產能,這樣的代謝轉變使得 T 細胞轉為耗竭狀態 [18]。不僅如此,腫瘤微環境中的巨噬細胞也會因為發炎性的巨噬細胞需要葡萄糖作為爆發性的能量來源,然而缺糖及缺氧的環境迫使巨噬細胞轉為免疫抑制性的腫瘤相關巨噬細胞 (Tumor-associated macrophage, TAM)。腫瘤微環境中大量的乳酸 (lactate) 也被證實會促使浸潤的巨噬細胞組蛋白乳酸化,進而將巨噬細胞推向非發炎性的狀態 [16]。轉為非發炎性狀態的巨噬細胞也將開始消耗環境中的精胺酸 (arginine),作為活化 T 細胞的需求來源,巨噬細胞此舉更協助將 T 細胞推向沉默的耗竭狀態。

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結語

綜合而言,腸道共生菌及腫瘤中塑造的代謝環境都造就了癌症的複雜程度。局部性的腸道共生菌透過自身抗原或釋放到血液中的小分子影響免疫系統的平衡。而腫瘤微環境乃至於身體代謝均衡都將成為影響免疫系統代謝恆定的因子之一。相較過去專注於腫瘤環境中的變化,免疫代謝以及共生菌相提供一個更加宏觀的癌症治療視野,也迫使治療方式逐漸放棄單一療法的療程,逐漸推向個人化醫療的專業設計。
為了結合免疫檢查點抑制劑或是免疫療法,針對免疫細胞代謝、癌細胞代謝、共生菌相的綜合療法也將會是開發的趨勢。或許這些都將是癌症治癒的拼圖之一,跨領域的合作也將免疫檢查點抑制劑的療法向前推進。

圖三、常見的腫瘤細胞的新陳代謝以及其相關的細胞訊息傳遞。在血管新生前的腫瘤細胞偏好使用大量的無氧呼吸以支持其快速生長的能量需求,相較周圍免疫細胞而言,癌細胞更需要生產而非分解脂肪酸以支持其快速分裂的脂質需求。圖片來源:DOI: 10.1126/sciadv.1600200

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撰文|洪維謙、蔡宗霖

Photo credit: Dialysis Technician Salary(www.dialysistechniciansalary.org)

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蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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洪維謙

洪維謙

國立陽明大學腦科學研究所,目前進行阿茲海默症藥物相關研究與試驗,過去在中央研究院研究遺傳緩衝效應。對於政治、社科、經濟等領域也稍有涉略,希望藉由investigator提升科學在台灣社會的能見度。

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