Science | 改造皮膚細(xì)菌誘導(dǎo)抗黑色素瘤的T細(xì)胞反應(yīng)

原創(chuàng)?傅坤元?圖靈基因?2023-04-18 10:11?發(fā)表于江蘇

撰文：傅坤元

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一種細(xì)胞壁表達(dá)卵清蛋白的表皮葡萄球菌誘導(dǎo)T細(xì)胞能夠限制黑色素瘤生長(zhǎng)脖祈，作用溫和，不會(huì)引起免疫副作用翔冀；聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)抑制劑后靴患，能夠減少淋巴細(xì)胞耗竭皂甘，提升抗腫瘤能力。

2023年4月13日，通訊作者為美國(guó)斯坦福大學(xué)的Michael Fischbach教授在《Science》發(fā)表了題為“Engineered skin bacteria induce antitumor T cell responses against melanoma”的文章台舱。

某些皮膚共生菌種能夠引起強(qiáng)烈的T細(xì)胞反應(yīng)菠红，具有3個(gè)明確特征第岖。第一，誘導(dǎo)產(chǎn)生的T細(xì)胞亞型由細(xì)菌及其微環(huán)境決定试溯。例如蔑滓，某些表皮葡萄球菌誘導(dǎo)CD8+ T細(xì)胞。第二遇绞，細(xì)菌誘導(dǎo)的T細(xì)胞表達(dá)出特異性的T細(xì)胞受體键袱。第三，T細(xì)胞反應(yīng)發(fā)生在一個(gè)完整的摹闽、非炎性的上皮屏障之內(nèi)蹄咖；即在沒有感染的情況下，生理性的細(xì)菌定植促使皮膚屏障產(chǎn)生適應(yīng)性免疫付鹿。

本研究旨在回答2個(gè)基本問題比藻。

首先，機(jī)體皮膚屏障在面對(duì)細(xì)菌定植時(shí)倘屹，其"目標(biāo)"為何银亲？即細(xì)菌誘導(dǎo)的T細(xì)胞的功能特性如何？已知表皮葡萄球菌誘導(dǎo)的CD8+ T細(xì)胞具有促進(jìn)皮膚穩(wěn)態(tài)和加速傷口閉合的功能纽匙，這并非其常見功能务蝠。但是，這些細(xì)菌誘導(dǎo)的免疫細(xì)胞是否能夠執(zhí)行細(xì)胞免疫的核心功能烛缔？

其次馏段，抗皮膚共生菌免疫可否用于某些皮膚免疫疾病的治療轩拨？這或許是抗原特異性免疫又一重要應(yīng)用。簡(jiǎn)單的細(xì)菌定植即可誘導(dǎo)特異性T細(xì)胞院喜，這一過程作用持久亡蓉、安全，避免了免疫刺激造成的副作用喷舀。

以上兩個(gè)問題可以用同一方法來回答（圖1A）砍濒。通過在表皮葡萄球菌中表達(dá)腫瘤抗原，誘導(dǎo)的T細(xì)胞因其皮膚共生菌而不受免疫刺激硫麻，但是能夠特異性地識(shí)別腫瘤爸邢。如此便可觀察這些T細(xì)胞是否能夠浸潤(rùn)腫瘤，并參與對(duì)腫瘤的細(xì)胞毒性攻擊拿愧。

本研究的第一步杠河，就是構(gòu)建表達(dá)腫瘤抗原的表皮葡萄球菌。

本研究選用了來自健康人皮膚的表皮葡萄球菌NIHLM087浇辜，該菌不會(huì)引發(fā)皮膚屏障的炎癥反應(yīng)券敌。由于表皮葡萄球菌DNA導(dǎo)入特性，本研究使用了專門的DNA導(dǎo)入體系柳洋，通過大腸桿菌DC10B傳代質(zhì)粒待诅、熱休克和高滲山梨醇來達(dá)到較好的DNA導(dǎo)入效果（圖1B），構(gòu)建了13株突變的表皮葡萄球菌（圖1C）膳灶。

接下來設(shè)計(jì)表皮葡萄球菌表達(dá)非天然抗原。先以卵清蛋白（OVA）作為模型抗原立由，產(chǎn)生3組抗原性質(zhì)和定位不同的菌株（圖1D）：第一組有1株轧钓，在胞質(zhì)表達(dá)全長(zhǎng)OVA（cOVA）；第二組有3株锐膜，在細(xì)胞壁上表達(dá)抗原（分別為S.epi-wOVA毕箍、S.epi-wOT-I和S.epi-wOT-II；w表示細(xì)胞壁）道盏；第三組有3株而柑，向細(xì)胞外分泌抗原（分別為S.epi-sOT-I、S.epi-sOT-II和S.epi-sOVA荷逞；s表示分泌）媒咳。以上工程菌在體外和皮膚上均可刺激抗原特異性CD8+和CD4+ T細(xì)胞，且無屏障破壞种远、不引發(fā)皮膚炎癥涩澡。

工程表皮葡萄球菌是否可以天然誘導(dǎo)特異性T細(xì)胞、產(chǎn)生抗腫瘤活性坠敷？

小鼠接受表達(dá)OVA的黑色素瘤細(xì)胞皮下注射后妙同，要么不做處理射富，要么用活的表皮葡萄球菌輕輕擦拭（圖2A）。對(duì)照小鼠用的是一株表達(dá)無關(guān)蛋白的表皮葡萄球菌（S.epi-control）處理粥帚；實(shí)驗(yàn)小鼠用的是2組表皮葡萄球菌的組合處理胰耗，S.epiwOT-I和S.epi-sOVA（簡(jiǎn)稱S.epi-OVA）以及S.epi-wOT-I和S.epi-sOT-II（簡(jiǎn)稱S.epi-OVApep）。

S.epi-OVA或S.epi-OVApep定植明顯抑制了腫瘤生長(zhǎng)（圖2B）芒涡。而S.epi-control沒有影響腫瘤生長(zhǎng)柴灯，說明抗腫瘤作用不是由于表皮葡萄球菌自身引起的CD8+ T細(xì)胞數(shù)量的增加或免疫應(yīng)答的改變。表皮葡萄球菌只有在OVA存在時(shí)拖陆，才能發(fā)揮抗腫瘤活性弛槐。據(jù)此推測(cè)這種抗腫瘤作用是由OVA特異性T細(xì)胞介導(dǎo)。

工程菌不單純起到抗原的作用依啰，其生存能力乎串、特殊生態(tài)位的占用和長(zhǎng)期的抗原暴露可能是免疫刺激反應(yīng)所必需的。因?yàn)闊釡缁畹腟.epi-OVApep無抗腫瘤反應(yīng)（圖2C）速警，熱滅活的S.epi-wOT-I在體內(nèi)不能激活特異性T細(xì)胞叹誉。

表皮葡萄球菌誘導(dǎo)的OVA特異性T細(xì)胞可以遷移并浸潤(rùn)至腫瘤，不產(chǎn)生皮膚或全身毒性闷旧。S.epi-OVApep使OVA特異性CD8+ T細(xì)胞向腫瘤浸潤(rùn)长豁，脾臟中OVA特異性CD8+和CD4+ T細(xì)胞增加（圖2D）。腫瘤小鼠的皮膚中含有少量OVA特異性CD8 + T細(xì)胞忙灼，這些細(xì)胞傾向于產(chǎn)生IFN-g而不是IL-17A匠襟。

工程菌誘導(dǎo)抗腫瘤的最低要求是細(xì)胞壁表達(dá)CD8 +抗原和CD4 +抗原，僅有OVA特異性T細(xì)胞無抗腫瘤该园。去除S.epi-OVA感染的腫瘤小鼠的CD8+ T酸舍，效果相當(dāng)于去除S.epi-OVA的定植（圖2E）。當(dāng)小鼠單獨(dú)感染S.epi-wOT-I或S.epi-wOT-II時(shí)里初，對(duì)腫瘤生長(zhǎng)無影響啃勉，表明抑制腫瘤生長(zhǎng)必須存在OVA特異性CD4+和CD8+ T細(xì)胞。同時(shí)用S.epi-sOT-I和S.epi-wOT-II定植處理后双妨，即便這些菌株能夠誘導(dǎo)特異性T細(xì)胞淮阐，也失去了抗腫瘤作用(圖2F）。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)可知刁品，S.epi-OVA誘導(dǎo)的T細(xì)胞可以限制皮下腫瘤的生長(zhǎng)泣特。那么，表皮葡萄球菌誘導(dǎo)的T細(xì)胞是否可以轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織挑随？定植細(xì)菌的跨屏障移位可導(dǎo)致膿毒癥群扶，因此屏障免疫或許能夠限制細(xì)菌的全身傳播。

S.epi-OVA的抗腫瘤作用并不局限于皮膚和皮下組織。通過靜脈注射表達(dá)OVA的黑色素瘤細(xì)胞竞阐，導(dǎo)致肺轉(zhuǎn)移(圖3A )缴饭。而在注射前用S.epi-OVA局部定植，能夠顯著減緩腫瘤生長(zhǎng)（圖3C）骆莹。

S.epi-OVA誘導(dǎo)的抗腫瘤反應(yīng)的效果驚人颗搂。即使作為單藥治療，其誘導(dǎo)的T細(xì)胞也限制了侵襲性腫瘤的生長(zhǎng)幕垦。同時(shí)該療法作用溫和丢氢，不會(huì)引起任何免疫副作用。

表皮葡萄球菌是否能誘導(dǎo)出針對(duì)腫瘤抗原的特異性T細(xì)胞先改？其抗腫瘤活性是否與OVA特異性T細(xì)胞相當(dāng)疚察？

本研究繼續(xù)構(gòu)建了表皮葡萄球菌工程菌，在其中表達(dá)了天然存在于黑色素瘤的2種抗原肽（命名為S.epi-neoAg）仇奶。這2種新抗原肽能夠產(chǎn)生CD8+和CD4+ T細(xì)胞反應(yīng)（圖3B）貌嫡。S.epi-neoAg的預(yù)防性定植可有效抑制隨后的轉(zhuǎn)移性腫瘤生長(zhǎng)（圖3A至C）。因此该溯，皮膚共生細(xì)菌能夠針對(duì)多種宿主抗原和不同的腫瘤環(huán)境岛抄，誘導(dǎo)相應(yīng)的特異性T細(xì)胞。

腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)之后狈茉，再用表皮葡萄球菌工程菌定植夫椭，是否也能夠產(chǎn)生抗腫瘤作用？小鼠在腫瘤接種后3天氯庆，開始用S.epi-OVApep定植（圖3D）蹭秋。腫瘤生長(zhǎng)的抑制與預(yù)防模型相當(dāng)，同時(shí)肺和脾臟中OVA特異性CD8+ T細(xì)胞的增加堤撵。該結(jié)果支持S.epi-OVApep誘導(dǎo)的CD8+ T細(xì)胞對(duì)黑色素瘤的轉(zhuǎn)移具有重要的控制作用仁讨。

S.epi-OVA誘導(dǎo)的和腫瘤誘導(dǎo)的T細(xì)胞雖然具有相同的抗原特異性，但是兩者的功能不同粒督。OVA特異性CD8+ T細(xì)胞群體的組成發(fā)生改變陪竿，對(duì)照組大部分為中央記憶性T細(xì)胞禽翼，而S.epi-OVApep組則為效應(yīng)T細(xì)胞和效應(yīng)記憶T細(xì)胞（圖3E）屠橄。

腫瘤微環(huán)境中，可耗竭的效應(yīng)T細(xì)胞和效應(yīng)記憶T細(xì)胞可能介導(dǎo)了S.epi-OVA的抗腫瘤作用闰挡，并且浸潤(rùn)腫瘤的淋巴細(xì)胞（TILs）具有高比例的PD-1陽性锐墙。加入免疫檢查點(diǎn)抑制劑可以緩解S.epi-OVA誘導(dǎo)的TILs耗竭，增強(qiáng)抗腫瘤作用长酗。

單獨(dú)的免疫檢查點(diǎn)抑制劑對(duì)于表達(dá)OVA的黑色素瘤無作用溪北，而S.epi-OVApep預(yù)防性定植聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)阻斷能夠抑制黑色素瘤的生長(zhǎng)（圖4A）。首先在小鼠身體右側(cè)注射黑色素瘤細(xì)胞，31天后在腫瘤完全消融的小鼠的左側(cè)注射黑色素瘤細(xì)胞之拨。所有小鼠均排斥左側(cè)腫瘤茉继，64.3%的小鼠在首次注射2個(gè)月后右側(cè)無瘤（圖4A）。此外蚀乔，注射前25天時(shí)烁竭，接種黑色素瘤疫苗，減弱了S.epi-OVApep誘導(dǎo)的效應(yīng)T細(xì)胞反應(yīng)（圖4B）吉挣。

工程表皮葡萄球菌和檢查點(diǎn)抑制的組合是否可以治療已有腫瘤派撕？小鼠接種表達(dá)OVA的黑色素瘤細(xì)胞后的第5或14天，使用S.epi-control或S.epi-OVApep感染并使用免疫檢查點(diǎn)抑制劑睬魂。腫瘤生長(zhǎng)的抑制與預(yù)防模型一樣明顯终吼，大部分腫瘤消退（圖4C），并且無皮膚炎癥氯哮。因此际跪，將表達(dá)腫瘤抗原的皮膚共生細(xì)菌與免疫檢查點(diǎn)抑制劑相結(jié)合，可以產(chǎn)生持久蛙粘、有效的抗腫瘤反應(yīng)垫卤，治療已有的黑色素瘤。

教授介紹

通訊作者M(jìn)ichael Fischbach教授任職于美國(guó)斯坦福大學(xué)生物工程系出牧，曾獲美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）院長(zhǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)穴肘、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）和西蒙斯基金會(huì)聯(lián)合頒發(fā)的學(xué)者獎(jiǎng)等。

Michael Fischbach教授聚焦于人類微生物組舔痕，采用基因組學(xué)评抚，從微生物中鑒定特征性小分子。

參考文獻(xiàn)

Chen, Y. E., Bousbaine, D., Veinbachs, A., Atabakhsh, K., Dimas, A., Yu, V. K., Zhao, A., Enright, N. J., Nagashima, K., Belkaid, Y., & Fischbach, M. A. (2023). Engineered skin bacteria induce antitumor T cell responses against melanoma. Science (New York, N.Y.), 380(6641), 203–210.?https://doi.org/10.1126/science.abp9563