同济医院张子强团队运用 AFADESI 空间代谢组与微生物组联用探究肠道菌抗癌新机制

2023 年 2 月 5 日，同济大学附属同济医院张子强团队在 Gut Microbes（IF= 9.434）在线发表了肿瘤微生态调控的最新研究成果“Microbiome and spatially resolved metabolomics analysis reveal the anticancer role of gut Akkermansia muciniphila by crosstalk with intratumoral microbiota and reprogramming tumoral metabolism in mice”。该研究通过微生态组学及 AFADESI 空间代谢组学等多个层面的研究，首次发现了肠道菌群和肺癌微生态之间潜在的全新调控作用，阐明了肠道/肿瘤菌群交互作用以及菌群参与调控肿瘤发生发展的关键机制。其中 AFADESI 空间代谢组学由鹿明生物提供技术支持；

 

本研究的前提有如下几点：

1.肠道菌群对肿瘤生物学有深远影响，比如口服双歧杆菌（Bifidobacterium）会增强 PD-L1 的治疗效果；

2.肿瘤组织内部也有微生物存在，称为瘤内菌群。它可能会调节癌症进展并影响治疗。但其具体影响很大部分还是未知的。

3.研究表明，肠道菌群中的梭菌（Clostridiales）可能有助于降低小鼠结直肠癌的尺寸，其效果取决于瘤内浸润以及随后的 CD8+T 细胞的激活。但目前对肠道菌群和瘤内菌群之间的关系，以及二者与肿瘤的相互作用还不清楚。

4.Akkermansia muciniphila（Akk）据研究对肿瘤和其他疾病具有有益作用，但机制不清楚。

 

因此，作者从空间分布的分子水平角度，通过 Akk 灌胃处理肺癌小鼠模型，研究了 Akk 对瘤内菌群转位及影响。

 

研究思路：

 

文章看点：

首先为了确定内源性肠道微生物群与肺癌肿瘤发生之间的关系，作者使用了总共 108 只小鼠建立肺癌模型（样本策略）。并根据肿瘤生长情况，将小鼠分为普通肿瘤组（group1，n = 92），肿瘤延迟发育组（group2a，n = 16）以及无肿瘤发生组（group2b，n = 10）。确定两组（group1和group2）之间肠道微生物群的分类组成和微生物多样性的差异。发现，灌胃 Akk 明显抑制了肿瘤的增殖，而 Akk 灌胃组和 Akk+ 双歧杆菌灌胃组之间没有明显差异。

接下来，作者使用 AFADESI 空间代谢组方法进行空间分辨率代谢组学的代谢物分析对 Akk 对肿瘤的影响展开研究。首先作者根据解剖学特征将样本分为三种区域：非坏死区、副坏死区和坏死区，同时，空间代谢组的聚类分析也清楚地显示出这些区域。空间代谢组检测到的乳酸和代谢的分布与组织学分区高度一致。

图 | 肺癌小鼠模型肿瘤切片中的代谢物分析

 

接下来，作者通过将空间代谢组成像图与 HE 染色结果叠加，将这三个分区进行了选区比较分析，构建了一个代谢网络。确定了受影响的代谢通路，发现嘌呤代谢、谷胱甘肽代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、中心碳代谢、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢、丙酮酸代谢、糖酵解/葡萄糖生成、嘧啶代谢和脂肪酸生物合成等代谢通路在肿瘤组织中受到Akk灌胃的显著影响。这些代谢通路之间存在密切联系，如谷氨酰胺代谢、嘌呤和嘧啶代谢、糖酵解代谢和谷胱甘肽代谢。

 

通过研究糖酵解途径的代谢物乳酸发现，肺癌组织中糖代谢失调，即乳酸的离子强度在整个肿瘤区域高度表达。而灌胃 Akk 可以极大地降低了不同解剖学上的癌症亚区的乳酸水平。IHC 实验发现，作为调节糖代谢的酶，LDHA 在癌区也是高度表达的，而 Akk 处理后则显著降低。

图 | 糖酵解代谢途径中关键代谢物和代谢酶的原位可视化

 

接下来，作者通过 16S DNA 测序分析了肠道菌群，发现，对照组和 Akk 组小鼠的肠道菌群组成没有明显差异，二者共有的 OTU 有 1988 个。为了确定与 Akk 相关的特定微生物群落，进一步分析发现，在属的水平上，发现 Akk 的丰度在 Akk 灌胃小鼠的肠道微生物群中升高，而在对照组小鼠的肠道微生物群中，肠杆菌（Enterobacterales）、螺旋杆菌（Helicobacter）、类杆菌（Bacteroidota）的丰度增加。

 

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本文主要运用 16 s 微生物组以及 AFADESI 空间代谢组技术，探究了 Akk 灌胃后对瘤内菌群的影响，以及对肿瘤代谢的影响，进而探究了 Akk 影响肿瘤的可能机制。AFADESI 空间代谢组可以检测到有机酸、氨基酸、嘧啶及嘌呤等物质，并对其进行原位成像。此外，通过空间聚类分析可以清晰展示区域特异性，有力地解决了通过手术方式或激光切割精确分割癌区的难题。