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微生物から学ぶ:T細胞免疫療法を強化するためのマイクロバイオームの活用


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ミニレビュー記事
Front. 免疫学、2023年9月18日
Sec.分子自然免疫
第14巻-2023年|https://doi.org/10.3389/fimmu.2023.1269015
この論文は次の研究テーマの一部です。
CAR T細胞の開発、トランスレーショナルリサーチ、製造におけるイノベーション

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微生物から学ぶ:T細胞免疫療法を強化するためのマイクロバイオームの活用

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2023.1269015/full?utm_source=S-TWT&utm_medium=SNET&utm_campaign=ECO_FIMMU_XXXXXXXX_auto-dlvrit



Alexander Visekruna2 John Slingerland3 Roni Shouval4,5 Michael Hudecek1 Marcel van den Brink3 Maik Luu1* 1.
1Lehrstuhl für Zelluläre Immuntherapie, Medizinische Klinik und Poliklinik II, Universitätsklinikum Würzburg, Germany
2ドイツ、マールブルグ、マールブルグ大学、医療微生物学・衛生学研究所
3スローンケタリング研究所免疫学部門、ニューヨーク、ニューヨーク州、アメリカ合衆国
4メモリアル・スローン・ケタリングがんセンター、成人骨髄移植サービス、医学部、ニューヨーク州、アメリカ合衆国
5ワイル・コーネル医科大学医学部、ニューヨーク、ニューヨーク州、アメリカ合衆国
遺伝子工学が癌の養子細胞療法の分野にもたらした機会は、キメラ抗原受容体(CAR)T細胞やT細胞受容体(TCR)T細胞を用いた新しい治療戦略の開発を加速させている。特にCAR T細胞療法は、血液悪性腫瘍において大きな成功を収めたことから、長期間の寛解を達成できる有望な治療法として注目されている。しかし、治療抵抗性や再発を媒介する原因については、まだほとんど研究されていない。T細胞の疲弊と機能不全に関する研究は、細胞免疫療法の有効性と毒性に決定的に影響する免疫と腫瘍微小環境(TME)の両方を規定する宿主由来の因子に注目させている。マイクロバイオームは、最も複雑な宿主因子の1つであり、健康と疾病に影響を与えることから、研究の中心的なテーマとなっている。最近の知見では、常在細菌、特に微生物叢由来の代謝産物が宿主の免疫とTMEを教育・調節し、それによってがん免疫療法に対する反応に寄与するという仮説が支持されている。したがって、微生物株の組成やその可溶性メッセンジャーは、CAR T細胞の有効性や毒性を予測する価値があると考えられている。微生物叢の有益な作用と有害な作用の根底にある多様なメカニズムには、様々なエピジェネティック、代謝的、シグナル伝達関連の経路があり、CAR T細胞の機能改善に利用できる可能性がある。本総説では、微生物とがんとの相互作用の分野における最近の知見について、特に細胞免疫療法を進歩させるために常在性因子が提供しうる新たな道筋に関して論じる。

はじめに
腸内細菌叢は、細菌と真菌からなる最も複雑な叢のひとつであり、宿主の生理・病態、さらには悪性・非悪性疾患の発症に影響を及ぼすことが示されている。相互作用は免疫細胞の教育や寛容化反応に不可欠な役割を果たしている。この分野の最初の研究では、腸内微生物のコロニー形成が腸内恒常性の維持に重要な因子であることが示されたが、ディスバイオシスに関する研究では、中枢神経系における自己免疫や肺におけるアレルギー反応など、腸以外の疾患発症も常在性因子に依存していることが示された(1-3)。がんにおけるマイクロバイオームの重要な影響は、骨髄移植(BMT)を受けた患者が、腸内マイクロバイオームの多様性の喪失と関連して移植片対宿主病(GVHD)を発症したという臨床データによって初めて浮き彫りにされた(4)。さらに、免疫チェックポイント阻害(ICI)やキメラ抗原受容体(CAR)T細胞療法に関しても、患者のマイクロバイオーム組成の変化や微生物代謝産物の産生が、異なる臨床反応と関連している(2, 5-9)。腫瘍細胞に対する常在菌の影響の解析から、発がんを促進する可能性が示され、腫瘍内コロニー形成が腫瘍微小環境(TME)の付加的な層として同定された(10-12)。これらの知見は、免疫療法(ICIや養子T細胞移植など)の前に、あるいは免疫療法と組み合わせて相乗的に作用する介入の前に、患者の常在コミュニティーを合理的に形成するような、新規で治療に関連する戦略の源としてのマイクロバイオームを浮き彫りにしている。

CARと遺伝子組み換えT細胞受容体(TCR)は、合成生物学と遺伝子工学の進歩の結果であり、T細胞の特異性を腫瘍関連抗原(TAA)に向ける新たな戦略をもたらした(13, 14)。操作されたT細胞の養子細胞療法(ACT)は、がん免疫療法において画期的な治療法へと発展し(15)、進行した悪性腫瘍においてかなりの奏効率と有効性を示すことができるようになった(16-19)。

CD3シグナル伝達複合体に組み込まれたヘテロ二量体を形成するα鎖とβ鎖からなるTCRは、MHCクラスIIを介して特殊な抗原提示細胞(APC)上の主要組織適合性複合体(MHC)、またはMHCクラスIを介してウイルス感染細胞や悪性細胞上の主要組織適合性複合体(MHC)の文脈で抗原を認識する(15, 20-22)。初期のアプローチでは、患者の腫瘍病巣、血液またはリンパ節から内因性の腫瘍特異的T細胞を単離し、これをin vitroで増殖させた後、HLA相補的レシピエントに単クローン性またはオリゴクローン性のレパートリーを養子移入するという有望な結果が得られている(23-26)。遺伝子編集技術と組み合わせて遺伝子導入TCRを持つT細胞を得るための遺伝子導入が確立されたことで、ACTはさまざまな疾患の治療に利用しやすくなった(27, 28)。しかし、ヒトのMHC分子のレパートリーは独特であるため、従来のTCRを治療用に広く使用することは、特定のハプロタイプに限定される(29)。さらに、適切な標的抗原と新抗原を同定するのは、新しいスクリーニング技術に支えられた手間のかかるプロセスである(30)。

これとは対照的に、CARは合成的に設計され、抗体の一本鎖フラグメント変数(scFv)に由来する細胞外結合ドメインで基本的な実施形態が構成されている。抗原特異的scFvは、CD3ζ鎖のようなTCRの細胞内シグナル伝達ドメインに融合され、その後に1つ以上の共刺激ドメイン(CD28や4-1BBなど)が続く(31-33)。scFvの代わりに、標的抗原のリガンドやレセプターの細胞外部分がCAR結合ドメインとして機能することもある(34, 35)。その結果、抗原認識時のCARの活性化はMHCに依存しない方法で起こり、内因性TCR鎖とのミスマッチを引き起こさない(36)。最新の遺伝子導入法により、様々な患者の血液から自家および同種CAR T細胞の作製が可能になった(19, 37, 38)。

TCRとCAR T細胞の両アプローチは素晴らしい臨床結果を示しているが、治療困難な癌の治療範囲を広げるために、操作された免疫細胞の長期的な適性や反応を妨げるハードルやメカニズムを調査する必要がある。腫瘍微小環境(TME)のような宿主特異的因子は、免疫療法に対する反応に決定的な影響を及ぼしている。

本総説では、TMEを形成する腸内マイクロバイオームの能力、宿主の免疫状態、およびACTの有効性を改善するためにT細胞応答を調節するマイクロバイオーム由来代謝産物の分子メカニズムについて論じる。

マイクロバイオームが宿主免疫を教育する
マイクロバイオーム分野の発展におけるさまざまなマウスモデルの役割
過去数十年にわたり、宿主とマイクロバイオームの相互作用に関する洞察は、モデル系としてコロニー形成を規定したgnotobiotic動物を確立することによって促進されてきた。特に、無菌(GF)マウスにおける免疫系の解明は、マイクロバイオームがT細胞やB細胞の教育やリンパ系器官の生成に重要な因子であることを浮き彫りにした。特定病原体フリー(SPF)条件下で飼育された標準的な野生株と比較すると、GFマウスは抗体レベルやレパートリーの多様性が低下し、リンパ系構造が未発達で、T細胞記憶応答の誘導が損なわれている(39-43)。

微生物を介した宿主免疫環境の刷り込みが重要であることは、共進化した常在菌や病原体を含む、天然の哺乳類メタオーガニズムに酷似したモデルマウスの作製を目指したアプローチによっても実証された。実験用マウスは生物医学研究の柱であり、免疫学における多くの発見がある(44)。しかし、実験動物施設間の微生物相の不一致に起因する結果の再現性のばらつきは、ヒトの複雑な免疫環境を予測する実験動物モデルの能力を制限している可能性があることが明らかになってきた。古典的な実験動物における消毒された環境とは対照的に、自由に生きている哺乳類の生理を反映させるために、RosshartたちはC57BL/6の胚を「ワイルドリング」と呼ばれる野生のマウスに導入して系統を開発した(43)。これらの野生個体は、何世代にもわたって天然の微生物叢を安定的に宿主とし、抗生物質を投与し、食餌と微生物の両方のチャレンジに耐えることが示されただけでなく、従来の前臨床研究では予測できなかった臨床所見も反映されている。

CD28-スーパーアゴニストを投与すると、野生個体では当初観察されたTreg拡大の代わりに炎症性サイトカイン反応が起こる一方、致死的内毒素血症の際に抗TNF-α治療を野生個体に投与しても、従来の動物で観察されたような救済は得られなかった(45-47)。野生個体および最小限の微生物叢の特徴を明らかにする努力は、免疫療法的介入の前提として、微生物叢が宿主の免疫環境をどのように刷り込んでいるかを理解する上で極めて重要である(43, 48)。

健康と疾患における免疫応答の形成における微生物叢の影響
腸内常在菌は、末梢寛容と粘膜寛容のゲートキーパーである制御性T細胞(Treg)の分化を誘導することによって、炎症と免疫抑制のメカニズムが絶妙かつダイナミックにバランスする腸の恒常性に寄与している。同時に、分節化糸状菌(SFB)のようなメンバーは、細菌に対する腸管免疫応答を制御する粘膜のTh17細胞の発達に必要であるが、T細胞介在性自己免疫の発達の前提条件としても同定された。GFマウスは実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)の誘発に対して抵抗性を示すが、SFBによる単コロニー化は、中枢神経系炎症の病原性ドライバーとして粘膜Th17細胞を生成するのに十分である(49)。興味深いことに、可溶性常在性代謝産物は、Tregの分化を促進することによって、あるいは微小環境の抗炎症制御因子としてインターロイキン(IL)-10を誘導することによって、SFBが介在するEAEの発症を抑制することが示されている(50, 51)。

移植片対宿主病(GVHD)のような他の炎症性疾患においても、ある種の微生物叢の拡大は疾患の発症と相関していた(4)。同種造血細胞移植(allo-HCT)後の腸内におけるエンテロコッカス(Enterococcus)のラクトース依存的な増殖は、同胞動物の腸内においてGVHDの重症度を増大させたが、これは食事による二糖類の欠乏によって抑制された。同様に、乳糖を吸収する能力が低いallo-HCT患者は、抗生物質投与後、腸球菌に支配的にコロニー形成された(4)。炎症環境の形成に関与しているにもかかわらず、マイクロバイオームは骨髄移植後の造血回復を促進する栄養素の重要な供給者である(52)。常在菌が減少すると、食事からのエネルギー摂取と内臓脂肪の蓄積が減少し、WTホストに比べてリンパ球と好中球の回復が悪くなった。この表現型はショ糖の投与によって回復し、カロリー不足を補った。興味深いことに、カロリー制限に関する研究では、ビフィズス菌の濃縮が報告されており、その結果、TMEに浸潤するIFN-γ+ CD8 T細胞による抗腫瘍免疫が増加した(図1)(53)。これらの研究は、いくつかの常在性因子の相互作用が生理的恒常性の維持に関与しているという仮説に貢献し、病態生理の有害な原因としてのディスバイオシスの考えをさらに強めている。

図1
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図1 癌免疫療法のアプローチを改善するマイクロバイオーム治療メカニズムの図式的要約。微生物組成はいくつかの方法で応答性TMEを形成する。B. longum、B. fragilis、B. bifidumおよび設計されたコンソーシアムなどの菌株は、DC上のMHCクラスIおよびII分子の増加、腫瘍浸潤およびIFN-γ分泌を介してT細胞のプライミングを改善することが見出されている。A. muciniphilaの有病率は、M1表現型へのマクロファージ成熟を引き起こすDCによるIL-12分泌の増強と関連していた。微生物代謝産物は、エピジェネティック-代謝的リプログラミング(M. massiliensis由来ペンタノエート)によって、あるいはイノシン-A2AR軸(B. pseudolongum)を介してCD4 T細胞上のIL-12受容体を誘導することによって、T細胞を直接調節することができる。TMAOは腫瘍細胞のパイロプトーシスを誘発し、CD8 T細胞を介する抗腫瘍免疫を増加させる(Clostridiales)。さらに、ICIナノボディやケモカインを産生するように細菌を工学的に制御することで、TMEを良好に再プログラムすることが報告されている。

微生物が介在するTMEの調節は、免疫療法の結果を有利にする可能性がある。
前臨床研究は、微生物-がん軸と免疫療法の結果に関する知見に貢献してきた。免疫細胞のプライミングや活性化、腫瘍部位への誘引など、いくつかの側面が報告されている(54)。細菌株と免疫療法の結果との相関の研究は、TACとJAXのいずれかに由来する実験用マウスの微生物組成が異なると、腫瘍の増殖動態が異なり、ICI反応に影響を及ぼすという最初の観察によって推進された。Sivan博士らは、ビフィドバクテリウム・ロンガム(Bifidobacterium longum)を、樹状細胞(DC)によるT細胞のプライミングと腫瘍への蓄積を促進し、腫瘍治療を改善する常在菌として同定した。この菌株の投与は、さらにα-PD-L1療法と相乗的に作用した(55)。さらに、Bacteroides fragilisは、腫瘍と闘うB. fragilis特異的T細胞の発達により、抗細胞傷害性Tリンパ球関連蛋白質-4(α-CTLA-4)遮断に対する反応の改善と関連していた(図1)(6)。このことは、抗原模倣が抗腫瘍免疫の誘導にメカニズム的に関与していることを示唆している(56)。

臨床データの解析から、抗生物質の投与はNSCLC患者の生存率の低下と相関し、Akkermansia muciniphilaの存在量とα-PD-1 ICIに対する反応性の間に正の相関があることが示された。注目すべきは、α-PD-1反応者の糞便微生物叢をGFまたは微生物叢欠乏動物に移植(FMT)すると、IL-12依存的に前臨床マウスモデルの臨床転帰が反映されたことである(5)(図1)。これに従って、最初のFMT研究は、免疫療法不応性黒色腫患者におけるICI反応を促進した(57)。

TME調節因子としてのIL-12の重要性は、CARとのエンゲージメント時に炎症性サイトカインを放出するように操作されたCAR T細胞によって最近証明された(58, 59)。マクロファージのリクルートと機能亢進は、TNF-α依存的な抗原欠損を伴う腫瘍細胞の殺傷の改善を伴っていた(59)。CARのエキソドメインにIL-12を組み込むと、CD8 T細胞にNK様殺傷特性が付与された(58)。特筆すべきは、このサイトカインの腫瘍内投与は、CAR T細胞の抗腫瘍活性と、浸潤CD4 T細胞を引き寄せることによるTMEの再分極の両方をサポートしたことで、微生物によって誘導されたIL-12が、人工T細胞の機能を高める可能性がさらに強調された(60)。

同様に、HER2およびGD2依存性の前臨床モデルにおいて、CAR T細胞とα-PD-1遮断の相乗効果が示された(61、62)。T細胞内在性のPD-1経路干渉を仲介する工学的戦略は、CAR T細胞の効力を向上させるために試験された(63, 64)。しかし、ACTとICIを併用した臨床試験の最初の結果も有望な結果を得ているが、チェックポイント阻害によってCAR Tの拡大や持続性が有意に増加した症例は報告されていない(65-67)。これらの知見に基づき、将来的には、CAR T細胞療法とICIを併用する際の反応性を高めるために、マイクロバイオームの調節を含めた研究が行われるかもしれない。

ICI研究から得られた有望な結果は、T細胞応答を改善するためにTMEを良好に形成できる細菌コンソーシアムを設計することを研究チームに促している。このコンセプトに基づき、田之上博士らは、IFN-γ+ CD8 T細胞の頻度を増加させることができるヒトマイクロバイオーム由来の11菌株からなるコンソーシアムを作製した。選択された菌株によるコロニー形成は、CD103+ DC依存的に、リステリア菌感染に対する抵抗性とICIに対する抵抗性を改善した(68)(図1)。抗ウイルスおよび腫瘍応答に向けたT細胞の分化におけるIFN-γの重要性に加えて、このサイトカインはTMEの重要な調節因子として働くことが示されている(69-71)。Kantari-Mimounたちは、ICAM-1/LFA-A1軸が関与するIFN-γ依存的な2段階のプロセスについて述べており、CAR T細胞が末梢から腫瘍膵島へ移動することを可能にしている(72)。同様に、LarssonたちはIFN-γ経路の重要性を示し、CAR T細胞の標的細胞への結合親和性と接着性を高めることで、固形腫瘍の応答が増加する可能性を強調した(73)。

したがって、微生物コンソーシアムの設計は、腫瘍膵島におけるCAR Tの効率的な浸潤と応答のためにTMEをプライム化する戦略として考えられる(図1、2)。

図2
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図2 微生物由来のメカニズムをがん免疫療法に応用するために使用できる潜在的な実施戦略の図式的要約。免疫療法に適したマイクロバイオームの調節は、抗生物質や一定の選択性を持つファージを用いて菌株を枯渇させることで達成できる。あるいは、有益な常在菌の確立は、特定のコンソーシアムや反応した患者の糞便微生物叢を移植することで可能になる。同様に、可溶性メディエーターを用いてTMEを再プログラムする人工細菌も可能性のある手段である。さらに、微生物の代謝産物をポストバイオティクス薬として利用することで、免疫療法を促進できる可能性がある。

T細胞を介する抗腫瘍免疫の改善に腫瘍内マイクロバイオームが利用できる
ヒトのがんマイクロバイオームを調査した研究から、乳がん、卵巣がん、肺がん、膵臓腫瘍組織など、さまざまな固形悪性腫瘍に腫瘍内細菌が存在することが明らかになった。驚くべきことに、これらの細菌は、外部環境と直接連絡をとらないもの(例えば、神経膠芽腫や骨腫瘍)でも検出された(74)。この発見により、オンコバイオームという言葉が生まれた(74、75)。免疫抑制性の微小ニッチに腫瘍関連細菌が存在することは、腫瘍細胞や免疫細胞の挙動に影響を与える、高度に組織化された形質転換組織のコロニー形成を示唆している(12)。興味深いことに、腫瘍内細菌叢の細胞関連メンバーががん細胞の遊走を促し、TMEの細胞不均一性に影響を与える可能性が想定された。大腸癌(CRC)サンプルには腸内細菌や口腔内細菌が検出されている。口腔内で発見された常在菌Fusobacterium nucleatumは大腸に移行することが示された。この細菌が腫瘍組織に濃縮されると、放射線治療成績が悪化し、大腸発癌が促進された(10, 76, 77)。腫瘍内コロニー形成は、薬理学的化合物の代謝により化学療法剤の有効性を直接調節することが示され、マイクロバイオームが腫瘍-宿主相互作用のいくつかの層に影響を及ぼすTME因子であることが強調された(78)。最近、Benderらは、前臨床黒色腫モデルにおいて、プロバイオティクスとして考えられているラクトバチルス・ロイテリ株が腫瘍組織に移行し、トリプトファン強化食によってCTLのエフェクター機能を促進することを示した(79)。さらに、クロストリジウム属細菌によるがん乳腺のコロニー形成は、免疫療法反応を改善する細菌由来のトリメチルアミンN-オキシド(TMAO)の存在による免疫微小環境の活性化と関連していた(80)(図1)。これらの結果は、オンコバイオームの形成に栄養と食事が関与していることだけでなく、免疫細胞にとって有利にTMEを調節する腫瘍内細菌の可能性をも強調している(79, 81)。

この概念を支持するものとして、α-PD-L1やα-CTLA-4ナノボディーを分泌してICIを仲介したり、CXCL16やCCL20のようなケモカインを分泌してCTLやDCを悪性腫瘍部位に動員したりできる微生物を工学的に組み込むことで、抗腫瘍効果が得られることが示されている(82、83)(図1、2)。最近発表されたB細胞悪性腫瘍患者に対するCD19 CAR T細胞介入に焦点を当てた2件の研究では、CAR T細胞注入前の抗生物質投与が有害な転帰と相関することが明らかになった(8, 9)。特に、ピペラシリン/タゾバクタム、イミペネム/シラスタチン、メロペネム(P-I-M)のCAR T細胞治療前の4週間以内の投与は、生存率の悪化と神経毒性の増加と関連していた(9)。CD19 CAR T細胞治療を受けた患者の約80%がサイトカイン放出症候群(CRS)または免疫エフェクター細胞関連神経毒性症候群(ICANS)を経験している。前向きコホートの解析により、クロストリジウム属菌種と100日目の完全奏効との関連が明らかになったが、この結果は、CAR Tの有効性とCRS/ICANSの両方が、免疫細胞の活性化状態と環境に関与している可能性のあるマイクロバイオーム構成に影響されることを浮き彫りにした。クロストリジウムは短鎖脂肪酸(SCFA)のような代謝産物を産生することがよく知られているため、抗生物質を投与された患者における細菌因子の欠如が、記載された有害な転帰に寄与している可能性がある(50, 84)。さらに、Stein-Thoeringerらは、ワイドスペクトラム抗生物質への曝露と、Bacteroides、Ruminococcus、Eubacterium、Akkermansiaの生存率およびCAR T反応性の低下とを相関させている(8)。

常在菌の免疫賦活作用が抗生物質処理によって減弱されるのは、Toll様受容体(TLR)リガンドのような他の要因に起因する可能性もある。Paulosらの研究によると、リンパ球減少宿主に腫瘍特異的CD8 T細胞を養子移入すると、抗生物質や血清LPSの中和によって微生物叢が減少し、抗腫瘍活性が低下することが示された(85)。同様に、放射線照射を受けたTLR4欠損マウスは、WTコントロールと比較して腫瘍抑制が悪化した。注目すべきは、リンパ球が枯渇した宿主に超高純度LPSを投与することで、ACTの効果が増強されたことである。これらの知見に沿って、我々は細菌群の存在量と同種造血細胞移植(allo-HCT)後の疾患の再発/進行との関連を調べた。同種造血幹細胞移植を受けた患者541人の便検体について、治療後2年間のフォローアップ期間中に16Sシークエンシングによる解析を行った。興味深いことに、解析の結果、Eubacterium limosumの存在量とallo-HCT後の再発/疾患進行の少なさとの間に関連があることが明らかになった(86)。

Hu氏らによる研究では、再発/難治性多発性骨髄腫におけるCAR T細胞を介したCRSにおけるマイクロバイオームの役割を検討した(87)。CAR-T細胞注入前、サイトカインストーム発生前の注入中、サイトカインストーム活動中、およびCAR-T細胞投与14日後までの微生物叢サンプルを収集することにより、研究グループは重度のCRSをビフィズス菌存在量の減少と関連付けることができ、CAR T細胞投与後の微生物叢多様性の低下を観察した。興味深いことに、この減少は腸球菌と放線菌の存在量の増加を伴っていた。患者における完全奏効は、ビフィドバクテリウムとプレボテラ属の濃縮と関連していた。この研究は、常在菌の組成がACTの結果といかに関連しているかを示すもう一つの例である。

これらのデータから、TMEを修飾するプロバイオティック細菌を理解することは、機能改善と反応性改善の恩恵を受ける養子移入T細胞との相乗効果で、人工微生物や定義されたコンソーシアムを用いた新しいコンビナトリアルがん治療に貢献することができる。

養子細胞療法は常在性エフェクター分子で調整できる
マイクロバイオームには、ポストバイオティクスとして機能する低分子の生産を可能にする酵素経路をコードする遺伝子の膨大なレパートリーが存在する(図2)。これらの常在菌代謝産物は、ほとんどの腸内常在菌とは対照的に、上皮を通過し、前膜を拡散して全身循環に到達するセカンドメッセンジャーとして機能する(88)。このように、可溶性微生物代謝産物は、宿主とマイクロバイオームとの橋渡し役として、腸に近接・近接しない免疫細胞や非免疫細胞を調節することができる。当初、腸内常在菌の主要な産物である短鎖脂肪酸(SCFA)が、Tregの生理的誘導物質であるというメカニズムが研究され、その治療の可能性に注目が集まった。

我々は、CD8 T細胞をSCFAであるペンタノエートで処理すると、エピジェネティック・メタボリック・リプログラミングを介して、IFN-γやTNF-αなどのCTL関連遺伝子の発現が亢進することを証明した。ペンタノエートは、ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)クラスIの特異的阻害剤として作用し、主要な代謝調節因子の一つとしてmTOR経路に影響を与える(84, 89)。in vivoの実験では、ペンタノエートで処理したTCRトランスジェニックT細胞は、シンジェニック固形腫瘍モデルにおいて抗腫瘍活性と持続性の向上を示した。これらの特徴はCAR T細胞にも与えられ、膵臓TMEでは未処置の対照群とは対照的に優れた腫瘍制御効果を示した。さらに、常在菌や腫瘍細胞によって豊富に産生される酢酸は、グルコース制限CD8 T細胞のT細胞代謝を促進することができる。SCFAはアセチルCoA合成酵素(ACSS)依存的にIFN-γの分泌を促進する(90)。ヒストンの調節は、SCFAの分野で盛んに研究されているメカニズムの一つであるが、DNAメチル化に対する影響は、まだあまり研究されていない。酪酸の効果として、ERKのホスホリル化を誘導し、DNAメチル化酵素DNMT1をダウンレギュレートすることが報告されている(91)。その結果、腫瘍抑制遺伝子の脱メチル化が観察された。しかし、微生物が介在するDNAメチル化の調節に関与するメカニズムを評価するためには、免疫細胞におけるより詳細な研究が必要である。最近の研究では、CAR T細胞の運命を決定するリプログラミング機構としてDNAメチル化が注目されている(92)。

驚くべきことに、腫瘍由来の乳酸は、TMEにおいて免疫抑制的な特性を持ち、TAMのM2様分極を誘導する解糖系由来の代謝産物として同定されているが、新しい研究では、乳酸処理後にCD8 T細胞の幹細胞性と抗腫瘍反応が増加することが報告されている(93, 94)。メカニズム的には、乳酸塩はHDAC活性を抑制することによってこれらの効果を媒介し、Tcf7スーパーエンハンサー遺伝子座のH3K27での過剰アセチル化を引き起こした。その後のTcf7遺伝子の発現は、幹様表現型と関連していた(95)。これらの結果は、T細胞機能と免疫細胞活性化の調整における、優性常在菌由来の乳酸菌と乳酸桿菌の関与について疑問を投げかけるものである(4, 94)。

Denkたちは、腸内細菌叢によるエラギタンニンの変換に由来する代謝産物であるウロリチンA(UA)が、ミトコンドリアの健康を改善していることを同定した。Pink1-Pgam5軸に働きかけることで、UAはマイトファジーと代償的ミトコンドリア生合成を引き起こし、優れたCD8抗腫瘍免疫を持つTメモリー幹細胞(TSCM)の分化を引き起こした(96)。

CD8 T細胞だけでなく、CD4 T細胞も微生物代謝産物によって調節されるようである。免疫療法の観点からビフィズス菌を解析したところ、イノシンの産生がアデノシンA2A受容体を介してCD4 T細胞上のIL-12受容体の発現を誘導することが明らかになった(図1)。イノシンが漏出した腸関門を通って全身循環に移行すると、抗腫瘍反応が改善した。CD4 CAR T細胞の重要な役割は、最近Melenhorstらによって指摘された。彼らは、10年に及ぶ白血病寛解患者のCAR T細胞集団では、CD4+ CAR T細胞が優勢であることを、その後のモニタリング時点で観察した。これらの細胞は、細胞傷害性の特性と増殖を維持していた(97, 98)。

これらの知見から、宿主免疫細胞を再プログラムする能力を持つ常在性代謝産物は、ACT産物のエフェクター機能と記憶機能を増強するポストバイオティック生理活性薬として利用できることが示唆される。さらに、常在菌ベースのアジュバントは、CAR T細胞の長期的な機能と抗腫瘍反応性を達成するための新たなツールとなるかもしれない。

今後の方向性
マイクロバイオームは、宿主の生理機能や免疫恒常性に直接的・間接的に影響を及ぼす微生物の複雑なネットワークである。宿主免疫系の教育は、感染症や悪性形質転換に対する機能的な防御だけでなく、寛容を促進するための必須条件でもある。がん免疫療法に対する反応性と抵抗性は、TME内の免疫細胞の活性に依存しており、その活性は腸内あるいは移動したマイクロバイオームによって調節されることが、これまでの研究で証明されている。一方では、これらの知見から、微生物の組成を、長期寛解を達成するための免疫療法アプローチの選択の指針となりうる予測指標として考えることができる(9, 87, 99)。

一方、内在性T細胞や人工T細胞の周囲を有益に形成するためには、内在性T細胞がTMEをどのようにプライミングするかを理解することが重要な財産となる。骨髄由来抑制細胞や腫瘍関連マクロファージなど、TMEで影響を受ける細胞集団についてのより詳細な知識が必要である。これらの知見に基づき、さまざまな戦略が臨床の場で実施される可能性がある(図2)。最初のアプローチとしては、プロバイオティクスとして定義された微生物コンソーシアムを投与したり、マイクロバイオームを良好に形成するような個別化された抗生物質治療レジメンが考えられる(9, 68)。菌株特異的なファージを使用することは、抗生物質治療と比較して精度の高い代替技術となりうる(100)。この考え方に沿って、免疫療法に反応を示したドナーからの糞便微生物叢移植(FMT)は、耐性メカニズムを克服できる可能性がある。第二のアプローチとして、腫瘍内コロニー形成のための微生物工学は、ACTと相乗的に用いることができる(82, 83)。これらの微生物は、自ら調節因子(抗体、サイトカインなど)を分泌するか、ケモカインを用いて内因性免疫細胞をリクルートすることにより、TMEを再プログラムすることができる(101, 102)。しかし、マイクロバイオームの個体間多様性が、デザイナー・コンソーシアムの最適処方を作成する過程における課題として残っていることを念頭に置く必要がある。個別化医療のアプローチよりも、"画一的な "薬剤が適しているのかどうかを明らかにするためには、さらなる研究が必要である。

TMEのリプログラミングは、より抑制的でない環境を得るための潜在的な手段であるが、後者を克服するために免疫細胞自体の配線を変更することもまた、新たな道である。宿主とマイクロバイオームの相互作用の架け橋となる常在菌由来の代謝産物は、ポストバイオティクス(SCFAなど)としても考慮される、薬剤に似た性質を持つ生理的分子の強力な供給源である。宿主内での生産は食事によって調節・利用することができるが、代謝物ライブラリーは、ACTや免疫細胞工学を改善するための新規ツールをスクリーニング・同定するのに有用であろう(7, 79, 84, 96, 103)。

必要な知識を得るための重要な前提条件は、ヒトのマイクロバイオームとそれが宿主免疫や免疫療法に及ぼす影響を反映した前臨床モデルを利用できることであろう。これまでの研究で、ヒトの微生物叢をgnotobioticマウスに移植することで、患者のICI反応を反映できることが指摘されている(5, 6)。また、野生化コロニーの樹立は、臨床研究の結果に関して強い予測値を示した(43)。これらの画期的なステップは、再現性を保証し、幅広い研究者が「ヒト化」グノトビオティック動物を利用できるようにするために、まだ標準化が必要である(43, 104)。

宿主とマイクロバイオームの相互作用をより深く理解するためには、バイオインフォマティクスとシステム生物学、分子微生物学、免疫学、バイオテクノロジーを相乗的に組み合わせた学際的アプローチが必要である。研究室は高度に専門化されており、国際的なコホートからの広範な臨床データ収集と、微生物が介在する影響の分子研究の両方をカバーする能力は限られているため、この分野を前進させるためには革新的なエコシステムが必要である。EUが資金提供する研究コンソーシアムT2EVOLVEでは、CARおよびTCR T細胞のキー・オピニオン・リーダーによる官民パートナーシップにより、人工T細胞療法の開発を加速し、アクセスを改善することを目指している(105, 106)。マイクロバイオーム-CAR TコンソーシアムCARTOMICSとの相乗効果により、次世代の細胞免疫療法を導くパートナー、利害関係者、細胞工学アプローチ、マイクロバイオーム関連ファセット間の学際的共同研究を後押しするインフラが確立される。

著者貢献
SS:執筆-原案、執筆-校閲・編集。KZ-M:執筆-原案、執筆-校閲・編集。AV:執筆-原案、執筆-校閲・編集、資金獲得。JS: 原案執筆、校閲・編集。RS: 原案執筆、校閲・編集。MH: 原案執筆、校閲・編集。MvdB: 執筆 - 原案, 執筆 - 校閲・編集. ML: 原案執筆、構想、資金獲得、視覚化。

資金提供
著者は、本論文の研究、執筆、および/または出版のために財政的支援を受けたことを表明する。このプロジェクトは、Innovative Medicines Initiative 2 Joint Undertakingの助成金契約第116026号(T2EVOLVE;MHとML)から資金援助を受けている。この共同事業は、欧州連合の研究・イノベーションプログラムHorizon 2020およびEFPIAの支援を受けている。さらに、Wilhelm-Sander-Stiftung(助成金番号2022.134. 1, AVおよびML)、ERA-NET TRANSCAN-3(EC co-funded call 2021, SmartCAR-T; KZM, MHおよびML)、Paula & Rodger Riney Foundation(MvdB, MHおよびML)、IZKF Würzburg(S-511; SS)、ドイツ研究財団(Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, TRR 221, subproject A03; and TRR338, subproject A02; MHおよびML)、バイエルンがん研究センター(Bayerisches Zentrum für Krebsforschung, BZKF; MHおよびML)、米国国立癌研究所賞番号R35-CA284024、P01-CA023766、R01-CA228308およびP30 CA008748 MSK Cancer Center Support Grant/Core Grant、米国国立心肺血液研究所(NHLBI)賞番号R01-HL164902、米国国立老化研究所賞番号P01-AG052359、およびTriInstitutional Stem Cell Initiative。また、The Lymphoma Foundation、The Susan and Peter Solomon Family Fund、The Solomon Microbiome Nutrition and Cancer Program、Cycle for Survival、Parker Institute for Cancer Immunotherapy、Research Initiative、Starr Cancer Consortium、Seres Therapeutics(RS、JS、MvdB)からも研究助成を受けた。本書は、ヴュルツブルク大学のオープンアクセス出版基金の支援を受けた。

利益相反
ML、MH、AVは、Philipps-University MarburgとJulius-Maximilians University Würzburgが出願したペンタノエートの使用に関連する特許出願WO2021/058811A1の発明者である。CAR T細胞製造に関連する特許出願の発明者です。フレッド・ハッチンソンがん研究センター(ワシントン州シアトル)およびヴュルツブルク大学(ドイツ、ヴュルツブルク)が出願したCAR-T技術に関する特許出願および付与特許の発明者です。T-CURX社(ドイツ、ヴュルツブルク)の共同設立者であり、株式所有者でもある。MHはCelgene/BMS、Janssen、Kite/Gileadから謝礼を受領。MvdBは、Seres Therapeutics社から研究支援とストックオプション、Notch Therapeutics社とPluto Therapeutics社からストックオプションを受けており、Wolters Kluwer社からロイヤルティを受け取っている; また、Seres Therapeutics社、Rheos Medicines社、Ceramedix社、Pluto Therapeutics社、Thymofox社、Garuda社、Novartis社(配偶者)、Synthekine社(配偶者)、Beigene社(配偶者)、Kite社(配偶者)の諮問委員会に参加し、Seres Therapeutics社およびJuno Therapeutics社と知的財産権のライセンス契約を結んでいる。

残りの著者は、利益相反の可能性があると解釈されるような商業的または金銭的関係がない中で研究が行われたことを宣言している。

発行者注
本論文で表明された主張はすべて著者個人のものであり、必ずしも所属団体や出版社、編集者、査読者の主張を代表するものではない。本記事で評価される可能性のあるいかなる製品、またはその製造元が主張する可能性のある主張も、出版社によって保証または支持されるものではない。

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キーワード:マイクロバイオーム、免疫療法、免疫学、がん免疫細胞療法、CAR T細胞

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受理された: 2023年7月28日;受理された: 受理:2023年7月28日;
発行:2023年9月18日

編集:マルコ・オレッキオーニ

マルコ・オレッキオーニ(オーガスタ大学、米国
査読者

Hossam Abdelsamed, ピッツバーグ大学メディカルセンター, 米国
Copyright © 2023 Staudt, Ziegler-Martin, Visekruna, Slingerland, Shouval, Hudecek, van den Brink and Luu. これは、クリエイティブ・コモンズ表示ライセンス(CC BY)の条件の下で配布されるオープンアクセス論文である。原著者および著作権者のクレジットを明記し、学術的に認められている慣行に従って本誌の原著を引用することを条件に、他のフォーラムでの使用、配布、複製を許可する。これらの条件に従わない使用、配布、複製は許可されない。

*通信: Maik Luu, Luu_m@ukw.de

これらの著者は、本著作に等しく貢献している。

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