补充布拉氏酵母菌的多组学分析揭示伴随肿瘤抑制的协调性微生物组、代谢和免疫信号变化

《Gut Microbes》：Multi-omics analysis of saccharomyces boulardii supplementation reveals coordinated microbiome, metabolic, and immune signaling changes accompanying tumor suppression

　　

摘要翻译：肠道微生物组影响癌症进展和治疗反应，但可扩展的微生物组靶向干预措施仍然有限。研究人员筛选了商业益生菌对宿主芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）的激活作用，并鉴定出酵母布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）为一致的AhR激活剂。在免疫正常的同系结直肠癌模型中，每日口服灌胃布拉氏酵母菌减缓了已建立的皮下肿瘤的生长，且未检测到肿瘤定植。对肠道微生物组、循环代谢物、细胞因子和肿瘤转录组的整合分析揭示了一个协调的系统性反应。布拉氏酵母菌增加了微生物多样性并在功能上重新平衡了肠道菌群，富集了基因组编码生物合成自主性较低的类群。这些变化伴随着几种吲哚代谢物血浆水平的升高，包括AhR激动剂5-羟基吲哚-3-乙酸（5-Hydroxyindole-3-acetic acid, 5-HIAA）和吲哚-3-丙酸（Indole-3-propionic acid, IPA）。靶向液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）分析表明，布拉氏酵母菌在培养条件下可产生5-HIAA，而IPA未被检测到，这表明这些代谢物血浆水平的升高可能源于益生菌活性和更广泛的微生物组相关过程的共同作用。循环IL-17A和CTLA-4水平降低，肿瘤中与侵袭、炎症和KRAS信号传导相关的程序下调。多组学整合显示微生物、代谢、免疫信号和肿瘤区室之间存在强烈的共变，突出了布拉氏酵母菌相关肿瘤抑制过程中协调的跨区室反应。

**论文解读：布拉氏酵母菌通过多组学协调调控抑制结直肠癌的系统性机制研究**

**研究背景与科学问题**
肠道微生物组已成为癌症进展和治疗疗效的关键调节因子。研究表明，共生微生物能够塑造全身免疫并影响抗癌治疗反应，例如，对免疫检查点抑制剂有反应的黑色素瘤患者其肠道菌群多样性和组成与无反应者存在显著差异。其中，微生物来源的代谢物通过作用于宿主免疫受体（如芳香烃受体，Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）是连接微生物组与肿瘤免疫的重要机制。AhR是一种配体激活的转录因子，能感知来自饮食、共生微生物和宿主代谢的小分子，从而将环境信号整合到免疫反应中。肠道细菌产生的色氨酸代谢物是重要的AhR配体，例如，乳酸杆菌产生的吲哚-3-乙醛可通过AhR诱导IL-22，增强黏膜免疫防御。尽管基于微生物组的疗法（如粪菌移植）在癌症治疗中展现出前景，但其标准化、供体变异性和长期安全性方面存在挑战。相比之下，非处方益生菌因其安全性、易用性和可扩展性，成为更具潜力的替代方案。然而，对于常用益生菌菌株是否具有可测量的生物学效应，特别是其在癌症背景下的功能影响，仍知之甚少。因此，本研究旨在筛选能够激活AhR的商业益生菌，并评估其调节结直肠癌发生的能力，以探索可及的、临床可行的微生物组靶向干预措施。

**研究概况与主要结论**
本研究发表于《Gut Microbes》期刊。研究人员通过体外筛选发现含有布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）的益生菌产品能强烈激活AhR。随后，在免疫正常的MC38小鼠结直肠癌模型中，每日口服补充布拉氏酵母菌显著减缓了已建立的皮下肿瘤的生长，并伴随肠道菌群重塑、血浆代谢组和免疫谱的改变。整合多组学分析（包括宏基因组学、非靶向代谢组学、细胞因子谱和肿瘤转录组测序）揭示，布拉氏酵母菌诱导了跨微生物组、代谢、免疫信号和肿瘤转录组的协调性系统反应。这些变化包括肠道菌群多样性增加、菌群功能重组（如氨基酸生物合成减少、核苷酸生物合成增强）、血浆AhR激动剂（5-HIAA和IPA）水平升高、促瘤细胞因子（IL-17A和CTLA-4）水平降低，以及肿瘤中与上皮-间质转化、KRAS信号、炎症反应等相关的致癌程序下调。研究表明，口服布拉氏酵母菌可通过系统性机制抑制远端肿瘤生长，为将益生菌开发为癌症辅助治疗提供了新的见解。

**关键技术方法概述**
研究采用多组学整合策略。首先，利用基于哺乳动物细胞的AhR报告基因检测法，在好氧和厌氧条件下筛选了36种商业益生菌产品的AhR激活能力。在体内实验中，使用C57BL/6雌性小鼠建立皮下MC38结直肠癌模型，肿瘤接种后随机分为布拉氏酵母菌灌胃组和PBS对照组。通过非靶向液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）分析血浆代谢物；对结肠内容物进行鸟枪法宏基因组测序以分析菌群组成和功能；使用Olink靶向蛋白组学 panel检测血浆细胞因子；对肿瘤组织进行RNA测序以分析转录组变化。此外，对布拉氏酵母菌培养上清进行了靶向LC–MS/MS分析以检测其代谢产物。多组学数据通过DIABLO框架进行整合分析，以识别跨区室的协调变化。

**研究结果详述**
**1. 益生菌酵母布拉氏酵母菌激活AhR**
体外筛选显示，三种含有布拉氏酵母菌的益生菌产品（ID 28, 31, 36）在好氧和厌氧条件下均表现出高AhR活性，表明其激活AhR的能力在不同制剂和菌株间具有一致性。从活性最强的产品中分离出布拉氏酵母菌DBVPG 6763菌株用于后续研究。

**2. 布拉氏酵母菌是强效AhR激活剂并显著减缓小鼠CRC模型中的肿瘤生长**
在MC38小鼠模型中，每日口服布拉氏酵母菌显著减慢了肿瘤生长速度，并降低了终点的脾脏重量、肿瘤体积和肿瘤重量。在盲肠和结肠内容物中检测到存活的布拉氏酵母菌（约10⁸ CFU/g），但在肿瘤匀浆中未检测到菌落形成单位，表明其未易位至皮下肿瘤，抗肿瘤作用为系统性模式。

**3. 布拉氏酵母菌重塑血浆代谢组并提升AhR激动剂水平**
非靶向代谢组学分析显示，布拉氏酵母菌处理组与对照组血浆代谢谱存在明显分离。在显著变化的代谢物中，两种AhR激动剂5-HIAA和IPA在布拉氏酵母菌组中升高。靶向LC–MS/MS分析证实，布拉氏酵母菌在培养条件下可产生5-HIAA（尤其在厌氧条件下），但未检测到IPA，提示血浆IPA升高可能源于微生物组介导的间接效应。

**4. 布拉氏酵母菌调节微生物组组成并增加α多样性**
宏基因组学分析表明，布拉氏酵母菌处理降低了厚壁菌门（Firmicutes）与拟杆菌门（Bacteroidetes）的比例，增加了与良好CRC预后相关的普雷沃氏菌属（Prevotella）和Muribaculum intestinale的丰度，同时减少了与CRC发病机制相关的艰难梭菌（Clostridium scindens）。处理组还显著增加了微生物群的α多样性（辛普森指数），且β多样性分析显示组间菌群组成存在显著分离。极端梯度提升（XGBoost）分类器能准确区分处理组与对照组，进一步证实了菌群改变的一致性。

**5. 布拉氏酵母菌重塑微生物组功能并促进低代谢独立性物种生长**
功能分析显示，布拉氏酵母菌处理广泛重编程了肠道微生物组的功能。维生素代谢途径（如叶酸、奎诺苷、硫胺素生物合成）在处理组中更为丰富，而碳水化合物代谢（包括糖酵解发酵、糖原和乳糖降解途径）普遍减少。氨基酸生物合成途径（如赖氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸和色氨酸）在处理组中丰度降低。基于宏基因组组装基因组（MAGs）的分析表明，布拉氏酵母菌处理降低了微生物群落的代谢独立性评分，并显著提高了低代谢独立性（Low Metabolic Independence, LMI）MAGs的比例，表明益生菌可能通过提供胞外代谢物，放松了对高生物合成自给能力菌株的选择压力。

**6. 布拉氏酵母菌将血浆细胞因子谱改变为与生存期延长相关的模式**
靶向细胞因子检测显示，布拉氏酵母菌处理组小鼠血浆中IL-17A和CTLA-4水平显著降低，而CCL11水平升高。对TCGA（The Cancer Genome Atlas）结直肠癌数据集的分析表明，IL-17A和CTLA-4在肿瘤组织中表达上调，而CCL11下调。生存分析显示，IL-17A和CTLA-4高表达的患者总生存期更短。因此，布拉氏酵母菌诱导的细胞因子变化部分逆转了CRC相关的异常，转向与更好预后相关的模式。

**7. 布拉氏酵母菌抑制远端肿瘤中的致癌和炎症基因程序**
肿瘤RNA测序分析发现，尽管仅有10个基因差异表达达到显著阈值，但基因集富集分析（GSEA）显示，布拉氏酵母菌处理组肿瘤中多个致癌和免疫调节程序协调性下调，包括上皮-间质转化、KRAS信号、IL6–JAK–STAT3信号、炎症反应和IL2–STAT5信号等通路。PREDA（Position Related Data Analysis）分析鉴定出多个显著下调的基因组区域，这些区域内的基因在STRING蛋白-蛋白相互作用网络中形成与翻译、代谢过程、内质网和高尔基体运输相关的功能模块。此外，处理组肿瘤中AhR靶基因集的平均表达显著升高，与系统性AhR激动剂暴露增加一致。

**8. 整合多组学揭示协调的宿主-微生物组相互作用**
通过DIABLO（Data Integration Analysis for Biomarker discovery using Latent variable approaches for Omics studies）框架整合代谢组、微生物组、细胞因子和肿瘤RNA-seq数据，发现所有组学区室在潜在成分上均能有效区分处理组与对照组，且各区块的样本得分呈正相关，其中代谢组与RNA-seq区块关联最强。跨组学特征相关性网络图突出了微生物类群、循环细胞因子和肿瘤转录本之间的强关联，特别是富集于处理组的普雷沃氏菌属形成了密集连接枢纽，表明布拉氏酵母菌诱导了跨微生物、代谢、免疫和肿瘤转录区室的协调变化。

**讨论与结论总结**
**讨论部分**指出，口服布拉氏酵母菌在皮下CRC模型中抑制了肿瘤生长，并伴随系统性代谢和免疫信号改变。研究扩展了先前关于布拉氏酵母菌在肠道局部肿瘤微环境中保护作用的认识，表明其能通过系统性模式影响远端肿瘤。多组学整合揭示了伴随肿瘤抑制的协调性跨区室反应，但未确立各层之间的因果关系或机制层级。研究存在若干局限性：首先，各区间的关系是相关性而非因果性；其次，尽管数据支持AhR通路参与，但未证明AhR信号对于肿瘤抑制是必要或充分的；第三，使用皮下移植模型未能重现CRC的解剖学背景和局部肿瘤-微生物组相互作用；第四，许多微生物组和免疫发现应视为关联而非功能验证的中介。因此，本研究应被解读为识别了伴随布拉氏酵母菌相关肿瘤抑制的协调性变化，为未来机制研究建立了框架和可检验的假设。

**结论部分**翻译：总之，本研究表明，口服补充布拉氏酵母菌能在结直肠癌小鼠模型中减缓肿瘤生长，并伴随肠道微生物组、全身代谢组、免疫谱和肿瘤转录组的协调变化。这些发现提示，这种广泛使用的益生菌可能通过涉及AhR激活、微生物组重塑和系统性免疫调节的多方面机制，发挥抗肿瘤作用。需要进一步的研究来剖析这些相互关联的层级的因果贡献，并评估布拉氏酵母菌作为癌症患者辅助治疗的潜力。