《Immunity, Inflammation and Disease》：Regulation of PD-1PD-L1 Immune Checkpoints by Gut Microbiota Metabolites and Their Clinical Translational Research: A Review
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背景：靶向PD-1/PD-L1通路的免疫检查点抑制剂(ICIs)已彻底改变癌症免疫治疗，但其临床获益受到应答率差异和免疫相关不良事件的限制。目的：本综述系统分析了关键肠道菌群衍生代谢物——包括短链脂肪酸(SCFAs)、色氨酸代谢物和胆汁酸——调节PD-1/PD
背景：靶向PD-1/PD-L1通路的免疫检查点抑制剂(ICIs)已彻底改变癌症免疫治疗，但其临床获益受到应答率差异和免疫相关不良事件的限制。目的：本综述系统分析了关键肠道菌群衍生代谢物——包括短链脂肪酸(SCFAs)、色氨酸代谢物和胆汁酸——调节PD-1/PD-L1轴的分子机制。材料与方法：研究人员综合并评估了过去十年发表的同行评审临床前和临床研究，重点关注代谢物-免疫相互作用、生物标志物验证和联合干预策略。结果：总结的证据表明，这些代谢物对肿瘤微环境(TME)产生显著影响，增强T细胞效应功能，并重塑免疫耐受，从而影响ICI应答。讨论：研究人员批判性地评估了菌群代谢物作为潜在生物标志物的预测价值，并回顾了益生菌补充、粪便微生物群移植(FMT)和基于代谢物的联合治疗目前的进展。结论：尽管具有有前景的转化前景，若干挑战——包括个体间变异性、缺乏标准化方案和机制空白——仍有待解决。未来方向应优先考虑大规模纵向研究和精细化的干预设计，以促进菌群引导策略的临床整合，最终提高癌症免疫治疗的精准性和疗效。
1 引言
程序性死亡蛋白1(PD-1)/程序性死亡配体1(PD-L1)免疫检查点通路是维持免疫稳态和预防自身免疫性疾病的关键机制，但也是肿瘤逃避免疫监视的主要途径。因此，靶向该轴的抑制剂已成为多种癌症的标准治疗，彻底改变了晚期恶性肿瘤的治疗。然而，ICIs的临床疗效表现出显著的个体间差异，相当大比例的患者因原发或获得性耐药而未获益。这种变异性凸显了肿瘤本身以外宿主内在因素的显著影响。大量证据现在将肠道菌群——胃肠道中共生微生物的复杂群落——确定为ICIs疗效和毒性特征的关键决定因素。临床和临床前研究一致表明，肠道微生物组的组成和功能状态可预测患者对anti-PD-1/PD-L1治疗的应答，特定的微生物特征与持久临床获益或治疗失败相关。肠道菌群通过复杂的宿主-微生物相互作用影响全身免疫，其中微生物代谢物作为直接和有效的信号分子。这些小分子源自细菌对饮食成分的发酵或对宿主来源化合物的修饰，进入循环并在局部或全身协调抗肿瘤免疫反应。PD-1/PD-L1通路的调控是这种微生物-宿主对话的关键方面。各种代谢物——包括SCFAs、色氨酸分解产物、胆汁酸等——被证实可微调肿瘤和免疫细胞上PD-1和PD-L1的表达和功能，从而改变免疫激活与耐受之间的平衡。本综述旨在全面、机械地综合各类肠道菌群代谢物对PD-1/PD-L1免疫检查点轴的精确调控作用，并批判性地评估将这些发现转化为增强癌症免疫治疗结果的临床工具的转化潜力。
2 肠道菌群代谢物与免疫系统相互作用概述
2.1 主要免疫调节代谢物的分类和来源
肠道菌群产生多种代谢物，可分组为几大类：SCFAs（乙酸、丙酸、丁酸）由纤维降解菌产生；色氨酸代谢物包括犬尿氨酸和吲哚衍生物（如IPA、I3C）；胆汁酸经菌群修饰为次级胆汁酸（如DCA、LCA）；此外还有多胺等。这些代谢物的产生受菌群组成、饮食和宿主因素的影响。
2.2 代谢物影响免疫的一般机制
代谢物通过表观遗传调控（如丁酸作为HDAC抑制剂）、受体介导的信号转导（如SCFAs结合GPR41、GPR43，色氨酸代谢物激活AhR，胆汁酸激活FXR和TGR5）、细胞代谢重编程（如乙酸盐促进Th1分化）以及维持肠道屏障完整性来广泛调节免疫。
3 SCFAs对PD-1/PD-L1通路的调控机制
3.1 增强CD8+ T细胞功能并抑制PD-1表达
丁酸通过HDAC抑制增加Pdcd1基因启动子区H3K27ac，促进PD-1表达，但同时增强anti-PD-1疗效，通过调节TCR信号增强细胞因子产生。丁酸还诱导FOXO1驱动的转录程序，促进干细胞样表型。丙酸通过GPR43信号促进CD8+ T细胞向OXPHOS代谢状态转变，降低PD-1表面表达，减少耗竭。SCFAs也通过调节树突状细胞成熟和IL-12产生间接增强CD8+ T细胞应答。
3.2 调节髓系来源的抑制细胞和肿瘤细胞PD-L1表达
SCFAs抑制MDSCs的积累和免疫抑制功能，减少ARG1和iNOS分泌，从而间接削弱PD-1/PD-L1介导的免疫逃逸。SCFAs也可能直接或间接影响肿瘤细胞PD-L1表达，但具体机制因癌症类型而异，例如丁酸在不同肿瘤中可通过不同通路调控PD-L1。
4 色氨酸代谢物通过AhR调控免疫检查点
4.1 AhR配体对PD-1表达的直接影响
I3C和IPA等吲哚代谢物结合AhR，其效应具有环境和配体依赖性。AhR激活通常促进Treg分化和PD-1表达，导致免疫耐受；但在某些情况下也可诱导促炎反应。AhR信号在肿瘤微环境中可被犬尿氨酸放大，形成免疫抑制环路。相反，抑制AhR可逆转免疫抑制。
4.2 调节IDO通路与PD-1/PD-L1的协同效应
IDO1途径催化色氨酸转化为犬尿氨酸，后者激活AhR，上调PD-1并促进Treg扩增，形成自我强化的免疫抑制环路。靶向IDO通路可降低犬尿氨酸水平，减少AhR激活，从而增强anti-PD-1/PD-L1疗效。天然化合物（如淫羊藿苷I）和菌群调节剂（如人参多糖）已被证明能通过此机制增强免疫治疗。
5 胆汁酸代谢物对PD-1/PD-L1通路的调控
5.1 通过FXR和TGR5受体增强抗肿瘤免疫
次级胆汁酸通过FXR和TGR5调节免疫。FXR阻断可增加肝癌细胞中PD-L1表达，而FXR激动剂可诱导免疫原性细胞死亡，但也可能上调PD-L1作为补偿抵抗。TGR5激活促进DC产生IL-12，增强CD8+ T和NK细胞功能，并抑制TGR5/STAT3/PD-L1轴，降低PD-L1水平。FXR激动剂与ICIs联用显示出协同抗肿瘤潜力。
5.2 胆汁酸谱作为ICIs疗效的生物标志物
特定胆汁酸谱（如粪便中UDCA、TLCA）可预测ICIs应答。在黑色素瘤、肝细胞癌和非小细胞肺癌中，次级胆汁酸升高与有益菌相关，并提示更好的生存和响应。胆汁酸谱作为功能输出比分类学特征更直接反映菌群对免疫的影响。
6 肠道菌群代谢物影响TME检查点表达
6.1 重塑TME的细胞组成
菌群代谢物到达肿瘤部位后改变浸润免疫细胞组成：SCFAs增加CD8+ T细胞和效应记忆T细胞，减少Tregs和MDSCs；IPA增强祖细胞耗竭CD8+ T细胞（Tpex）的干性；而4-HPA通过JAK2/STAT3/CXCL3轴招募PMN-MDSCs抑制CD8+ T功能。这些改变将TME从“免疫排斥”转变为“免疫炎症”表型，影响PD-1/PD-L1轴的表达格局。
6.2 调节肿瘤细胞和基质细胞中PD-L1的表达
代谢物直接调节肿瘤细胞PD-L1转录和翻译后修饰：丁酸通过PI3K/AKT上调胶质瘤PD-L1，但通过STAT1降解抑制结直肠癌PD-L1；高剂量丙酸通过IGF2BP3稳定PD-L1 mRNA。在基质细胞中，丁酸抑制M2巨噬细胞极化，酮体3HB阻止髓系细胞PD-L1诱导。色氨酸代谢物犬尿氨酸和KYNA也通过基质细胞分泌因子塑造免疫抑制微环境。
7 基于肠道菌群代谢物的ICIs疗效预测生物标志物
7.1 代谢物谱预测模型
非靶向或靶向代谢组学（LC-MS/MS）鉴定出与ICI临床响应相关的代谢特征。在胆管癌、非小细胞肺癌中，特定代谢物（如吡咯烷化合物、色氨酸代谢物）结合微生物特征构建了高准确度预测模型（AUC>0.85）。SCFAs（丁酸）、吲哚衍生物（IPA）和次级胆汁酸（UDCA）等单独或组合可作为预测标志物。
7.2 代谢功能基因作为替代生物标志物
宏基因组分析揭示菌群代谢功能基因（如but基因簇、BSHs、7α-脱羟酶）的丰度与ICI疗效正相关。这些基因特征提供了超越分类学的机制性见解，并与代谢物水平相互印证，可用于患者分层和干预靶点识别。
8 靶向肠道菌群代谢物的临床干预策略
8.1 饮食干预和益生元/益生菌补充
高纤维饮食增加SCFA产生菌，改善ICI疗效；临床试验正在验证。特定益生菌（如Akkermansia muciniphila、Bifidobacterium）和益生元（如菊粉、低聚果糖、植物多酚）可通过调节菌群代谢物增强抗肿瘤免疫，克服PD-1/PD-L1耐药。
8.2 FMT临床研究
FMT将响应者的菌群移植给耐药患者，在黑色素瘤、非小细胞肺癌等中显示出恢复ICI疗效的潜力。FMT通过改变菌群组成和代谢物（如增加丁酸和次级胆汁酸），提升CD8+ T细胞活性和减少耗竭，重塑TME。
8.3 直接代谢物补充或工程菌治疗
口服SCFAs（如丁酸、异丁酸）或色氨酸代谢物（如IPA）在临床前模型中增强anti-PD-1疗效，但人体剂量和递送面临挑战。合成生物学设计的工程菌（如大肠杆菌Nissle 1917）可在肿瘤局部持续产生免疫调节代谢物或检查点抑制剂，提供精准治疗，但仍处于临床前阶段。
9 临床转化的挑战与局限性
9.1 代谢物作用的复杂性和矛盾性
同一代谢物效应具有浓度、肿瘤类型和微环境依赖性：例如AhR配体既可保护肠道又可促进免疫抑制；丁酸在不同细胞中作用相反；丙酸高浓度可能上调PD-L1。代谢物之间存在网络互作，单一代谢物研究不足以反映整体生物学。
9.2 个体差异和标准化挑战
宿主遗传、饮食、药物和肿瘤类型导致菌群和代谢物高度个体化，使得通用疗法困难。FMT和益生菌制备缺乏统一标准，供体选择、剂量和给药途径未规范化，批次间变异大，需要严格的指南和质控。
10 未来研究方向和展望
10.1 深入机制探索和多组学整合
采用单细胞RNA测序和空间代谢组学（如MSI）解析代谢物在TME中的空间分布及其与PD-1/PD-L1的关系。开展大型纵向队列，整合宏基因组、代谢组、免疫表型和临床数据，利用AI/ML构建预测模型，实现个性化微生物干预。
10.2 下一代精准微生物疗法的开发
从FMT转向定义明确的微生物联合体（如包含Akkermansia、Bifidobacterium的特定菌株）和工程活体生物药（LBPs），例如工程菌释放anti-PD-1纳米抗体或细胞因子。同时开发针对代谢物受体（如AhR拮抗剂、GPR43激动剂）的小分子药物，避免活菌的不确定性。
10.3 优化临床试验设计和终点
在试验方案中纳入纵向菌群和代谢物监测，采用适应性设计根据基线特征对患者分层，快速评估联合治疗，推动精准免疫肿瘤学。
11 结论
肠道菌群代谢物是调控PD-1/PD-L1轴和ICI疗效的关键因素。SCFAs、色氨酸代谢物和胆汁酸通过表观遗传、受体信号和代谢重编程发挥复杂而环境依赖的作用。尽管在生物标志物和干预策略上取得进展，但个体变异和标准化仍是临床转化的主要障碍。未来需通过多组学、工程微生物和理性临床试验设计，最终实现菌群引导的精准癌症免疫治疗。
