粪菌移植太粗放,精准调菌有5招
Katarina Zimmer 2022-04-21
FMT是一种不加选择的方法,因此我们有必要开发更具选择性的微生物疗法。

编者按:

随着微生物组研究的深入,干预调控微生物组的方法也变得多元化。从传统的粪菌移植(FMT)到活菌制剂,再到靶向微生物组的基因编辑疗法,当前微生物组领域正在蓬勃发展。

今天,我们共同关注微生物组领域的最新进展。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

     
粪菌移植out了?

与人类共生的细菌在健康和疾病中发挥着重要作用,这一发现使微生物组成为当前生物医学最活跃的前沿领域之一。然而,在将“体内的细菌”转化为药物这一方面,我们长期以来一直局限于粪菌移植(FMT)。FMT 旨在通过将健康捐赠者的粪菌转移到患者体内,来解决菌群失调的问题。

FMT 在治疗艰难梭菌感染(CDI)方面取得了相当大的成功,在治疗某些其他疾病上也显示出了一定的疗效。但许多科学家认为,微生物疗法需要更具针对性,因为引入“细菌大杂烩”不是一种可重复的方法,而且它可能会带来安全风险。

例如在 2019 年,FDA 调查发现,一名患者在接受 FMT 后死亡的原因与捐赠者中存在抗生素耐药细菌有关1

不过,随着技术的发展,以及对微生物组影响健康的作用机制的日益了解,研究人员正在寻找更精细的方法来利用微生物组治疗疾病。

     
招数1:恢复代谢性疾病患者失去的功能

总部位于瑞士的 BEO Therapeutics 公司采取的策略是识别在特定条件下可以纠正代谢紊乱的肠道细菌,然后对其进行培养并口服给药。公司创始人兼首席执行官 Rikke C.Nielsen 博士说:“本质上,我们在恢复微生物组缺失的功能。”

该公司的研发重点之一是痛风——一种由高尿酸血症引起的关节炎,也就是说,血液中的代谢废物——尿酸过量。此前的研究发现,痛风患者和健康人的肠道菌群组成存在明显差异2,包括与尿酸代谢失调相关的变化3,这表明肠道细菌或许可以在该疾病的发病过程中发挥作用。

Nielsen 和她的同事们猜测,痛风患者的肠道菌群可能缺乏具有降尿酸作用的基因。如果确实如此,那么就意味着可以通过引入具有此功能的细菌来进行治疗。为了找到候选细菌,研究人员对痛风患者肠道细菌的基因测序数据进行了分析,以确定它们“缺失”的功能,如减少尿酸生成或促进尿酸排泄的功能。

最终,研究人员发现了两种具有降低尿酸作用的潜力菌株。在尚未公布数据的动物实验中,研究人员通过口服的方式,向高尿酸血症小鼠模型给予了由这两种菌株组成的药物,并将这些细菌的治疗效果与小分子药物别嘌醇(痛风的标准疗法)进行了比较。

“这两种细菌就和长效生物制剂一样,”Nielsen 说道,“它们可以在 23 小时内持续降低血清尿酸浓度,而不是像小分子一样被代谢掉。”Nielsen 希望这两种细菌最终能够为高尿酸患者(包括痛风患者)提供一种新的疗法。

     
招数2:微生物疗法增强免疫疗法的响应

与此同时,其他的公司,比如总部位于英国剑桥的 Microbiotica 公司正在努力寻找可以改善病人对现有疗法响应情况的肠道细菌。

在晚期黑色素瘤患者中,抗 PD-1 免疫疗法可以显著提高生存率4,但并非所有患者都能受益于这一疗法。Microbiotica 公司副总裁、生物学博士 Mat Robinson 说,多项研究表明5-6,抗 PD-1 免疫疗法在这些患者中是否能成功取决于他们肠道微生物组的组成,不过目前在哪些细菌与临床免疫反应相关这一问题上还存在分歧。

他的团队对晚期黑色素瘤患者的肠道微生物组也进行了分析,此次分析使用了 Microbiotica 公司自己研发的基因组测序方法。结果显示,有 9 种细菌富集于对免疫疗法有响应的患者体内7。更为重要的是,使用这些细菌在四个独立队列中预测患者反应的准确率高达 91%。

Robinson 说:“这些细菌的丰富程度似乎对患者是否有免疫反应有很大影响。”

Robinson 认为,服用由 9 种细菌组成的细菌联合体 MB097,将会使无反应患者更有可能从抗 PD-1 治疗中获益。而且,与已显示出治疗希望的基于 FMT 的方法相比8-9,使用MB097可能更具针对性和有效性。

Robinson 宣称,与在短时间内有效的 FMT 疗法不同,MB097 可以通过每天给药,将有益细菌长期维持在高浓度水平。他的团队计划在 2023 年进行一项临床I期试验,将 MB097 与抗 PD-1 联用,用于治疗六个月内免疫治疗无效的晚期黑色素瘤患者。

Robinson 说,对于这些患者,“我们希望能够改变他们疾病的发展轨迹”。

     
招数3:CRISPR基因编辑技术

其他研究团队则倾向于避免可能破坏肠道微生物组微妙平衡的行为,包括引入或去除细菌群落。

总部位于巴黎的 Eligo Bioscience 公司对更温和的方法感兴趣。该公司专门从事基因治疗方法的研究,通过工程噬菌体衣壳向肠道微生物提供 DNA 有效载荷。当具有治疗作用的 DNA 有效载荷到达靶标,它们会使有害基因失效或使治疗相关蛋白质得以表达。

该公司的主要研发项目是 EB003。这是一种噬菌体衍生的纳米颗粒,经过工程设计,可附着在表达志贺毒素的肠出血性大肠杆菌 O157:H7 上。这种大肠杆菌表达的毒素会破坏肠道内壁,导致血性腹泻。5 岁以下的儿童尤其容易遭受这种感染,高达 15% 的患者会发展为可能危及生命的溶血性尿毒症综合征10

当工程化纳米颗粒接触到肠出血性大肠杆菌 O157:H7 后,其会输送一批编码 CRISPR-Cas 核酸酶的 DNA 和相应的引导 RNA,使两个表达志贺毒素的基因失效,从而杀死该细菌。

EB003 在经表达志贺毒素的大肠杆菌感染的兔子模型中进行了测试。接受了 EB003 治疗的兔子的感染持续时间明显短于接受缓冲液治疗的对照组。

Eligo Bioscience 首席科学官 Edith Hessel 博士解释说:“EB003 可以缓解腹泻的症状,显著加快上皮细胞的恢复速度,并阻止毒素的释放。”

在 Hessel 博士看来,EB003 展示了选择性改变微生物群的优势。她解释说:“你不仅想杀死(有害的)细菌,你还要以一种非常特殊的方式杀死它,以保持其他大肠杆菌完好无损。”

     
招数4:“操控”微生物组的活性

Enterome 公司正在采用类似的更加温和的方法来改变肠道微生物组。这家总部位于巴黎的公司的一个团队正在专注于寻找肠道细菌分泌的小蛋白,这些蛋白与人类细胞因子或激素一样,可以影响肠道和其他地方的生理过程。

Enterome 公司的一个项目与溃疡性结肠炎有关,这是一种发生在结肠和直肠内壁的炎症。为了推进这项计划,该公司的科学家决定寻找能够自然诱导肠道免疫细胞分泌白细胞介素 -10 的蛋白质。白细胞介素 -10 是一种有效的免疫调节细胞因子,具有抑制炎症的作用。

该公司拥有一个“肠道细菌分泌小蛋白”数据库,这一数据库包含了约 2 万个来自数千人的肠道微生物组的小蛋白数据。Enterome 公司的科学事务经理 Grégoire Chevalier 博士解释说:“该数据库可以用来筛选出能够在体外诱导人类单核细胞分泌白细胞介素 -10 的蛋白质。”

科学家发现最有效的蛋白质是 EB1010。在溃疡性结肠炎大鼠和小鼠模型中,无论是直接在结肠内使用 EB1010,还是口服给药,研究小组都观察到:与接受标准治疗的动物相比,在使用 EB1010 治疗后,炎症标志物和肠道溃疡的发生率均降低。

“在这两种模型中,我们都能看到非常好的疗效。”Chevalier 博士说。

Enterome 公司计划在 2023 年前开展 EB1010 对轻中度溃疡性结肠炎疗效的1期临床试验。Chevalier 博士建议通过口服药片的方式将 EB1010 直接注入肠道,以克服之前通过注射白细胞介素 -10 治疗某些炎症性肠病的短处,因为这种短期细胞因子需要局部高浓度才能发挥作用。

他补充说:“我们只是在努力利用我们的微生物组和生理学之间已经存在的自然相互作用。”

     
招数5:拯救“失败”的药物

微生物组还可以与药物开发成为“合作伙伴”的关系。也就是说,在临床试验中,微生物组可作为区分强响应者和弱响应者的生物标志物。这种生物标记物甚至可以用来识别患者亚群,识别出可以获益的患者亚群。简言之,对微生物组的密切关注可以挽救“失败”的药物。

位于加利福尼亚州、专门开发癌症诊断工具的 Micronoma 公司正在探索这种可能性。该公司的“微生物组驱动的液体活检”技术可以鉴定出血液中与不同癌症类型相关的微生物遗传物质的特征11

Micronoma 公司首席执行官、药学博士 Sandrine Miller Montgomery 指出,这些特征微生物有许多来自于肿瘤组织,并在组织更新过程中流入了血液中。但奇怪的是,其中也有一些来自身体的其他部位。

Micronoma 公司的科学家正在研究这种方法在确定癌症患者对治疗响应方面的效用。有效的药物可能会改变肿瘤的微环境,进而影响其微生物群落,从而在血液中产生能够区分有反应和无反应患者的特征。

这些特征可以用来分析在结果失败的临床试验中,对给定治疗有反应的患者群体。为此,该公司正计划开展研究,对临床试验前采集的血液样本进行回顾性分析,以寻找早期反应信号。这些研究可能会导致“失败”的药物被用于这类患者亚群。

根据 Miller Montgomery 的说法,Micronoma 公司的技术可以作为“精确的临床试验设计工具”,也就是说,它检测到的微生物特征可以用于辅助诊断。

总的来说,了解这些微生物特征及其背后的机制,最终可能会产生新的疗法。Miller Montgomery 强调:“我们需要提醒大家,微生物并不会适应我们,相反地,我们需要适应微生物。”

参考文献:

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1. U.S. Food and Drug Administration. Important safety alert regarding use of fecal microbiota for transplantation and risk of serious adverse reactions due to transmission of multi-drug resistant organisms. Published June 13, 2019. Updated December 4, 2020. Accessed March 1, 2022.

2. Guo Z, Zhang J, Wang Z, et al. Intestinal microbiota distinguish gout patients from healthy humans. Sci. Rep. 2016; 6: 20602. DOI: 10.1038/srep20602.

3. Chu Y, Sun S, Huang Y, et al. Metagenomic analysis revealed the potential role of gut microbiome in gout. NPJ Biofilms Microbiomes 2021; 7: 66. DOI: 10.1038/s41522-021-00235-2.

4. Larkin J, Chiarion-Sileni V, Gonzalez R, et al. Five-Year Survival with Combined Nivolumab and Ipilimumab in Advanced Melanoma. N. Engl. J. Med. 2019; 381: 1535–1546. DOI: 10.1056/NEJMoa1910836.

5. Matson V, Fessler J, Bao R, et al. The commensal microbiome is associated with anti-PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients. Science 2018; 359(6371): 104–108. DOI: 10.1126/science.aao3290.

6. Frankel AE, Coughlin LA, Kim J, et al. Metagenomic Shotgun Sequencing and Unbiased Metabolomic Profiling Identify Specific Human Gut Microbiota and Metabolites Associated with Immune Checkpoint Therapy Efficacy in Melanoma Patients. Neoplasia 2017; 19(10): 848–855. DOI: 10.1016/j.neo.2017.08.004.

7. Robinson MJ, Vervier K, Harris S, et al. Precision microbiome profiling identifies a novel biomarker predictive of Immune Checkpoint Inhibitor response in multiple cohorts and a potent therapeutic consortium of bacteria. Abstract presented at: American Association for Cancer Research Annual Meeting; Apr 10–15 and May 17–21, 2021; Philadelphia, PA. Cancer Res. 2021; 81(13_Suppl.): Abstract 1783. DOI: 10.1158/1538-7445.AM2021-1783.

8. Baruch EN, Youngster I, Ben-Betzalel G, et al. Fecal microbiota transplant promotes response in immunotherapy-refractory melanoma patients. Science 2021; 371(6529): 602–609. DOI: 10.1126/science.abb5920.

9. Davar D, Dzutsev AK, McCulloch JA, et al. Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti-PD-1 therapy in melanoma patients. Science 2021; 371(6529): 595–602. DOI: 10.1126/science.abf3363.

10. National Organization for Rare Disorders. STEC Hemolytic Uremic Syndrome. Accessed March 1, 2022.

11. Poore GD, Kopylova E, Zhu Q, et al. Microbiome analyses of blood and tissues suggest cancer diagnostic approach. Nature 2020; 579(7800): 567–574. DOI: 10.1038/s41586-020-2095-1.

原文链接:

https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/microbiome-therapeutics-try-a-lighter-touch/

作者|Katarina Zimmer

编译|何小鹿

审校|617

编辑|豫小鱼

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