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導讀  

術前新輔助放化療(nCRT)是局部晚期直腸癌(LARC)患者的標準治療方法，但目前對其療效異質性的影響因素知之甚少。在這項縱向研究中，研究人員對353份糞便樣本進行了16S rRNA測序，發(fā)現患者接受nCRT后腸道微生物多樣性降低。多組學數據整合顯示，普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus)介導的核苷酸生物合成與LARC患者的nCRT耐藥性有關，而對nCRT無反應的腫瘤的特征是DNA修復和核苷轉運相關基因表達上調。補充核苷或普通擬桿菌灌胃處理可以保護癌細胞免受5-氟尿嘧啶或放療的影響。研究人員分析735例患者的2205份血清樣本后發(fā)現，尿酸是接受nCRT治療的LARC患者的潛在預后標志物。綜上所述，本研究揭示了腸道菌群介導的核苷酸生物合成在直腸癌對nCRT的反應中具有重要作用，并強調了在癌癥治療過程中破譯癌細胞和腸道微生物之間的相互作用的重要性。

圖文摘要

論文ID

原名：Gut microbiota-mediated nucleotide synthesis attenuates the response to neoadjuvant chemoradiotherapy in rectal cancer

譯名：腸道菌群介導的核苷酸合成減弱了直腸癌對新輔助放化療的反應

期刊：Cancer Cell

IF：38.585

發(fā)表時間：2022.12

通訊作者：詹啟敏，王維虎

通訊作者單位：北京大學腫瘤醫(yī)院

DOI號：10.1016/j.ccell.2022.11.013  

實驗設計

結果

1. LARC患者的臨床特征及放化療對其糞便微生物群落的影響

本研究納入了2018年1月至2019年11月期間接受nCRT治療的126例LARC患者。根據研究設計，研究人員在患者接受nCRT治療前2周至1天(Pre-nCRT [Pre])和治療后相應時間點(Post-nCRT [Post])收集353份糞便樣本[(治療后采樣時間點包括治療開始后2周(Post1)、治療結束后3天內(Post2)和治療結束后2個月(Post3)(圖1A和附表1))。此外，研究人員根據腫瘤退縮分級(TRG)和客觀緩解情況，將116名可評估反應的患者分為應答者(TRG評分為0至1分，或達到臨床完全緩解狀態(tài)，共有82例)和無應答者(TRG評分2至3分，或nCRT后2個月內發(fā)生遠處轉移，共有34例)。排除混雜變量對組別的影響后，兩組的臨床基線變量沒有顯著性差異(附表1)。然后，通過16S rRNA測序(353份糞便樣本)和宏轉錄組測序(91份糞便樣本)(附表2)評估和分析患者腸道細菌特征的動態(tài)變化。

首先，研究人員基于Bray-Curtis距離進行置換多元方差分析，探討了nCRT對LARC患者糞便樣本中整體微生物群組成的影響(圖1B)。主坐標分析結果顯示，nCRT前后的樣本存在明顯的分離(圖1B)，且nCRT后樣本的個體間Bray-Curtis距離明顯低于nCRT前樣本(圖1C)。根據16S rRNA擴增子序列變異(ASV)(圖1D和1F)和宏轉錄組屬組成(圖1E和1G)估計的Shannon指數和逆Simpson指數顯示，放化療后糞便微生物多樣性顯著降低。α和β多樣性的降低突出了放化療對腸道菌群的影響，提示放化療可能使LARC患者的腸道菌群復雜性降低并且更均勻。

圖1. 實驗設計和患者接受nCRT后糞便微生物群落的變化。

(A)本研究的實驗設計。(B)使用Bray-Curtis距離對所有LARC患者糞便樣本進行ASV水平的主坐標分析。(C) nCRT前后LARC患者糞便樣本ASV水平Bray-Curtis差異距離的分布。(D和E) LARC患者接受nCRT前后基于糞便樣本16S rRNA ASV(D)(Pre組為125份，Post組為228份糞便樣本)和基于宏轉錄組的屬組成獲得的Shannon指數(E)(Pre組為34份，Post組為57份糞便樣本)。(F和G) nCRT前后樣本中基于16S rRNA ASV(F)(Pre組為125份糞便樣本，Post組為228份糞便樣本)和宏轉錄組屬組成(G)(Pre組為34份糞便樣本，Post組為57份糞便樣本)獲得的逆辛普森指數。使用Wilcoxon符號秩檢驗計算統(tǒng)計學顯著性。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。  

2. 放化療后LARC患者糞便微生物群發(fā)生改變

為了進一步分析患者放化療前后糞便菌群的變化，研究人員在門水平上估算了組間的細菌豐度。結果顯示，各組樣本之間的腸道微生物群有相當大的差異(圖2A)，厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是最主要的兩個門，分別占所有組ASV的74.47%和10.10%。此外，整個治療期間不同時間點的微生物組成和多樣性出現波動性變化(圖2B和圖2C)，這表明縱向采樣對于準確識別微生物群變化非常重要，這一點在之前的研究中可能被遺漏?；诳v向樣本，研究人員在不同分類水平探索與放化療相對應的糞便菌群變化。在門水平上，與nCRT治療后的樣本相比，擬桿菌門(14.87% vs. 8.01%)在nCRT治療前的樣本中豐度更高；而厚壁菌門(75.47%)在nCRT治療后的樣本中豐度更高(圖2D)。在屬水平上，兩組間共有36個屬存在顯著性差異(圖2E和圖2F)。在這些存在差異的分類群中，有幾個是已確定的與結直腸癌有關的細菌，包括Alistipes、擬桿菌屬(Bacteroides)和狄氏副擬桿菌屬(Parabacteroides)，這些細菌在pre-nCRT組中豐度更高，而Actinomyces、糞球菌屬(Coprococcus)和Dorea這三個曾被報道在結直腸腺瘤樣本中豐度較高的菌屬，在post-nCRT組中豐度更高(圖2E和圖2F)。為了進一步研究癌癥患者放化療后微生物群落的變化模式，研究人員表征了放化療前后樣本中細菌ASV的共豐度模式。結果表明，pre-nCRT組和post-nCRT組的大部分相關性都是正相關，表明微生態(tài)系統(tǒng)中微生物的關系以合作而非競爭為主(圖2G)。基于NetShift分析，研究人員發(fā)現與丁酸生成相關的細菌屬，包括Peptoniphilus、Blautia、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)和Turicibacter，是直腸癌患者接受放化療后微生物群中的潛在驅動分類群(圖2H)。丁酸是正常結腸細胞的重要能量來源，可通過調節(jié)基因表達、炎癥、分化和凋亡等方式影響腸道健康。研究表明，產生丁酸的細菌具有抗腫瘤活性。因此，由產丁酸微生物驅動的有益網絡深化了對放化療治療直腸癌的認識。

圖2. LARC患者放化療后糞便菌群的變化。

(A)基于ASV注釋的物種，治療前(Pre)和治療后(Post)癌癥樣本中門水平微生物的相對豐度。每組僅展示前10個豐度最高的門。(B和C)在不同時間點，基于16S rRNA ASV(B)和屬豐度(C)的Shannon指數和逆Shannon指數的動態(tài)變化。(D)直腸癌患者糞便微生物中兩個發(fā)生顯著變化的與放化療相關的細菌門:擬桿菌門和厚壁菌門。(E)在Post組(棕色)或Pre組(藍色)中顯著富集的細菌屬。(F)比較(E)中兩組Actinomyces、Coprococcus、Alistipes、Dorea、Bacteroides、Oscillospira、Blautia和Parabacteroides的相對豐度。(B、D和F)中Pre組和Post組的糞便樣本分別為125和228份。使用Wilcoxon符號秩檢驗計算統(tǒng)計學顯著性。(G)基于Pre(左)和Post(右)組糞便樣本構建的微生物組共現網絡。節(jié)點代表ASV，并根據門著色，節(jié)點大小代表與其他節(jié)點的連接數量。綠色和紅色的線分別代表正相關和負相關。(H)潛在驅動菌屬，基于原始微生物組的細菌網絡分析的潛在驅動屬，然后將這些微生物組與放化療相關聯。大的紅色節(jié)點表示放療后特別重要的驅動類群。線的顏色表示Post組(紅色邊)和Post組(綠色邊)的連接。  

3. 接受放化療的LARC應答者和無應答者糞便微生物群的差異

為了進一步確定糞便微生物群差異與放化療反應之間的關系，研究人員根據NCCN TRG和客觀應答情況將患者分為應答者和無應答者(圖3A和圖3B)，然后對兩組之間的宏轉錄組數據進行線性判別分析效應分析，以確定影響患者對放化療反應的物種。鑒定出7種和11種細菌分別與放化療應答和無應答狀態(tài)相關(附表3)。一項隨機臨床試驗表明，在與放化療反應相關的物種中，Bacteroides coprophilus與供體糞便菌群移植后潰瘍性結腸炎的疾病改善顯著相關。在放化療后的無應答組患者中，普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus)是豐度最高的物種(圖3C和3D)，而在放療前，普通擬桿菌并不占優(yōu)勢(附表4)，這表明它是放化療后被選擇的。這一結果與之前的觀察結果一致，之間的研究根據16S rDNA V1-V2高變區(qū)擴增子測序推斷，放化療后無應答組患者腸道菌群中的擬桿菌屬(Bacteroides)豐度升高。有研究發(fā)現，在潰瘍性結腸炎患者中，普通擬桿菌具有致病作用，因為從進展期結直腸腺瘤到癌變，普通擬桿菌的豐度顯著增加。由于應答組和無應答組樣本之間的微生物組組成不同，研究人員隨后比較了這兩組的細菌物種在群落水平上的共豐度關聯。與無應答組的稀疏相關網絡相比(附圖1A)，放化療應答組的相關網絡更強(附圖1B)，體現在節(jié)點數(115 vs. 97)和邊數(338 vs. 125)、平均度(2.939 vs. 1.289)和平均聚類系數(0.042 vs. 0.015)等方面。在應答組中，幾種細菌，包括Rothia mucilaginosa、V. parvula、W. confusa和嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)，在細菌相互作用中具有核心作用。據報道，R. mucilaginosa可以通過減少IκB-α磷酸化和NF-κB靶基因的表達來抑制NF-κB通路的激活，對病原體誘導的促炎反應有抑制作用。嗜熱鏈球菌是一種產乳酸細菌，可以通過分泌β-半乳糖苷酶抑制結直腸癌細胞增殖和促進癌細胞凋亡，從而抑制結直腸腫瘤的發(fā)生。以這些有益菌為中心的網絡可能有利于化療后直腸癌患者的健康。如附圖1B所示，幾種擬桿菌屬細菌表現出很強的相關性，并在無應答組的生態(tài)網絡中占據中心位置，表明它們在網絡中起著關鍵作用。在NetShift分析中，除了普通擬桿菌外，其他幾種擬桿菌屬細菌，如Bacteroides faecis、Bacteroides ovatus和Bacteroides massiliensis，是化放療無應答直腸癌患者腸道微生物組中的潛在驅動物種(圖3E)。在LARC患者的糞便樣本中，B. ovatus、B. massiliensis或B. faecis的豐度與B. vulgatus的豐度呈正相關(圖3F)。在無應答LARC患者中這些擬桿菌屬細菌的富集促使研究人員繼續(xù)探究它們在這些患者對nCRT耐受性中的潛在功能。

圖3. 糞便微生物群與LARC患者對放化療的反應有關。

(A和B) 34例無應答者和82例應答患者的代表性放射學(A)和蘇木精-伊紅染色病理(B)圖像(比例尺，50 μm)。紅色箭頭代表病變部位。(C)放化療后應答組和無應答組的物種顯著富集。(D)比較放化療前后應答組和無應答組普通擬桿菌的相對豐度。箱線圖展示了最小值和最大值、帶中位數的四分位距和離群值。在Pre組中，應答組和無應答組的糞便樣本分別為18和16份。Post組中，應答組和無應答組的糞便樣本分別為32和25份。使用Wilcoxon符號秩檢驗計算統(tǒng)計學顯著性：***p < 0.001。(E)基于初始微生物組的細菌網絡的潛在驅動物種，然后分析它們與放化療無反應的相關性。大的紅色節(jié)點表示與放化療無反應相關的特別重要的驅動類群。線的顏色表示無無應答組(紅色線)和應答組(綠色線)中存在的聯系。(F)從宏轉錄組測序中獲得的普通擬桿菌的相對豐度(log2轉換)與B. ovatus、B. massiliensis和B. faecis的相對豐度(log2轉換)之間的Pearson相關性。  

4. 宏轉錄組學結合代謝組學揭示核苷酸生物合成與LARC患者的nCRT耐藥性有關

為了深入了解微生物群落變化可能帶來的功能后果，研究人員分析了從糞便宏轉錄組推斷出的功能模塊，并注釋了放化療后應答組和無應答組之間差異豐富的20個MetaCycle模塊(附表5)?；旌纤岚l(fā)酵和鳥苷二磷酸-甘露糖生物合成模塊在放化療后的應答組中被鑒定為差異豐富，這與之前的研究結果一致，即甘露糖可通過影響三羧酸循環(huán)、糖酵解和磷酸戊糖途徑中的葡萄糖代謝來抑制腫瘤生長并增強化療反應中的細胞死亡。據報道，核苷酸從頭合成可增加乳腺癌轉移或膠質母細胞瘤的治療耐受性。有趣的是，在本研究中，放化療后，與核苷酸生物合成相關的幾個模塊在無應答組中富集(圖4A)。在核苷酸生物合成相關基因中，我們發(fā)現放化療后無應答組9個嘌呤合成相關基因(包括purF，編碼嘌呤從頭生物合成中的限速酶)和5個嘧啶核苷酸合成相關基因表達升高(圖4B和4C)，而它們在放化療前的無應答組中表達量并不高。與轉錄組學觀察結果一致的是，放化療后兩組之間差異豐富代謝物的功能富集揭示了與核苷酸生物合成相關的幾種途徑，包括哺乳動物中嘌呤和嘧啶核苷酸的補救通路以及嘧啶脫氧核糖核苷酸的補救通路(圖4D)。放化療后，無應答組患者樣品中與核苷酸生物合成相關的底物水平升高，包括次黃嘌呤、尿苷、鳥苷、腺苷和胸腺嘧啶(圖4E)。為了探索引起這種糞便代謝物差異的微生物種類，研究人員整合基于代謝模型的代謝物和物種豐度，對微生物組-代謝組數據集進行了無偏倚整合分析。有趣的是，研究人員順利預測了與核苷酸生物合成相關的幾種代謝物(如鳥苷和肌苷)會受到擬桿菌(包括B. ovatus、Bacteroides thetaiotaomicron、B. vulgatus和Bacteroides xylanisolvens)的調控(圖4F)。HUMAnN分析進一步揭示了普通擬桿菌在核苷酸從頭合成通路中發(fā)揮主要作用(圖4G)。接下來，研究人員分析了細菌培養(yǎng)上清，發(fā)現普通擬桿菌可以產生許多與核苷酸生物合成相關的代謝物(圖4E)。綜上，這些數據揭示了普通擬桿菌來源的核苷酸生物合成在在宿主患者放化療反應中的潛在作用。

圖4. 與直腸癌對nCRT反應相關的核苷酸合成途徑。

(A-C)放化療前后，應答組和無應答組微生物轉錄組改變的功能富集。圖中展示了簡化的細菌嘌呤(B)和嘧啶(C)生物合成途徑與已識別的反應相關基因。Pre組中應答組和無應答組的糞便樣本分別為n=18和n=16。Post組中應答組和無應答組的糞便樣本分別為n=32和n=25。采用Wilcoxon符號秩檢驗計算統(tǒng)計學顯著性。*p < 0.05，**p < 0.01。(D)放化療后應答組和無應答組糞便中基于VIP評分的差異豐富代謝物的富集途徑。(E)放化療后應答組(n = 11)和無應答組(n = 14)糞便中差異代謝物的絕對豐度。圖中展示了平均值±標準差；通過非配對t檢驗進行比較；*p < 0.05，**p < 0.01。(F)網絡圖表示糞便微生物類群(紅色節(jié)點)對特定代謝物(綠色節(jié)點)的顯著貢獻(校正后的p < 0.05)。(G)通過HUMAnN分析，不同細菌物種對腺苷核苷酸從頭生物合成I途徑的貢獻。  

5. 補充核苷可以保護癌細胞免受5-氟尿嘧啶和電離輻射處理的影響

研究人員試圖確定補充核苷酸生物合成源是否會影響癌細胞對化療和放療的反應。研究人員在結直腸癌細胞中添加細胞滲透性核苷混合物(胞苷、尿苷、胸苷腺苷和鳥苷)，然后通過MTS實驗和集落形成法測定其對5-氟尿嘧啶(5-FU)和電離輻射的敏感性。結果表明，外源性補充混合核苷以劑量依賴性方式顯著增加了癌細胞在5-FU(圖5A和5B)和輻射(圖5C和5D)處理后的存活率，而分別通過布喹那(BQN)或霉酚酸(MPA)阻斷嘧啶或嘌呤的從頭生物合成，降低了癌細胞在治療中的存活率(圖5A和5C)，這些結果強調在這些治療過程中核苷酸生物合成在癌細胞存活中的重要作用。有趣的是，我們觀察到外源性核苷在治療期間補救了BQN和MPA對癌細胞存活的影響(圖5A和圖5C)，表明外源性核苷補救在抗癌治療期間癌細胞存活中起著關鍵作用，同時通過核苷轉運體抑制劑S-(4-硝基芐基)-6-硫代肌苷(NBMPR)阻斷外源性核苷的攝取，減弱了混合核苷類物質對5-FU或放射治療的保護作用(圖5E-5G)。磷酸化組蛋白H2A變體(γH2AX)是DNA修復蛋白在受損染色質位點組裝所必需的，輻照后γH2AX的持續(xù)表達已被用于監(jiān)測腫瘤細胞對DNA損傷的敏感性和修復。通過免疫熒光檢測4-Gy輻射24小時后γH2AX的表達，觀察到補充核苷組γH2AX病灶數量顯著減少。相反，盡管存在混合核苷，但額外的NBMPR導致輻照后γH2AX處于高水平(圖5H)。在5-FU治療后的結直腸癌細胞中也觀察到類似的效應(附圖2)。核苷補充不太可能防止輻射引起的DNA損傷，據報道DNA損傷后數秒內就開始修復。因此，補充的核苷可能是核苷酸生物合成的來源，促進了癌細胞受損DNA的修復，導致γH2AX豐度降低?？傊@些體外結果表明，外源性核苷通過更有效的DNA損傷修復能力來保護結直腸癌細胞免受輻射和5-FU的影響。

圖5. 補充核苷可以保護癌細胞免受5-FU或輻射的影響。

(A-F)用100μM 5-FU(A)/4-Gy輻射(C)、混合核苷和嘧啶生物合成抑制劑BQN或嘌呤生物合成抑制劑MPA處理的HCT116結直腸癌細胞的活力或存活率。梯度濃度的混合核苷對5-FU(B)或4-Gy輻射(D)處理下HCT116細胞活力或存活率(輻射后第8天)的影響。胸苷的濃度是其他核苷的1/3。HCT116細胞經100 μM 5-FU (E)或4-GY輻射(F)、30 μM混合核苷和核苷轉運體抑制劑NBMPR處理后的存活率。(A-F)中的數據顯示為平均值±標準差；單因素方差分析；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。(G)輻射后第8天HCT116細胞集落形成實驗的代表性圖像(3次獨立實驗)。(H) 4-Gy輻射24 h后HCT116細胞γH2AX染色的代表性圖像(3次獨立實驗)(比例尺為5 μm)。  

6. 補充核苷或普通擬桿菌灌胃可保護異種移植瘤或原位腫瘤免受輻射或5-FU治療的影響

然后，研究人員進一步研究了補充核苷對體內輻射處理的異種移植物存活的影響。鑒于HCT116細胞是對輻射最敏感的細胞系之一，研究人員將其用于異種移植瘤模型。當移植瘤平均大小達到64 mm3時，研究人員將小鼠隨機分為3組，每組接受對照或放療(RT)。RT組分別于輻射前24 h和輻射后72 h在瘤周注射核苷混合物(Nuc + RT)或PBS (PBS + RT)(圖6A)。通過免疫熒光分析了輻射暴露4小時后的腫瘤亞群。結果顯示，放療后腫瘤中γH2AX水平升高，但補充核苷混合物后其水平顯著降低(圖6B和附圖3A)。在攜帶MC38細胞(小鼠結腸腺癌細胞系)的免疫正常小鼠中也觀察到類似效應(附圖4)。在PBS+RT組中，RT幾乎阻止了腫瘤的生長，但放療和核苷混合物的聯合治療略微減緩了腫瘤生長(圖6C、6D和附圖3B)。這些體內研究結果證實，外源性補充核苷混合物可保護結直腸癌細胞免受RT的影響。

研究人員接下來試圖分析普通擬桿菌(BV)，這一在放化療后無應答臨床患者中核苷酸生物合成中起主要作用的優(yōu)勢物種(圖3C、3D和4E-4G)，是否會影響體內的治療反應。為了模擬臨床患者的結直腸腫瘤與腸道微生物群之間的相互作用，研究人員通過將MC38細胞注射到小鼠盲腸壁上建立了原位結直腸癌模型。由于對小鼠盲腸中的原位腫瘤進行精確輻射具有局限性，研究人員還利用5-FU為基礎的化療方案，該方案可引起DNA損傷(尤其是S期雙鏈斷裂)，以評估普通擬桿菌對原位腫瘤小鼠模型的作用(圖6E)。接種兩天后，小鼠隨機分為對照、普通擬桿菌灌胃(BV)、5-FU、5-FU與BV組合(5-FU+BV)、5-FU與BV和NBMPR組合(5-FU+BV+NBMPR)組(圖6F-6I)。研究人員分析了普通擬桿菌給藥四個周期后的腫瘤亞群。BV組和對照組之間的腫瘤大小沒有明顯變化(圖6F和6G)，表明BV在沒有治療的情況下不能加速腫瘤生長。然后，研究人員還比較了5-FU、5-FU+BV和5-FU+BV+NBMPR組的腫瘤體積，發(fā)現與臨床患者的觀察結果一致，即普通擬桿菌給藥極大地減弱了5-FU治療的效果，而這種減弱可以通過核苷轉運體抑制劑NBMPR逆轉(圖6I)。同樣，與5-FU組相比，BV+5-FU組的γH2AX水平下降，而在NBMPR給藥后上升(圖6H)?？傊?，這些結果表明，普通擬桿菌介導的核苷酸生物合成可以保護原位結直腸腫瘤免受5-FU治療的影響。

圖6. 補充核苷或BV可保護異種移植瘤或原位腫瘤免受輻射或5-FU治療的影響。

(A) HCT116異種轉移瘤模型的原理設計。分別于放療前1天和放療后第3天經瘤周注射核苷混合物(Nuc)。(B)用抗γH2AX抗體(每組3只小鼠)通過免疫熒光分析放療4 h后各組小鼠腫瘤的代表性圖像(比例尺，5 μm)。(C和D)輻射后第5天各治療組間腫瘤體積的比較(n = 6只/組，均值±標準差，單因素方差分析)。(E-G) MC38原位小鼠模型的時間線示意圖和化療方案。BV, 普通擬桿菌；i.p. 腹腔注射。NBMPR，核苷轉運體抑制劑。(F)顯示了代表性的原位腫瘤，(G)計算相應治療組原位小鼠模型的腫瘤體積(對照組n =5只，BV組n =6只，均值±標準差，t檢驗)。(H)各治療組γH2AX免疫組化結果。下圖為原位小鼠腫瘤和鄰近小腸的蘇木精-伊紅(H&E)染色形態(tài)學圖像(比例尺，100 μm)。(I)計算各治療組的原位腫瘤體積(n = 6只/組，均值±標準差，單因素方差分析)。 ?p < 0.05。  

7. DNA修復和核苷水平與直腸癌患者的放療反應相關

由于外源性核苷酸生物合成在化放療反應中具有關鍵作用，研究人員進行了基因富集分析，以確定直腸癌患者放療相關腫瘤組織的轉錄組變化?；赥CGA數據庫中直腸癌患者的敏感和耐藥數據，研究人員觀察到參與DNA修復的基因在無應答腫瘤中表達增加(圖7A和7B)。DNA修復基因集中靠前的子集包括兩個成熟的核苷酸補救合成基因，HPRT和APRT47，強調了放療期間核苷酸補救合成的重要性。研究人員還觀察到與含核苷酸化合物運輸相關的基因富集(圖7C)，如SLC29A1和SLC35B3。SLC29A1定位于血漿和線粒體膜，可介導細胞從周圍介質中攝取核苷(特別是腺苷)。同樣，在化療后無反應的直腸癌患者的血漿(圖7D)和腫瘤組織(圖7E)中，與核苷酸生物合成有關的代謝物水平升高。這些數據表明，已鑒定的核苷轉運體和代謝物在治療后癌細胞存活或在核苷從頭生物合成活性有限或低效的情況下具有有益作用。血清尿酸是外源和內源性嘌呤代謝的產物，其豐度隨核苷生物合成活動發(fā)生變化，這啟發(fā)我們分析其在直腸癌患者血清中的水平，以尋找潛在的臨床應用。放化療后無應答(TRG2和TRG3)的直腸癌患者血清尿酸水平升高(圖7F)。二元邏輯回歸分析顯示，LARC患者nCRT后血清尿酸水平與預后不良相關(圖7G)。此外，放化療后血清尿酸每增加1 μM，預后不良的風險就會增加0.46%(圖7G)。尿酸水平在預測獨立數據集的直腸癌患者對放化療的反應方面表現一般(曲線下面積=0.732)(圖7H)，這提高了尿酸水平可能用于評估直腸癌患者放化療后預后的可能性。

圖7. DNA修復和核苷水平與直腸癌患者對放療的反應相關。

(A-C)直腸癌患者放療相關敏感和耐藥腫瘤組織的轉錄組基因集富集分析。(D和E)放化療后無應答直腸癌患者血漿(D，應答組n=14，無應答組n=20)和腫瘤組織(E，應答組n=12，無應答組n=26)中核苷酸生物合成相關代謝物水平升高。數據以平均值±標準差展示；通過非配對t檢驗進行比較；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。(F)放化療后應答(TRG0和TRG1)和無應答(TRG2和TRG3)直腸癌患者的尿酸水平。箱線圖展示最小值和最大值、四分位數、中位數以及離群值。采用Kruskal-Wallis檢驗確定四組中位數之間的差異，用Wilcoxon秩和檢驗來比較每對的差異。TRG0、TRG1、TRG2和TRG3的n=199、253、257和26。**p < 0.01, ***p < 0.001。(G) 551名直腸癌患者的預后與三個不同時間點的尿酸豐度之間的二元邏輯回歸分析。橫軸為放化療后尿酸水平的豐度(Post2)，縱軸為患者預后，0為改善，1為惡化。(H)根據551名直腸癌患者不同時間點的尿酸豐度構建的廣義線性模型，研究了獨立數據集184名直腸癌患者尿酸水平對放化療反應的預測性能。  

討論

術前放化療已應用于直腸癌、胃腺癌、食管癌等多種癌癥的治療。不幸的是，許多患者對該療法反應甚微或出現耐藥性，這阻礙了該療法的臨床應用。為了解決這一問題，研究人員以直腸癌為模型來解讀癌癥患者對nCRT耐藥的機制，并證明腸道微生物介導的核苷酸合成能夠調節(jié)LARC患者對nCRT的反應。

核苷酸代謝的增加是癌癥的一個標志，可以合成用于DNA復制和細胞生物能量的嘧啶和嘌呤，促進腫瘤細胞不受控制的生長。抑制DNA中核苷酸合成的治療方式被廣泛用于控制腫瘤生長和誘導細胞死亡。放化療可以通過破壞癌細胞的DNA來根除癌細胞或控制其增殖。因此，獲取用于修復受損DNA的核苷酸可能是腫瘤細胞產生耐藥性的原因。本研究的多組學分析揭示，在受輻射的菌群和對放化療無反應的腫瘤中，參與核苷酸生物合成和DNA修復的分子的豐度增加。核苷酸補救合成途徑與從頭合成途徑的相對貢獻可能取決于生長條件或特定組織。在以前的研究中，有人認為循環(huán)核苷酸的濃度太低，無法僅通過補救合成途徑滿足腫瘤的核苷酸需求。最近，有研究發(fā)現核苷酸補救合成途徑及其代謝物可以在低葡萄糖條件下促進腫瘤細胞的增殖。胞苷可以通過尿苷-胞苷激酶產生的單磷酸胞苷更直接地通過補救途徑合成。嘌呤補救合成途徑比嘌呤從頭合成使用更少的三磷酸腺苷，因此，核苷酸補救合成途徑能量效率更高，可能賦予癌細胞更多生長優(yōu)勢。體外功能驗證實驗表明，外源補充核苷通過更有效的DNA修復能力增加了結直腸癌細胞在輻射或5-FU治療中的存活率(圖5)，但是目前還不清楚體外使用的核苷濃度是否完全代表直腸癌的腫瘤微環(huán)境。

越來越多的證據顯示，腸道微生物的組成與其宿主的生理和病理狀態(tài)有關，包括癌癥的發(fā)生和發(fā)展以及腫瘤對治療的敏感性。然而，驅動腫瘤細胞耐藥性的生物機制和宿主-微生物相互作用尚未闡明。在這項研究中，研究人員發(fā)現nCRT治療后患者具有獨特的糞便微生物群落。多組學分析以及體外和體內的功能驗證結果表明，微生物介導的核苷酸合成與直腸癌患者對nCRT的耐藥性有關。同樣，以前發(fā)表的一些研究揭示了微生物群衍生或介導的核苷酸代謝對宿主健康和腸道疾病嚴重程度的影響。例如，腸道菌群中的部分細菌可以加強宿主嘌呤的代謝，從而加劇小鼠模型中的結腸炎，而微生物群衍生的嘌呤是粘液屏障功能和傷口愈合的關鍵底物來源。腸道微生物是人類腸腔內的共生生物，與直腸腫瘤緊密相關。即使體循環(huán)中與核苷酸生物合成有關的代謝物的濃度不是很高，但直腸腫瘤組織和微生物群之間的空間毗鄰關系可能有利于它們的相互作用，微生物群衍生的低濃度核苷也可能到達直腸腫瘤。相應地，在化療后無反應的直腸癌患者的腫瘤組織中觀察到與核苷酸生物合成有關的代謝物水平升高(圖7E)。雖然細菌核苷與直腸腫瘤治療反應之間的確鑿因果關系需要在未來的研究中進一步確定，但可以推斷的是，微生物群介導的核苷酸生物合成在調節(jié)直腸腫瘤對放化療的反應中發(fā)揮了不可或缺的作用。

有趣的是，觀察到LARC患者放化療后血清尿酸水平與預后不良相關(圖7F-7H)。尿酸不僅是一種隨核苷酸生物合成活性波動的下游代謝物，還可以作為一種抗氧化劑，在人體防御氧化應激中發(fā)揮作用。因此，直腸癌細胞中尿酸水平升高可能保護腫瘤細胞免受氧化損傷，提高放化療后腫瘤細胞的存活率。以前也有研究表明，尿酸可以通過抑制尿苷單磷酸合成酶和積累5-FU的競爭物質乳清酸來降低結直腸癌細胞對5-FU的敏感性，這進一步支持了本文關于尿酸參與直腸癌放化療敏感性的結論。在本研究中，血清尿酸水平可用于預測獨立數據集直腸癌患者的反應。這表明，尿酸作為嘌呤代謝的下游代謝物，可用于評估直腸癌患者放化療后的預后，但在未來的研究中，尿酸對放化療療效影響的具體機制還需要大樣本驗證。  

綜上所述，作者在此提出了直腸腫瘤對放化療的反應可由腸道微生物群介導的核苷酸生物合成調節(jié)的概念，本研究的數據強調了考慮癌細胞和腸道微生物群之間的相互作用對于深入了解癌癥患者對臨床治療反應的機制的重要性。

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網址: 科研丨北大腫瘤醫(yī)院(IF:38): 腸道菌群介導的核苷酸合成減弱了直腸癌對新輔助放化療的反應(國人佳作) http://www.u1s5d6.cn/newsview473774.html