Микробиота кишечника и ответ на иммунотерапию злокачественных опухолей: от воспроизводимых биомаркеров к модуляции эффекта

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-75-10029

НазваниеМикробиота кишечника и ответ на иммунотерапию злокачественных опухолей: от воспроизводимых биомаркеров к модуляции эффекта

Руководитель Олехнович Евгений Иванович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины имени академика Ю.М. Лопухина Федерального медико-биологического агентства" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-403 - Медицинская микробиология и вирусология

Ключевые слова микробиота кишечника, иммунотерапия злокачественных опухолей, метагеномика, высокопроизводительное секвенирование

Код ГРНТИ76.03.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В дополнение к таргетным методам лечения с недавних пор в практику онкологов вошла иммунотерапия. Суть иммунотерапии состоит в повышении естественной защиты организма, направленной на элиминацию опухолевых клеток. Одно из направлений иммунотерапии, основанное на применении моноклональных антител – ингибиторов иммунных контрольных точек (ИИКТ; от англ. Immune checkpoint inhibitor) – стало значительным прорывом в противоопухолевой терапии и существенно улучшило выживаемость пациентов [Hoos A. 2016]. Противоопухолевый эффект ИИКТ связан с блокированием сигнальных путей CTLA-4 (цитотоксический Т-лимфоцит-ассоциированный протеин 4) и PD-1/PD-L1 (белок и лиганд рецептора запрограммированной клеточной гибели-1 соответственно), контролирующих разные этапы иммунного ответа. Ингибирование CTLA-4 приводит к активации наивных Т-лимфоцитов в лимфоидных тканях, а блокирование PD-1/PD-L1 пути ведет к увеличению иммунного ответа на эффекторной стадии, что в определенных случаях предполагает применение комбинированной терапии. ИИКТ в настоящее время используются в качестве терапии первой линии при поздних стадиях развития различных онкологических заболеваний, в том числе при метастатической меланоме (ММ), немелкоклеточном раке легкого и почечно-клеточной карциноме. Фактически, общая выживаемость пациентов с ММ за последние 5 лет выросла с 16% до 52% после введения комбинированной анти-CTLA-4 + анти-PD-1 терапии [Pollack LA, et al. 2011; Larkin J, et al 2019]. Тем не менее, половина пациентов не реагирует на лечение ИИКТ, а предсказать фенотип ответчика или неответчика представляется сложной задачей. В последние годы эффективность ИИКТ терапии связывают со специфическими мутациями в клетках опухоли, экспрессией тех или иных генов/белков, инфильтрацией опухоль-ассоциированными дендритными клетками и T-клетками, уровнем лимфоцитов/моноцитов/эозинофилов, а также с составом микробиоты кишечника. При этом интерес к микробиоте обусловлен тем фактом, что в отличие от большинства других предикторов, методы коррекции кишечного микробиома относительно дешевы и легки в исполнении. Доклинические исследования на модельных животных показали, что состав микробиоты оказывает существенное влияние на эффективность терапии ИИКТ, а также на развитие побочных эффектов, связанных с активацией иммунитета. Кроме того, было показано, что экспериментальные вмешательства, например такие как трансплантация фекальной микробиоты, могут восстанавливать ответ на терапию у животных и снижать побочные эффекты [Vétizou M, et al. 2015; Sivan A, et al. 2015]. В дальнейшем каузальные связи между специфическими таксонами и их способностью влиять на результаты ИИКТ терапии были найдены и для человека [Frankel et al., 2017; Matson et al., 2018; Gopalakrishnan et al., 2018; Routy et al., 2018]. Одна из таких работ была выполнена заявителями проекта [Федоров с соавт., 2020]. Совместно с компанией BIOCAD в рамках соглашения Минобрнауки РФ № 05.604.21.0215 “Разработка метода оценки метагеномных маркеров микробиоты кишечника человека, ассоциированных с ответом на иммунотерапию рака” было проведено исследование по поиску различий в структуре микробиоты фекалий пациентов с меланомой с различным ответом на иммунотерапию пролголимабом (https://biocad.ru/products/onco/fortekar-prolgolimab). Анализ экспериментальных данных демонстрировал различия структуры микробиоты между экспериментальными группами, что еще раз подчеркивает наличие сильной связи между составом микробиоты кишечника и исходом иммунотерапии. Мы считаем, что расширение подобных исследований будет полезно для накопления большего количества релевантных данных и может способствовать разработке дополнительных средств не только по прогнозированию исхода противораковой иммунотерапии, но также и повышению ее эффективности. Несмотря на свою высокую научную значимость и актуальность, представленные в мировой литературе работы имеют ограничения в виде локальности выборки пациентов, что может существенно осложнять ассоциативный анализ. В целях повышения эффективности иммунотерапии, возникает необходимость в выявлении воспроизводимых между разными исследованиями характеристик структуры микробиоты кишечника, вовлеченных в процесс регуляции, а также в тщательном изучении биологических явлений, лежащих в его основе. В нашем исследовании мы планируем обобщить опубликованные результаты по данной теме. Мы планируем изучить не менее 500 метагеномных образцов микробиоты кишечника онкологических пациентов с различным ответом на иммунотерапию из сторонних открытых репозиториев. Будет выполнен анализ опубликованных метагеномных данных при помощи принятых в мировом научном сообществе биоинформатических инструментов и концепций. Мы планируем получить воспроизводимые между разными исследованиями биомаркеры микробиоты кишечника вовлеченные в процесс позитивного исхода иммунотерапии. Как было сказано выше, на данный момент не существует относительно дешевых методов прогнозирования исхода иммунотерапии широко внедренных в медицинскую практику. Таким образом, собранный набор метагеномных данных будет использован для построении предсказательной модели исхода иммунотерапии на основе алгоритмов машинного обучения. Будет проведена экспериментальная валидация полученных в ходе биоинформатического поиска результатов с использованием животных моделей. Таким образом, будет выполнена проверка гипотезы о возможности редуцирования структуры микробиома кишечника до отдельных компонент, вовлеченных в процесс положительного ответа на иммунотерапию. Литература: [1] Hoos A. Development of immuno-oncology drugs—from CTLA4 to PD1 to the next generations // Nature reviews Drug discovery. – 2016. – V. 15. – №. 4. – P. 235-247. [2] Larkin J. et al. Five-year survival with combined nivolumab and ipilimumab in advanced melanoma // New England Journal of Medicine. – 2019. – V. 381. – №. 16. – P. 1535-1546. [3] Pollack L. A. et al. Melanoma survival in the United States, 1992 to 2005 // Journal of the American Academy of Dermatology. – 2011. – V. 65. – №. 5. – P. S78. e1-S78. e10. [4] Vétizou M. et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota // Science. – 2015. – V. 350. – №. 6264. – P. 1079-1084. [5] Matson V. et al. The commensal microbiome is associated with anti–PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients // Science. – 2018. – V. 359. – №. 6371. – P. 104-108. [6] Gopalakrishnan V. et al. Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients // Science. – 2018. – V. 359. – №. 6371. – P. 97-103. [7] Routy B. et al. The gut microbiota influences anticancer immunosurveillance and general health // Nature Reviews Clinical Oncology. – 2018. – V. 15. – №. 6. – P. 382-396. [8] Frankel A. E., Frankel E. P. Melanoma metamorphoses: advances in biology and therapy // J Cancer Sci Ther. – 2017. – V. 9. – P. 325-335. [9] Sivan A. et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti–PD-L1 efficacy // Science. – 2015. – V. 350. – №. 6264. – P. 1084-1089. [10] Pierrard J., Seront E. Impact of the gut microbiome on immune checkpoint inhibitor efficacy—a systematic review // Current Oncology. – 2019. – V. 26. – №. 6. – P. 395-403. [11] Baruch E. N. et al. Fecal microbiota transplant promotes response in immunotherapy-refractory melanoma patients // Science. – 2021. – V. 371. – №. 6529. – P. 602-609. [12] Davar D. et al. Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti–PD-1 therapy in melanoma patients // Science. – 2021. – V. 371. – №. 6529. – P. 595-602.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Владимир А. Веселовский, Марина С. Дьячкова, Дмитрий А. Бемпятых, Роман А. Юнес, Егор А. Шитиков, Полина С. Поляева, Валерий Н. Даниленко, Евгений И. Олехнович, Ксения М. Климина The Gene Expression Profile Differs in Growth Phases of the Bifidobacterium Longum Culture MDPI Microorganisms, Microorganisms 2022, 10(8), 1683 (год публикации - 2022)
10.3390/microorganisms10081683

2. Евгений И. Олехнович, Артем Б. Иванов, Анна А. Бабкина, Арсений А. Соколов, Владимир И. Ульянцев, Дмитрий Е. Федоров и Елена Н. Ильина Consistent stool metagenomic biomarkers associated with response to melanoma immunotherapy mSystems (год публикации - 2022)
10.1128/msystems.01023-22

3. Н.В. Захаревич , М.Д. Морозов , В.А. Канаева , А.Б. Иванов , В.И. Ульянцев , К.М. Климина , Т.И. Зюбко , М.С. Филлипов , Е.И. Олехнович Systemic metabolic depletion of gut microbiome undermines responsiveness to melanoma immunotherapy Life Science Alliance, vol 7, no 5, e202302480 (год публикации - 2024)
10.26508/lsa.202302480

4. Некишечные микробные сигнатуры в стуле как предикторы результатов иммунотерапии рака Non-Intestinal Microbial Signatures in Stool as Predictors of Cancer Immunotherapy Outcome bioRxiv (год публикации - 2025)
10.1101/2025.05.07.652660

5. Пролиферативный и транскриптомный ответ экспериментальной меланомы B16-F10 на модификацию микробиоты мыши пероральным введением Lacticaseibacillus rhamnosus K32 и Bifidobacterium adolescentis 150 Пролиферативный и транскриптомный ответ экспериментальной меланомы B16-F10 на модификацию микробиоты мыши пероральным введением Lacticaseibacillus rhamnosus K32 и Bifidobacterium adolescentis 150 Гены и клетки (год публикации - 2025)

6. Канаева В.А., Климина К.К., Олехнович Е.И. Поиск универсальных метагеномных маркеров микробиоты кишечника, ассоциированных с ответом на иммунотерапию различных видов рака Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) , Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 doi 10.18699/bgrs2024-8.1-05, стр. 1350. (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-8.1-05

7. Зорук П.Ю., Болдырева Д.И., Олехнович Е.И., Климина К.М. Исследование фармакокинетики выведения штаммов лактобацилл и бифидобактерий из организма мышей X Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов и молекулярных биологов OpenBio-2023, X Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов и молекулярных биологов — 2023: Cб. тез. / АНО «Инновационный центр Кольцово». — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2023. — 814 с. (год публикации - 2023)
DOI: 10.25205/978-5-4437-1526-1-18

8. Климина К.М., Дьячкова М.С., Веселовский В.А., Захаревич Н.В., Строкач А.А., Селезнева О.В., Шитиков Е.А., Беспятых Д.А., Юнес Р.А., Полуэктова Е.У., Одорская М.В., Остроухова П.С., Брускин С.А., Даниленко В.Н., Олехнович Е.И. Transcriptional Responses of Lacticaseibacillus rhamnosus to TNFα, IL-6, IL-8, and IL-10 Cytokines MDPI Biology, Biology 2024 13(11), 931 (год публикации - 2024)
10.3390/biology13110931

9. Захаревич Н.В., Олехнович Е.И. Выявление потенциальных механизмов вовлеченности микробиоты в ответ на иммунотерапию меланомы при помощи метагеномного анализа Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB), MCCMB 2023: Proceedings, Н.В. Захаревич, Е.И. Олехнович. Выявление потенциальных механизмов вовлеченности микробиоты в ответ на иммунотерапию меланомы при помощи метагеномного анализа. 11-ая Московская конференция по вычислительной молекулярной биологии MCCMB'23, Москва, 3–6 августа 2023. Россия - М.: ИППИ РАН, 2023. ISBN: 978-5-901158-33-3. (год публикации - 2023)

10. Канаева В.А., Олехнович Е.И. Поиск универсальных метагеномных маркеров микробиоты кишечника, ассоциированных с ответом на иммунотерапию различных видов рака X Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов и молекулярных биологов OpenBio-2023, X Международная конференция молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов и молекулярных биологов — 2023: Cб. тез. / АНО «Инновационный центр Кольцово». — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2023. — 814 с. (год публикации - 2023)
DOI: 10.25205/978-5-4437-1526-1-20

11. Климина К.М., Дьячкова М.С., Веселовский В.А. , Захаревич Н.В., Олехнович Е.И Транскриптомный ответ Lacticaseibacillus rhamnosus на цитокины IL-8 и IL-10 Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) , Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 doi 10.18699/bgrs2024-1.4-09 , стр 240 (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-1.4-09

12. Захаревич Н.В., Морозов М.Д., Канаева В.А., Иванов А.Б., Ульянцев В.И., Климина К.М., Олехнович Е.И. Предсказание биологических механизмов влияния кишечных микробов на результаты иммунотерапии меланомы с использованием метагеномных данных Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) , Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 doi 10.18699/bgrs2024-8.1-03, стр. 1339. (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-8.1-03

13. Строкач А.А., Морозов М.Д., Зорук П.Ю., Веселовский В.А., Колдман В.А., Колдман С.Д., Олехнович Е.И., Климина К.М. Идентификация бактерий, способствующих улучшению результатов иммунотерапии меланомы Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) , Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. – ISBN 978-5-91291-067-8 doi 10.18699/bgrs2024-9.2-15, стр. 1653. (год публикации - 2024)
doi 10.18699/bgrs2024-9.2-15

14. В.А. Канаева, К.М. Климина, Е.И. Олехнович Поиск универсальных метагеномных маркеров микробиоты кишечника, ассоциированных с ответом на иммунотерапию различных видов рака VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024, VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024 (ПСБ «Патриот», 29 октября – 2 ноября 2024).Сборник тезисов докладов. – М.: Издательство «Перо», 2024. – с. 73. (год публикации - 2024)

15. Морозов М.Д., Строкач А.А., Зорук П.Ю., Веселовский В.А., Колдман В.А., Колдман С.Д., Олехнович Е.И., Климина К.М. Выявление бактериальных видов как предикторов эффективности иммунотерапии при меланоме VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024, VI Международная конференция ПОСТГЕНОМ’2024 (ПСБ «Патриот», 29 октября – 2 ноября 2024).Сборник тезисов докладов. – М.: Издательство «Перо», 2024. – с. 154. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе исследований была изучена роль микробиоты кишечника в эффективности иммунотерапии при меланоме и других онкологических заболеваниях, с акцентом на взаимодействие пробиотических штаммов с иммунной системой и их влияние на развитие опухолей. Особое внимание уделено транскриптомным реакциям микроорганизмов на сигналы организма-хозяина и анализу микробиома пациентов, проходящих лечение. Одним из ключевых результатов стало сравнение воздействия пробиотических штаммов Lacticaseibacillus rhamnosus K32 и Bifidobacterium adolescentis 150 на рост экспериментальной меланомы у мышей. Выявлено, что штамм B. adolescentis 150 достоверно стимулировал рост опухоли, подавляя интерфероновый ответ (IFN-γ) и активируя сигнальные пути WNT/β-catenin и TGF-β, что потенциально способствовало формированию иммуносупрессивного микроокружения. В то же время L. rhamnosus K32 усиливал экспрессию маркеров цитотоксических Т-лимфоцитов и NK-клеток, потенциально повышая противоопухолевый иммунитет. Оба штамма вызывали изменения в составе микробиоты, включая рост доли бактерий рода Klebsiella, связанных с воспалением, а также усиление процессов эпителиально-мезенхимального перехода, что может увеличить инвазивность опухолевых клеток. Дополнительно исследована реакция штаммов L. rhamnosus на цитокины: при отсутствии влияния на рост бактерий было зафиксировано значительное перепрограммирование транскриптома, особенно под действием IL-8 и IL-10. Установлено подавление генов, связанных с фосфотрансферазной системой и энергетическим метаболизмом, а также различия между штаммами в адаптации к стрессу. Отмечено отсутствие у L. rhamnosus гомологов цитокин-связывающих белков, характерных для других пробиотиков, что указывает на уникальные механизмы взаимодействия с иммунной системой. Скрипты анализа опубликованы в открытых репозиториях: 1) https://github.com/JeniaOle13/gut-model-melanoma, 2) https://github.com/JeniaOle13/RNA-model-melanoma. Аналитические отчеты во всеми рисунками и таблицами также доступны в сети интернет: 1) https://jeniaole13.github.io/gut-model-melanoma/, 2) https://jeniaole13.github.io/RNA-model-melanoma/. Еще одним важным достижением стало создание крупнейшего каталога геномов, собранного из метагеномов пациентов, получавших иммунотерапию. Анализ 976 фекальных образцов позволил реконструировать 3816 геномов с высоким качеством сборок (средняя полнота - 91.9%, контаминация - 2.13%). Эти данные доступны научному сообществу в открытых репозиториях. Данные опубликованы в открытых репозиториях. 1) Zenodo (https://zenodo.org/records/14701025), 2) Figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.27993506.v4). Скрипты анализа доступны на GitHub (https://github.com/JeniaOle13/Cancer_MAGs). Сравнение микробиома пациентов, отвечавших на терапию (R-группа), и не отвечавших (NR-группа), выявил существенные различия. У респондеров преобладали аутохтонные бактерии, такие как Blautia wexlerae, Blautia faecis и Faecalibacterium prausnitzii, продуцирующие короткоцепочечные жирные кислоты и поддерживающие благоприятное иммунное микроокружение. В NR-группе доминировали аллохтонные микроорганизмы, включая патогены из ротовой полости (Veillonella parvula, Dialister invisus) и условно-патогенные представители пищевого происхождения (Citrobacter freundii, Klebsiella spp.), что ассоциировалось с хроническим воспалением и снижением эффективности лечения. Углеводный метаболизм оказался ключевым фактором: у респондеров наблюдалось повышение активности гликозид гидролаз, способствующих расщеплению клетчатки и производству иммуномодулирующих метаболитов. Введение нового показателя - “резидентно-транзитного соотношения” - позволило повысить точность прогноза ответа на терапию до AUC=0.72 и уточнить роль биомаркеров, таких как разные штаммы F. prausnitzii, связанные с противоположными прогнозами в зависимости от метаболических особенностей. Скрипты анализа данных опубликованы в открытом репозитории GitHub https://github.com/JeniaOle13/cancer-biomarkers, аналитический отчет со всеми таблицами и рисунками доступен для просмотра по ссылке https://jeniaole13.github.io/cancer-biomarkers/. На основе полученных данных предложены практические рекомендации для персонализированного подхода к лечению. Среди них — скрининг пациентов на наличие в стуле оральных и пищевых патогенов перед началом иммунотерапии, использование пробиотиков на основе штаммов Blautia, а также разработка диетических рекомендаций учитывающих качество питания. В перспективе планируется изучить механизмы участия пути Вуда-Льюнгдаля в модуляции иммунитета, а также создать штамм-специфические пробиотики и синбиотики, ориентированные на фиксацию углерода и усиление противоопухолевого ответа. Эти результаты открывают новые возможности для персонализированной онкологии, подчеркивая важность микробиома в разработке эффективных терапевтических стратегий.

Публикации