PNAS | 高脂肪饮食驱动“肠-骨髓-肿瘤”轴促癌症发展_

脂肪是大脑发育和肝脏生产胆固醇的必需物质，但当体内脂肪水平超过正常水平时，便会产生健康问题。有数据表明，高脂肪饮食（HFD）是通过破坏肠道微生物群导致癌症恶性进展的高危因素，不过对于HFD相关肠道微生物群在癌症发展中的作用此前尚不明晰。

2024年5月6日，中山大学宋尔卫教授、陆勇军教授以及胡海教授共同作为通讯作者，在《美国国家科学院院刊（PNAS）》上发表了一篇名为《A high-fat diet promotes cancer progression by inducing gut microbiota–mediated leucine production and PMN-MDSC differentiation》的研究论文。（图1）

研究人员提出 HFD 与乳腺癌和黑色素瘤的快速进展和不良预后相关，在荷瘤小鼠中建立了各种模型，包括HFD喂养、粪便微生物群移植、抗生素喂养和细菌灌胃。结果发现 HFD 相关微生物群通过产生多形核髓源性抑制细胞（PMN-MDSC）促进癌症进展。并探明相关机制：HFD微生物群释放了丰富的亮氨酸，激活了髓系祖细胞中的mTORC1信号通路，用于PMN-MDSC的分化。

另外，研究发现脱硫弧菌属（Desulfovibrio）在超重/肥胖患者的粪便中富集，并与肿瘤生长和粪便亮氨酸和PMN-MDSC水平呈正相关，表明Desulfovibrio属是驱动癌症进展的肠道微生物群的关键成分。研究中揭示了“肠-骨髓-肿瘤”轴参与HFD介导的癌症进展，并表明关注肠道微生物群的异常代谢问题可以为抗癌治疗策略开辟广阔的途径。

一、HFD通过紊乱肠道菌群促进肿瘤进展

研究人员对乳腺癌患者进行了随访，Kaplan-Meier (KM)曲线显示，体重指数(BMI)≤24的患者的总生存期(OS)和无病生存期(DFS)比BMI >24的患者更长。此外，受试者工作特征(ROC)曲线分析显示，BMI可预测乳腺癌局部复发。与BMI≤24 的患者相比，BMI > 24患者与较短的OS 和DFS显著相关，这表明肥胖可能会加速肿瘤进展或降低化疗的有效性，最终导致较差的预后。（图2）

然后，对女性乳腺癌患者的肠道菌群进行16S rRNA基因测序检测，结果显示BMI >24患者的粪便中一些肠道微生物群与BMI≤24患者差异明显。Desulfovibrio的丰度与肿瘤大小和ki67阳性呈正相关，Ki67是肿瘤生长速度的指标。这些结果揭示了肥胖和肥胖相关肠道微生物群与乳腺癌患者肿瘤生长和不良预后之间的相关性，表明肠道微生物群的变化在肥胖诱导的癌症发展中至关重要。（图3）

接下来，使用MMTV/PyMT小鼠模型评估肥胖相关肠道微生物群在乳腺癌进展中的作用。观察结果显示，HFD和HFD相关的粪便微生物群移植（HDFMT）均显著加速了小鼠乳腺肿瘤的进展。

用鸡尾酒疗法的抗生素灌胃HFD小鼠(HFD+A)和HDFMT小鼠(HDFMT+A)以消除HFD介导的肠道微生物变化，结果显示，抗生素灌胃减缓了乳腺肿瘤生长的促进。除乳腺癌外，还使用了B16黑色素瘤异种移植模型，与上类似。这些结果表明，HFD通过肠道菌群失调促进肿瘤进展。（图4）

二、HFD通过PMN-MDSCs促进肿瘤进展

对小鼠粪便进行16S rRNA基因测序，探索参与促进肿瘤生长的肠道菌群属。LEfSe分析显示，正常脂肪饮食（NFD)小鼠和HFD小鼠菌群数量及种属存在差异，在超重/肥胖乳腺癌患者中，Desulfovibrio的丰度增加。肿瘤组织中免疫细胞的筛选显示，与NFD小鼠相比，乳腺肿瘤组织和HFD和HDFMT小鼠循环中MDSCs的数量明显增加。（MDSCs在骨髓中产生，并迁移到肿瘤病灶形成免疫抑制微环境。）

而HFD和HDFMT小鼠的肿瘤浸润和循环MDSCs，特别是PMN-MDSCs水平的增加在抗生素治疗后被逆转。这强调了肠道菌群失调在增加MDSC nums中的关键作用。

使用中和抗gr -1抗体消耗内部MDSCs，这显著阻碍了HFD和HDFMT小鼠的乳腺肿瘤生长。这些结果表明，HFD相关的微生物群通过MDSCs促进肿瘤进展。（图5）

三、PMN-MDSCs的产生机制

MDSCs来源于骨髓中受集落刺激因子(CSF)刺激的多能骨髓祖细胞（MPs），并在趋化因子作用下通过循环被募集到肿瘤中。骨髓中常见的MPs (CMPs)产生巨核细胞-红细胞祖细胞(MEPs)或粒细胞-巨噬细胞祖细胞(GMPs)，在癌症发病期间，它们又分化为MDSCs，即免疫抑制细胞和未成熟的骨髓细胞。（图6）

研究发现，与NFD组相比，HFD和HDFMT组的GMP群体增加，抗生素治疗可以减少GMP。所有小鼠中，ki67阳性GMP的百分比没有显著差异，这表明HFD和相关的肠道微生物群不影响GMP细胞的增殖能力，这样结果支持了HFD介导的肠道菌群失调促进骨髓中MP向GMP分化的假设。

接着，从背景小鼠中分选的MP细胞用NFD、HFD或HDFMT小鼠的血清处理。发现HFD或HDFMT小鼠的血清都促进了MP细胞向MDSCs尤其是PMN-MDSCs的分化，而抗生素小鼠的血清不会诱导MP细胞向MDSCs分化。这些结果表明，HFD和HDFMT小鼠中MDSCs数量的增加是由于血清中特定因子诱导骨髓中MP细胞向MDSCs的分化增强所致。（图7）

四、HFD介导的优势微生物产生亮氨酸

使用质谱法分析了饮食喂养小鼠粪便代谢物水平，偏最小二乘判别分析(PLS-DA)显示，HFD小鼠的粪便代谢物组成与NFD小鼠存在显著差异。HFD衍生粪便中的支链氨基酸(BCAAs)水平显著高于NFD，HFD和HDFMT组的血清亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸浓度显著高于NFD组。

使用MetaboAnalyst生成的拓扑图显示缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸的生物合成代谢途径显著上调。粪便中亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的浓度与HFD小鼠中Desulfovibrio和Ruminiclostridium的丰度增加呈显著正相关。对HFD或HDFMT小鼠使用抗生素导致粪便和血清中亮氨酸和缬氨酸水平降低。这些结果表明，BCAA水平升高可能归因于HFD介导的优势肠道微生物的产生。

将亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸处理应用于MPs，发现亮氨酸促进MPs向PMN-MDSCs的浓度依赖性分化。亮氨酸灌胃显著促进乳腺肿瘤的进展，在黑色素瘤小鼠中可以观察到类似效果。抗gr -1中和抗体阻碍了亮氨酸给药小鼠的肿瘤进展。这些结果表明，HFD通过提高HFD介导的优势肠道微生物的亮氨酸供应，诱导MDSC的产生和肿瘤进展。（图8）

五、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)产生亮氨酸

将无菌小鼠注入与肥胖有关的脱硫弧菌，然后进行原位4T1乳腺癌细胞植入，发现肿瘤生长显著加速，MDSCs水平尤其是PMN-MDSCs水平升高。无菌小鼠灌胃后可以在粪便，血清，和骨髓上清中观察到高浓度的亮氨酸。这些结果表明，HFD介导的的Desulfovibrio可以产生额外的亮氨酸来触发MDSC的产生和癌症的进展。（图9）

六、亮氨酸的诱导机制

亮氨酸在体外剂量依赖性地激活MPs中的mTORC1信号通路。使用L-氨基酸转运蛋白抑制剂(BCH)可以抑制亮氨酸转运，随之发现抑制了MPs中的mTOR信号通路，并抑制MP向MDSCs的分化。

依维莫司（everolimus）是mTORC1的抑制剂，使用后发现抑制了体外和体内MDSCs的水平，减缓了HFD、HDFMT和亮氨酸灌胃小鼠乳腺肿瘤的进展。上述结果表明，HFD介导的微生物亮氨酸通过MPs中的mTORC1信号通路触发MDSC的产生。（图10）

七、肠-骨髓-肿瘤轴促进乳腺癌进展

对女性乳腺癌患者的血清和粪便进行分析，与先前在HFD小鼠中的研究结果一致。

对MMTV-PyMT小鼠进行正常体重供体和肥胖供体的粪便微生物群移植（FMT），显示接受肥胖供者FMT的小鼠肠道中Desulfovibrio的富集并促进了小鼠乳腺癌的生长，提高了肿瘤和循环MDSCs水平。

另外发现应用尼美舒利抑制中性氨基酸吸收可抑制乳腺癌的进展，并减少肿瘤和循环PMN-MDSCs 。而亮氨酸的添加增强了正常体重病例源性FMT小鼠的乳腺癌细胞生长，并升高了肿瘤和循环PMN-MDSCs 。这些结果表明，HFD相关的微生物亮氨酸激活骨髓中MP mTORC1信号，触发MP繁殖和PMN-MDSC分化，最终通过肠-骨髓-肿瘤轴促进乳腺癌进展。（图11）