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客户案例 | 代谢项目文章五连发!周文教授团队最新成果入选2023年度中国血液学十大研究进展!

作者:麦特绘谱生物科技(上海)有限公司 暂无发布时间 (访问量:5268)

多发性骨髓瘤(Multiple Myeloma, MM)是一种常见于中老年人血液系统浆细胞的恶性肿瘤,随着我国人口老龄化不断增长,MM发病率呈明显上升趋势。当前MM重要临床问题是耐药所诱导的复发难治。

中南大学肿瘤研究所周文教授课题组一直致力于该疾病的研究,截止目前已与麦特绘谱合作发表5篇代谢组学研究成果,其中前4篇如下:

① 氮循环菌富集促进MM发病(Microbiome ,2020,麦特绘谱提供非靶向、Q300全定量检测服务);

② 肠道肺炎克雷伯菌通过在多发性骨髓瘤中合成谷氨酰胺导致MM肺炎(Cancers,2022,麦特绘谱提供Q300全定量检测服务);

③ 首次通过代谢组学发现患者骨髓微环境中氨基酸代谢失衡,甘氨酸是MM的关键代谢调节剂,提示通过阻断甘氨酸摄取、抑制细胞增殖并增强硼替佐米BTZ的作用(Nature communications ,2022,麦特绘谱提供非靶向、Q300全定量、代谢流检测服务;点此查阅详细解读);

丝氨酸通过甲硫氨酸循环抑制巨核细胞形成和血小板减少,调控MM进展的分子机制,发现通过靶向血小板减少症为治疗MM患者提供了潜在的治疗策略Nature communications, 2023,麦特绘谱提供非靶向、氨基酸、代谢流检测服务;点此查阅详细解读,提示从代谢角度干预氨基酸来源、摄取和分解可为MM治疗提供新思路。

上述研究发现肠道菌群被发现在多发性骨髓瘤(MM)的治疗中起着至关重要的作用。然而,MM患者体内富含的肠道氮循环菌在MM复发中的作用仍不清楚。2023年12月18日,麦特绘谱创始人贾伟教授与周文教授团队Cell Metabolism发表最新成果(第5篇) Targeting gut microbial nitrogen recycling and cellular uptake of ammonium to improve bortezomib resistance in multiple myeloma 研究论文,首次从代谢失衡解析多发性骨髓瘤发病及耐药机制,揭示了氮循环肠道菌与宿主代谢互作可诱导多发性骨髓瘤耐药性,成果成功入选2023年度中国血液学十大研究进展。(麦特绘谱提供代谢流检测服务)

 

技术路线

 

 宏基因组聚焦与MM复发相关的菌群

收集28名诊断时患有MM的患者(ADs)、17名复发的MM患者(RMs)和年龄及性别匹配的的20名健康对照组(HC)粪便,进行宏基因组测序,发现MM 患者体内富含特异性弗氏柠檬酸杆菌C.  freundii),且C. freundii丰度与MM的复发时间呈负相关,C. freundii丰度高的患者平均治疗次数显著增加。表明,C. freundii的丰度与MM复发的可能性有关。

图1. 高丰度的氮循环菌C. freundii与MM复发有关

 

C.freundii诱导MM患者体内NH4+的积累

通过粪菌移植(FMT)实验,将MM患者的粪便移植到MM肿瘤小鼠体内后加速了小鼠MM的发展。用硼替佐米(BTZ)处理小鼠后,移植的肠道菌群减弱了BTZ的抗肿瘤作用。

由于C. freundii是已知的氮循环菌,推测C. freundii在氮代谢中的作用可能与其对MM耐药性有关。同时发现定植组小鼠盲肠内容物和血清中的NH4+浓度均升高,且盲肠和血清NH4+浓度之间显著正相关,C. freundii的丰度与盲肠内容物和血清中的NH4+呈正相关。在移植了MM患者粪便的小鼠体中获得一致结果。结果表明C. freundii介导了NH4+的积累。

图2. C. freundii诱导MM中NH4+的积累

 

NH4+积累加速MM进展并诱导其耐药性

临床发现在MM患者中38% 的患者外周血NH4+水平较高;根据粪便 NH4+的中位浓度将RM样本分为两组(低NH4+和高NH4+),发现高NH4+的RM表现出更晚的骨髓瘤分期(Durie-Salmon,DS)。细胞水平上,将MM细胞系(ARP1和H929)在含有不同浓度的NH4+的培养基中培养,发现0.5 mM NH4+增强MM细胞的增殖;在培养基中添加BTZ,发现NH4+处理降低BTZ对MM细胞的抗肿瘤作用。MM动物模型上补充NH4Cl显著加速MM小鼠进展。总之,NH4+积累可加速MM的进展并诱导对BTZ的耐药性。

 

C. freundii通过表达脱氨酶增加NH4+的产生

C. freundii参考基因组中发现了由C. freundii转录的特异性高表达脱氨酶编码基因。构建该基因缺失菌株 并对小鼠进行灌胃发现在动物盲肠内容物和血清中NH4+水平降低。随后用C. freundii野生型和突变型定植小鼠,发现野生菌株促进MM进展,而突变菌抑制MM进展。用BTZ处理后,与野生菌组相比,突变菌组MM缓解,而回补NH4+后,突变菌组MM表型逆转。总之,C. freundii通过表达脱氨酶产生了大量NH4+,肠道中产生的NH4+进入血液循环并最终导致MM细胞对BTZ的耐药性。

图3. C. freundii介导的NH4+合成诱导对BTZ的耐药性

 

NH4+通过稳定NEK2诱导对BTZ的耐药性

已报道,NH4+的两个转运体分别由NKCC1和NKCC2基因编码,而只有NKCC1(别名 SLC12A2,solute carrier family12,溶质转运蛋白)在ARP1和 H929 MM细胞中表达,其表达水平在NH4Cl处理过程中逐渐升高。且在高SLC12A2 表达的MM患者中预后较差。在SLC12A2敲除的慢病毒以及SLC12A2敲除的MM小鼠模型中,SLC12A2的缺失减少对NH4+的摄取,诱导细胞凋亡,并抑制NH4+对BTZ的抑制作用。

为了探索NH4+被吸收后的代谢命运,通过代谢流技术示踪了用15NH4Cl培养的ARP1细胞的氮代谢,发现大多数氨基酸在培养12小时后被标记。其中,5种氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸),在30分钟后发生显著改变。随着NH4+浓度增加,ARP1和H929细胞中NEK2蛋白水平逐渐升高。NH4+可与多种氨基酸结合,增强 NEK2的乙酰化,同时减少NEK2泛素化,进而减弱NEK2的降解,诱导MM细胞对BTZ的耐药性。

图4. NH4+通过稳定NEK2诱导对BTZ的耐药性

 

呋塞米钠及益生菌可改善MM的BTZ耐药性

呋塞米钠(Fus),一种环状利尿剂,Fus能以剂量依赖的方式下调ARP1和H929细胞中SLC12A2的表达,抑制MM细胞对NH4+的摄取,改善MM细胞对BTZ的耐药性。临床上,Fus治疗的MM患者获得了更长的无进展生存期和更高的疗效评分。

通过灌胃进行丁酸梭菌单菌定植,发现其显著抑制C. freundii的生长,从而减少了NH4+的产生,减轻了MM细胞对BTZ的耐药性。

图5. 呋塞米钠抑制NH4+摄取可改善BTZ耐药性

 

小结

本研究发现复发的MM患者肠道菌群中,氮循环菌C. freundii富集,通过增加血液中的NH4+水平,诱导对BTZ的耐药性。机制上,NH4+通过跨膜通道蛋白SLC12A2进入MM细胞,通过增加乙酰化、减少泛素化稳定NEK2蛋白,促进其耐药性。提示C. freundii和NH4+作为关键的MM复发调节因子,为MM的进展和耐药提供了新的治疗靶点。

 

参考文献

[1] Alterations of gut microbiome accelerate multiple myeloma progression by increasing the relative abundances of nitrogen-recycling bacteria. Microbiome. 2020.

[2] Intestinal Klebsiella pneumoniae Contributes to Pneumonia by Synthesizing Glutamine in Multiple Myeloma. Cancers. 2022.

[3] Blocking glycine utilization inhibits multiple myeloma progression by disrupting glutathione balance. Nature Communications. 2022.

[4] Excessive serine from the bone marrow microenvironment impairs megakaryopoiesis and thrombopoiesis in Multiple Myeloma. Nature Communications. 2023.

[5] Targeting gut microbial nitrogen recycling and cellular uptake of ammonium to improve bortezomib resistance in multiple myeloma. Cell Metabolism. 2023.

 

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