生酮饮食改变前列腺癌的表观遗传和免疫景观以克服免疫检查点阻断治疗的耐药性

Ketogenic Diet Alters the Epigenetic and Immune Landscape of Prostate Cancer to Overcome Resistance to Immune Checkpoint Blockade Therapy

作者信息Sean Murphy, Sharif Rahmy, Dailin Gan, Guoqiang Liu, Yini Zhu, Maxim Manyak, Loan Duong, Jianping He, James H Schofield, Zachary T Schafer, Jun Li, Xuemin Lu, Xin Lu
PMID38588411
发布时间2024-05-15
DOI10.1158/0008-5472.CAN-23-2742

实验完整度

包含体外细胞实验、体内动物模型、功能性验证(CD8+ T细胞耗竭、Batf3−/−和Rag1−/−小鼠)以及多组学分析(scRNA-seq、CyTOF),证据层级丰富。

主要模型

PPS-ICBR小鼠前列腺癌细胞系 C57BL/6小鼠皮下移植瘤模型 MyC-CaP去势抵抗性前列腺癌模型

重点核对

细胞系:PPS-ICBR(对anti-PD1和anti-CTLA4双耐药) 动物模型:6-8周龄雄性C57BL/6J小鼠皮下接种5x10^5细胞 治疗剂量:抗PD1和抗CTLA4各10mg/kg,腹腔注射每周两次;伏立诺他25mg/kg每日一次 饮食干预:标准饮食(Teklad 2918)、生酮饮食(Teklad 160153)、循环生酮饮食(每周5天KD+2天SD)、1,3-丁二醇补充饮食 关键基因:Bdh1(CKD抗肿瘤作用必需)、Cxcr3(BD+ICB治疗中CD8+ T细胞浸润必需)

摘要

免疫检查点阻断(ICB)治疗的耐药性是一个严峻的临床挑战,限制了免疫治疗的疗效。特别是,前列腺癌(PCa)因其免疫抑制特性对ICB治疗构成挑战。据报道,生酮饮食(KD)在某些其他癌症模型中可增强对ICB治疗的反应。然而,也观察到与持续KD相关的不良反应,这要求更好地理解机制并优化使用KD作为免疫治疗增敏剂的方案。在本研究中,我们建立了一系列ICB耐药的前列腺癌细胞系,并开发了一种高效策略,将抗PD1和抗CTLA4抗体与组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)伏立诺他、循环生酮饮食(CKD)或膳食补充酮体β-羟基丁酸(BHB)(一种内源性HDACi)相结合。CKD和BHB补充各自作为单一疗法延迟了PCa肿瘤生长,并且BHB和适应性免疫都是CKD抗肿瘤活性所必需的。单细胞转录组和蛋白质组分析显示,HDACi和生酮作用通过癌细胞内在机制(包括上调MHC I类分子)和外在机制(如CD8+ T细胞趋化、M1/M2巨噬细胞再平衡、单核细胞向抗原呈递细胞分化以及中性粒细胞浸润减少)增强了ICB疗效。总体而言,这些发现揭示了使用HDACi和优化的KD方案增强PCa ICB治疗的潜在临床路径。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何通过表观遗传调控和生酮饮食干预克服前列腺癌对免疫检查点阻断治疗的耐药性?
核心机制
HDACi(伏立诺他)和生酮饮食产生的BHB通过上调肿瘤细胞MHC-I表达、增强CD8+ T细胞趋化(Cxcr3信号)、促进M1巨噬细胞极化和单核细胞向抗原呈递细胞分化、减少中性粒细胞浸润等机制,重塑肿瘤免疫微环境,从而增强ICB疗效。
主要证据
PPS-ICBR细胞系对ICB耐药,与伏立诺他或BHB联合治疗后肿瘤消退;功能实验表明CD8+ T细胞、Batf3+ DC和BHB(通过Bdh1−/−小鼠验证)为必需;scRNA-seq和CyTOF显示免疫微环境重塑。
研究意义
研究表明优化的循环生酮饮食或1,3-丁二醇补充饮食可作为增敏ICB治疗的饮食干预策略,为前列腺癌免疫治疗提供了新的临床转化方向。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立ICB耐药细胞系及模型验证

生成对anti-PD1和anti-CTLA4治疗的敏感和耐药的前列腺癌细胞系,用于研究耐药机制。

从PPS-6239细胞中通过体内筛选获得抗PD1耐药株PPS-PD1R、抗CTLA4耐药株PPS-CTLA4R和双重耐药株PPS-ICBR;检测MHC-I表达和RNA-seq分析。

2

体外验证伏立诺他对MHC-I的上调作用

检测HDACi伏立诺他是否能恢复ICB耐药细胞中下调的MHC-I表达。

用5μM伏立诺他处理PPS-ICBR细胞12小时,通过流式检测H2-Kb和H2-Db水平,并用ChIP-qPCR检测H2-K1位点的组蛋白乙酰化。

3

体内验证伏立诺他联合ICB的抗肿瘤效果

评估伏立诺他是否能增敏ICB治疗ICB耐药的前列腺癌。

在PPS-ICBR皮下移植瘤模型中,分别给予vehicle、vorinostat、ICB和vorinostat+ICB治疗,监测肿瘤生长和生存;通过免疫组化和流式检测CD8+ T细胞浸润。

4

评估生酮饮食和BHB补充对ICB敏感化的影响

测试循环生酮饮食或1,3-丁二醇补充饮食是否能增强ICB疗效,并验证BHB的必要性。

在PPS-ICBR模型中,给予标准饮食、循环生酮饮食或1,3-丁二醇饮食,联合或不联合ICB;使用Bdh1−/−小鼠验证BHB的关键作用;检测肿瘤生长、血清BHB水平、MHC-I表达和H3K9Ac。

5

单细胞转录组和质谱流式分析免疫微环境

揭示联合治疗对肿瘤免疫微环境的重塑作用。

对BD+ICB等处理组的肿瘤进行scRNA-seq和CyTOF分析,鉴定免疫细胞亚群的变化、信号通路富集和细胞间通讯。

6

验证Cxcr3信号和CD8+ T细胞的作用

确认Cxcr3介导的趋化信号在BD+ICB治疗中促进CD8+ T细胞浸润和抗肿瘤活性。

使用anti-Cxcr3抗体阻断Cxcr3,检测CD8+ T细胞比例和肿瘤生长。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基GE HealthcareSH30243.FS
胎牛血清GE HealthcareSH30396.03
青霉素-链霉素CytivaSV30010
伏立诺他MedChemExpressHY-10221
β-羟基丁酸Cayman Chemical14148
抗PD1抗体BioLegend114116
抗CTLA4抗体BioLegend106207
抗CD8抗体BioXCellBE0061
抗Cxcr3抗体BioLegend126538
生酮饮食Teklad160153
标准饲料Teklad2918
1,3-丁二醇Sigma-Aldrich309443
糖精Sigma-Aldrich109185
抗CD20抗体Genentechclone 5D2
RIPA裂解液----
蛋白酶抑制剂混合物BimakeB14012
磷酸酶抑制剂混合物BimakeB15002
β-肌动蛋白抗体Santa Cruzsc-47778
乙酰化组蛋白H3 Lys9抗体Cell Signaling Technology9649
组蛋白H3抗体Cell Signaling Technology4499
HRP标记的山羊抗小鼠二抗Cell Signaling Technology7076
Clarity Max ECL底物Bio-Rad1705062
VECTASTAIN Elite ABC-HRP试剂盒Vector LaboratoriesPK-6101
DAB底物试剂盒Vector LaboratoriesSK-4100
Aperio扫描仪LeicaRRID:SCR_022191
FFPE RNA纯化试剂盒Norgen Biotek25360
SuperScript III第一链合成系统Invitrogen18080-051
SYBR Green qPCR预混液BimakeB21203
CFX Connect实时荧光定量PCR检测系统Bio-Rad1855201
β-羟基丁酸比色检测试剂盒Cayman Chemical700194
CytoFLEX流式细胞仪Beckman Coulter--
FlowJo软件FlowJoRRID:SCR_008520
RNeasy试剂盒Qiagen--
小鼠基因组430 2.0芯片Affymetrix--
Rneasy Mini Plus试剂盒Qiagen--
Agilent 2100生物分析仪Agilent--
Illumina HiSeq 4000测序仪Illumina--
Helios CyTOF质谱流式细胞仪FluidigmRRID:SCR_019916
IV型胶原酶STEMCELL Technologies07427
小鼠组织解离试剂盒Miltenyi Biotec130-096-730
EasySep死细胞去除(Annexin V)试剂盒STEMCELL Technologies17899
TotalSeq-A hashtag抗体BioLegend155805, 155807, 155809, 155811, 155813, 155815
Chromium控制器10X GenomicsRRID:SCR_019326
Illumina NovaSeq 6000测序仪IlluminaRRID:SCR_016387

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养
细胞系:PPS-ICBR、MyC-CaP等;培养基:DMEM或DMEM/F12,10% FBS,1%青霉素-链霉素;培养条件:37°C,5% CO2
阅读提示:Materials and Methods - Cell lines
体内肿瘤模型建立
细胞接种量:5x10^5个细胞皮下注射;小鼠品系:C57BL/6J(6-8周龄雄性);肿瘤体积达到50-100mm3时开始治疗
阅读提示:Materials and Methods - Animal experiments
ICB治疗
抗体剂量:anti-PD1 (BioLegend 114116) 和 anti-CTLA4 (BioLegend 106207) 各10mg/kg,腹腔注射,每周两次
阅读提示:Materials and Methods - Animal experiments
伏立诺他治疗
剂量:25mg/kg,腹腔注射,每日一次
阅读提示:Materials and Methods - Animal experiments
饮食干预
标准饮食:Teklad 2918;生酮饮食:Teklad 160153;循环生酮饮食:每周5天KD+2天SD;1,3-丁二醇饮食:80ml 1,3-丁二醇+120ml水+198g标准饲料+2g糖精,每两天更换
阅读提示:Materials and Methods - Animal experiments
BHB补充处理(体外)
浓度:3mM BHB;培养基:无葡萄糖DMEM,添加5mM葡萄糖,pH 7.2;处理时间:12小时
阅读提示:Materials and Methods - Cell treatment in vitro