Cell：基于35种癌症类型构建首个泛癌真菌微生物组图谱

近日，以色列魏茨曼科学研究所领导的研究团队全面表征了组织和血液中的35种癌症的真菌群落，构建出首个泛癌真菌微生物组图谱。研究团队将真菌群落与匹配的细菌组和免疫组进行比较，发现两者共存的双结构域生态系统，通常具有许可性而非竞争性的微环境和独特的免疫应答。临床评估结果表明了组织和血浆分枝杆菌群的预后和诊断能力，即使在I期癌症中也是如此，并且与菌群具有协同预测性能。该研究结果发表Cell上，文章题为“Pan-cancer analyses reveal cancer-type-specific fungal ecologies and bacteriome interactions”。

文章发表在Cell上

研究团队分析了已检测细菌的两大癌症样本队列中的真菌DNA，包括FFPE或冷冻肿瘤和正常相邻组织（NAT）以及非癌症正常乳腺组织中提取的DNA。研究人员采用4种具有不同灵敏度和特异性的染色方法对不同癌症类型样本（黑色素瘤、胰腺癌、乳腺癌、肺癌和卵巢癌）进行了染色，进行真菌存在性研究（图1）。为了考虑环境真菌或通过样品处理和加工引入真菌DNA的潜在污染，研究团队进行了阴性对照分析，以控制能够检测和去除真菌污染物。

图1.真菌核酸存在于人类癌症中。

染色结果显示，不同癌症类型具有特异性定位模式。在胰腺癌、乳腺癌和卵巢癌中，真菌主要存在于癌细胞，然而在黑色素瘤和肺癌中，则主要存在于巨噬细胞。

同时，肿瘤细菌丰富度显著高于真菌丰富度（图2），与肠道微生物组相似。在扩增子（WIS）和鸟枪法宏基因组（TCGA）队列中，不同癌症类型的真菌菌群丰富度差异显著。有趣的是，在这两个队列共有的7种癌症类型中，有4种肿瘤内真菌和细菌丰富度之间显示出显著的正相关，提示两者之间并非竞争关系。在阴性对照中未观察到这种相关性。此外，比较肿瘤组织与其正常邻近组织样本发现，两者之间具有相似的真菌组成，不同部位的样本真菌组成则存在一定差异。

图2.不同的癌症类型表现出不同的菌群。

无监督分析揭示了由真菌共发生驱动的三种不同的真菌-细菌免疫集群，分别命名为F1（马拉色菌），F2（曲霉-念珠菌）和F3（包括耶氏杆菌在内的多属）（图3）。F1和F2包含较少但更普遍的真菌属。分析发现，F1、F2、F3与宿主不同的免疫反应相关，表明不同的肿瘤内微生物组可能会引发不同的宿主反应。此外，某些真菌属的比值可以良好地预测泛癌种患者的存活率。

图3.通过菌群-菌群-免疫组相互作用建立泛癌型。

研究团队测试了机器学习（ML）是否可以基于菌群数据区分癌症类型。在批量校正的真菌群落物种上评估不同癌症类型的模型，揭示了该模型对32种癌症类型可进行有效区分（图4）。同时，TCGA血液样本的真菌DNA分析结果显示，真菌信号具有肿瘤特异性，并与细菌信号特征具有协同性，提示血液真菌组或可用于癌症早期检测。

图4.机器学习（ML）分析揭示了癌症类型特异性肿瘤和血液真菌菌群。

最后，研究团队探索了癌症菌群的诊断和预后能力。使用WIS队列，研究团队首先测试了真菌与疾病表型、患者生存和治疗反应的关系。在乳腺癌中，该研究团队发现以前在乳腺癌中报道过的球形枝孢霉和枝孢霉属，富集于≥50岁患者的肿瘤中。在肺癌中，研究发现，与不吸烟者相比，当前吸烟者肿瘤内真菌丰富度和曲霉菌和蘑菇菌的富集度更高。

研究概要图

论文共同通讯作者、魏茨曼科学研究所Ravid Straussman博士表示：“真菌普遍存在于人类肿瘤中，这一发现应促使我们更好地探索其潜在影响，并通过‘微生物组视角’重新审视我们对癌症的几乎所有认知。”

论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校Rob Knight博士表示：“研究发现大多数人类癌症中存在真菌，这既令人惊讶，又令人期待。因为我们不知道真菌如何能进入肿瘤的。令人期待是因为这符合整个身体（包括肠道、口腔和皮肤）的健康微生物组的模式，在那里，细菌和真菌作为复杂群落的一部分相互作用。”

该研究首次对未经治疗的早期癌症血浆菌群进行了分析。虽然无细胞血浆来源的真菌或细菌DNA来源仍然未知，但从整体上来看微生物组是癌症生物学的一个关键部分，并且可能带来重大的变革机会，不仅是癌症检测方面，也包括在与药物开发、癌症演变、微小残留病灶、复发和辅助诊断有关的其他生物技术应用方面。

同时，在同一期另一篇则来自康奈尔大学Weill Cornell医学院和杜克大学的合作团队。

研究者同样发现了不同癌症类型与真菌群落的关联以及真菌之间的相互作用网络，并鉴定出了相应的“核心菌”。结果表明，白色念珠菌和酿酒酵母菌属是消化道肿瘤中的“核心菌属”，它们推动了肿瘤真菌生态中的多物种整体变化和相互作用。而发生在肿瘤真菌生态中的变化影响着肿瘤免疫环境，继而促进肿瘤的发生和发展。譬如，研究者发现念珠菌与促炎症免疫通路的表达上调相关，特别是在胃癌中；而在下消化道癌症中，念珠菌则与促肿瘤转移和细胞黏附相关的基因表达失调相关。对此，研究人员认为念珠菌可能通过促使肿瘤局部炎症上调、紧密连接通透性增加以及上皮屏障功能丧失来发挥促癌作用。此外，作者还发现念珠菌/酵母菌的比例在早期结肠癌中较低，而当疾病进展至IV期时显著升高，显示念珠菌与肿瘤进展可能有着密切关联。患者的生存率分析结果表明，具有高丰度念珠菌肿瘤患者的生存率显著降低。最后，研究者对原发性结直肠样本进行测序，并对其进行微生物分离培养，在结合RNA检测后发现，下消化道肿瘤组织中存在着活体、具有转录活性的念珠菌。因此，作者认为靶向念珠菌感染与相关炎症的治疗干预，或可成为潜在有效的癌症联合疗法。

这两篇文章表明，真菌基因在肿瘤组织、癌细胞和肿瘤内免疫细胞中的存在已被发现。但是这些真菌基因是为什么以及如何出现在肿瘤相关组织中，是个十分令人费解的问题。Bhatt博士猜测，也许是因为癌症抑制了免疫系统，使得真菌能够在这些组织/细胞中生长，而它们在其他身体部位则可能会被免疫系统消灭。亦或者也许免疫细胞吞噬了真菌并把序列带到了肿瘤部位，甚至这些真菌还可能来源于体内/表皮上的微生物，每隔一段时间就会有一些微生物进入身体组织中。

如果真菌的确在肿瘤中生活着，那么它们究竟在做些什么？尽管这两篇研究已经揭示了真菌与癌症发生、进展之间的相关性，但是迄今的实验证据并没有明确指出肿瘤中真菌所发挥的具体功能。研究的完成者之一，Straussman博士认为探明这些问题不仅是未来研究的关键，更是重塑我们对癌症的理解的方式——我们不仅将癌症视为一种疾病，而是一个“生态系统”。

参考资料：

Pan-cancer analyses reveal cancer-type-specific fungal ecologies and bacteriome interactions. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.005.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.005