多發(fā)性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）是一種常見于中老年人血液系統(tǒng)漿細(xì)胞的惡性腫瘤，隨著我國人口老齡化不斷增長，MM發(fā)病率呈明顯上升趨勢。當(dāng)前MM重要臨床問題是耐藥所誘導(dǎo)的復(fù)發(fā)難治。
中南大學(xué)腫瘤研究所周文教授課題組一直致力于該疾病的研究，截止目前已與麥特繪譜合作發(fā)表5篇代謝組學(xué)研究成果，其中前4篇如下：
① 氮循環(huán)菌富集促進(jìn)MM發(fā)病（Microbiome ，2020，麥特繪譜提供非靶向、Q300全定量檢測服務(wù)）；
② 腸道肺炎克雷伯菌通過在多發(fā)性骨髓瘤中合成谷氨酰胺導(dǎo)致MM肺炎（Cancers，2022，麥特繪譜提供Q300全定量檢測服務(wù)）；
③ 首次通過代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)患者骨髓微環(huán)境中氨基酸代謝失衡，甘氨酸是MM的關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)劑，提示通過阻斷甘氨酸攝取、抑制細(xì)胞增殖并增強(qiáng)硼替佐米BTZ的作用（Nature communications ，2022，麥特繪譜提供非靶向、Q300全定量、代謝流檢測服務(wù)；點(diǎn)此查閱詳細(xì)解讀）；
④絲氨酸通過甲硫氨酸循環(huán)抑制巨核細(xì)胞形成和血小板減少，調(diào)控MM進(jìn)展的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)通過靶向血小板減少癥為治療MM患者提供了潛在的治療策略（Nature communications， 2023，麥特繪譜提供非靶向、氨基酸、代謝流檢測服務(wù)；點(diǎn)此查閱詳細(xì)解讀），提示從代謝角度干預(yù)氨基酸來源、攝取和分解可為MM治療提供新思路。
上述研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群被發(fā)現(xiàn)在多發(fā)性骨髓瘤（MM）的治療中起著至關(guān)重要的作用。然而，MM患者體內(nèi)富含的腸道氮循環(huán)菌在MM復(fù)發(fā)中的作用仍不清楚。2023年12月18日，麥特繪譜創(chuàng)始人賈偉教授與周文教授團(tuán)隊在Cell Metabolism發(fā)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 研究論文，首次從代謝失衡解析多發(fā)性骨髓瘤發(fā)病及耐藥機(jī)制，揭示了氮循環(huán)腸道菌與宿主代謝互作可誘導(dǎo)多發(fā)性骨髓瘤耐藥性，成果成功入選2023年度中國血液學(xué)十大研究進(jìn)展。（麥特繪譜提供代謝流檢測服務(wù)）
技術(shù)路線
宏基因組聚焦與MM復(fù)發(fā)相關(guān)的菌群
收集28名診斷時患有MM的患者（ADs）、17名復(fù)發(fā)的MM患者（RMs）和年齡及性別匹配的的20名健康對照組（HC）糞便，進(jìn)行宏基因組測序，發(fā)現(xiàn)MM 患者體內(nèi)富含特異性弗氏檸檬酸桿菌（C. freundii），且C. freundii豐度與MM的復(fù)發(fā)時間呈負(fù)相關(guān)，C. freundii豐度高的患者平均治療次數(shù)顯著增加。表明，C. freundii的豐度與MM復(fù)發(fā)的可能性有關(guān)。
圖1. 高豐度的氮循環(huán)菌C. freundii與MM復(fù)發(fā)有關(guān)
C.freundii誘導(dǎo)MM患者體內(nèi)NH4+的積累
通過糞菌移植（FMT）實(shí)驗，將MM患者的糞便移植到MM腫瘤小鼠體內(nèi)后加速了小鼠MM的發(fā)展。用硼替佐米（BTZ）處理小鼠后，移植的腸道菌群減弱了BTZ的抗腫瘤作用。
由于C. freundii是已知的氮循環(huán)菌，推測C. freundii在氮代謝中的作用可能與其對MM耐藥性有關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)定植組小鼠盲腸內(nèi)容物和血清中的NH4+濃度均升高，且盲腸和血清NH4+濃度之間顯著正相關(guān)，C. freundii的豐度與盲腸內(nèi)容物和血清中的NH4+呈正相關(guān)。在移植了MM患者糞便的小鼠體中獲得一致結(jié)果。結(jié)果表明C. freundii介導(dǎo)了NH4+的積累。
圖2. C. freundii誘導(dǎo)MM中NH4+的積累
NH4+積累加速M(fèi)M進(jìn)展并誘導(dǎo)其耐藥性
臨床發(fā)現(xiàn)在MM患者中38% 的患者外周血NH4+水平較高；根據(jù)糞便 NH4+的中位濃度將RM樣本分為兩組（低NH4+和高NH4+），發(fā)現(xiàn)高NH4+的RM表現(xiàn)出更晚的骨髓瘤分期（Durie-Salmon，DS）。細(xì)胞水平上，將MM細(xì)胞系（ARP1和H929）在含有不同濃度的NH4+的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)0.5 mM NH4+增強(qiáng)MM細(xì)胞的增殖；在培養(yǎng)基中添加BTZ，發(fā)現(xiàn)NH4+處理降低BTZ對MM細(xì)胞的抗腫瘤作用。MM動物模型上，補(bǔ)充NH4Cl顯著加速M(fèi)M小鼠進(jìn)展。總之，NH4+積累可加速M(fèi)M的進(jìn)展并誘導(dǎo)對BTZ的耐藥性。
C. freundii通過表達(dá)脫氨酶增加NH4+的產(chǎn)生
在C. freundii參考基因組中發(fā)現(xiàn)了由C. freundii轉(zhuǎn)錄的特異性高表達(dá)脫氨酶編碼基因。構(gòu)建該基因缺失菌株 并對小鼠進(jìn)行灌胃發(fā)現(xiàn)在動物盲腸內(nèi)容物和血清中NH4+水平降低。隨后用C. freundii野生型和突變型定植小鼠，發(fā)現(xiàn)野生菌株促進(jìn)MM進(jìn)展，而突變菌抑制MM進(jìn)展。用BTZ處理后，與野生菌組相比，突變菌組MM緩解，而回補(bǔ)NH4+后，突變菌組MM表型逆轉(zhuǎn)。總之，C. freundii通過表達(dá)脫氨酶產(chǎn)生了大量NH4+，腸道中產(chǎn)生的NH4+進(jìn)入血液循環(huán)并最終導(dǎo)致MM細(xì)胞對BTZ的耐藥性。
圖3. C. freundii介導(dǎo)的NH4+合成誘導(dǎo)對BTZ的耐藥性
NH4+通過穩(wěn)定NEK2誘導(dǎo)對BTZ的耐藥性
已報道，NH4+的兩個轉(zhuǎn)運(yùn)體分別由NKCC1和NKCC2基因編碼，而只有NKCC1（別名 SLC12A2，solute carrier family12，溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）在ARP1和 H929 MM細(xì)胞中表達(dá)，其表達(dá)水平在NH4Cl處理過程中逐漸升高。且在高SLC12A2 表達(dá)的MM患者中預(yù)后較差。在SLC12A2敲除的慢病毒以及SLC12A2敲除的MM小鼠模型中，SLC12A2的缺失減少對NH4+的攝取，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并抑制NH4+對BTZ的抑制作用。
為了探索NH4+被吸收后的代謝命運(yùn)，通過代謝流技術(shù)示蹤了用15NH4Cl培養(yǎng)的ARP1細(xì)胞的氮代謝，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)氨基酸在培養(yǎng)12小時后被標(biāo)記。其中，5種氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、谷氨酰胺和谷氨酸），在30分鐘后發(fā)生顯著改變。隨著NH4+濃度增加，ARP1和H929細(xì)胞中NEK2蛋白水平逐漸升高。NH4+可與多種氨基酸結(jié)合，增強(qiáng) NEK2的乙酰化，同時減少NEK2泛素化，進(jìn)而減弱NEK2的降解，誘導(dǎo)MM細(xì)胞對BTZ的耐藥性。
圖4. NH4+通過穩(wěn)定NEK2誘導(dǎo)對BTZ的耐藥性
呋塞米鈉及益生菌可改善MM的BTZ耐藥性
呋塞米鈉（Fus），一種環(huán)狀利尿劑，F(xiàn)us能以劑量依賴的方式下調(diào)ARP1和H929細(xì)胞中SLC12A2的表達(dá)，抑制MM細(xì)胞對NH4+的攝取，改善MM細(xì)胞對BTZ的耐藥性。臨床上，F(xiàn)us治療的MM患者獲得了更長的無進(jìn)展生存期和更高的療效評分。
通過灌胃進(jìn)行丁酸梭菌單菌定植，發(fā)現(xiàn)其顯著抑制C. freundii的生長，從而減少了NH4+的產(chǎn)生，減輕了MM細(xì)胞對BTZ的耐藥性。
圖5. 呋塞米鈉抑制NH4+攝取可改善BTZ耐藥性
小結(jié)
本研究發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)的MM患者腸道菌群中，氮循環(huán)菌C. freundii富集，通過增加血液中的NH4+水平，誘導(dǎo)對BTZ的耐藥性。機(jī)制上，NH4+通過跨膜通道蛋白SLC12A2進(jìn)入MM細(xì)胞，通過增加乙酰化、減少泛素化穩(wěn)定NEK2蛋白，促進(jìn)其耐藥性。提示C. freundii和NH4+作為關(guān)鍵的MM復(fù)發(fā)調(diào)節(jié)因子，為MM的進(jìn)展和耐藥提供了新的治療靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[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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代謝流分析(Metabolic Flux Analysis，MFA)利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記特定的化合物，通過分析下游代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定同位素標(biāo)記模式，推算出該標(biāo)記代謝物在細(xì)胞內(nèi)或動物體內(nèi)代謝通路中的周轉(zhuǎn)速率、方向和分布規(guī)律，從而在動態(tài)水平上描述生物體的代謝流向和活性，被廣泛應(yīng)用于代謝機(jī)制研究。麥特繪譜擁有GC-MS與LC-MS兩大檢測平臺，可追蹤含13C和15N等被標(biāo)記物100+種，覆蓋糖酵解和TCA循環(huán)通路、磷酸戊糖途徑、氨基酸代謝、脂肪酸代謝、一碳代謝、核甘酸代謝通路等。截至2023年5月，我們已協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章300+篇，累計影響因子3000+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等頂級期刊。獨(dú)家的檢測技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報告及專業(yè)科研級別的售后探討，助您科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。詳情請咨詢繪譜熱線400-867-2686，獲取詳細(xì)資料！
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