Sfruttare il microbioma intra-tumorale e intestinale per aiutare l’immunoterapia

Un gruppo di ricercatori del Weizmann Institute of Science ha creato la prima mappa del microbioma relativo a sette diversi tumori. Ancora non è noto perché i batteri siano presenti nei tumori: se una relazione fosse confermata potrebbero essere usati per potenziare le attuali cure. *Dal numero 180 del magazine

microbioma tumori

Che i batteri siano presenti anche nei tumori è noto ormai da almeno cento anni. Quello che ancora i ricercatori non erano riusciti a fare era tracciare una mappa che permettesse di avere un quadro generale dei microbi presenti nei diversi tipi di tumore. La prima fotografia abbastanza dettagliata del microbioma intra-tumorale l’ha tracciata un gruppo di ricercatori del Weizmann Institute of Science, in Israele, con un lavoro pubblicato su Science lo scorso fine maggio.

Ravid Straussman e colleghi hanno analizzato il microbioma di 1526 tumori e i tessuti sani adiacenti a essi, per sette differenti tipi di neoplasie tra le più comuni o quelle per cui il microbioma tumorale era ancora sconosciuto, come melanoma, seno, polmone, ovaie, pancreas, ossa e cervello. Quello che si è scoperto è che ogni tumore ha un microbioma peculiare con una composizione differente e che questa popolazione di batteri, potrebbe avere un ruolo nella crescita del tumore stesso (anche se per ora è solo una supposizione) o potrebbe essere sfruttata per aumentare la risposta alle terapie oncologiche.

“L’aspetto interessante di questo lavoro – spiega Luigi Nezi, leader del gruppo Microbiome and antitumor immunity, presso l’Istituto europeo di oncologia (Ieo) di Milano – è che fino a qualche anno fa queste ipotesi non erano facilmente verificabili. Infatti, l’identificazione dei batteri che popolano il corpo umano è storicamente legata alla capacità di isolarli e coltivarli, cosa non possibile per grandissima parte dei microorganismi. Tuttavia, grazie all’avvento di nuove tecniche per il sequenziamento del Dna, oggi possiamo identificare e classificare gran parte dei batteri associati sia a normali situazioni fisiologiche che a precise patologie e questo lavoro ci dimostra come, applicando appropriati controlli, oggi sia possibile persino distinguere eventuali contaminazioni dovute alla manipolazione dei campioni.

Sebbene i progressi tecnologici stiano giocando un ruolo rilevante nel portare questo ambito di studio alla ribalta, c’è però da dire che gli esperimenti mirati a sfruttare terapeuticamente la relazione tra batteri e tumori sono cominciati a fine ‘800 e, addirittura, ci sono testimonianze di simili trattamenti già nell’antico Egitto”. Proprio i grandi numeri secondo Nezi sono il valore aggiunto di questo lavoro, che rispetto a dati già noti di qualche anno fa, hanno condotto un lavoro più sistematico – che ha permesso di eliminare incertezze dal punto di vista tecnologico – su un più largo numero di pazienti.

La varietà del microbioma del tumore al seno

Per rintracciare i batteri intra tumorali, i ricercatori hanno utilizzato le più recenti tecniche di sequenziamento del genoma (Next generation sequencing) e imaging che associate ad analisi con tecniche computazionali hanno permesso di ricercare nei campioni il Dna batterico, l’Rna e la membrana batterica esterna o i componenti della parete cellulare. La prima considerazione che emerge dal lavoro è che, nonostante i batteri siano stati rintracciati in tutti i tipi di tumore analizzati, la loro composizione e la quantità varia da un tumore all’altro. Lo studio infatti ha permesso di rintracciare batteri in solo il 14% dei campioni di melanoma analizzati, mentre nel caso dei tumori ossei, mammari e pancreatici questa percentuale saliva oltre il 60 per cento.

In totale sono state rilevate 528 specie differenti di batteri nei diversi campioni esaminati, con un mix diverso per ciascun tipo di tumore. Soprattutto per il carcinoma mammario che ha mostrato il microbioma più diversificato. In quasi ogni campione di tumore al seno infatti, sono state trovate in media 16,4 specie batteriche (provenienti da tre principali phyla: Proteobacteria, Firmicutes e Actinobacteria), mentre per gli altri tumori la media si attestava sotto i nove. Sempre per quanto riguarda il tumore al seno, i ricercatori hanno osservato che la presenza di batteri e la loro eterogeneità era maggiore nei tessuti tumorali rispetto ai campioni di seno di soggetti sani, mentre il tessuto mammario adiacente al tumore presentava una carica e una ricchezza batterica intermedia. Differenza che non è stata invece riscontrata nei tumori polmonari e ovarici rispetto ai tessuti sani adiacenti al tumore usati come confronto.

La connessione con il microambiente tumorale 

Dal confronto dei diversi microbiomi tumorali, i ricercatori hanno trovato che quelli di uno stesso tumore tendono a essere più simili tra loro di quanto non siano quelli di altri tipi di tumore. “Abbiamo anche osservato un microbioma distinto tra i sottotipi dello stesso tipo di tumore” scrivono i ricercatori. “Per esempio, tra i diversi sottotipi di carcinoma mammario in base al loro recettore degli estrogeni (ER), al recettore del progesterone (PR) e allo stato HER2”. Straussman ha affermato di non sapere ancora perché batteri diversi colonizzino tumori diversi, ma secondo l’esperto “l’esposizione a fattori ambientali che causano il cancro può essere un motivo”.

“Per esempio – continua – dallo studio emerge che i tumori polmonari dei fumatori contenevano batteri in grado di distruggere i prodotti chimici del tabacco”. La presenza di batteri in grado di degradare i metaboliti del fumo di sigaretta, nei tumori polmonari, può suggerire che alti livelli di questi metaboliti creino una nicchia preferita per i batteri che sono in grado di usarli. Un altro esempio è la idrossiprolina, una componente del collagene, la cui quantità può aumentare in presenza di alcune patologie ossee, come i tumori. I ricercatori hanno scoperto che i tumori ossei erano particolarmente ricchi di batteri in grado di degradarla. “Nel complesso – scrivono gli autori del lavoro – la nostra analisi suggerisce una connessione tra le funzioni dei batteri presenti nel tumore e il loro microambiente tumorale”.

Microbioma e immunoterapia

Straussman ammette anche di non sapere, al momento, perché i batteri siano presenti nei tumori. Potrebbero contribuire alla crescita o semplicemente trovare più facile invadere i tumori. Ma se i batteri avessero un ruolo nel loro sviluppo “si potrebbe curare il cancro manipolando il microbioma tumorale” riferisce l’esperto. O ancora agendo sulla composizione batterica nei tumori, si potrebbe influenzare la risposta alle terapie oncologiche attuali, per le persone che generalmente non rispondono. Il gruppo israeliano infatti, ha anche scoperto che batteri specifici alterano la risposta di un tumore all’immunoterapia. Straussman e colleghi hanno riscontrato la presenza dei batteri nelle cellule immunitarie, oltre che in quelle tumorali. Il che indica che potrebbero influenzare lo stato immunitario del microambiente tumorale.

Per capire se effettivamente possa esistere una relazione tra microbioma intra-tumorale e risposta all’immunoterapia, i ricercatori hanno confrontato i melanomi metastatici di pazienti che hanno risposto agli inibitori dei checkpoint immunitari, con quelli di pazienti non responder. “Sebbene non abbiamo riscontrato cambiamenti significativi nel carico di batteri tra responder e non responder agli inibitori dei checkpoint immunitari, abbiamo trovato una popolazione batterica diversa” concludono i ricercatori. “I taxa che erano più abbondanti nei tumori dei responder alle terapie includevano il Clostridium, mentre la Gardnerella vaginalis era più abbondante nei tumori dei non responder.

Il che è in linea con l’abbondanza differenziale di taxa nel microbioma intestinale dei pazienti con melanoma, che rispondono all’immunoterapia con inibitori dei checkpoint”. Questi dati sono in linea con quanto pubblicato dal team di Nezi su Science un paio di anni fa a proposito del microbioma intestinale in pazienti con melanoma in cura con inibitori del checkpoint immunitario. “Suggerisce l’ipotesi che il microbioma intestinale e quello intratumorale possano influenzarsi vicendevolmente” afferma Nezi.

Microbioma intra-tumorale e sistemico 

Per spiegare la relazione tra microbioma e tumori, Nezi ipotizza che dal punto di vista funzionale e metabolico potrebbe stabilirsi una sinergia, all’interno dei singoli tumori, in grado di facilitare sia la loro metastatizzazione, sia una resistenza al trattamento. Ma per ora si tratta solo di ipotesi. Un lavoro un po’ diverso, ma simile, era stato condotto due anni fa dallo stesso ricercatore riguardo agli effetti sistemici del microbioma intestinale. “Noi avevamo studiato il microbioma intestinale per capire se era in grado di modulare sistemicamente la risposta immunitaria, mentre nel lavoro israeliano hanno studiato cosa succede a livello locale del tumore” racconta.

Nel 2018, con un lavoro pubblicato su Science (Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients), il gruppo di ricercatori con a capo anche Nezi dimostrò che pazienti con melanoma metastatico rispondevano in maniera diversa alla terapia anti-PD-1 a seconda del microbiota intestinale e in particolare i pazienti con un’elevata abbondanza di Ricostituendo il microbiota fecale di topi senza batteri attraverso il trapianto fecale da pazienti che avevano risposto bene all’immunoterapia avevamo riscontrato benefici nei tumori – spiega Nezi – che comunque erano anatomicamente distanti dal distretto intestinale.

Dato che depone a favore di un effetto sistemico nell’ospite avevano più del doppio delle probabilità di essere liberi da progressione dopo 600 giorni, rispetto ai pazienti con bassa abbondanza di Faecalibacterium. Inoltre hanno dimostrato che modificando il microbioma intestinale si aveva un impatto anche su distretti anatomici distanti, come nel caso del melanoma. “Lo dimostra il fatto che topi senza batteri intestinali non sviluppano un sistema immunitario adeguato. Mentre una ricerca condotta dal Md Anderson cancer center di Houston in collaborazione con il National institute of health di Bethesda, (alla quale ho contribuito anche io), ha dimostrato che pazienti che hanno un microbiota intestinale alterato dovuto a un utilizzo eccessivo di antibiotici o a diete inadeguate rispondono meno all’immunoterapia. Inoltre, è ben noto come questi meccanismi contribuiscano anche all’insorgere di malattie molto diffusione e di grande impatto sociale come il diabete, l’obesità ecc”.

Il ruolo di antibiotici e dieta

Su come facciano a comunicare a distanza intestino e tumore della pelle, il ricercatore spiega che le evidenze sono tante, ma ancora non è stato raggiunto un modello verificato unitario. “Sicuramente chi fa da ponte è il sistema immunitario” precisa. “Lo dimostra il fatto che topi senza batteri intestinali non sviluppano un sistema immunitario adeguato, mentre persone che hanno un microbioma intestinale alterato, dovuto a un utilizzo eccessivo di antibiotici o a diete sbagliate hanno un’incidenza di malattie maggiore. È tutto verificato, anche in malattie come diabete e obesità ecc.”.

Nezi spiega che questo collegamento può avvenire in maniera diretta, quindi tramite batteri specifici che inducono una risposta immunitaria che favorisce poi la risposta antitumorale. O ancora in maniera indiretta: un altro modello più complesso sostiene che siano i prodotti rilasciati dai batteri a influenzare a livello sistemico il tumore.

Anche Paolo Ascierto, direttore dell’Unità di oncologia melanoma, immunoterapia oncologica e terapie innovative dell’Istituto tumori Irccs Fondazione Pascale di Napoli conferma che lo studio del microbioma intestinale e le sue possibili modulazioni sono un campo molto promettente. “Sappiamo che la dieta e alcuni farmaci tra cui gli antibiotici possono modulare in maniera importante la risposta alle terapie” afferma. “Quello israeliano è un lavoro interessante, ma che al momento offre più che altro speculazioni e nessuna ricaduta pratica. Serviranno ricerche in più per capire. Il campo però è molto attivo. Il risvolto più interessante è quello della dieta, perché si è visto che è l’unico fattore in grado di modificare il nostro microbioma. Anche noi stiamo svolgendo studi in merito”.

Sfruttare i batteri

È stato dimostrato che il microbioma intestinale ha molteplici effetti sulla biologia del tumore, come il processo di trasformazione, la sua progressione e la risposta alle terapie antitumorali inclusa l’immunoterapia. Nel 2018, oltre al già ricordato articolo che ha coinvolto Nezi, un altro lavoro – ancora pubblicato su Science (Gut microbiome influences efficacy of PD-1-based immunotherapy in epithelial tumors) – aveva evidenziato che i pazienti che hanno ricevuto antibiotici immediatamente prima o durante l’immunoterapia avevano mostrato una sopravvivenza minore rispetto ai controlli.

Mentre l’aggiunta di due specie batteriche specifiche (Akkermansia muciniphila e Enterococcus hirae) nei topi trattati con antibiotici o colonizzati con microbioti da pazienti non responder, è stata sufficiente per ripristinare l’efficacia della terapia anti-PD-1. Elementi che fanno pensare che in futuro la composizione del microbioma intestinale potrebbe essere manipolata per migliorare l’efficacia degli inibitori dei checkpoint immunitari o utilizzata come biomarcatore per valutare la potenziale risposta.

“La relazione tra batteri e tumori è un ambito di ricerca che sempre più si potrà studiare in modo cosciente” aggiunge Nezi. “Per esempio si potrebbe pensare di eliminare selettivamente a livello del pancreas, quei batteri che si è visto possono conferire resistenza alla chemioterapia per questo tumore. Invece per quanto riguarda il microbioma intestinale, che ha un effetto a livello sistemico, sono tanti i trial già attivi e in corso. Può funzionare, ma al momento l’approccio è ancora in fase di valutazione perché le variabili da capire sono ancora tante oggi”.

Probiotici: maneggiare con cura 

Una cosa però è certa: oggi sappiamo che a un paziente che deve sottoporsi a cicli di immunoterapie è sconsigliato fare cure antibiotiche in precedenza, perché potrebbero danneggiare il suo sistema immunitario. Un altro lavoro ancora in corso al quale Nezi ha contribuito ha mostrato che l’intervento con probiotici deve essere riconsiderato e, in assenza di precise evidenze scientifiche, necessita di maggiore cautela perché può avere conseguenze impreviste.

“Spesso si fa un largo uso di probiotici non essendo considerati un farmaco e non necessitando di prescrizione medica. Tuttavia, il probiotico influenza il sistema immunitario attraverso il microbiota intestinale e i nostri studi dimostrano che non sempre questo comporta benefici, anzi. Assumere un probiotico senza motivo razionale equivale a inserire una nuova specie aliena in un habitat che non è il suo: l’intero ecosistema rischia di venirne sconvolto. La stesa cosa succede nell’intestino quando vengono introdotte una o più specie batteriche senza preoccuparci della flora preesistente: nella migliore delle ipotesi l’intervento risulta inutile, ma a volte può sortire effetti opposti a quelli desiderati”.