Advances in Molecular OncologyAdvances in Molecular OncologyУспехи молекулярной онкологии2313-805X2413-3787Publishing House ABV Press44210.17650/2313-805X-2022-9-2-89-96RESEARCH ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИMetabolism of tryptophan in non-small lung cancer patients with different effect of PD-1 / PD-L1 inhibitors immunotherapyМетаболизм триптофана при различном эффекте иммунотерапии немелкоклеточного рака легкого ингибиторами PD-1 / PD-L1https://orcid.org/0000-0002-1410-122XZlatnikE. Yu.ЗлатникЕ. Ю.
Russian Federation

63 14th Liniya St., Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, ул. 14‑я линия, 63

https://orcid.org/0000-0003-0874-5261SagakyantsA. B.СагакянцА. Б.
Russian Federation

Alexander Borisovich Sagakyants

63 14th Liniya St., Rostov-on-Don 344037

Александр Борисович Сагакянц

344037 Ростов-на-Дону, ул. 14‑я линия, 63

asagak@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6496-9641NovikovaI. A.НовиковаИ. А.
Russian Federation

63 14th Liniya St., Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, ул. 14‑я линия, 63

https://orcid.org/0000-0002-1397-837XMaksimovA. Yu.МаксимовА. Ю.
Russian Federation

63 14th Liniya St., Rostov-on-Don 344037

344037 Ростов-на-Дону, ул. 14‑я линия, 63

https://orcid.org/0000-0003-4265-1293ShatovaO. P.ШатоваО. П.
Russian Federation

Ostrovitianov St., Moscow 117997

кафедра биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета

117997 Москва, ул. Островитянова, 1

https://orcid.org/0000-0002-9032-1558AppolonovaS. A.АпполоноваС. А.
Russian Federation

Ostrovitianov St., Moscow 117997

кафедра биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета

117997 Москва, ул. Островитянова, 1

https://orcid.org/0000-0002-7309-8913MoskalevaN. E.МоскалеваН. Е.
Russian Federation

Ostrovitianov St., Moscow 117997

кафедра биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета

117997 Москва, ул. Островитянова, 1

https://orcid.org/0000-0002-7418-0222RumyantsevS. A.РумянцевС. А.
Russian Federation

Ostrovitianov St., Moscow 117997

кафедра биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета

117997 Москва, ул. Островитянова, 1

https://orcid.org/0000-0002-1428-7706ShestopalovA. V.ШестопаловА. В.
Russian Federation

Ostrovitianov St., Moscow 117997

кафедра биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета

117997 Москва, ул. Островитянова, 1

National Medical Research Centre for OncologyФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Минздрава РоссииN.I. Pirogov Russian National Research Medical UniversityФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова»150520229289962606202226062022Copyright ©; 2022, Zlatnik E.Y., Sagakyants A.B., Novikova I.A., Maksimov A.Y., Shatova O.P., Appolonova S.A., Moskaleva N.E., Rumyantsev S.A., Shestopalov A.V.Copyright ©; 2022, Златник Е.Ю., Сагакянц А.Б., Новикова И.А., Максимов А.Ю., Шатова О.П., Апполонова С.А., Москалева Н.Е., Румянцев С.А., Шестопалов А.В.2022Zlatnik E.Y., Sagakyants A.B., Novikova I.A., Maksimov A.Y., Shatova O.P., Appolonova S.A., Moskaleva N.E., Rumyantsev S.A., Shestopalov A.V.Златник Е.Ю., Сагакянц А.Б., Новикова И.А., Максимов А.Ю., Шатова О.П., Апполонова С.А., Москалева Н.Е., Румянцев С.А., Шестопалов А.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://umo.abvpress.ru/jour/article/view/442

Introduction. In the structure of cancer incidence, lung cancer ranks first among men. In order to study the molecular mechanisms of the initiation and progression of lung cancer, it is necessary to study not only the tumor cells themselves, but also the features of the systemic tryptophan metabolism. Tryptophan catabolites, being to a large extent product of the metabolic activity of the intestinal microbiota, can affect the effectiveness of immunotherapy with checkpoint inhibitors. The kynurenine pathway of tryptophan metabolism is intensified in the body of cancer patients; its products have a pro-oncogenic and immunosuppressive effect, which may hinder the effectiveness of immunotherapy.

Objective – to study the dynamics of changes in various metabolites of tryptophan metabolism in the blood serum and feces of patients with non-small cell lung cancer with various effects of immunotherapy with inhibitors of PD-1 (programmed cell death receptor 1) / PD-L1 (programmed cell death receptor 1 ligand).

Materials and methods. The study included blood serum and stool samples obtained from 20 patients with non-small cell lung cancer treated with PD-1 / PD-L1 inhibitors. Using high-performance liquid chromatography with mass spectrometric analysis, the levels of 13 tryptophan metabolites were assessed in patients with various effects of immunotherapy. The significance of differences between the samples was assessed using a nonparametric method according to the Mann – Whitney test. They were considered statistically significant at p <0.05.

Results. In fecal analyzes of patients in whom a positive effect of immunotherapy was observed, baseline levels of 5-hydroxyindole acetate and quinolinic acid were lower than in patients with tumor progression. Positive clinical dynamics was accompanied by a decrease in the content of indole-3-lactate, kynurenine and indole-3-carboxaldehyde in the feces of patients. In the serum of patients with a positive response, the initial content of 5-hydroxyindole acetate, indole-3-acetate, indole-3-butyrate and quinoline acid was lower than in patients with progression of non-small cell lung cancer. A positive response to immunotherapy was characterized by an increase in the levels of indole-3-butyrate and indole-3-propionate, and a negative response was not accompanied by statistically significant changes in the studied tryptophan metabolites.

Conclusion. Profiling tryptophan metabolites in feces and serum of patients with non-small cell lung cancer can be used to predict the effectiveness of immunotherapy with PD-1 / PD-L1 inhibitors.

Введение. В структуре онкологической заболеваемости рак легкого занимает 1-е место среди мужчин. С целью изучения молекулярных механизмов инициации и прогрессирования рака легких необходимо исследовать не только сами опухолевые клетки, но и особенности системного метаболизма триптофана. Катаболиты триптофана, будучи в большой степени продуктами метаболической активности микробиоты кишечника, могут влиять на эффективность проведения иммунотерапии ингибиторами контрольных точек. Кинурениновый путь метаболизма триптофана интенсифицируется в организме онкологических пациентов, его продукты имеют проонкогенное и иммуносупрессивное действие, что может препятствовать эффективности иммунотерапии.

Цель исследования – изучение динамики изменений различных метаболитов триптофанового обмена в сыворотке крови и кале больных немелкоклеточным раком легкого при различных эффектах иммунотерапии ингибиторами PD-1 (рецептора программируемой клеточной гибели 1) / PD-L1 (лиганда рецептора программируемой клеточной гибели 1).

Материалы и методы. В исследование были включены образцы сыворотки крови и кала, полученные от 20 больных немелкоклеточным раком легкого, получавших ингибиторы PD-1 / PD-L1. С помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим анализом проведена оценка уровней 13 метаболитов триптофана у больных с различными эффектами иммунотерапии. Достоверность различий между выборками оценивали с помощью непараметрического метода по критерию Манна–Уитни. Они считались статистически значимыми при р <0,05.

Результаты. В анализах кала пациентов, у которых наблюдали положительный эффект от иммунотерапии, исходные уровни 5-гидроксииндолацетата и хинолиновой кислоты были ниже, чем у больных с прогрессированием опухоли. Положительная клиническая динамика сопровождалась снижением содержания индол-3-лактата, кинуренина и индол-3-карбоксальдегида в анализах кала больных. В сыворотке пациентов с положительным ответом исходное содержание 5-гидроксииндолацетата, индол-3-ацетата, индол-3-бутирата и хинолиновой кислоты оказалось ниже, чем у пациентов с прогрессированием немелкоклеточного рака легкого. Положительный ответ на иммунотерапию характеризовался повышением уровней индол-3-бутирата и индол-3-пропионата, а отрицательный – не сопровождался статистически значимыми изменениями исследованных триптофановых метаболитов.

Заключение. Профилирование метаболитов триптофана в кале и сыворотке больных немелкоклеточным раком легкого может быть использовано для прогнозирования эффективности иммунотерапии ингибиторами PD-1 / PD-L1.

non-small lung cancerimmunotherapy with PD-1 / PD-L1 inhibitorstryptophan metabolitesprognosisнемелкоклеточный рак легкогоиммунотерапия ингибиторами PD-1 / PD-L1метаболиты триптофанапрогнозированиеИсследование выполнено в рамках научно-исследовательской работы по договору № 0373100122121000031 на выполнение научно-исследовательской работы по проекту «Изучение системы IDO1/TDO2-KYN-AhR в системе хозяин – микробиота – опухоль при злокачественных новообразованиях с целью разработки пролекарства для их лечения» от 01.06.2021 г. с ФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентства.Wu Y., Chen W., Xu Z.P., Gu W. PD-L1 distribution and perspective for cancer immunotherapy-blockade, knockdown, or inhibition. Front Immunol 2019;10:2022. DOI: 10.3389/fimmu.2019.02022.Qin R., Zhao C., Wang C.J. et al. Tryptophan potentiates CD8+ T cells against cancer cells by TRIP12 tryptophanylation and surface PD-1 downregulation. J Immunother Cancer 2021;9(7):e002840. DOI: 10.1136/jitc-2021-002840.Kit O.I., Vodolazhsky D.I., Maksimov A.Yu. et al. Molecular genetic and phenotypic characteristics of patients with lung adenocarcinoma among inhabitants of the south of Russia. Molekulyarnaya medicina = Molecular medicine 2016;14(6):35–40. (In Russ.).Кит О.И., Водолажский Д.И., Максимов А.Ю. и др. Молекулярно-генетические и фенотипические особенности больных аденокарциномой легкого жителей юга России. Молекулярная медицина 2016;14(6):35–40.Venkateswaran N., Lafita-Navarro M.C., Hao Y.H. et al. MYC promotes tryptophan uptake and metabolism by the kynurenine pathway in colon cancer. Genes Dev 2019;33(17–18):1236–51. DOI: 10.1101/gad.327056.119.Platten M., Wick W., Van den Eynde B.J. Tryptophan catabolism in cancer: beyond IDO and tryptophan depletion. Cancer Res 2012;72(21):5435–40. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-12-0569.Walczak K., Turski W.A., Rajtar G. Kynurenic acid inhibits colon cancer proliferation in vitro: effects on signaling pathways. Amino Acids 2014;46(10):2393–401. DOI: 10.1007/s00726-014-1790-3.Wan Y., Li Y., Yan C. et al. Indole: a privileged scaffold for the design of anti-cancer agents. Eur J Med Chem2019;183:111691. DOI: 10.1016/j.ejmech.2019.111691.Chowdhury M.M.I., Kurata K., Yuasa K. et al. Suppression of TNFα expression induced by indole-3-acetic acid is not mediated by AhR activation in Caco-2 cells. Biosci Biotechnol Biochem 2021;85(4):902–6. DOI: 10.1093/bbb/zbaa101.Sakita J.Y., Bader M., Santos E.S. et al. Serotonin synthesis protects the mouse colonic crypt from DNA damage and colorectal tumorigenesis. J Pathol 2019;249(1): 102–13. DOI: 10.1002/path.5285.Walczak K., Langner E., Szalast K. et al. A tryptophan metabolite, 8-hydroxyquinaldic acid, exerts antiproliferative and anti-migratory effects on colorectal Cancer Cells. Molecules 2020;25(7):1655. DOI: 10.3390/molecules25071655.Tzin V., Galili G. The biosynthetic pathways for shikimate and aromatic amino acids in arabidopsis thaliana. Arabidopsis Book 2010;8:e0132. DOI: 10.1199/tab.0132.Agus A., Planchais J., Sokol H. Gut microbiota regulation of tryptophan metabolism in health and disease. Cell Host Microbe 2018;23(6):716–24. DOI: 10.1016/j.chom.2018.05.003.Liu Y., Liang X., Dong W. et al. Tumorrepopulating cells induce PD-1 expression in CD8+ T cells by transferring kynurenine and AhR activation. Cancer Cell 2018;33(3):480–94.e7. DOI: 10.1016/j.ccell.2018.02.005.Hsu Y.L., Hung J.Y., Chiang S.Y. et al. Lung cancer-derived galectin-1 contributes to cancer associated fibroblastmediated cancer progression and immune suppression through TDO2/kynurenine axis. Oncotarget 2016;7(19):27584–98. DOI: 10.18632/oncotarget.8488.Grenda A., Krawczyk P. Cancer trigger or remedy: two faces of the human microbiome. Appl Microbiol Biotechnol 2021;105(4):1395–405. DOI: 10.1007/s00253-021-11125-0.Peng Z., Cheng S., Kou Y. et al. The gut microbiome is associated with clinical response to anti-PD-1/PD-L1 immunotherapy in gastrointestinal cancer. Cancer Immunol Res 2020;8(10):1251–61. DOI: 10.1158/2326-6066.CIR-19-1014.