Modulation of the gut microbiota to block the expansion of gut-born T helper-17 lymphocytes and limit aggressiveness of multiple myeloma

Nonostante il rischio di progressione da mieloma multiplo smoldering (SMM) a mieloma multiplo (MM) sia del 10% all’anno, molti dei pazienti affetti da SMM non vengono trattati. Tra i fattori di rischio per la progressione di malattia vi sono l’aderenza a una dieta di scarsa qualità, un elevato indice di massa corporea, l’alterazione dell’omeostasi intestinale (disbiosi), uno stato generale di infiammazione e disfunzione immunitaria. Il nostro gruppo di ricerca ha precedentemente dimostrato che il microbiota intestinale e i linfociti T helper 17 (Th17) originati nell’intestino possono favorire l’evoluzione del MM nei modelli murini. Allo stesso modo, livelli elevati di Interleuchina-17 (IL-17) nel midollo osseo predicono un’evoluzione di malattia più accelerata nei pazienti con SMM. Sulla base di queste premesse, il mio lavoro di tesi si è concentrato sullo studio di strategie volte a modulare l’asse microbiota-immunità ed intercettare l’evoluzione da SMM a MM. Ulteriore obiettivo del progetto è stato valutare se la modulazione del microbiota migliorasse la sensibilità al trattamento con inibitori dei checkpoint immunitari. Per modulare il microbiota intestinale, topi transgenici Vk*MYC nella fase di SMM sono stati trattati con il batterio commensale umano Prevotella melaninogenica, precedentemente associato a una minore aggressività del MM, e/o con anticorpi anti-PD-L1. La somministrazione di P. melaninogenica ai topi SMM ha ritardato significativamente l’evoluzione verso MM. Tramite contatto diretto batterio-cellula immunitaria e mediante il rilascio di metaboliti quali acidi grassi a catena corta, P. melaninogenica ha limitato il differenziamento di cellule presentanti l'antigene verso un fenotipo pro-infiammatorio riducendo i livelli di cellule Th17 nel midollo osseo. Inoltre, P. melaninogenica ha agito in sinergia con gli anticorpi anti-PD-L1 rallentando ulteriormente la progressione della malattia e ha limitato gli eventi avversi infiammatori aggravati dall’utilizzo di anti-PD-L1. Poiché le fibre alimentari costituiscono il substrato per la biosintesi di acidi grassi a catena corta da parte del microbiota, abbiamo somministrato una dieta ad alto contenuto di fibre a topi Vk*MYC in fase SMM. Tale alimentazione ha portato a un aumento della concentrazione di acidi grassi a catena corta e un ritardo significativo nella progressione della malattia. Il midollo osseo dei topi trattati con dieta ricca di fibre conteneva meno cellule dendritiche pro-Th17 e linfociti Th17, mentre si è arricchito di linfociti T produttori di IFNγ. In conclusione, la modulazione del microbiota intestinale con probiotici o prebiotici ha significativamente influenzato l’evoluzione di malattia da SMM a MM nei topi migliorando l’efficacia dell’immunoterapia. L’insieme di questi risultati fornisce una base per la progettazione di nuovi trattamenti per pazienti affetti da discrasie plasmacellulari.

While asymptomatic smoldering multiple myeloma (SMM) holds an overall risk of progression to multiple myeloma (MM) at 10% per year, most of the patients affected by SMM remain untreated. Poor quality of the diet, elevated body mass index, microbiome dysbiosis, inflammation as well as immune dysfunction have all been implicated in SMM-to-MM progression. Indeed, our group previously demonstrated that the intestinal microbiota and gut-born T helper 17 (Th17) lymphocytes may act as drivers of MM progression in mice. Similarly, we reported that higher levels of bone marrow (BM) Interleukin-17 (IL-17) predicted accelerated disease progression in SMM patients. Based on these premises, I focused my thesis work on targeting the gut microbiota-immune axis aiming at intercepting the trajectory of SMM-to-MM progression. I also investigated if microbiota-based interventions would improve susceptibility to immune checkpoint blockade (ICB). To modulate the gut microbiota, transgenic Vk*MYC mice at the phase of asymptomatic SMM were treated with the human commensal bacteria Prevotella melaninogenica and/or anti-PD-L1 antibodies which were previously associated with reduced MM aggressiveness. Administration of P. melaninogenica to SMM mice significantly delayed evolution to MM. Mechanistically, P. melaninogenica, by direct bacterium-immune cell contact and through the release of short-chain fatty acids (SCFAs), prevented CD11c+ mononuclear phagocytes (MPs) from skewing towards a pro-Th17 phenotype. By restraining Th17 cell expansion, P. melaninogenica also synergized with anti-PD-L1 antibodies to promote tumor control and limited inflammatory adverse events aggravated by anti-PD-L1. Because dietary fibers constitute the substrate for microbiota-dependent biosynthesis of SCFAs, we administered a high fiber diet to SMM Vk*MYC mice, which resulted in increased production of SCFAs and a significant improvement of progression-free survival. Consistently, the BM of high fiber-treated mice was less infiltrated by proinflammatory MPs and Th17 cells while enriched in IFNg-producing T lymphocytes. In conclusion, modulation of the gut microbiota with probiotics or prebiotics significantly impacted the trajectory of SMM-to-MM evolution in mice and ameliorated the efficacy of ICB. These findings might represent the basis to design novel treatments for patients affected by plasma cell dyscrasias.