Genes & CellsGenes & CellsГены и КлеткиGenes and Cells2313-18292500-2562Human Stem Cells Institute67887410.17816/gc678874INDJJYOriginal Study ArticlesОригинальные исследованияResearch ArticleProliferative and transcriptomic response of experimental B16-F10 melanoma to modulation of murine microbiota by oral administration of Lacticaseibacillus rhamnosus K32 and Bifidobacterium adolescentis 150Пролиферативный и транскриптомный ответ экспериментальной меланомы B16-F10 на модификацию микробиоты мыши пероральным введением Lacticaseibacillus rhamnosus K32 и Bifidobacterium adolescentis 150https://orcid.org/0000-0003-4899-342X4366-8269OlekhnovichEvgenii I.ОлехновичЕвгений Иванович
Russian Federation

Cand. Sci. (Biology)

канд. биол. наук

jeniaole13@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-9470-76407963-6910StrokachAlexandra A.СтрокачАлександра Андреевна
Russian Federation
alexandra.vlasova.2017@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0005-7214-25043295-3765KanaevaVera A.КанаеваВера Алексеевна
Russian Federation
vera.a.kanaeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6128-09214872-7881MorozovMaxim D.МорозовМаксим Денисович
Russian Federation
maxim_d_morozov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4336-94524080-4861VeselovskyVladimir A.ВеселовскийВладимир Александрович
Russian Federation

Cand. Sci. (Biology)

канд. биол. наук

djdf26@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0007-3397-20244530-7951ZorukPolina Yu.ЗорукПолина Юрьевна
Russian Federation
z-polly@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7997-0637IvanovArtem B.ИвановАртем Борисович
Russian Federation

Cand. Sci. (Technology)

канд. техн. наук

abivanov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9821-9865OdorskayaMaya V.ОдорскаяМайа Валерьевна
Russian Federation
maya_epifanova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7496-12138986-7396KoldmanSeverina D.КолдманСеверина Дановна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biology)

канд. биол. наук

zaianari@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6601-77005866-3613KoldmanVail A.КолдманВэйл Ас
Russian Federation

Cand. Sci. (Biology)

канд. биол. наук

ajalein@xmail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5563-644X8830-4325KliminaKsenia M.КлиминаКсения Михайловна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biology)

канд. биол. наук

ppp843@yandex.ruLopukhin Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical Medicine of Federal Medical Biological AgencyФедеральный научно-клинический центр физико-химической медицины имени академика Ю.М. Лопухина Федерального медико-биологического агентстваMoscow Institute of Physics and TechnologyМосковский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)Institute of General Genetics of the Russian Academy of SciencesФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей генетики имени Н.И. ВавиловаState Scientific Center of the Russian Federation—Federal Medical Biophysical Center named after A.I. BurnazyanГосударственный научный центр Российской Федерации — Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна Федерального медико-биологического агентства060320262703202621133512404202520112025Copyright ©; 2026, Eco-VectorCopyright ©; 2026, Эко-Вектор2026Eco-VectorЭко-Векторhttps://eco-vector.com/for_authors.php#07https://genescells.ru/2313-1829/article/view/678874

BACKGROUND: Probiotics are capable of modulating immune responses through interactions with the gut microbiota, potentially enhancing the efficacy of immunotherapy and reducing adverse effects of chemotherapy and radiotherapy. Certain probiotic strains have demonstrated the ability to suppress chronic inflammation and augment antitumor immunity; however, their clinical application requires further investigation.

AIM: This work aimed to evaluate the effects of oral administration of the probiotic strains Lacticaseibacillus rhamnosus K32 and Bifidobacterium adolescentis 150 on tumor growth and gene expression in the B16-F10 melanoma model, as well as on gut microbiota composition in experimental animals.

METHODS: The experiment was conducted in C57BL/6 mice bearing B16-F10 melanoma. Animals were divided into three groups: control (no intervention) and two experimental groups for oral administration of B. adolescentis 150 or L. rhamnosus K32, respectively. Changes in gut microbiota composition were analyzed by full-length 16S rRNA gene sequencing using Oxford Nanopore technology. The transcriptomic response of B16-F10 melanoma cells to probiotic administration was assessed by RNA sequencing.

RESULTS: Substantial differences were observed in the effects of the studied probiotic strains on B16-F10 melanoma progression. B. adolescentis 150 significantly stimulated experimental tumor growth by 29% (padj. = 0.02 vs. control; padj. = 0.001 vs. L. rhamnosus K32; adj., Bonferroni correction applied). At the molecular level, this stimulation was associated with suppression of interferon signaling, activation of proliferative pathways (WNT/β-catenin, TGF-β), and reduced expression of immune cell markers in melanoma tissue. In contrast, L. rhamnosus K32 reduced tumor growth by 18% (not significant; padj. = 0.4) and was associated with increased expression of cytotoxic T lymphocyte and NK cell markers, as well as activation of interferon response pathways. Both probiotic strains induced marked alterations in gut microbiota composition, characterized by an increased relative abundance of Klebsiella spp., and were associated with activation of proinflammatory signaling pathways (NF-κB, IL-6/JAK/STAT3, IL-2/STAT5) in tumor tissue. Notably, administration of both probiotics was linked to activation of epithelial–mesenchymal transition and hypoxia in the tumor, potentially creating conditions favorable for tumor progression and metastasis.

CONCLUSION: These findings highlight the complex and context-dependent effects of probiotics on tumor development and underscore the need for careful strain selection in the adjuvant therapy of melanoma and other malignancies.

Обоснование. Пробиотики способны модулировать иммунный ответ, взаимодействуя с кишечной микробиотой, что может повышать эффективность иммунотерапии и уменьшать побочные эффекты химио- и лучевой терапии. Некоторые штаммы демонстрируют способность подавлять хроническое воспаление и усиливать противоопухолевый иммунитет, однако их клиническое применение требует дополнительных исследований.

Цель. Изучить влияние перорального введения пробиотических штаммов Lacticaseibacillus rhamnosus K32 и Bifidobacterium adolescentis 150 на рост и экспрессию генов модельной меланомы B16-F10, а также на структуру микробиоты экспериментальных животных.

Методы. Эксперимент проводили на мышах линии C57BL/6 с привитой меланомой B16-F10. Животных разделили на три группы: контрольную (без вмешательства) и две экспериментальные, получавшие перорально штаммы B. adolescentis 150 и L. rhamnosus K32 соответственно. Для анализа изменений в микробиоте кишечника выполняли секвенирование полной длины гена 16S рибосомной РНК с использованием технологии Oxford Nanopore. Транскриптомный ответ опухолевых клеток меланомы B16-F10 на введение пробиотиков исследовали методом РНК-секвенирования.

Результаты. Выявлены существенные различия в воздействии изучаемых пробиотических штаммов на развитие меланомы B16-F10. Штамм B. adolescentis 150 статистически значимо стимулировал рост экспериментальной опухоли на 29% (pскорр.=0,02 по сравнению с контролем и pскорр.=0,001 относительно группы L. rhamnosus K32; скорр. — скорректированное с помощью поправки Бонферрони). На молекулярном уровне в клетках меланомы эта стимуляция сопровождалась подавлением интерферонового ответа, активацией пролиферативных сигнальных путей (WNT/β-catenin, TGF-β) и снижением экспрессии маркёров иммунных клеток. Штамм L. rhamnosus K32 снижал рост опухоли на 18% (однако этот результат не был статистически значимым, pскорр.=0,4) и вызывал усиление экспрессии маркёров цитотоксических Т-лимфоцитов и NK-клеток, а также активацию интерферонового ответа. Оба исследуемых штамма индуцировали значительные изменения в составе кишечной микробиоты, характеризующиеся увеличением относительной численности бактерий рода Klebsiella, и опосредовали активацию провоспалительных сигнальных путей (NF-κB, IL-6/JAK/STAT3, IL-2/STAT5) в опухолевой ткани. Важно отметить, что применение обоих пробиотиков ассоциировалось с активацией процессов эпителиально-мезенхимального перехода и гипоксии в опухоли, что может создавать благоприятные условия для её прогрессирования и метастазирования.

Заключение. Полученные данные подчёркивают сложное и неоднозначное влияние пробиотиков на развитие опухолевого процесса и необходимость тщательного отбора штаммов для адъювантной терапии меланомы и других видов рака.

B16 melanomaprobioticsLacticaseibacillus rhamnosusBifidobacterium adolescentisgut microbiotaimmunitytranscriptomeмеланома B16пробиотикиLacticaseibacillus rhamnosusBifidobacterium adolescentisмикробиота кишечникаиммунитеттранскриптомThis study was supported by the Russian Science Foundation under Grant No. 22-75-10029 (https://rscf.ru/project/22-75-10029/)Финансовая поддержка данного исследования предоставлена Российским научным фондом в рамках гранта № 22-75-10029 (https://rscf.ru/project/22-75-10029/)Belkaid Y, Hand TW. Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell. 2014;157(1):121–41. doi: 10.1016/j.cell.2014.03.011Thaiss CA, Zmora N, Levy M, Elinav E. The microbiome and innate immunity. Nature. 2016;535(7610):65–74. doi: 10.1038/nature18847 EDN: WPXOTLViaud S, Saccheri F, Mignot G, et al. The intestinal microbiota modulates the anticancer immune effects of cyclophosphamide. Science. 2013;342(6161):971–976. doi: 10.1126/science.1240537Matson V, Fessler J, Bao R, et al. The commensal microbiome is associated with anti-PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients. Science. 2018;359(6371):104–108. doi: 10.1126/science.aao3290Gopalakrishnan V, Spencer CN, Nezi L, et al. Gut microbiome modulates response to anti-PD-1 immunotherapy in melanoma patients. Science. 2018;359(6371):97–103. doi: 10.1126/science.aan4236Baruch EN, Youngster I, Ben-Betzalel G, et al. Fecal microbiota transplant promotes response in immunotherapy-refractory melanoma patients. Science. 2021;371(6529):602–609. doi: 10.1126/science.abb5920 EDN: IKFKAEIida N, Dzutsev A, Stewart CA, et al. Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment. Science. 2013;342(6161):967–970. doi: 10.1126/science.1240527Routy B, Le Chatelier E, Derosa L, et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1-based immunotherapy against epithelial tumors. Science. 2018;359(6371):91–97. doi: 10.1126/science.aan3706 EDN: VCWKHTSivan A, Corrales L, Hubert N, et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy. Science. 2015;350(6264):1084–1089. doi: 10.1126/science.aac4255Kang X, Lau HC, Yu J. Modulating gut microbiome in cancer immunotherapy: Harnessing microbes to enhance treatment efficacy. Cell Rep Med. 2024;5(4):101478. doi: 10.1016/j.xcrm.2024Frankel AE, Coughlin LA, Kim J, et al. Metagenomic shotgun sequencing and unbiased metabolomic profiling identify specific human gut microbiota and metabolites associated with immune checkpoint therapy efficacy in melanoma patients. Neoplasia. 2017;19(10):848–855.Davar D, Dzutsev AK, McCulloch JA, et al. Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti–PD-1 therapy in melanoma patients. Science. 2021;371(6529):595–602. doi: 10.1126/science.abf3363De Coster W, Rademakers R. NanoPack2: population-scale evaluation of long-read sequencing data. Bioinformatics. 2023;39(5):btad311. doi: 10.1093/bioinformatics/btad311 EDN: OTXXYJCurry KD, Wang Q, Nute MG, et al. Emu: species-level microbial community profiling of full-length 16S rRNA Oxford Nanopore sequencing data. Nat Methods. 2022;19(7):845–853. doi: 10.1038/s41592-022-01520-4 EDN: BYJKCOParks DH, Chuvochina M, Rinke C, et al. GTDB: an ongoing census of bacterial and archaeal diversity through a phylogenetically consistent, rank normalized and complete genome-based taxonomy. Nucleic Acids Res. 2022;50(D1):D785–D794. doi: 10.1093/nar/gkab776 EDN: CXBJUEMallick H, Rahnavard A, McIver LJ, et al. Multivariable association discovery in population-scale meta-omics studies. PLoS Comput Biol. 2021;17(11):e1009442. doi: 10.1371/journal.pcbi.1009442 EDN: AJBWAJEwels P, Magnusson M, Lundin S, Käller M. MultiQC: summarize analysis results for multiple tools and samples in a single report. Bioinformatics. 2016;32(19):3047–3048. doi: 10.1093/bioinformatics/btw354Chen S, Zhou Y, Chen Y, Gu J. fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics. 2018;34(17):i884–i890. doi: 10.1093/bioinformatics/bty560Dobin A, Davis CA, Schlesinger F, et al. STAR: ultrafast universal RNA-seq aligner. Bioinformatics. 2013;29(1):15–21. doi: 10.1093/bioinformatics/bts635Anders S, Pyl PT, Huber W. HTSeq—a Python framework to work with high-throughput sequencing data. Bioinformatics. 2015;31(2):166–169. doi: 10.1093/bioinformatics/btu638Love MI, Huber W, Anders S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biol. 2014;15(12):550. doi: 10.1186/s13059-014-0550-8Korotkevich G, Sukhov V, Budin N, et al. Fast gene set enrichment analysis. biorxiv. 2016:060012. doi: https://doi.org/10.1101/060012Wu T, Hu E, Xu S, et al. clusterProfiler 4.0: A universal enrichment tool for interpreting omics data. Innovation (Camb). 2021;2(3):100141. doi: 10.1016/j.xinn.2021.100141 EDN: QMKYFGCastanza AS, Recla JM, Eby D, et al. Extending support for mouse data in the Molecular Signatures Database (MSigDB). Nat Methods. 2023;20(11):1619–1620. doi: 10.1038/s41592-023-02014-7 EDN: ZRURRFHu C, Li T, Xu Y, et al. CellMarker 2.0: an updated database of manually curated cell markers in human/mouse and web tools based on scRNA-seq data. Nucleic Acids Res. 2023;51(D1):D870–D876. doi: 10.1093/nar/gkac947 EDN: FAFTKAAlmeida-Silva F, Venancio TM. BioNERO: an all-in-one R/Bioconductor package for comprehensive and easy biological network reconstruction. Funct Integr Genomics. 2022;22(1):131–136. doi: 10.1007/s10142-021-00821-9 EDN: WDRTCXRitchie ME, Phipson B, Wu D, et al. Limma powers differential expression analyses for RNA-sequencing and microarray studies. Nucleic Acids Res. 2015;43(7):e47. doi: 10.1093/nar/gkv007Kanehisa M, Furumichi M, Sato Y, et al. KEGG: biological systems database as a model of the real world. Nucleic Acids Res. 2025;53(D1):D672–D677. doi: 10.1093/nar/gkae909Milacic M, Beavers D, Conley P, et al. The Reactome Pathway Knowledgebase 2024. Nucleic Acids Res. 2024;52(D1):D672–D678. doi: 10.1093/nar/gkad1025 EDN: GUFYBVAgrawal A, Balcı H, Hanspers K, et al. WikiPathways 2024: next generation pathway database. Nucleic Acids Res. 2024;52(D1):D679–D689. doi: 10.1093/nar/gkad960 EDN: YQHRSQSzklarczyk D, Kirsch R, Koutrouli M, et al. The STRING database in 2023: protein-protein association networks and functional enrichment analyses for any sequenced genome of interest. Nucleic Acids Res. 2023;51(D1):D638–D646. doi: 10.1093/nar/gkac1000 EDN: IHFCDOSá-Pessoa J, Calderón-González R, Lee A, Bengoechea JA. Klebsiella pneumoniae emerging anti-immunology paradigms: from stealth to evasion. Trends Microbiol. 2025;33(5):533–545. doi: 10.1016/j.tim.2025.01.003DiDonato JA, Mercurio F, Karin M. NF-κB and the link between inflammation and cancer. Immunol Rev. 2012;246(1):379–400. doi: 10.1111/j.1600-065X.2012.01099.x EDN: PGSSITJohnson DE, O’Keefe RA, Grandis JR. Targeting the IL-6/JAK/STAT3 signalling axis in cancer. Nat Rev Clin Oncol. 2018;15(4):234–248. doi: 10.1038/nrclinonc.2018.8 EDN: VEOQNQLiao W, Lin JX, Leonard WJ. IL-2 family cytokines: new insights into the complex roles of IL-2 as a broad regulator of T helper cell differentiation. Curr Opin Immunol. 2011;23(5):598–604. doi: 10.1016/j.coi.2011.08.003Robert C, Karaszewska B, Schachter J, et al. Improved overall survival in melanoma with combined dabrafenib and trametinib. N Engl J Med. 2015;372(1):30–39. doi: 10.1056/NEJMoa1412690 EDN: UEKALTDunn GP, Koebel CM, Schreiber RD. Interferons, immunity and cancer immunoediting. Nat Rev Immunol. 2006;6(11):836–848. doi: 10.1038/nri1961Zhan T, Rindtorff N, Boutros M. Wnt signaling in cancer. Oncogene. 2017;36(11):1461–1473. doi: 10.1038/onc.2016.304 EDN: YWDWMBBatlle E, Massagué J. Transforming growth factor-β signaling in immunity and cancer. Immunity. 2019;50(4):924–940. doi: 10.1016/j.immuni.2019.03.024Zaidi MR, Merlino G. The two faces of interferon-γ in cancer. Clin Cancer Res. 2011;17(19):6118–6124. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-11-0482Vivier E, Raulet DH, Moretta A, et al. Innate or adaptive immunity? The example of natural killer cells. Science. 2011;331(6013):44–49. doi: 10.1126/science.1198687Owens JA, Saeedi BJ, Naudin CR, et al. Lactobacillus rhamnosus GG orchestrates an antitumor immune response. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2021;12(4):1311–1327. doi: 10.1016/j.jcmgh.2021.06.001 EDN: QOTNMDSi W, Liang H, Bugno J, et al. Lactobacillus rhamnosus GG induces cGAS/STING-dependent type I interferon and improves response to immune checkpoint blockade. Gut. 2022;71(3):521–533. doi: 10.1136/gutjnl-2020-323426Lu S, Xu J, Zhao Z, et al. Dietary Lactobacillus rhamnosus GG extracellular vesicles enhance antiprogrammed cell death 1 (anti-PD-1) immunotherapy efficacy against colorectal cancer. Food Funct. 2023;14(23):10314–10328. doi: 10.1039/d3fo02018e EDN: XASSEVGao G, Shen S, Zhang T, et al. Lacticaseibacillus rhamnosus Probio-M9 enhanced the antitumor response to anti-PD-1 therapy by modulating intestinal metabolites. EBioMedicine. 2023;91:104533. doi: 10.1016/j.ebiom.2023.104533 EDN: JYVZEYSpencer CN, McQuade JL, Gopalakrishnan V, et al. Dietary fiber and probiotics influence the gut microbiome and melanoma immunotherapy response. Science. 2021;374(6575):1632–1640. doi: 10.1126/science.aaz7015 EDN: BNWGAXLeone L, Mazzetta F, Martinelli D, et al. Klebsiella pneumoniae is able to trigger epithelial-mesenchymal transition process in cultured airway epithelial cells. PLoS One. 2016;11(1):e0146365. doi: 10.1371/journal.pone.0146365Salemi R, Vivarelli S, Ricci D, et al. Lactobacillus rhamnosus GG cell-free supernatant as a novel anti-cancer adjuvant. J Transl Med. 2023;21(1):195. doi: 10.1186/s12967-023-04036-3