腸道微生物群調(diào)節(jié)癌癥治療效果的研究進(jìn)展

馬衛(wèi)東, 許林, 蔣峰

微生物群落已經(jīng)進(jìn)化出各種各樣的專(zhuān)門(mén)譜系,以適應(yīng)不同的棲息地[1]，腸道微生物在癌癥發(fā)生及治療引起的免疫反應(yīng)中發(fā)揮作用。宿主的黏膜免疫系統(tǒng)和微生物群落是共同進(jìn)化的,兩者相互作用維持體內(nèi)的生態(tài)平衡。當(dāng)病原菌破壞宿主黏膜免疫系統(tǒng)與微生物群落間的生態(tài)平衡時(shí),免疫系統(tǒng)會(huì)對(duì)該細(xì)菌作出反應(yīng),從而可能改變其對(duì)腫瘤的免疫反應(yīng)和腫瘤微環(huán)境[2]。近年來(lái),隨著外科手術(shù)、化療和放療等治療方法越來(lái)越有效,癌癥的存活率有了顯著提高[3]。特異性不良反應(yīng)、獲得性耐藥性和高成本是靶向治療面臨的亟需解決的問(wèn)題。隨著人們對(duì)腸道微生物研究的不斷深入,研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群有望為改善現(xiàn)有化療藥物的療效、降低毒性以及提高免疫治療的敏感性提供一種新的途徑。

寄主與共生微生物之間的相互作用有利于維持機(jī)體的生理穩(wěn)態(tài)[1]。上皮屏障上的微生物群影響宿主的營(yíng)養(yǎng)、代謝、能量平衡、炎癥和適應(yīng)性免疫等系統(tǒng)功能[4-5]。微生物群失調(diào)可能是腫瘤治療的結(jié)果,也可能是腫瘤治療反應(yīng)異質(zhì)性的原因[6]。本文就腸道微生物群在調(diào)節(jié)癌癥治療中的作用進(jìn)行綜述。

1 腸道微生物群與癌癥免疫治療

1.1 免疫療法 免疫療法用于治療癌癥療效顯著。腫瘤細(xì)胞的識(shí)別和殺傷部分依賴(lài)于T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫。T細(xì)胞通過(guò)T細(xì)胞受體(T cell receptor,TCR)與腫瘤細(xì)胞表面主要組織相容性復(fù)合體(MHC)的特異性抗原結(jié)合。TCR和MHC分子的相互作用是由一系列免疫檢查點(diǎn)控制的,這些檢查點(diǎn)通過(guò)共刺激信號(hào)和共抑制信號(hào)來(lái)激活或抑制T細(xì)胞。細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4(CTLA-4)、程序性細(xì)胞死亡蛋白1(PD-1)、PD-1配體(PD-L1)是協(xié)同抑制分子,可抑制免疫應(yīng)答,預(yù)防自身免疫性疾病。PD-1及其配體PD-L1在免疫耐受中發(fā)揮重要作用,兩者結(jié)合可以傳遞共抑制信號(hào),抑制T細(xì)胞的免疫活性,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸[7]。迄今為止,CTLA-4和PD-1/PD-L1軸(mAb介導(dǎo)的對(duì)兩個(gè)檢查點(diǎn)的阻斷)在臨床免疫治療領(lǐng)域取得了巨大的成功[7]。需注意的是,患者對(duì)檢查點(diǎn)抑制劑的反應(yīng)有相當(dāng)大的個(gè)體差異[8-10]。有趣的是,近期有研究表明,檢查點(diǎn)抑制劑的療效受患者腸道菌群的影響,患者臨床反應(yīng)的變化可以用腸道微生物群和免疫檢查點(diǎn)抑制劑之間的相互作用來(lái)解釋[8,11]。

1.2 腸道微生物群調(diào)節(jié)免疫檢查點(diǎn)抑制劑(PD1/PDL1)療效 Sivan等[11]指出腸道微生物群可以解釋免疫檢查點(diǎn)抑制劑在臨床反應(yīng)中呈現(xiàn)異質(zhì)性的原因。其應(yīng)用小鼠黑素瘤模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),不同實(shí)驗(yàn)室小鼠腫瘤的生長(zhǎng)速度不同,與Taconic實(shí)驗(yàn)室小鼠相比,Jackson實(shí)驗(yàn)室(JAX)小鼠的腫瘤生長(zhǎng)速度更慢,抗PD-L1單克隆抗體的抗腫瘤效果也更顯著。這些小鼠有相同的遺傳背景,但它們的微生物組成不同。JAX供體糞便微生物群移植到Taconic實(shí)驗(yàn)室小鼠后,其抗PD-L1單克隆抗體的抗腫瘤效果增強(qiáng)。雙歧桿菌在此過(guò)程中的作用被認(rèn)為是至關(guān)重要的,單獨(dú)喂養(yǎng)雙歧桿菌可以通過(guò)激活樹(shù)突狀細(xì)胞來(lái)增強(qiáng)抗PD-L1的效力,而樹(shù)突狀細(xì)胞能夠激活CD8+T細(xì)胞,清除腫瘤細(xì)胞[11]。

Routy等[12]研究揭示了一個(gè)有趣的現(xiàn)象,在抗PD-1治療前或治療后不久服用抗生素的患者,其復(fù)發(fā)時(shí)間較未服用抗生素者早,且生存期較未服用抗生素者短,未服用抗生素者對(duì)抗PD-1治療的反應(yīng)較好。該研究對(duì)歐洲和美國(guó)100例接受抗PD-1單克隆抗體治療的肺癌和腎癌患者的腸道菌群組成進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,與抗PD-1無(wú)應(yīng)答者(NR)相比,抗PD1應(yīng)答者(R)艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)的豐度明顯更高[12]。為了確定腸道微生物群是否在抗PD-1反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,研究人員將患者糞便微生物群移植到抗生素處理小鼠或無(wú)菌小鼠體內(nèi),結(jié)果示這些小鼠獲得了同樣的免疫檢查點(diǎn)阻斷(ICB)反應(yīng)能力。NR患者糞便微生物組不能復(fù)制小鼠對(duì)抗PD-1的應(yīng)答能力,但單獨(dú)艾克曼菌灌胃或與海氏腸球菌聯(lián)合灌胃可逆轉(zhuǎn)小鼠的無(wú)應(yīng)答[12]。艾克曼菌可增加白細(xì)胞介素(IL)-12的分泌,增加CD4+T細(xì)胞數(shù)目,提高腫瘤床、腫瘤引流淋巴結(jié)、腸系膜淋巴結(jié)中趨化因子受體CCR9的表達(dá)水平,輔助抗PD-1應(yīng)答。研究表明,二甲雙胍可提高腸道黏膜艾克曼菌的豐度[13],提示二甲雙胍可用于提高腫瘤患者對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制劑的敏感性。

Gopalakrishnan等[14]對(duì)在美國(guó)德州大學(xué)MD安德森癌癥中心接受抗PD-1治療的25例黑色素瘤患者進(jìn)行16S rRNA基因測(cè)序,研究發(fā)現(xiàn)R患者體內(nèi)富含糞桿菌屬(Faecalibacterium),糞桿菌屬與患者無(wú)進(jìn)展生存呈顯著正相關(guān),擬桿菌目(Bacteroidales)則增加患者的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在治療基線,糞桿菌屬豐度較高的患者已有抗腫瘤免疫應(yīng)答,且腫瘤床浸潤(rùn)C(jī)D8+T細(xì)胞數(shù)量較高。這個(gè)結(jié)果可以在小鼠模型中得到復(fù)制。在一個(gè)類(lèi)似的研究中,Matson等[15]分析了38例接受抗PD1治療的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的糞便樣本,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)、屎腸球菌(Enterococcusfaecium)和產(chǎn)氣柯林斯菌(Collinsellaaerofaciens)有助于改善患者預(yù)后。

腸道微生物群可調(diào)節(jié)ICB(PD-1/PD-L1)的應(yīng)答反應(yīng),其中雙歧桿菌、艾克曼菌和糞桿菌屬在PD-1的免疫治療中發(fā)揮免疫佐劑的作用。免疫治療前或免疫治療后不久給予抗生素治療,ICB療效降低。這一發(fā)現(xiàn)為抗生素在臨床中的應(yīng)用提供了新的見(jiàn)解和思路。未來(lái)有可能開(kāi)發(fā)一種針對(duì)微生物群的新療法來(lái)改善癌癥治療的效果。

1.3 微生物群調(diào)節(jié)免疫檢查點(diǎn)抑制劑(CTLA-4)療效 Vétizou等[8]研究發(fā)現(xiàn)患者在接受抗CTLA-4治療后,腸道微生物群的組成發(fā)生了快速變化,擬桿菌目和伯克氏菌目(Burkholderiales)的豐度下降,而梭菌目(Clostridiales)的豐度升高。無(wú)菌小鼠對(duì)抗CTLA-4免疫治療低應(yīng)答,但口服多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)或脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)均可恢復(fù)其對(duì)抗CTLA-4的治療應(yīng)答。研究表明,在腫瘤引流淋巴結(jié)中,多形擬桿菌和脆弱擬桿菌能夠觸發(fā)樹(shù)突狀細(xì)胞成熟,調(diào)節(jié)IL-12依賴(lài)性的Th1反應(yīng)[16]。雖然CTLA-4的單克隆抗體是有效的,但伊匹單抗(ipilimumab)可引起亞臨床結(jié)腸炎。宿主穩(wěn)態(tài)、免疫反應(yīng)和微生物群等多種因素可導(dǎo)致此不良反應(yīng)。接受抗CTLA-4治療的新發(fā)免疫介導(dǎo)結(jié)腸炎患者中擬桿菌門(mén)的豐度明顯低于接受抗CTLA-4治療的無(wú)結(jié)腸炎患者[17]。小鼠口服多形擬桿菌和脆弱擬桿菌可恢復(fù)抗CTLA-4的應(yīng)答,顯著降低免疫介導(dǎo)的結(jié)腸炎的發(fā)生率。此外,Dubin等[17]研究發(fā)現(xiàn),擬桿菌門(mén)(Bacteroidetesphylum)對(duì)伊匹單抗相關(guān)性結(jié)腸炎具有保護(hù)作用。

抗生素的應(yīng)用在腫瘤的免疫治療中發(fā)揮著重要作用,甚至可通過(guò)改變腸道微生物群的組成來(lái)影響免疫制劑的療效。Pitt等[18]探討了微生物群與抗CTLA-4治療效果的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),伊匹單抗對(duì)無(wú)菌小鼠的治療效果在很大程度上取決于腸道菌群,如治療后CD4+T細(xì)胞的活化。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌還能降低伊匹單抗相關(guān)不良反應(yīng)的發(fā)生率[18]。以上結(jié)果提示脆弱擬桿菌可用于調(diào)節(jié)抗CTLA-4的治療效果。

合成的CpG寡核苷酸(CpG-ON)是免疫細(xì)胞上Toll樣受體9(TLR9)的配體,可增強(qiáng)機(jī)體對(duì)癌細(xì)胞的免疫應(yīng)答,具有抗腫瘤作用。當(dāng)患者接種IL-10R抗體以防止腫瘤浸潤(rùn)Treg細(xì)胞的免疫抑制作用時(shí),CpG的作用增強(qiáng)[19-20]。在微生物消除小鼠中,CpG-ODNs和抗IL-10R治療皮下腫瘤的效果很差,腫瘤浸潤(rùn)骨髓細(xì)胞不能產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子。缺乏微生物的小鼠也無(wú)有效的抗腫瘤適應(yīng)性免疫,可出現(xiàn)強(qiáng)烈的TNF依賴(lài)性出血性壞死。在小鼠行抗生素干預(yù)后，Alistipes shahii的再殖化誘導(dǎo)小鼠骨髓細(xì)胞在缺乏微生物的小鼠中再次產(chǎn)生TNF，但乳酸桿菌(Lfermentum)移植常常會(huì)影響常規(guī)飼養(yǎng)小鼠TNF的生成[21]。以上結(jié)果提示盡管完全消除腸道微生物群會(huì)破壞骨髓細(xì)胞對(duì)CpG-ODNs的應(yīng)答反應(yīng),但移植不同種類(lèi)的細(xì)菌可產(chǎn)生不同的作用效果。

2 腸道微生物群與化療

化療可以改變患者腸道微生物群的組成,但其變化對(duì)患者預(yù)后的影響尚不明確。根據(jù)以往的研究,各種常規(guī)化療藥物的療效可能會(huì)受到某些特定微生物群的影響[21-22]。目前,藥物和生物技術(shù)行業(yè)的目標(biāo)是在臨床實(shí)踐中提高化療和免疫治療的效率,并降低其毒性。在不久的將來(lái),微生物藥物靶點(diǎn)有可能減輕化療藥物對(duì)胃腸道的不良影響。

環(huán)磷酰胺(CP)是一種常用的化療烷化劑。由于腸道屏障的破壞和小腸絨毛高度的降低,環(huán)磷酰胺可誘導(dǎo)腫瘤向次級(jí)淋巴器官轉(zhuǎn)移。Viaud等[22]發(fā)現(xiàn)環(huán)磷酰胺對(duì)無(wú)菌小鼠或抗生素處理小鼠的抗腫瘤作用減弱。特異性革蘭陽(yáng)性菌(海氏腸球菌、約氏乳桿菌、鼠乳桿菌和節(jié)絲桿菌)被認(rèn)為是調(diào)控環(huán)磷酰胺在非轉(zhuǎn)移性肉瘤小鼠模型中抗腫瘤療效的關(guān)鍵。海氏腸球菌易位已被證明可提高腫瘤內(nèi)CD8/Treg比值[21]。另有研究發(fā)現(xiàn)革蘭陰性的腸道巴恩斯氏菌(Barnesiellaintestinihominis)可改善腫瘤病灶中產(chǎn)生干擾素c的T細(xì)胞浸潤(rùn),增強(qiáng)環(huán)磷酰胺的抗腫瘤作用。有趣的是,此研究預(yù)測(cè)若晚期卵巢癌和肺癌患者對(duì)腸道巴恩斯氏菌和海氏腸球菌有特定的Th1細(xì)胞記憶反應(yīng),則其無(wú)進(jìn)展生存期更長(zhǎng)[23]。未來(lái)有待研究尋找一種最佳的微生物組合,包括腸球菌和巴恩斯氏菌等,可與環(huán)磷酰胺和其他烷化劑協(xié)同使用,以提高化療的療效。

3 臨床研究與應(yīng)用

目前一些臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。山東大學(xué)開(kāi)展化療后肺癌腸道菌群研究,探討益生菌如何調(diào)節(jié)需要化療的肺癌患者腸道菌群及免疫狀態(tài)[24]。與此同時(shí),阿肯色大學(xué)開(kāi)展了一項(xiàng)名為“腸道微生物組和胃腸道毒性作為晚期乳腺癌新輔助化療反應(yīng)的決定因素”的項(xiàng)目[24]。這項(xiàng)研究的目的是探討正常的腸道細(xì)菌是否有助于身體對(duì)抗癌癥。雖然大量研究表明益生菌輔助癌癥治療是有效的,但有關(guān)其安全性的證據(jù)仍然不足,尤其是在免疫功能低下的患者中[24]。

4 前景

總的來(lái)說(shuō),腸道微生物群在腫瘤治療中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用,包括增強(qiáng)患者對(duì)免疫治療的敏感性,減少化療藥物的不良反應(yīng),減輕放療損傷等。然而,其他黏膜屏障微生物對(duì)人體的影響尚不明確?，F(xiàn)有研究已經(jīng)揭示了腸道微生物群在局部水平上影響癌變、炎癥、免疫和治療反應(yīng)的機(jī)制。然而,遠(yuǎn)端上皮屏障上的微生物如何調(diào)節(jié)腫瘤的發(fā)生、免疫及多種器官生理功能的具體機(jī)制尚不明確。目前關(guān)于微生物群如何調(diào)節(jié)癌癥治療的研究多是針對(duì)小鼠,如何將這些學(xué)術(shù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于臨床仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然植入人體微生物群的小鼠的病理和免疫反應(yīng)與人類(lèi)相似,但畢竟與人類(lèi)還是存在不同點(diǎn)[25]。未來(lái)若能確定各種臨床條件下最有益的微生物群組成,就有可能將微生物群組成用作生物標(biāo)志物、診斷工具或治療靶點(diǎn),開(kāi)發(fā)一種既能增強(qiáng)抗癌治療效果,又能降低全身毒性的微生物療法。因此,以微生物群為靶點(diǎn)的治療干預(yù)將成為癌癥精準(zhǔn)、個(gè)性化治療的下一個(gè)前沿領(lǐng)域之一。