腸道微生物在腫瘤治療中的作用

歐陽(yáng)洋，吳 奇綜述，孫圣榮審校

作者單位：430060武漢，武漢大學(xué)人民醫(yī)院乳腺甲狀腺外科[歐陽(yáng)洋（醫(yī)學(xué)碩士研究生）、吳 奇、孫圣榮]

0 引 言

腸道微生物組成在外周免疫系統(tǒng)及腫瘤微環(huán)境中具有重要影響。人類腸道菌群有3×1013個(gè)細(xì)菌，這些細(xì)菌對(duì)機(jī)體健康具有重要作用，它們參與了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解、外源性物質(zhì)的清除、腸道上皮細(xì)胞的增殖和分化、局部蠕動(dòng)、定殖抗性與病原體的消滅以及我們免疫系統(tǒng)的成熟［1］。流行病學(xué)上已證實(shí)腸道微生物群失調(diào)與多種慢性炎癥性疾病有關(guān)［2］。此外，微生物群還參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及機(jī)體對(duì)抗腫瘤治療的反應(yīng)［3］。文章綜述了腸道微生物在腫瘤化療與免疫治療中的作用，以及微生物干預(yù)在腫瘤治療中的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)。

1 微生物在癌癥中的作用

腸道微生物群不僅在局部發(fā)揮著重要作用，如調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)吸收、維生素合成、膽汁和激素的代謝以及碳水化合物的發(fā)酵，加強(qiáng)腸道屏障作用和促進(jìn)局部免疫的建立。此外，腸道微生物在體內(nèi)還發(fā)揮著全身作用，其通過(guò)產(chǎn)生信號(hào)分子，刺激骨髓和淋巴細(xì)胞，調(diào)節(jié)機(jī)體對(duì)炎癥刺激、感染、疫苗和自身免疫的反應(yīng)［3-4］。例如，微生物來(lái)源的丁酸鹽可誘導(dǎo)T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為Treg細(xì)胞。Treg細(xì)胞的抗炎功能可減緩炎癥驅(qū)動(dòng)的腫瘤形成，此外，Treg細(xì)胞也可浸潤(rùn)至腫瘤微環(huán)境中，發(fā)揮免疫抑制作用，削弱機(jī)體的抗腫瘤反應(yīng)［5］。細(xì)菌產(chǎn)物也可以誘導(dǎo)Ⅱ型干擾素的表達(dá)，從而影響中性粒細(xì)胞的激活［6］。低濃度的微生物相關(guān)分子模式，如脂多糖，可改變骨髓細(xì)胞活化閾值，增強(qiáng)炎癥反應(yīng)［7］。

微生物可通過(guò)產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物或致癌物、誘導(dǎo)炎癥及抑制機(jī)體免疫功能，促進(jìn)癌癥的發(fā)生。例如，某些脆弱擬桿菌和大腸埃希菌可通過(guò)產(chǎn)生毒性代謝產(chǎn)物直接影響結(jié)腸中的腫瘤發(fā)育［8-9］。然而，越來(lái)越多的證據(jù)表明，細(xì)菌可通過(guò)增強(qiáng)宿主抗腫瘤免疫作用，對(duì)非腸道癌癥發(fā)揮著積極的抗腫瘤作用。例如，Rosshart等［10］發(fā)現(xiàn)，將野生小鼠腸道微生物轉(zhuǎn)移至SPF條件下飼養(yǎng)的小鼠后，SPF小鼠的免疫調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，并可抵抗致癌物的致癌作用?？刂扑拗?微生物交聯(lián)的基因缺陷的小鼠被廣泛用于微生物群影響癌癥的機(jī)制研究中。缺乏相關(guān)基因的小鼠，如Tlr5、IL-10、Tbx1和Rag2，不僅易發(fā)生結(jié)腸炎和結(jié)腸癌，且以腸道失調(diào)為主要特征。而野生型小鼠在與這類小鼠共住或進(jìn)行糞便移植后，也會(huì)產(chǎn)生癌癥易感性［11-12］。抗生素的使用可減少腸道菌群的多樣性，誘導(dǎo)腸道失調(diào)，使患病風(fēng)險(xiǎn)增加。在原癌基因HER2/neu的轉(zhuǎn)基因小鼠中，長(zhǎng)期聯(lián)合使用甲硝唑和環(huán)丙沙星的抗生素治療使乳腺癌發(fā)病率增加了3倍［13］。此外，有關(guān)5項(xiàng)乳腺癌病例對(duì)照研究的薈萃分析顯示，抗生素的使用與乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)略有升高相關(guān)［14］。

2 腸道菌群影響化療

Paulos等［15］首次報(bào)道了腸道微生物群在腫瘤治療中的有益作用，他們發(fā)現(xiàn)全身放療可引起革蘭陰性菌群的異位，并促進(jìn)脂多糖的釋放，從而誘導(dǎo)TLR4依賴的抗原呈遞細(xì)胞的激活，進(jìn)而可增強(qiáng)過(guò)繼性T細(xì)胞療法的療效。此后，陸續(xù)有報(bào)道證明共生微生物在環(huán)磷酰胺和奧沙利鉑等傳統(tǒng)化學(xué)療法中的有益作用。

環(huán)磷酰胺（cyclophosphamide，CTX）是一種DNA烷化劑，具有免疫調(diào)節(jié)作用和抗腫瘤血管生成的作用［16］。在使用CTX化療后，在核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域2（nucleotide-binding oligomerization domain 2 ，NOD2）缺陷的小鼠中CTX的抗腫瘤活性顯著增加，并發(fā)現(xiàn)小鼠近端結(jié)腸中革蘭氏陰性細(xì)菌腸結(jié)巴斯德氏菌大量表達(dá)［17］。在NOD2缺陷小鼠中，發(fā)現(xiàn)小鼠脾臟和癌巢中Th1CD4+、CD8+和γδT細(xì)胞數(shù)量增加［18］。此外，還觀察到在使用抗生素誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)的小鼠中，CTX的抗腫瘤活性被削弱，但在使用腸結(jié)巴斯德氏菌進(jìn)行灌胃后，CTX的抗腫瘤活性恢復(fù)。相關(guān)臨床研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)鉑類藥物耐藥的非小細(xì)胞肺癌和卵巢癌患者中，對(duì)腸結(jié)巴斯德氏菌和小腸腸球菌具有特異性記憶IFNg反應(yīng)的患者使用CTX治療后，存活時(shí)間延長(zhǎng)。

鉑類抗癌藥物，可通過(guò)形成鉑-DNA加合物和鏈內(nèi)交聯(lián)來(lái)殺傷腫瘤細(xì)胞［19］。微生物群是促使腫瘤浸潤(rùn)骨髓細(xì)胞產(chǎn)生ROS不可缺少的一部分，而ROS是鉑類化合物誘導(dǎo)DNA損傷所必需的。在無(wú)菌小鼠或使用廣譜抗生素處理的小鼠中，觀察到腫瘤細(xì)胞內(nèi)仍可形成鉑-DNA加合物，但鉑類藥物誘導(dǎo)腫瘤浸潤(rùn)性骨髓細(xì)胞產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的功能受損，DNA損傷嚴(yán)重減弱，鉑類藥物的抗腫瘤作用明顯下降［20］。而在用抗生素處理的小鼠中施用嗜酸乳桿菌后，恢復(fù)了順鉑的抗腫瘤活性［21］。有趣的是，嗜酸乳桿菌可以減輕放療和順鉑在人體的腸道毒性，提示這種益生菌不僅可以增強(qiáng)抗腫瘤作用，還可以防止不良反應(yīng)［21-22］。

3 腸道菌群影響免疫療法

免疫療法是癌癥研究領(lǐng)域中最大的成功之一［23］。目前臨床上最重要的兩個(gè)免疫檢查點(diǎn)靶點(diǎn)是細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4（（cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4，CTL4）和程序性死亡-1/程序性死亡配體-1（programmed cell-death 1/programmed death-ligand 1，PD-1/PDL-1）軸，相關(guān)抗體已被用于多種癌癥治療中。然而這些藥物對(duì)大部分患者無(wú)效［24］。新的研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物影響腫瘤與免疫系統(tǒng)的相互作用，且調(diào)節(jié)腸道微生物可改善免疫療法的作用。

Ipilimumab是抗CTLA-4的單克隆抗體（mono-clonal antibodies，mAbs），CTLA-4可抑制 T 細(xì)胞活化，于2011年批準(zhǔn)用于改善轉(zhuǎn)移性黑素瘤患者的總體存活率［25］。在使用Ipilimumab之后，觀察到小鼠回腸中脆弱擬桿菌富集，并且檢測(cè)到脾內(nèi)有抗脆弱擬桿菌莢膜多聚糖A的特異性記憶Th1細(xì)胞［26］。然而，在無(wú)菌小鼠或使用廣譜抗生素處理的小鼠中［27］，Ipilimumab抗皮下肉瘤和結(jié)腸癌生長(zhǎng)作用受損，而在使用脆弱擬桿菌灌胃或過(guò)繼脆弱擬桿菌特異性CD4+T細(xì)胞后，恢復(fù)了Ipilimumab的抗腫瘤作用。此外，脆弱擬桿菌和洋蔥伯克霍爾德菌聯(lián)合進(jìn)行灌胃，不僅增強(qiáng)了抗CTLA-4 mAbs的抗腫瘤作用，還防止了其誘導(dǎo)的腸道炎癥和結(jié)腸炎［26］。通過(guò)分析轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者使用Ipilimumab治療前后腸道微生物的組成，鑒定了3種不同腸道微生物組成的患者，并將患者的糞便轉(zhuǎn)移至植入黑色素瘤的無(wú)菌小鼠中，發(fā)現(xiàn)富含免疫原性擬桿菌屬微生物的患者糞便可在抗CTLA-4 mAbs治療過(guò)程中促進(jìn)小鼠脆弱擬桿菌定植和擴(kuò)增，并恢復(fù)了抗CTLA-4 mAbs在無(wú)菌小鼠中的抗腫瘤作用。以上實(shí)驗(yàn)表明抗CTLA-4 mAbs的抗腫瘤療效部分依賴于脆弱擬桿菌。

抗PD1和抗PD-L1抗體通過(guò)阻止PD1在活化的T細(xì)胞上與在腫瘤細(xì)胞和其他基質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)的PD-L1結(jié)合，避免T細(xì)胞耗竭并維持T細(xì)胞功能，從而促進(jìn)機(jī)體的抗腫瘤免疫功能［28］。Sivan等［29］發(fā)現(xiàn)抗PD-1和抗PD-L1 mAbs的抗腫瘤作用與小鼠中的雙歧桿菌相關(guān)。他們比較了來(lái)自Taconic Farms（TAC）和Jackson Laboratory（JAX）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室具有不同菌群的C57BL/6小鼠中B16.SIY黑色素瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，觀察到TAC小鼠腫瘤較JAX更具侵襲性，且在JAX中發(fā)現(xiàn)腫瘤浸潤(rùn)C(jī)D8+T細(xì)胞的數(shù)量較TAC增多。而共同居住消除了這種差異，此外將JAX的糞便轉(zhuǎn)移至JAC小鼠中，發(fā)現(xiàn)TAC小鼠的腫瘤特異性CD8+T細(xì)胞應(yīng)答增強(qiáng)，抗PD-L1的療效也得到增強(qiáng)。比較兩者微生物組成發(fā)現(xiàn)JAX小鼠中雙歧桿菌富集，而TAC小鼠口服長(zhǎng)雙歧桿菌和短雙歧桿菌混合物后，植入的黑色素瘤的生長(zhǎng)減緩，且促進(jìn)了黑色素瘤特異性T細(xì)胞應(yīng)答。

而近期發(fā)表在《Science》上的3篇論文進(jìn)一步證明了腸道微生物群組成可調(diào)節(jié)抗PD-1和抗PD-L1免疫療法在上皮腫瘤患者（包括非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌和黑色素瘤）中的療效［30-32］。在這三項(xiàng)研究中，通過(guò)收集患者治療前的糞便，根據(jù)患者的治療效果將進(jìn)行抗PD-1和PD-L1治療的患者分為有應(yīng)答者和無(wú)應(yīng)答者，隨后將糞便轉(zhuǎn)移至無(wú)菌小鼠中，進(jìn)行抗PD-1 mAbs治療，這些小鼠再現(xiàn)了患者對(duì)抗PD-1 mAbs治療的反應(yīng)。在這些小鼠模型中，與接受無(wú)應(yīng)答者糞便的小鼠相比，接受有應(yīng)答者糞便的小鼠抗腫瘤免疫增強(qiáng)。盡管這些研究之間存在許多相似之處，但與應(yīng)答者（相對(duì)于無(wú)應(yīng)答者）患者相關(guān)的微生物物種僅部分重疊。在Routy等［30］和Matson等［32］的研究中，艾克曼菌在應(yīng)答患者中明顯富集。而在Gopalakrishnan等［31］的研究中，應(yīng)答患者艾克曼菌也有富集，且發(fā)現(xiàn)瘤胃球菌科為黑色素瘤應(yīng)答患者中的重要腸道菌屬，而長(zhǎng)雙歧桿菌、產(chǎn)氣柯林斯菌和屎腸球菌在Matson等［32的研究中更為重要［32］。

4 微生物干預(yù)作為癌癥治療方法

最近的研究提示可通過(guò)靶向作用腸道微生物群來(lái)提高腫瘤治療療效并減弱毒性和不良反應(yīng)。例如，糞便微生物療法越來(lái)越多地被用于治療艱難梭狀芽胞桿菌感染，其較傳統(tǒng)抗生素治療而言，不僅可改善患者的生活質(zhì)量，還極大地節(jié)約了衛(wèi)生成本［33］。然而糞便移植需要考慮多種因素，最重要的就是供體的選擇。原則上，它應(yīng)該具有不同微生物組成，且包含對(duì)治療效果有利的細(xì)菌。但是微生物群除了可以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)之外，還與慢性疾病相關(guān)［2］，一些細(xì)菌還在炎癥誘導(dǎo)形成的癌癥中發(fā)揮著作用。在進(jìn)行糞便移植的過(guò)程中，還要考慮病原體轉(zhuǎn)移，需要仔細(xì)篩選可能致病的細(xì)菌、病毒和寄生蟲。

糞便微生物療法是將共生菌群的混合物進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其理想替代方法是單獨(dú)或組合使用確定的細(xì)菌。這需要多種技術(shù)支持，包括精確鑒定和分離具有改善患者抗腫瘤免疫力的細(xì)菌，在體外進(jìn)行擴(kuò)增的培養(yǎng)條件，以及口服給藥時(shí)保持細(xì)菌活性的封裝方案。迄今為止，雙歧桿菌、艾克曼菌、小腸腸球菌和擬桿菌屬已在小鼠中被證明可改善抗腫瘤T細(xì)胞反應(yīng)并增強(qiáng)藥物的抗腫瘤的作用［17，26，29-30，32］。但考慮到人和小鼠腸道系統(tǒng)的差異，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)一步完善。此外，Matson等［32］根據(jù)對(duì)治療有益細(xì)菌和不利細(xì)菌的比例來(lái)區(qū)分PD-1阻斷免疫療法后癌癥患者應(yīng)答者和無(wú)應(yīng)答者，提示我們可以消除不利細(xì)菌以增強(qiáng)癌癥患者免疫作用，但抗生素缺乏特異性且存在風(fēng)險(xiǎn)，所以需要更精確的用藥方案。與抗生素相比，益生菌和益生元可能是改變腸道微生物群更精確的工具，其可促進(jìn)特定細(xì)菌擴(kuò)增，然而，益生元依賴于已經(jīng)存在于宿主體內(nèi)或可自然攝入的細(xì)菌。因此，控制患者間的異質(zhì)性和實(shí)驗(yàn)變量可能是益生元藥理學(xué)開發(fā)的一重要挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

在過(guò)去幾年中，我們發(fā)現(xiàn)腸道微生物、腸道生理學(xué)、全身代謝、免疫系統(tǒng)和腫瘤疾病之間緊密相連。此外，由于技術(shù)飛速進(jìn)步，包括改進(jìn)的高通量微生物組測(cè)序技術(shù)以及精確的數(shù)據(jù)庫(kù)；不斷進(jìn)步的培養(yǎng)遺傳學(xué)使微生物群可培養(yǎng)及研究；質(zhì)譜分析法和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的進(jìn)步可用于深入描述個(gè)體腸道系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)及腫瘤細(xì)胞；熒光量子點(diǎn)標(biāo)記技術(shù)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腸道微生物［34］；適用于不同器官的高通量代謝組學(xué)；以及用于數(shù)據(jù)反卷積和集成的復(fù)雜生物信息學(xué)工具。這些方法學(xué)進(jìn)展標(biāo)志著我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索單個(gè)細(xì)菌物種對(duì)腸屏障和機(jī)體免疫反應(yīng)的作用已成為可能［35-36］。而越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物對(duì)外周免疫系統(tǒng)有著重要影響，并在抗癌免疫中可以誘發(fā)有效的抗腫瘤免疫監(jiān)視作用，促進(jìn)腫瘤微環(huán)境內(nèi)樹突狀細(xì)胞活化和腫瘤特異性淋巴細(xì)胞增殖浸潤(rùn)，顯著影響了小鼠和患者的癌癥治療效果。而相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，可根據(jù)微生物的組成預(yù)測(cè)癌癥患者對(duì)藥物的療效，并可通過(guò)糞便移植、特定細(xì)菌的移植或益生元等糞便微生物療法改變患者腸道微生物組成，使腫瘤免疫抑制微環(huán)境轉(zhuǎn)化為免疫刺激微環(huán)境，腸道微生物可作為癌癥治療的新型調(diào)節(jié)劑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化和個(gè)性化醫(yī)療。