腸道微生態(tài)與腫瘤

郭智 王鈞 王強(qiáng)

腸道微生態(tài)是人體最龐大、最重要的微生態(tài)系統(tǒng)，是激活和維持腸道生理功能的關(guān)鍵因素，越來(lái)越多的研究基于探究腸道微生物對(duì)人體各個(gè)組織器官的影響及與各種疾病之間的關(guān)系，并逐漸向臨床轉(zhuǎn)化[1-2]。利用糞菌移植(FMT)[3]、腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)劑[4]、基因工程細(xì)菌等微生態(tài)治療策略在難治性梭形桿菌感染、移植物抗宿主病(GVHD)、炎癥性腸病(IBD)等治療中較傳統(tǒng)方法有更好療效。隨著腸道微生態(tài)與腫瘤相關(guān)研究不斷深入，基于腸道微生態(tài)的策略在腫瘤診斷和治療中也顯示出有希望的應(yīng)用前景[5]。

一、腸道微生態(tài)與腫瘤發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機(jī)制

1．概況：腸道微生態(tài)與惡性腫瘤發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，腫瘤患者普遍存在腸道微生物豐度、多樣性和組成特征改變，其中，腸道微生態(tài)在誘導(dǎo)結(jié)直腸癌(CRC)發(fā)生中作用和機(jī)制的相關(guān)研究較為深入[6]。CRC發(fā)生是由食物成分或飲食引起的腸道微生物組成逐步紊亂，加上癌基因或抑癌基因的遺傳改變，CRC患者腸道菌群組成特征發(fā)生顯著改變。與對(duì)照組健康人群相比，CRC患者腸道厚壁菌門菌數(shù)減少，擬桿菌門菌數(shù)增加。聚酮合酶(pks)陽(yáng)性大腸桿菌、脆弱擬桿菌(ETBF)和具核梭桿菌等特定菌群常在CRC組織內(nèi)富集。此外，在肝癌、膽管細(xì)胞癌、胰腺癌等消化道腫瘤及乳腺癌等遠(yuǎn)離消化道腫瘤中都普遍存在腸道菌群失調(diào)現(xiàn)象[7]。

2．腸道微生物損傷黏膜上皮DNA促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展：腸道微生物可產(chǎn)生活性氧(ROS)等，激活促腫瘤生長(zhǎng)信號(hào)通路，誘導(dǎo)基因甲基化，直接或間接損傷細(xì)胞DNA穩(wěn)定性，促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展。研究證實(shí)，大多數(shù)CRC患者都存在腫瘤抑制基因APC突變，通過調(diào)控β-catenin水平調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路，進(jìn)而調(diào)節(jié)慢性炎癥、細(xì)胞周期和增殖過程[8]。對(duì)家族性腺瘤性息肉病患者的研究顯示，pks+E.coli和ETBF產(chǎn)生腸毒素可誘發(fā)上皮細(xì)胞DNA損傷、激活Wnt信號(hào)通路，對(duì)遺傳性CRC發(fā)生發(fā)展起關(guān)鍵作用[8]。

3．腸道微生態(tài)通過誘導(dǎo)免疫抑制促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展：惡性腫瘤發(fā)生與慢性炎癥有關(guān)，并受到宿主免疫系統(tǒng)的嚴(yán)密監(jiān)視，腸道微生態(tài)可能通過誘導(dǎo)腸黏膜局部和全身炎癥、促進(jìn)抑制性免疫微環(huán)境形成，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生免疫逃逸，誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生[9]。有研究顯示，腸道微生態(tài)影響腸道固有層免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，尤其是Treg細(xì)胞和Th17細(xì)胞，腸道微生態(tài)失衡小鼠結(jié)腸腫瘤易感性增加，伴腫瘤內(nèi)耗竭性CD8+T淋巴細(xì)胞(簡(jiǎn)稱T細(xì)胞)浸潤(rùn)增加[10]。腸道微生物異常生長(zhǎng)過度刺激CD8+T細(xì)胞增殖、活化，促進(jìn)慢性炎癥和T細(xì)胞耗竭，誘導(dǎo)抑制性免疫微環(huán)境形成，增加腫瘤易感性。說明適應(yīng)性免疫在腸道微生物調(diào)節(jié)腫瘤易感性中發(fā)揮重要作用，腸道微生態(tài)對(duì)腫瘤發(fā)生而言可能是“雙刃劍”，T細(xì)胞耗竭是其潛在的重要機(jī)制。

二、腸道微生態(tài)與腫瘤化學(xué)治療

1．化療藥物改變腸道微生態(tài)組成特征：化療藥物普遍影響胃腸道功能及腸道微生物組成特征和多樣性，與宿主的多系統(tǒng)病理生理改變及藥物不良反應(yīng)相關(guān)。Loman等[11]觀察了紫杉醇化療對(duì)小鼠的行為、中樞和外周免疫激活、結(jié)腸組織學(xué)和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的同步變化，發(fā)現(xiàn)化療組小鼠腸道微生物細(xì)菌組成發(fā)生了顯著變化，糞便細(xì)菌的多樣性降低。其中，乳酸桿菌相對(duì)豐度有所增加，但多種對(duì)結(jié)腸健康非常重要的細(xì)菌類群相對(duì)豐度降低，包括Roseburia、Eubacterium、Erysipelotrichaceae等多種產(chǎn)丁酸菌。在紫杉醇化療的小鼠中較高的Ruminiclostridium菌與小膠質(zhì)細(xì)胞染色增加顯著相關(guān)，可能在“微生物-腸-腦”軸中起重要作用。表明紫杉醇同時(shí)影響小鼠的腸道微生物組、結(jié)腸組織完整性、小膠質(zhì)細(xì)胞激活和疲勞狀態(tài)。特定腸道菌群改變影響結(jié)腸組織完整性，并與行為反應(yīng)改變、認(rèn)知障礙、疲勞等相關(guān)。針對(duì)腸道微生物群的治療策略，或可減輕化療對(duì)腸道完整性損傷和腫瘤化療不良反應(yīng)，包括“化療后認(rèn)知改變”所導(dǎo)致疲勞、體重減輕、認(rèn)知障礙等。

2．腸道微生態(tài)組成影響化療藥物代謝和生物轉(zhuǎn)化：藥物微生物代謝對(duì)療效的影響已被廣泛認(rèn)識(shí)[12]。如伊立替康(CPT-11)經(jīng)腸道微生物代謝酶重新激活所產(chǎn)生非抗腫瘤活性代謝物，誘發(fā)藥物不良反應(yīng)。Guthrie等[13]進(jìn)一步證實(shí)CPT-11代謝和腸道菌群組成之間的聯(lián)系，其研究鑒定、發(fā)現(xiàn)一個(gè)能將無(wú)活性的SN-38G轉(zhuǎn)化有活性SN-38的高代謝轉(zhuǎn)化型腸道菌群，含有較高水平β-葡糖醛酸糖苷酶，增加了CPT-11不良反應(yīng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，抑制這些酶活性可以降低CPT-11不良反應(yīng)。這項(xiàng)研究結(jié)合微生物組元基因和代謝組學(xué)，證實(shí)腸道微生物組會(huì)影響化療藥物生物轉(zhuǎn)化。用藥前分析患者機(jī)體微生物組成可用于預(yù)測(cè)CRC治療療效和不良反應(yīng)。

3．腸道微生態(tài)通過調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)影響化療藥物療效：環(huán)磷酰胺(CTX)是臨床上重要的抗癌藥物之一，有研究顯示，CTX可改變小鼠小腸微生物群組成，腸道微生物群有助于重塑抗腫瘤免疫反應(yīng)，化療藥物抗腫瘤效應(yīng)依賴于特定的腸道微生態(tài)，部分取決于其刺激抗腫瘤免疫反應(yīng)的能力[14]。調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)有助于提升化療藥物的抗腫瘤療效。如海氏腸球菌參與了CTX治療，海氏腸球菌從小腸移位至次級(jí)淋巴器官，增加了瘤內(nèi)CD8+/Treg細(xì)胞比例，海氏腸球菌特異CD4+T細(xì)胞免疫反應(yīng)可預(yù)測(cè)經(jīng)化療聯(lián)合免疫治療后進(jìn)展期肺癌和卵巢癌患者無(wú)進(jìn)展生存情況。特定腸道菌群影響化學(xué)藥物代謝、抗腫瘤活性及不良反應(yīng)，利用腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)腸道菌群用于改善化學(xué)藥物療效、減輕不良反應(yīng)，已逐步在向臨床實(shí)踐轉(zhuǎn)化，并顯示初步療效[12]。

三、腸道微生態(tài)與腫瘤放射治療

放射治療(簡(jiǎn)稱放療)作用的主要靶點(diǎn)為雙鏈DNA分子，可直接作用于DNA雙鏈造成損傷，也可通過電離輻射誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)水分子解離產(chǎn)生氧自由基等方式間接誘導(dǎo)DNA損傷。放射線除直接影響微生物存活外，也可通過造成正常黏膜上皮變化等間接方式影響微生物的寄生環(huán)境，造成微生態(tài)變化。而微生態(tài)變化可能反過來(lái)影響放療的療效和不良反應(yīng)的發(fā)生情況。

1．放療改變腸道微生物組成結(jié)構(gòu)特征：成人腸道菌群構(gòu)成相似且相對(duì)穩(wěn)定，放療可使腸道微生物群發(fā)生顯著改變，改變程度存在明顯個(gè)體差異。有研究顯示，輻射引起小鼠腸道細(xì)菌組成在屬水平上的顯著改變，只是消化道不同位置變化程度存在差異[15]。一項(xiàng)隊(duì)列研究觀察盆腔放療后腫瘤患者糞便中菌群多樣性變化，16S rRNA基因測(cè)序分析顯示發(fā)生腹瀉的腫瘤患者的微生物多樣性呈現(xiàn)漸進(jìn)的變化，放療后微生物相似度指數(shù)明顯下降，而在無(wú)腹瀉的腫瘤患者和健康志愿者中，微生物多樣性相對(duì)較為穩(wěn)定[16]。

2．腸道微生態(tài)對(duì)放療誘導(dǎo)腫瘤特異免疫反應(yīng)有重要調(diào)節(jié)作用：臨床前和臨床研究均已證實(shí)，放療尤其是立體定向消融放療誘導(dǎo)腫瘤特異免疫反應(yīng)，產(chǎn)生遠(yuǎn)隔效應(yīng)，顯著改善腫瘤患者療效、延長(zhǎng)生存期。腸道微生物這種增強(qiáng)免疫系統(tǒng)攻擊腫瘤的能力可能與脂多糖的釋放激活白細(xì)胞分化抗原14/Toll樣受體4信號(hào)通路、誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)、促進(jìn)樹突狀細(xì)胞(DC)和特異性T細(xì)胞激活有關(guān)。進(jìn)一步研究證實(shí)了腸道微生態(tài)通過干擾宿主免疫系統(tǒng)影響放療的免疫調(diào)節(jié)作用，TLR4激動(dòng)劑可用于改善過繼T細(xì)胞免疫治療反應(yīng)。顯然，調(diào)節(jié)腸道微生物對(duì)優(yōu)化腫瘤放免聯(lián)合治療策略有重要的臨床意義。

3．靶向腸道微生態(tài)策略減少放射性黏膜損傷：盡管放療技術(shù)對(duì)腫瘤周圍正常組織的保護(hù)作用不斷改善，放射性損傷(RI)仍是限制放療應(yīng)用、影響放療療效的重要因素。其中，射線對(duì)增殖活躍、更新頻繁的腸道黏膜上皮細(xì)胞尤其敏感，是僅次于骨髓易受輻射損傷的組織器官，少部分患者出現(xiàn)嚴(yán)重放射性腸損傷(RE)甚至危及生命。同時(shí)，由于射線致腸道黏膜損傷、黏膜屏障破壞、腸黏膜供血不足等，常導(dǎo)致腸道微生態(tài)失衡、致病性腸道菌群增殖、腸道菌群移位等，進(jìn)一步加重RE。目前，谷氨酰胺、抗生素、粒-巨噬細(xì)胞集落刺激因子、硫糖鋁等藥物治療放射性腸炎均無(wú)顯著改善。鑒于腸道菌群在維持腸道的平衡和完整性上起著重要作用[17]，靶向腸道微生態(tài)策略對(duì)降低放射性腸炎發(fā)生、有效管理放射性腸炎具有潛在應(yīng)用前景。

4．腸道微生態(tài)治療在RI中的應(yīng)用：針對(duì)腸道微生態(tài)的治療可改善腸道RI，如益生菌是一類活菌制劑，可通過與腸上皮發(fā)生直接或間接的作用從而改善腸道微生態(tài)、調(diào)節(jié)腸黏膜屏障，進(jìn)而促進(jìn)宿主細(xì)胞抗氧化作用，改善放療導(dǎo)致的腸道損傷。使用益生菌防護(hù)因放療而引起的放射性腸炎是一種安全有效的方法。益生元是食物成分中一種不被消化或難以消化的寡糖類，其可被腸道細(xì)菌發(fā)酵，也可選擇性剌激腸內(nèi)細(xì)菌的增殖，可與腸道菌群協(xié)同維護(hù)宿主的健康。益生元化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有抗胃酸、抗消化酶類且不能被腸道吸收的性能，可在腸道內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮作用。

四、腸道微生態(tài)與腫瘤免疫治療

腸道微生態(tài)失衡、特定代謝產(chǎn)物變化導(dǎo)致腸道和全身免疫系統(tǒng)的紊亂，進(jìn)而影響腫瘤組織微環(huán)境，是形成抑制性腫瘤微環(huán)境的重要機(jī)制[18]。同時(shí)，特定腸道微生態(tài)及其代謝產(chǎn)物顯著影響腫瘤免疫治療反應(yīng)及免疫相關(guān)性不良反應(yīng)(irAEs)[19]。腸道微生態(tài)策略為提升腫瘤免疫治療低應(yīng)答率提供了新的思路和線索。免疫治療低應(yīng)答率的原因和機(jī)制仍不清楚，潛在的機(jī)制包括腫瘤低頻突變、腫瘤異質(zhì)性、抑制性腫瘤微環(huán)境形成等[20]。腫瘤irAEs免疫治療反應(yīng)依賴于腸道微生態(tài)多樣性和組成特征。腸道微生物失衡影響腫瘤免疫治療反應(yīng)，增加irAEs風(fēng)險(xiǎn)，精準(zhǔn)操縱腸道微生物既可改善免疫治療反應(yīng)，又可有效管理irAEs。

1．抗腫瘤免疫治療依賴于腸道微生態(tài)多樣性組成特征：過繼細(xì)胞治療(ACT)、免疫檢查點(diǎn)抑制劑(ICIs)等免疫治療策略受到廣泛關(guān)注和深入研究，并逐步應(yīng)用于血液系統(tǒng)腫瘤、實(shí)體腫瘤臨床實(shí)踐，可顯著延長(zhǎng)患者生存期。用于過繼治療的免疫細(xì)胞主要包括腫瘤浸潤(rùn)細(xì)胞、DC、自然殺傷細(xì)胞、嵌合抗原受體T細(xì)胞(CAR-T)等。CAR-T是近年來(lái)發(fā)展最為迅速的ACT策略。CAR-T可克服腫瘤局部抑制性微環(huán)境，對(duì)腫瘤殺傷不受組織相容性復(fù)合體限制，對(duì)難治性B細(xì)胞白血病、淋巴瘤等血液腫瘤取得顯著療效，長(zhǎng)期反應(yīng)仍需要更多觀察。由于缺乏特異性腫瘤抗原、腫瘤異質(zhì)性、抑制性微環(huán)境等原因，CAR-T細(xì)胞治療實(shí)體腫瘤收效甚微。目前，腸道微生物在調(diào)節(jié)CAR-T細(xì)胞抗腫瘤反應(yīng)中的作用尚不清楚[21]。

2．腸道微生物對(duì)ICIs治療的影響：腫瘤細(xì)胞多種免疫“剎車”分子信號(hào)通路表達(dá)上調(diào)，是腫瘤發(fā)生免疫逃逸的重要機(jī)制?；贗CIs免疫治療策略，通過阻斷共抑制信號(hào)通路、恢復(fù)T細(xì)胞功能，增強(qiáng)T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫殺傷效應(yīng)，可顯著改善血液腫瘤及實(shí)體腫瘤患者的生存情況。ICIs藥物包括上述的細(xì)胞毒性T細(xì)胞相關(guān)蛋白-4、細(xì)胞程序性死亡蛋白1(PD-1)及其配體(PD-L1)的單克隆抗體。然而，腫瘤異質(zhì)性和免疫調(diào)節(jié)機(jī)制的復(fù)雜性固化了這種新治療策略的低應(yīng)答特性，使ICIs不可避免出現(xiàn)原發(fā)和繼發(fā)耐藥。探索新的生物標(biāo)記物、優(yōu)化免疫聯(lián)合治療是提升ICIs反應(yīng)的重要途徑。研究證實(shí)，腸道微生態(tài)菌群可調(diào)節(jié)ICIs抗腫瘤效應(yīng)。進(jìn)一步FMT策略觀察發(fā)現(xiàn)，移植來(lái)自抗PD-1治療有反應(yīng)患者糞便微生物的荷瘤小鼠免疫細(xì)胞浸潤(rùn)顯著增加[22]。當(dāng)接受ICIs治療后腫瘤生長(zhǎng)得到有效控制。上述研究結(jié)果進(jìn)一步佐證了特定腸道菌群對(duì)腫瘤微環(huán)境的重要調(diào)節(jié)作用及對(duì)免疫治療反應(yīng)的影響。同時(shí)也表明，精準(zhǔn)操縱特定腸道微生態(tài)組成特征可改善免疫治療反應(yīng)的可行性及潛在應(yīng)用價(jià)值，為優(yōu)化腫瘤免疫治療提供新思路。

3．抗生素干擾腸道微生物組成結(jié)構(gòu)影響ICIs治療效果：抗生素應(yīng)用可無(wú)差別抑制、清除人體微生態(tài)系統(tǒng)的致病菌和有益菌，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)、共生菌落多樣性和豐度顯著減少、致病性病原微生物增加，影響微生態(tài)功能[23]。有研究顯示腸道菌群完整性影響各種抗腫瘤藥物治療療效[24]。廣譜抗生素應(yīng)用導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，干擾患者腸道黏膜局部和系統(tǒng)免疫功能，顯著降低ICIs療效。臨床研究也證實(shí)在免疫治療前或免疫治療期間，使用上述藥物患者，疾病控制率和生存時(shí)間都明顯降低[25]。在這項(xiàng)納入360例使用ICIs的腎細(xì)胞癌(RCC)、非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者的臨床試驗(yàn)中，近13%RCC患者、20%NSCLC患者在接受ICIs治療前30天內(nèi)使用過β-內(nèi)酰胺類或喹諾酮類廣譜抗生素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)論是RCC或NSCLC，未接受過抗生素治療的RCC、NSCLC患者中位總生存期顯著延長(zhǎng)。盡管如此，抗生素應(yīng)用對(duì)ICIs治療的影響仍存在爭(zhēng)議。

五、展望

從腫瘤篩查到診斷的各個(gè)階段，平衡腸道菌群都可能會(huì)改善患者生存質(zhì)量。微生物組成特征、微生物代謝產(chǎn)物作用于宿主免疫系統(tǒng)的潛在機(jī)制研究，迫切需要標(biāo)準(zhǔn)化的菌群多組學(xué)研究。識(shí)別菌群關(guān)鍵代謝標(biāo)志物和通路是研究方向，代謝組學(xué)可能會(huì)在未來(lái)腫瘤與微生態(tài)研究中發(fā)揮更大作用。腸道微生態(tài)與腫瘤及宿主免疫是復(fù)雜的相互作用產(chǎn)生的時(shí)空動(dòng)態(tài)，每種腫瘤本身就是一種不斷進(jìn)化且與鄰近腫瘤發(fā)生相互作用的生態(tài)系統(tǒng)，細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和腫瘤微環(huán)境相互作用。通過人體微生物采樣、宏基因組測(cè)序和生物信息學(xué)等確定預(yù)測(cè)性微生物生物特征并進(jìn)行干預(yù)，將使腫瘤患者獲得臨床收益。雖然目前大多數(shù)研究正在闡明腸道微生態(tài)對(duì)腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療的影響，需要我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)腸道微生態(tài)與腫瘤相關(guān)性，事實(shí)上，腫瘤與微生態(tài)學(xué)科才剛剛開始。