瘤內(nèi)微生物與腫瘤免疫治療的研究進(jìn)展

劉金燕,張 毅

1)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院生物細(xì)胞治療中心 鄭州 450052 2)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院省部共建食管癌防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450052

據(jù)估計(jì),人體內(nèi)有3萬億個(gè)細(xì)菌,參與調(diào)控機(jī)體生理過程和疾病易感性。雖然細(xì)菌數(shù)量和人體細(xì)胞數(shù)量相當(dāng),但是細(xì)菌的遺傳多樣性比人體細(xì)胞高100倍,其編碼的基因能夠使細(xì)菌具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)和代謝能力,不僅影響自身,還影響宿主組織特異性和免疫反應(yīng)[1-3]。除細(xì)菌外,人體微生物還包括真核生物、真菌、原核生物和病毒等。微生物和人類互為共生關(guān)系,它們主要棲息在人體的黏膜組織(包括胃腸道、口腔、皮膚等),與人類的健康和疾病息息相關(guān)[4]?，F(xiàn)已證實(shí),腸道微生物參與糖尿病、阿爾茲海默癥和腫瘤等多種疾病的發(fā)生、進(jìn)展,并與臨床療效有關(guān)[5]。腫瘤組織中也存在微生物,雖然不足以誘導(dǎo)癌癥,但間接促進(jìn)了癌癥的發(fā)生[3]。本文以瘤內(nèi)微生物與腫瘤免疫反應(yīng)的關(guān)系為切入點(diǎn),探討瘤內(nèi)微生物與腫瘤免疫治療的關(guān)系及其在腫瘤防治中的作用。

1 微生物和腫瘤關(guān)系的研究歷史及進(jìn)展

微生物與人類癌癥關(guān)系的研究歷史緊密交織[6]。13世紀(jì),佩雷格林·拉齊奧西(1265-1345)因罹患癌癥而面臨截肢,截肢后發(fā)生嚴(yán)重感染,但癌癥卻神奇消失且再也沒有復(fù)發(fā)[7]。19世紀(jì),科赫和巴斯德觀察到腫瘤內(nèi)細(xì)菌的存在,這也是記載的最早觀察到瘤內(nèi)細(xì)菌的報(bào)道。19世紀(jì)晚期,威廉布施和弗里德里希分別獨(dú)立報(bào)道了化膿性鏈球菌感染與腫瘤患者自發(fā)性腫瘤消退有關(guān)[8]。1891年,美國紐約紀(jì)念醫(yī)院骨科醫(yī)師威廉科利從因感染而自愈的癌癥患者的傷口中分離出釀膿鏈球菌,并研發(fā)了滅活版的細(xì)菌,創(chuàng)立“科利毒素”療法。雖然當(dāng)時(shí)挽救了不少無藥可醫(yī)的惡性腫瘤患者,然而,由于當(dāng)時(shí)使用的方案包含活的鏈球菌和沙雷菌而備受爭議[9]。同時(shí)期,托馬斯格洛弗和弗吉尼亞利文斯頓惠勒認(rèn)為,細(xì)菌可以從腫瘤組織中培養(yǎng)出來,且細(xì)菌疫苗可治療腫瘤,并提出了癌癥的普遍細(xì)菌起源假說[2]。盡管這些早期的嘗試充滿了錯(cuò)誤,癌癥的細(xì)菌理論也被否定了,但瘤內(nèi)微生物的存在卻是不容置疑的事實(shí)。

隨著二代測序技術(shù)的發(fā)展,肺、前列腺、膀胱、乳腺、肝臟和胰腺等曾經(jīng)被認(rèn)為是無菌的器官中也被檢測出了低豐度的微生物類群。2020年,有學(xué)者[10]以膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、乳腺癌、卵巢癌、骨肉瘤、胰腺癌、黑色素瘤和肺癌等7種腫瘤1 500多例癌組織為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞和免疫細(xì)胞中均存在生物活性的細(xì)菌。此外,文獻(xiàn)[10]證實(shí),瘤內(nèi)微生物失調(diào)與癌癥發(fā)生、發(fā)展有關(guān),包括口腔鱗癌、結(jié)直腸癌、肺癌、胰腺癌、乳腺癌、肝細(xì)胞癌、皮膚癌、腎細(xì)胞癌、前列腺癌、鼻咽癌等。這些腫瘤組織中常駐細(xì)菌被歸類為“瘤內(nèi)微生物”。當(dāng)前,有3種假說解釋瘤內(nèi)微生物的起源。①黏膜入侵:由細(xì)菌或其他因素引起的黏膜屏障損傷會(huì)導(dǎo)致原本生活在這些黏膜部位的機(jī)會(huì)性微生物(肺、胃腸道、皮膚等黏膜器官中微生物)遷移至腫瘤部位。②鄰近部位遷移:腫瘤鄰近正常組織中的微生物向腫瘤組織遷移,如胰腺癌、肝癌等[11]。③循環(huán)系統(tǒng)入侵:口腔、腸道和其他部位的微生物可經(jīng)血液擴(kuò)散至腫瘤微環(huán)境[12]。

2 瘤內(nèi)微生物特征

雖然不同類型的腫瘤組織中微生物的分布呈現(xiàn)很大差異[10],但多項(xiàng)研究證實(shí),瘤內(nèi)微生物具有一些共同特征:豐度遠(yuǎn)低于腸道[13];瘤內(nèi)微生物群落多樣性通常低于正常組織[14];瘤內(nèi)菌群大多是共生生物,是活菌,主要存在于細(xì)胞內(nèi)[10]。目前已知的微生物多達(dá)1012種,但只有11種被國際癌癥登記協(xié)會(huì)(IACR)認(rèn)定為人類致癌物,或稱“oncomicrobes”,全世界大約13%的癌癥病例與這些致癌物感染有關(guān)[15]。盡管IACR認(rèn)定的致癌微生物在近十年都沒有更新,且未明確新的可誘導(dǎo)癌癥發(fā)生的微生物,但二代測序技術(shù)的發(fā)展證實(shí)數(shù)十種微生物間接調(diào)控或促進(jìn)癌癥發(fā)生,包括具核梭桿菌[1]、沙門菌[2]和脆弱擬桿菌[16]等。微生物參與調(diào)控腫瘤發(fā)生和進(jìn)展的主要機(jī)制包括以下幾方面。①直接接觸的相互作用:細(xì)菌毒素介導(dǎo)的DNA損傷,誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生[17];或激活β-連環(huán)蛋白等致癌途徑[18]。②非接觸依賴的相互作用:產(chǎn)生代謝生物活性分子和外膜囊泡,通過體循環(huán)到達(dá)腫瘤原發(fā)位點(diǎn)及轉(zhuǎn)移位點(diǎn),從而間接誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生[19]。③免疫互作:局部或遠(yuǎn)端微生物參與調(diào)控先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng),導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境內(nèi)或系統(tǒng)性的免疫反應(yīng)和免疫監(jiān)視[4,10]。綜上所述,雖然瘤內(nèi)微生物多樣性低、豐度低,但可通過直接或間接的方式促進(jìn)癌癥的發(fā)生、進(jìn)展。

3 瘤內(nèi)微生物參與調(diào)控免疫反應(yīng)

瘤內(nèi)微生物最顯著的特征之一是可以被免疫系統(tǒng)監(jiān)視識(shí)別,從而引發(fā)特定的免疫反應(yīng)[9]。目前,關(guān)于腸道菌群失調(diào)與免疫功能異常的相關(guān)性已有報(bào)道[20],但瘤內(nèi)微生物調(diào)控免疫反應(yīng)的作用和機(jī)制研究仍處于起步階段。

一方面,瘤內(nèi)微生物促進(jìn)并維持免疫抑制微環(huán)境。主要機(jī)制如下。①產(chǎn)生大量活性氧:脆弱擬桿菌通過產(chǎn)生活性氧誘導(dǎo)并維持腫瘤免疫抑制微環(huán)境,進(jìn)而促進(jìn)結(jié)直腸癌進(jìn)展[21]。②促進(jìn)腫瘤細(xì)胞免疫逃逸:瘤內(nèi)微生物通過降低腫瘤細(xì)胞表達(dá)主要組織相容性復(fù)合體分子[22],上調(diào)細(xì)胞程序性死亡-配體1(PD-L1)的表達(dá)[23],使得腫瘤細(xì)胞躲避殺傷性免疫系統(tǒng)的監(jiān)視,從而發(fā)生免疫逃逸。③維持免疫抑制微環(huán)境[23-26]:瘤內(nèi)微生物可以激活或招募髓源性抑制細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等免疫抑制細(xì)胞亞群,進(jìn)而抑制殺傷性T細(xì)胞功能[24]。④釋放炎癥因子:具核梭桿菌被認(rèn)為是免疫抑制反應(yīng)相關(guān)的微生物,可以誘導(dǎo)釋放大量炎癥因子[26]。⑤抑制殺傷性T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)的功能:瘤內(nèi)微生物通過與免疫球蛋白和ITIM結(jié)構(gòu)域蛋白受體結(jié)合,進(jìn)而抑制T細(xì)胞和NK細(xì)胞活化[26]。此外,結(jié)直腸癌和黑色素瘤小鼠模型中,胃部幽門螺桿菌的感染降低殺傷性T細(xì)胞的浸潤和活化,削弱免疫檢查點(diǎn)抑制劑療效;臨床肺癌患者是否感染幽門螺桿菌與抗PD-1療效存在負(fù)相關(guān),并降低患者生存率[27]。瘤內(nèi)清除乳腺癌組織中的具核梭桿菌可以顯著減少肺轉(zhuǎn)移[17]。以小鼠黑色素瘤為模型,抗生素治療可通過降低細(xì)菌負(fù)荷減少調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的浸潤,而增加殺傷性T細(xì)胞和NK細(xì)胞活化,進(jìn)而減少肺轉(zhuǎn)移[28]。這些進(jìn)一步證實(shí)腫瘤內(nèi)細(xì)菌激發(fā)免疫抑制反應(yīng)。

另一方面,瘤內(nèi)微生物可以增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)。主要機(jī)制如下。①激活干擾素基因刺激蛋白(STING)信號(hào)通路:嗜黏蛋白阿克曼菌產(chǎn)生的環(huán)二腺苷酸通過激活STING信號(hào)通路增強(qiáng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的抗原呈遞[29]。②促進(jìn)三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)成熟:肝螺桿菌通過促進(jìn)三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)成熟,增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)[30]。③激活殺傷性T細(xì)胞和NK細(xì)胞:瘤內(nèi)微生物可以促進(jìn)殺傷性T細(xì)胞和NK細(xì)胞浸潤和激活,誘導(dǎo)較強(qiáng)的抗腫瘤免疫反應(yīng)[31]。④細(xì)菌肽段激活免疫系統(tǒng):以惡性黑色素瘤為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中存在細(xì)菌肽,可經(jīng)腫瘤細(xì)胞呈遞,進(jìn)而誘發(fā)免疫反應(yīng)[32]。⑤誘導(dǎo)并維持抗炎微環(huán)境:瘤內(nèi)微生物通過分泌IL-17等細(xì)胞因子促進(jìn)抗腫瘤免疫微環(huán)境的形成[33]。此外,鼠李糖乳桿菌可誘發(fā)較強(qiáng)的抗腫瘤免疫反應(yīng),從而減少小鼠黑色素瘤肺轉(zhuǎn)移[28]。雙歧桿菌通過增強(qiáng)機(jī)體抗腫瘤免疫反應(yīng),提高免疫檢查點(diǎn)抑制劑的抗腫瘤療效[34];而瘤內(nèi)注射雙歧桿菌,通過刺激STING信號(hào)通路增加樹突狀細(xì)胞數(shù)量,增強(qiáng)抗CD47免疫療效[35]。這進(jìn)一步證實(shí)部分腫瘤內(nèi)細(xì)菌可以觸發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng)。

腫瘤微環(huán)境中免疫系統(tǒng)與微生物的相互作用有兩種方式:①全身性,主要位于黏膜表面,通過代謝物和外膜囊泡影響全身[19]。②局部性,發(fā)生在淋巴器官內(nèi)或腫瘤微環(huán)境中產(chǎn)生局部影響[14]。這兩種方式均可調(diào)控先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng),調(diào)控系統(tǒng)性或腫瘤微環(huán)境免疫反應(yīng)。腫瘤內(nèi)細(xì)菌對(duì)免疫系統(tǒng)的調(diào)控是復(fù)雜的,這可能是由菌群物種特異性和定居狀態(tài)所決定的。

4 瘤內(nèi)微生物調(diào)控腫瘤免疫治療

瘤內(nèi)微生物通過誘發(fā)炎癥或局部免疫抑制等方式調(diào)控腫瘤微環(huán)境,這將改變?nèi)梭w免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤的響應(yīng),并影響臨床療效[7]。瘤內(nèi)微生物的存在可能與全身療法,尤其是免疫療法,協(xié)調(diào)作用。惡性黑色素瘤內(nèi)菌群的組成影響其對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制劑的敏感性[10]。腫瘤內(nèi)的微生物可提高PD-L1/PD-1單抗療效。這可能與瘤內(nèi)菌群促進(jìn)殺傷性T細(xì)胞浸潤和活化[36],上調(diào)PD-L1表達(dá)[37]或通過產(chǎn)物激活免疫反應(yīng)、殺傷腫瘤細(xì)胞[38]等有關(guān)。此外,瘤內(nèi)微生物還可能作為靶點(diǎn)用于制備疫苗或過繼性細(xì)胞回輸。EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)相關(guān)的淋巴增殖性疾病在移植后回輸EBV特異性的CD8+T細(xì)胞可以有效恢復(fù)抗EBV的免疫反應(yīng)[39],這為其他與EBV相關(guān)癌癥,如鼻咽癌、霍奇金淋巴瘤和NK/T細(xì)胞淋巴瘤等的免疫治療提供了重要參考[40]。雖然由于成本和制作復(fù)雜性,靶向人乳頭瘤病毒的過繼性T細(xì)胞療法尚未在臨床轉(zhuǎn)化,但這依然被視為治療頭頸癌、宮頸癌等的曙光[40]。

盡管威廉科利試圖通過微生物來治愈腫瘤的嘗試由于使用活菌而備受爭議,但這依然為現(xiàn)代細(xì)菌性癌癥療法提供了重要參考。目前美國食品藥品監(jiān)督管理局已批準(zhǔn)兩種類似藥物:溶瘤病毒免疫療法治療晚期黑色素瘤和卡介苗治療高風(fēng)險(xiǎn)、非肌肉浸潤性膀胱癌[41]。此外,合成生物學(xué)和工程細(xì)菌癌癥療法正在臨床前和臨床試驗(yàn)中。細(xì)菌在腫瘤組織中選擇性生長的獨(dú)特能力,使得可以通過注射工程菌在腫瘤內(nèi)產(chǎn)生藥物進(jìn)行治療[42]。利用合成生物學(xué)方法,細(xì)菌也可以被改造成具有“感知”周圍環(huán)境的能力,進(jìn)一步提高它們的治療或診斷能力[43]。通過分析腫瘤的微生物群,可能會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌選擇性地在腫瘤中定植[31]。這類細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)將減少對(duì)特異性基因工程菌的需求,因?yàn)樗鼈儗⒃谌斫o藥后自然定植于腫瘤。然而,這樣的做法要成為現(xiàn)實(shí),仍然面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。此外,研究者[32]發(fā)現(xiàn),黑色素瘤組織中存在細(xì)菌,這些細(xì)菌主要定植在腫瘤細(xì)胞內(nèi),這使得細(xì)菌表達(dá)的多肽可以被抗原呈遞細(xì)胞呈遞并啟動(dòng)免疫反應(yīng),也可以成為免疫系統(tǒng)識(shí)別并攻擊癌細(xì)胞的靶點(diǎn)。這意味著細(xì)菌表達(dá)的多肽可能作為腫瘤抗原,成為免疫治療的靶點(diǎn),但是這需要更多深入的研究來證實(shí)其有效性和安全性[44]。研究者嘗試從促瘤微生物入手,開發(fā)微生物疫苗來增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng),然而,這些研究均處于初期階段[45]。

瘤內(nèi)微生物和宿主免疫應(yīng)答之間的相互作用較為復(fù)雜,這也導(dǎo)致對(duì)全身治療的潛在有利和有害作用。因此,確定特定腫瘤類型中的優(yōu)勢微生物為個(gè)性化定制腫瘤治療方案具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然大量臨床前研究證據(jù)顯示瘤內(nèi)微生物調(diào)控與免疫治療的關(guān)系,但將這種調(diào)節(jié)方法轉(zhuǎn)化為商業(yè)化治療方案尚需更多的研究來證實(shí)(圖1)。

圖1 瘤內(nèi)微生物調(diào)控腫瘤免疫反應(yīng)的機(jī)制和潛在治療策略

5 靶向瘤內(nèi)微生物以增強(qiáng)腫瘤免疫治療效果

腫瘤組織是癌細(xì)胞、宿主與微生物相互作用的復(fù)合體,研究[27]證實(shí),腫瘤微環(huán)境中的微生物群與免疫抑制微環(huán)境相關(guān),并與臨床PD-1單抗療效和患者生存相關(guān)。那么,靶向清除瘤內(nèi)微生物是否有助于提高腫瘤免疫治療效果呢?研究[17]證實(shí),瘤內(nèi)清除乳腺癌組織中的具核梭桿菌可以顯著減少肺轉(zhuǎn)移。抗生素局部處理[28]和細(xì)菌消融[24]均可以通過重塑免疫微環(huán)境,增強(qiáng)抗腫瘤反應(yīng),提示局部清除瘤內(nèi)菌群可能通過改變免疫微環(huán)境調(diào)控腫瘤免疫治療效果。此外,研究[46]證實(shí)5-氟尿嘧啶可特異性清除結(jié)直腸癌細(xì)胞中具核梭桿菌,為臨床清除瘤內(nèi)有害菌進(jìn)而增強(qiáng)抗腫瘤免疫治療效果提供了重要參考。

然而,也有關(guān)于益生菌促進(jìn)腫瘤免疫療效的報(bào)道。沙門菌表達(dá)的LPS通過增加IL-1β表達(dá),并通過炎癥小體和Toll樣受體4介導(dǎo)的信號(hào)通路調(diào)控抗腫瘤免疫反應(yīng)[47]。革蘭陰性細(xì)菌的鞭毛可通過促進(jìn)殺傷性CD8+T細(xì)胞、抑制免疫抑制性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞來促進(jìn)抗腫瘤作用[48]。鼠李糖乳桿菌[28]和雙歧桿菌[34]被報(bào)道通過激活抗腫瘤免疫反應(yīng),增強(qiáng)免疫檢查點(diǎn)抑制劑療效。上述研究提示鑒定并合理使用益生菌有助于增強(qiáng)臨床腫瘤免疫治療效果。由此可見,腫瘤微環(huán)境中復(fù)雜的微生物構(gòu)成決定了無法使用統(tǒng)一的方案來進(jìn)行干預(yù)以增強(qiáng)臨床腫瘤免疫治療效果。需要指出的是,無論是定向清除有害菌還是外源加入益生菌,均需要在腫瘤局部來完成,而腫瘤在空間和質(zhì)地上的差異和復(fù)雜性加大了這一難度,還需研究更加安全、高效的策略來實(shí)現(xiàn)腫瘤的靶向治療。此外,雖然瘤內(nèi)益生菌的增多會(huì)促進(jìn)抗腫瘤療效,然而這種策略同時(shí)也有較大的風(fēng)險(xiǎn),大量益生菌的無限增殖和隨機(jī)遷移對(duì)機(jī)體會(huì)造成什么樣的后果均需要深入研究。

6 展望

盡管瘤內(nèi)微生物已有悠久的研究歷史,然而直到最近幾年才被認(rèn)定為是腫瘤生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。受益于技術(shù)的發(fā)展,瘤內(nèi)微生物的研究取得了一定的突破。瘤內(nèi)微生物參與了癌癥發(fā)生、進(jìn)展,并參與調(diào)控免疫微環(huán)境,與腫瘤病理類型、藥物反應(yīng)和臨床預(yù)后相關(guān)。癌細(xì)胞進(jìn)化比細(xì)菌慢,而腸道內(nèi)共生菌在進(jìn)化過程中會(huì)轉(zhuǎn)化為致病菌。這意味著瘤內(nèi)微生物可以作為藥物靶點(diǎn)或佐劑與其他抗腫瘤方案聯(lián)合使用。此外,腫瘤內(nèi)細(xì)菌定植于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的特性使得它們成為遞送藥物的理想載體。雖然當(dāng)前瘤內(nèi)微生物的研究結(jié)果鼓舞著研究者開發(fā)針對(duì)性的治療方案,但是我們應(yīng)該始終牢記100多年前科利毒素由于結(jié)果不穩(wěn)定而未在臨床廣泛推廣的案例。因此,完全揭示瘤內(nèi)微生物在癌癥進(jìn)程中的作用、探明腫瘤微環(huán)境中決定細(xì)菌療法療效的關(guān)鍵因素、開發(fā)動(dòng)態(tài)追蹤腫瘤內(nèi)菌群時(shí)空活動(dòng)的技術(shù)和模型等依然是瘤內(nèi)菌群的研究重點(diǎn)。