歐陽洋，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)菌對機(jī)體健康具有重要作用，它們參與了營養(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，其通過產(chǎn)生信號分子，刺激骨髓和淋巴細(xì)胞，調(diào)節(jié)機(jī)體對炎癥刺激、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，越來越多的證據(jù)表明，細(xì)菌可通過增強(qiáng)宿主抗腫瘤免疫作用，對非腸道癌癥發(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］?？股氐氖褂每蓽p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)，在對鉑類藥物耐藥的非小細(xì)胞肺癌和卵巢癌患者中，對腸結(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。

鉑類抗癌藥物，可通過形成鉑-DNA加合物和鏈內(nèi)交聯(lián)來殺傷腫瘤細(xì)胞［19］。微生物群是促使腫瘤浸潤骨髓細(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。然而這些藥物對大部分患者無效［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)腸癌生長作用受損，而在使用脆弱擬桿菌灌胃或過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小鼠口服長雙歧桿菌和短雙歧桿菌混合物后，植入的黑色素瘤的生長減緩，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)答者和無應(yīng)答者，隨后將糞便轉(zhuǎn)移至無菌小鼠中，進(jìn)行抗PD-1 mAbs治療，這些小鼠再現(xiàn)了患者對抗PD-1 mAbs治療的反應(yīng)。在這些小鼠模型中，與接受無應(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（相對于無應(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靶向作用腸道微生物群來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)對治療有益細(xì)菌和不利細(xì)菌的比例來區(qū)分PD-1阻斷免疫療法后癌癥患者應(yīng)答者和無應(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

在過去幾年中，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序技術(shù)以及精確的數(shù)據(jù)庫；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)志著我們通過實(shí)驗(yàn)探索單個(gè)細(xì)菌物種對腸屏障和機(jī)體免疫反應(yīng)的作用已成為可能［35-36］。而越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物對外周免疫系統(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，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)測癌癥患者對藥物的療效，并可通過糞便移植、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。