腸道微生物穩(wěn)態(tài)影響抗腫瘤治療的研究進展

魯弘骎 陳暉 黃頡剛

人體腸道存在著大量微生物群落，對人類的生理過程具有重要影響，尤其是炎癥和免疫反應[1]。正常宿主腸道黏膜上皮細胞和免疫細胞上寄生的微生物群落，在種群、數(shù)量上保持相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡，即腸道微生物穩(wěn)態(tài)，該穩(wěn)態(tài)在食物消化、組織代謝、腸道相關淋巴組織發(fā)育、膽汁酸代謝、維生素B及維生素K合成等過程中起著關鍵作用。此外，微生物的抗原及代謝產(chǎn)物還能刺激機體產(chǎn)生細胞因子來對抗病原體。研究表明在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療的過程中，患者腸道內(nèi)微生物群落種類及數(shù)量可能發(fā)生了變化，即腸道微生物失穩(wěn)態(tài)[2]。在腸道內(nèi)微生物失衡狀態(tài)與再平衡因素的交互作用下，致炎通路被激活，免疫通路失活，抗腫瘤治療的療效、預后及結局可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。目前已在多種類型癌癥中證實，腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療有關[3]。因此，筆者就腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療的相關性作一綜述。

1 腸道微生物群落與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的關系

1.1 腸道微生物群落與腫瘤的發(fā)生 近年來，有研究通過減少與抑制大腸癌相關的脆弱類桿菌來抑制炎癥過程，結果表明根除微生物可能有助于抑制腫瘤的發(fā)生。有研究對荷瘤小鼠進行誘導結腸炎相關結直腸癌的干預實驗中，發(fā)現(xiàn)炎癥期間抗生素干預能減少腫瘤的發(fā)生，而未經(jīng)抗生素清除微生物的小鼠腫瘤負荷增加了2倍；同時發(fā)現(xiàn)通過腸道微生物移植到無菌小鼠的干預方式會刺激結腸道腫瘤的發(fā)展[4-5]。腸道腸毒素性脆弱類桿菌可以分泌脆弱類桿菌毒素，引起炎癥性腹瀉的表現(xiàn)，但也能定植于部分人群而不導致任何癥狀。某些特異病原體感染能促進腫瘤的發(fā)生，目前已明確的有人乳頭瘤病毒、幽門螺桿菌、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒等[6]。

1.2 腸道微生物群落與腫瘤的發(fā)展 腸道微生物群落可以通過炎癥反應或炎癥介質(zhì)干擾宿主基因組穩(wěn)定性造成損害的途徑來干預腫瘤的發(fā)展，即宿主細胞信號通路途徑[7]。腸道內(nèi)微生物分解產(chǎn)物會影響腸道黏膜屏障的完整性，導致腸壁通透性增加，從而允許抗原穿透腸壁，并通過炎癥因子進一步強化刺激、加劇黏膜細胞內(nèi)的遺傳不穩(wěn)定性。例如，在腸道微生物失穩(wěn)態(tài)導致的炎癥過程中，血管內(nèi)皮生長因子、表皮生長因子濃度升高，而它們是促進腫瘤發(fā)展的重要生長因子[8-9]。

2 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療的關系

相關研究表明，抗腫瘤治療會影響人體腸道微生物群落的分布、數(shù)量及種類，進而刺激宿主產(chǎn)生免疫應答，導致并發(fā)癥發(fā)生，最終影響療效及預后[10]。

2.1 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與化療 化療過程中使用的細胞毒性藥物會導致最直接的胃腸道黏膜損害，包括胃腸黏膜屏障破壞、胃腸黏膜炎癥等。輕者影響抗腫瘤治療效果，重者導致預后不良甚至病死。胃腸黏膜炎癥的發(fā)生受腸道共生微生物群落的影響，主要通過以下5種方式實現(xiàn)：（1）炎癥過程和氧化應激，（2）腸通透性，（3）黏液層，（4）對有害、刺激的抗性上皮修復機制，（5）活化和釋放免疫效應分子。

生物代謝表型主要由基因組、腸道微生物群落、所處環(huán)境及攝入的外源物等決定。化療對患者的影響主要表現(xiàn)在腸道微生物群落明顯改變，從而影響生物代謝表型[11]。細菌和宿主之間的相互作用，可能會進一步影響宿主的代謝表型，從而影響化療對宿主預期效應。以肌苷為例，它是腺苷的天然代謝產(chǎn)物，具有抗炎、免疫抑制的作用。對小鼠血清的代謝分析發(fā)現(xiàn)，接受吉西他濱治療的小鼠中肌苷含量明顯降低[12]。深入研究發(fā)現(xiàn)，某些腸道微生物參與肌苷水平的調(diào)節(jié)，如乳酸桿菌可逆轉(zhuǎn)肌苷的消耗，導致肌苷水平升高[13]。

通過調(diào)節(jié)腸道微生物群落活性來提高藥物療效或減輕毒性，是改善化療效果的2個重要方向。研究表明，調(diào)節(jié)靶向微生物群落的穩(wěn)態(tài)及活性，可以減輕伊立替康對小鼠造成的胃腸道毒性反應[14]。在無病原小鼠的研究中，發(fā)現(xiàn)一些G+菌可提高環(huán)磷酰胺的治療效果，其機制是環(huán)磷酰胺引起腸上皮屏障破壞后，細菌及其代謝產(chǎn)物可通過移位作用刺激Th17和Th1細胞引導直接抗腫瘤免疫應答，從而提升抗腫瘤效應[15]。皮下淋巴瘤小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，鑒別出具有種屬特異性的腸道細菌并使髓樣細胞釋放活性氧，從而增強奧沙利鉑的化療作用[16]。可見，某些共生狀態(tài)的腸道微生物在腫瘤化療期間可起到與化療藥物的協(xié)同抗腫瘤效應，維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)，在一定程度上提升治療效果。

2.2 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與放療 放療是導致腸道微生物群落發(fā)生改變的一個重要物理因素。電離輻射會對腸道黏膜及微生物群落帶來直接、明顯的損害[17]。通過觀察放療后出現(xiàn)急性腹瀉患者的腸道微生物群落狀況，發(fā)現(xiàn)微生物種類、數(shù)量及穩(wěn)態(tài)均呈現(xiàn)多樣性改變。一項關于放療誘發(fā)小鼠腸炎的研究發(fā)現(xiàn)，伴隨腸道炎癥的發(fā)生，小鼠腸道微生物群落發(fā)生了改變[18]。有研究表明，采用腸道微生物生態(tài)學分析的方式進行風險評估，及時監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)腸道微生物失穩(wěn)態(tài)情況，并作積極調(diào)整與干預，將有助于減少放療帶來的毒性反應[19]。此外，腸道微生物移植也能減輕輻射毒性。有研究通過糞便微生物移植來提高受輻射照射小鼠的存活率，結果顯示糞便微生物移植能提高小鼠外周血WBC、改善胃腸道功能及腸上皮的完整性[20]。

2.3 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與免疫治療 在免疫治療興起初期就有研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群落與人體免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)系，即特定腸道細菌菌群可以影響臨床前小鼠癌癥模型的免疫檢查點抑制劑（ICI）療效。ICI是通過阻斷癌細胞逃避CD8+T細胞殺傷的能力，進而實現(xiàn)抗腫瘤作用[21]。近年來，越來越多臨床研究證實腫瘤患者腸道微生物群落狀態(tài)與免疫治療的療效有關。

早期動物實驗對免疫治療CTLA-4阻滯劑（伊比利木）單抗產(chǎn)生的療效與腸道微生物組分的相關性進行研究，比較了抗CTLA-4抗體作用于常規(guī)組（特定無病原體）和無菌組荷瘤小鼠的療效，結果發(fā)現(xiàn)常規(guī)組的腫瘤進展得到控制，而無菌組未顯示抗腫瘤效果。人源化小鼠動物實驗結果發(fā)現(xiàn)，通過糞便微生物移植方式，將異體微生物移植到無菌或抗生素處理的動物中，可重新形成腸道微生物群落；而具有正常腸道菌群的異種移植瘤小鼠予抗生素治療后，進一步接受ICI治療，結果顯示小鼠腫瘤的進展顯著。臨床上接受抗PD-1或抗PD-L1免疫治療的非小細胞肺癌、腎細胞癌或尿路上皮癌患者，約1/3曾因各種情況接受抗生素治療[22]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在ICI治療前或期間曾接受過抗生素治療的患者存活率較對照組明顯降低。對以上人群的腸道微生物群落進行檢測并篩選出2種特定的微生物——嗜黏液阿克曼原蟲、Hirae腸球菌，這2種微生物的存活狀態(tài)可特異性預測ICI治療反應；同時將這些細菌或含有應答糞便微生物移植于多種異種無菌移植瘤小鼠模型中，結果發(fā)現(xiàn)都產(chǎn)生了一定的腫瘤退縮效應[22]。近期一項研究也證實了該結果，它將產(chǎn)生ICI治療應答的荷瘤小鼠糞便微生物移植到進行PDL1檢查點阻斷治療的無菌黑色素瘤小鼠，與接受無應答荷瘤小鼠糞便微生物移植的小鼠相比，腫瘤明顯較小，CD8+T細胞浸潤腫瘤也更顯著[23]。在動物模型中，糞桿菌的豐度與CD8+T細胞浸潤直接相關。經(jīng)抗生素處理或無免疫治療應答的小鼠接受產(chǎn)生免疫治療應答小鼠糞便微生物移植后，可恢復抗PD-1治療的免疫應答。在預后研究中，對PD-1靶點治療有反應的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤個體較無應答者的微生物群落更多樣化，同時具有高豐度的單一細菌屬糞桿菌的患者600d后仍保持疾病無進展狀態(tài)的可能性是低豐度糞桿菌患者的2倍以上。Matson等[24]從在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者腸道微生物群落中鑒定出8個群落和2個種屬，結果發(fā)現(xiàn)具有上述微生物分布的PD-1治療應答者明顯優(yōu)于非應答者。同時通過動物研究佐證，通過糞便微生物移植無菌小鼠重現(xiàn)供體腸道微生物譜的表型，與既往報道的抗PD-1反應性相關特征性的微生物種譜一致，如糞腸球菌、柯林賽拉氣相桿菌等。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，與Th1極化、翅膀狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)性T細胞減少等有關，推測與免疫治療相關的抗腫瘤免疫增強效應有關[24]。在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者抗PD-1治療與腸道微生物譜關系的研究中，Gopalakrishnan等[25]確認了瘤胃球菌群家族在ICI應答者的富集現(xiàn)象。ICI治療反應性與腸道微生物群落的豐度和多樣性有關，涉及腸道微生物群落的總體組成及分布，這可能有助于預測并區(qū)分ICI治療有反應者與無反應者[26]。盡管研究都觀察到了依賴于腸道微生物的T細胞浸潤于腫瘤中（ICI治療成功的先決條件），但具體機制有待闡明。

目前尚不清楚在免疫檢查點抑制效應的背景下，哪些腸道微生物具有免疫調(diào)節(jié)作用。盡管基因組測序提供了關于腸道微生物群落發(fā)育結構及功能的有用信息，但未明確闡明微生物的具體代謝及效應過程。在未來研究中，識別與ICI反應性或非反應性相關的其他生物標志物至關重要。

3 小結

許多細胞毒性藥物會導致胃腸黏膜炎癥，這與腸道屏障惡化和細菌移位有關。這些藥物會引起中性粒細胞減少，細菌移位可導致全身感染，從而需要抗生素干預。而抗生素的使用會擾亂腸道微生物群落甚至使有益菌群喪失，隨之發(fā)生的微生物群落失穩(wěn)態(tài)會引發(fā)一系列問題。通過補充和調(diào)整外源性腸道微生物，可能有助于維持抗腫瘤治療患者的腸道微生物穩(wěn)態(tài)。一項單中心回顧性研究選取長程化療伴復發(fā)、難治性艱難梭菌感染的患者，以糞便微生物移植的方式幫助患者重新建立腸道微生物穩(wěn)態(tài)[27]。所有患者艱難梭菌平均感染4次，萬古霉素、甲硝唑等藥物平均治療106d，經(jīng)糞便微生物移植治療的患者存活超過60d；提示糞便微生物移植是一種安全、有效的治療方法[27]。益生菌具有激活細胞保護途徑、緩解活性氧種類、替換致病細菌和維持腸屏障完整性的作用。對150例接受基于5-氟尿嘧啶化療的結直腸癌患者進行益生菌補充，結果發(fā)現(xiàn)3～4級腹瀉發(fā)生率較安慰劑組明顯降低[28]。一項薈萃分析結果表明，益生菌補充可降低癌癥患者腹瀉發(fā)生率[29]。對于盆腔惡性腫瘤化放療導致胃腸道黏膜炎癥的處理，目前專家共識和指南均推薦使用益生菌來預防和治療腹瀉[30]。

綜上所述，目前關于腸道微生物群落對抗腫瘤治療結局的具體影響尚未明確。現(xiàn)有研究資料及證據(jù)提示，腸道微生物穩(wěn)態(tài)可能是抗腫瘤治療成功的一個重要條件。