益生菌免疫調節及抗腫瘤作用研究進展

肖雪筠,新華·那比

(新疆醫科大學藥理學教研室,新疆烏魯木齊 830000)

根據全球疾病負擔報告[1]可知,截止到2017年,全球范圍內,傳染病患者、孕產婦、新生兒和營養性疾病患者(CMNN)的死亡人數占全球死亡人數的18.6%(1040萬),而慢性非傳染性疾病(NCD)占73.4%(4110萬);在慢性非傳染性疾病中,造成最多死亡人數的三類死因為:心腦血管疾病1780萬;腫瘤956萬;慢性呼吸系統疾病391萬;腫瘤相關死亡占NCD總死亡數的23.3%,由此可見,惡性腫瘤已經成為威脅人類健康的重大因素之一,如何降低腫瘤患病率,提高腫瘤治愈率和生存率成為腫瘤治療中亟待解決的問題。目前,常規的治療方式有:化療、手術和放療以及腫瘤免疫治療等[2]。益生菌常作為放療或化療后的補充劑,應用于抵抗腫瘤治療中的不良反應[3]。

近年來,益生菌一直是國內外研究的熱點,其功能和作用機制受到越來越多的關注,研究發現,益生菌在調節腸道菌群、預防糖尿病、提高機體免疫力等方面具有一定作用。此外,其還可通過腦-腸軸影響情緒和精神表現[4],通過肺-腸軸影響肺部穩態[5]。其與抗癌藥物聯用可以增強對實體瘤的免疫反應,未來可能作為一種良好的抗癌輔助劑[6]。

本文將通過益生菌對消化、呼吸、運動和生殖系統腫瘤的作用,以及對免疫細胞及代謝的影響進行綜述,闡明益生菌通過調節腸道菌群及其代謝產物,對腸道或其他組織器官腫瘤產生的影響,為益生菌功能的進一步研究及臨床應用提供思路。

1 益生菌對各系統腫瘤的作用

有文獻表明,使用益生菌補充劑可以阻止接受胃旁路手術患者的脂多糖結合蛋白(LBP)水平升高,并且改善血清TNF-α和25-OH維生素D3的濃度[7]。但使用益生菌補充劑時間長短與調控這些指標的動態關系尚不清晰。目前,益生菌的作用機制多以對免疫的調節作用為出發點。

1.1 益生菌對消化系統腫瘤的作用

在益生菌對消化系統的影響體系中,腸道微生物群通過控制腸道相關淋巴組織(GALT)的發育和功能活性在免疫系統中發揮關鍵作用,包括Peyer氏斑、孤立淋巴濾泡和腸系膜淋巴結[8]。益生菌及其代謝產物丁酸鹽產生菌對宿主微生物群落具有正向調節作用,其可改善腸道上皮的屏障功能,將其接種到炎癥性腸病(IBD)和克羅恩病(CD)患者的糞便微生物群落中,可以促進丁酸鹽的產生并提升腸上皮屏障的完整性[9]。此外,某些益生菌[10]具有的腫瘤免疫作用可能與其改善腸道炎癥,調節腸道免疫微環境和幫助恢復宿主腸道免疫平衡[11]的功能有關。

研究發現,丁酸桿菌和枯草桿菌可抑制結直腸癌細胞增殖,引起細胞周期停滯,促進細胞凋亡[12],說明益生菌對腸道腫瘤具有一定的抑制作用,這為益生菌的抗腫瘤作用機制研究奠定了基礎。Igor等[13]發現益生菌對慢性炎癥性疾病和代謝綜合癥具有正向作用,除了調節游離脂肪酸、膽汁酸丁酸鹽、GABA、脂多糖、Toll樣受體的作用之外,還發現益生菌具有預防腫瘤的作用,可誘導腫瘤細胞凋亡,其代謝產物可使致癌物失活,通過增強腸道菌群和宿主飲食中的有效成分間的相互作用來降低患癌風險[14]。也有研究證明多種益生菌具有抑制結腸癌發展進程的作用[15]。保加利亞乳酸桿菌可以調節結腸菌群的結構和腸腔代謝功能(增加短鏈脂肪酸水平),對二甲基肼(DMH)誘導的大鼠早期大腸癌有預防作用[16]。有研究顯示,腸道菌的再生能夠增強免疫檢查點阻斷劑的療效[17],因此,通過攝入益生菌調節腸道菌群有利于腸道腫瘤的治愈。

1.2 益生菌對呼吸系統腫瘤的作用

有學者研究益生菌對肺炎的治療作用,發現益生菌聯合使用的效果更好,因此治療時需考慮微生物-微生物和微生物-宿主互作之間的關系[18]。益生菌可以通過自身及代謝產物影響腸道菌群,通過肺-腸軸的作用調節肺部免疫穩態,改善肺部炎癥狀態。丁酸作為一種短鏈脂肪酸(SCFAs),是腸道菌群產生的一類代謝產物,同時也是益生菌代謝產物中重要的組成部分,與炎癥的發生密切相關。腸道微生物發酵膳食纖維可以產生短鏈脂肪酸,它們能夠影響單核細胞等免疫細胞的生成,這些單核細胞遷移到肺部,變成樹突狀細胞(DC),抑制幼稚T細胞(naive T cells)向Th2細胞分化,抑制炎癥反應,促進其分化為Treg細胞,維持機體免疫平衡[19],也印證了益生菌對肺-腸軸的影響。肺、腸炎癥疾病可能經常共存。研究發現,在133名腸應激綜合征患者中33%患有一定程度的呼吸系統問題[20],除此之外,慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者發生潰瘍性結腸炎和克羅恩病的可能性是健康對照組的近三倍[21]。這些研究表明,益生菌可以通過其代謝產物來調節腸道菌群紊亂,進而減輕遠端炎癥。

此外,益生菌霧化吸入治療可以減少肺轉移腫瘤生長,可以恢復因霧化吸入抗生素引起的肺部微生態環境破壞,促進肺部抗原提呈細胞(APC)的成熟,同時增加化療藥物達卡巴嗪的療效[22]。證明益生菌可以在一定程度上拮抗因抗生素產生的免疫細胞減少,促進靶器官微生態環境的恢復,并可以在應用化療藥物的同時,聯合使用益生菌,達到增加某些化療藥物的治療效果,減輕化療藥物產生的副作用,這初步驗證了益生菌在腫瘤免疫方面的良性作用,由此可知,益生菌可以作為一種免疫治療策略應用于腫瘤和其他免疫失衡導致的疾病。

1.3 益生菌對運動系統腫瘤的作用

有研究證實,對卵巢切除(ovx)小鼠給予嗜酸乳桿菌(LA)可強化骨小梁和皮質骨微結構,同時增加骨的礦物質密度和異質性。LA的這種作用是基于其對宿主免疫系統的免疫調節作用,LA通過抑制破骨細胞生成的Th17細胞和促進卵母細胞中的抗破骨細胞生成的Treg細胞來改變Treg-Th17細胞的平衡,同時抑制破骨細胞因子(IL-6、IL-17、TNF-α和RANKL)的表達,增加抗破骨細胞因子(IL-10、IFN-γ)的表達[23]。這說明LA作為骨保護劑在增強骨健康方面有治療潛力,即通過調整Treg-Th17細胞平衡治療絕經后骨質疏松癥。另外,鼠李糖乳桿菌(LGG)或其產生的丁酸鹽可調節睪丸和骨髓中調節性T(Treg)細胞的頻率,因此,LGG及其代謝產物可以起到預防和治療骨質疏松癥的作用[24]。綜上,微生物的代謝產物丁酸鹽可能通過影響調節性T細胞介導多種蛋白表達發揮免疫調節作用。因此,益生菌及其代謝產物具有免疫調節作用,在骨質疏松、腫瘤、炎癥性腸病等多種疾病的預防上有應用前景。

1.4 益生菌對生殖系統腫瘤的作用

益生菌對乳腺癌也有一定的抑制作用[25],乳酸菌干酪能激活乳腺免疫系統發揮抗腫瘤作用[26],或可刺激機體的抗癌免疫反應[27],另有研究證明,乳酸菌可以通過刺激營養物質的供應,塑造免疫系統,防止病原微生物的定植,對人體健康起著至關重要的作用。干酪乳桿菌SR1、干酪乳桿菌SR2和從母乳中分離出的副干酪乳桿菌SR4表現出明顯的益生菌特性,如良好的抗生素敏感性、顯著的抗氧化活性、可以上調凋亡基因bax、bad、caspase3、caspase8和caspase9的表達以及下調bcl-2基因的表達[28],證實了益生菌對宮頸癌(hela)細胞具有一定的抗癌作用。總的來說,這些結果表明,益生菌主要通過激活免疫,下調癌細胞凋亡基因的表達、增強機體的抗癌免疫反應,起到預防和治療乳腺癌和宮頸癌的效果,可被視為具有潛在治療指標的局部藥物。

2 益生菌對免疫細胞的作用

微生物及其產物是免疫系統在早期形成過程中區分自身與非自身(入侵者)以及先天性血液淋巴細胞(ILC1、2和3),自然殺傷(NK)細胞以及細胞毒性和非細胞毒性的激活和維持所必需的。輔助淋巴細胞、NK細胞和ILC1產生大量的IFN-γ、抗菌肽(AMPs)、顆粒溶素、防御素、溶菌酶和RegIIIγ,它們共同起到調節微生物生態和免疫監視的重要作用[29]。因此,腸道細菌能夠對全身免疫系統起到一定的控制作用。因為特定物種的喪失可能導致過度反應或抑制先天免疫反應[30]。腸道微生物還可以影響免疫代謝,影響免疫細胞進行生化活動的中樞,從而改變基因表達譜和轉換代謝途徑及其關鍵酶。由于腸道微生物改變而發出的刺激信號可使各種免疫細胞,特別是巨噬細胞、樹突狀細胞和T細胞表現出不同的重編程代謝途徑,以促進它們的活化、存活和譜系的產生[31]。故攝入或移植益生菌可調節腸道菌群結構,刺激免疫細胞的活化和代謝,從而發揮對腸道或遠端組織和器官的免疫監視作用,調節機體免疫平衡,維護機體健康。

2.1 益生菌對T細胞的影響

益生菌可以通過調節腸道菌群結構,影響免疫細胞活性,同時調節能量代謝和巨噬細胞極化,進而發揮抗腫瘤活性。糖酵解是生物體內普遍存在的代謝途徑,巨噬細胞、T細胞和其他免疫細胞均使用糖酵解產生的限制感染的自由基氧(ROS)。糖酵解還可以促進ATP和代謝中間體的快速產生,這些可以用于巨噬細胞的RNA和蛋白質DNA的生物合成。糖酵解是激活樹突狀細胞,CD4+T輔助細胞1(Th1),Th2和Th17細胞,NK細胞和細胞毒性CD8+細胞的優先途徑[32]。而這種對有氧糖酵解的代謝適應也被看作腫瘤細胞的標志。且已有研究證實,新疆傳統發酵駝乳在此方面具有優勢,其中的益生菌和免疫活性肽能夠通過調節Th1/Th2平衡,發揮免疫保護作用[33-34],但并未證明益生菌的劑量依賴性。

2.2 益生菌對巨噬細胞的影響

巨噬細胞在響應刺激或極化信號引發促炎或抗炎反應后會改變其新陳代謝方式和功能,表現為M1和M2兩種表型。M1細胞顯示出Th1定向的促炎效應特性,表現出導致組織損傷、抗微生物特性和抗腫瘤活性,而M2細胞表現出組織重塑和修復功能,促進傷口愈合,血管生成,并顯示出抗寄生蟲特性,有利于腫瘤生長。M1/M2重編程代謝途徑可以改變巨噬細胞的功能,改變吞噬作用、抗原呈遞和細胞因子的產生[35]。巨噬細胞M1和M2表型都可以通過氧、營養素、細胞因子以及損傷和病原體相關的分子模式(DAMP-和PAMP-)介導的信號來控制[36]。益生菌可以作為一種外源性的營養素介導巨噬細胞極化,從而輔助巨噬細胞產生抗腫瘤作用。

2.3 益生菌對樹突狀細胞的影響

腸道內存在的益生菌和其他共生細菌在樹突狀細胞(DC)的調節作用中也很重要[37],樹突狀細胞(DC)負責對環境中的致病入侵者進行采樣,并釋放細胞因子或趨化因子以刺激免疫反應。益生菌可通過影響樹突狀細胞的作用,調節天然免疫反應。

2.4 益生菌對NK細胞的影響

已發現某些益生菌菌株可增強先天性免疫反應(特別是吞噬作用和NK細胞活性)[38]。NK細胞是先天免疫系統的一部分,可分泌細胞因子和殺死病毒感染的細胞及腫瘤細胞,其可通過靶向清除來保護宿主免受病原體和轉化細胞的侵害,這些活性是維持NK細胞毒性功能正常的重要基礎,而存在于人體的乳酸菌可以增強NK細胞的活性[39]。

3 益生菌對代謝的影響

3.1 益生菌影響腸道代謝產物

益生菌及其代謝產物能夠通過調節腸道菌群結構、影響免疫細胞重編程,發揮一定的抗腫瘤作用。這些作用均離不開益生菌對代謝的影響。其抗腫瘤作用與其代謝產物的密切關系體現在:短鏈脂肪酸(丁酸)可以調控基因表達和癌變,其通過使攝入的致癌物或致突變的化合物降解失活的作用來起到預防和清除癌變的效果[40]。這種作用可能與宿主的飲食結構中膳食纖維的攝入量有關,攝入膳食纖維多者會造成消化系統丁酸鹽產量增加,腫瘤抑制代謝物增加,從而抑制消化道腫瘤相關細胞系的生長,特別是在結直腸癌患者中有明顯體現[41]。可見飲食結構與腸道菌群和菌群代謝產物之間的相互作用也逐漸成為預防腫瘤疾病的主要著手點。短鏈脂肪酸產生的多種有機鹽類物質影響一系列生理生化反應過程,如丁酸鹽作用于結腸細胞,杯狀細胞和Paneth細胞,能夠為細胞代謝提供能量,并調節細胞凋亡,細胞分化以及核蛋白和核酸的化學修飾。乙酸鹽和丙酸鹽進入血流并被肝臟和外周器官吸收,其可以作為糖原異生和脂肪生成的底物[42]。但是它們與結直腸癌等腫瘤的發生發展的因果關系還不確定,有待進一步研究。

3.2 益生菌影響能量代謝

從能量代謝角度看,腸道微生物群落可以提供酶促機制和代謝途徑,有助于各種生物活性物質如短鏈脂肪酸(SCFA)、氨基酸,維生素等的產生。它們對于糖酵解,三羧酸循環,氧化磷酸化(OXPHOS)以及氨基酸和脂肪酸代謝的相互關聯途徑是必需的[43]。研究已經闡明了促進代謝過程的營養素通過對生理和病理條件下的巨噬細胞產生不同刺激的反應,使巨噬細胞被激活,從而獲得特殊功能。益生菌可以通過差異消耗葡萄糖,谷氨酰胺和氧來控制巨噬細胞的兩種主要炎性表型[44]。M1表型由細菌脂多糖(LPS)和Th1促炎細胞因子如IFN-γ,TNF-α和IL-1β或兩者的極化信號觸發,而M2表型由Th2細胞因子如IL-4和IL-13以及抗炎細胞因子IL-10和TGFβ或糖皮質激素觸發。葡萄糖利用和化學介質的產生,包括ATP、活性氧(ROS)、一氧化氮(NO)和NADPH支持M1巨噬細胞的效應活性[45]。故益生菌可以促進巨噬細胞活化,影響其M1/M2極化,促進腫瘤浸潤,提高機體抗腫瘤免疫力。

4 益生菌與免疫檢查點協同作用

有研究表明,可以使用免疫檢查點阻斷的方法進行腫瘤免疫治療[46]。免疫檢查點的激活限制了抗腫瘤免疫反應,可以通過阻斷細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白(CTLA-4)和程序性死亡(PD-1)途徑實現。但是這種方法也存在一定的局限,即會產生免疫檢查點獲得性耐藥反應,這種作用主要與抗原表達和IFN-γ信號通路有關[47]。越來越多的證據支持不同腸道菌群在腸內和腸外腫瘤的發生和發展具有關鍵作用。腸道細菌與免疫檢查點阻斷劑協同作用,可以優化對多種實體癌的免疫反應[48]。但是每種腸道細菌在癌癥發生和治療反應中所起的確切作用仍處于研究的初期階段,所以具有很大的研究價值和潛力。這些還需要在小鼠模型中進行進一步的驗證。

4.1 益生菌應對腫瘤突變負荷增加

研究證明免疫檢查點阻斷劑[49]對含有突變相關新抗原負荷增加的腫瘤具有顯著的治療作用,同時某些菌株能夠增強抗癌藥物觸發的免疫反應,說明益生菌與免疫檢查點阻斷劑協同作用可能作為未來治療的新思路,益生菌的雞尾酒療法加上特別的飲食補充劑可作為新型抗癌佐劑[50]。有研究揭示了益生菌和PD-1之間的相關性對動物結直腸癌的影響。用益生菌治療大鼠,可降低DMH誘導的結腸直腸粘膜中PD-1的表達,聯合應用益生菌和吡羅昔康治療可顯著降低PD-1的表達[51]。因此,益生菌可能作為一種有效的預防結直腸癌的藥物。除此之外,益生菌還能通過影響免疫細胞重編降低使用免疫檢查點阻斷劑產生的耐藥性,增強檢查點阻斷療效,提高對腫瘤突變負荷增加的腫瘤的治療效果,為腫瘤免疫療法提供了新思路。

4.2 益生菌影響腫瘤微環境

在慢性病毒感染和癌癥中,T細胞長期暴露于持續的抗原刺激下,最終導致T細胞耗竭,表現為T細胞增殖、分泌細胞因子和殺傷靶細胞等功能的喪失[52]。這通常與腫瘤控制效率低下和持續性病毒感染有關。T細胞功能對改變腫瘤微環境至關重要,在腫瘤微環境中,T細胞功能障礙是腫瘤逃逸免疫監視的關鍵機制[53],免疫檢查點阻斷可通過恢復免疫以消除癌癥或病毒感染細胞,從而使功能失調/耗盡的T細胞恢復活力。益生菌對腫瘤微環境中T細胞功能的作用以及癌癥治療中新的免疫檢測點目標分子的確定存在一定的聯系[54],使益生菌通過調控免疫檢查點分子的表達起到腫瘤免疫作用的治療方案成為可能。

5 展望

目前,國內外對益生菌的研究不再聚焦于其抗炎抗動脈粥樣硬化、抗糖尿病方面的作用。轉而將重點放在它們在免疫調節和抗腫瘤方面的作用機制。目前來看,益生菌所具有的抗腫瘤活性與之存在的免疫調節作用分不開,腸道作為人體十分重要的免疫器官之一,在抵御外來病原體方面發揮著非常重要的作用,而益生菌抗腫瘤作用則主要通過調節腸道菌群,使有益菌群增多,有害菌群減少,并通過增加代謝產物(SCFV)的含量,進而影響免疫細胞的增殖、分化,發揮對其他組織器官腫瘤的預防、治療作用。其可通過重建器官免疫穩態,影響腫瘤微環境,與免疫檢查點阻斷劑等抗腫瘤藥物協同作用,進一步抑制腫瘤細胞增殖,促進其凋亡,最終發揮抗腫瘤的作用。可見益生菌在免疫調節及抗腫瘤方面具有很大的研究價值,這為發酵乳品研究奠定了一定基礎。未來可以探討乳品發酵菌及其代謝產物或免疫活性物質在調節免疫、抗腫瘤、維持腸道穩態,增強化療藥物活性、保護腸黏膜屏障、探究宿主-菌群互作等方面的機制,為益生菌制劑的開發,甚至臨床應用提供理論依據。此外,益生菌在癌癥背景下如何調節腸道微生物組成結構,以及對未來抗腫瘤治療的意義仍有待進一步研究。