腸道微生態與腫瘤免疫治療的研究進展

丁瑤，張獻全(通信作者*)，孫貴銀

(1.重慶醫科大學附屬第二醫院，重慶 400000；2.江津區中心醫院，重慶 400000)

0 引言

腫瘤免疫治療開辟了腫瘤治療領域的新方向，與手術、化療、放療和分子靶向治療等借助“外力”試圖直接殺傷腫瘤細胞的治療手段不同，免疫治療主要利用自身抗腫瘤免疫機制對腫瘤細胞進行殺傷和持久控制。目前腫瘤的免疫治療主要包括免疫檢查點抑制(Immune checkpoint inhibitors，ICIs)和過繼性細胞治療(Adoptive Cell Transfer Therapy，ACT)。免疫檢查點抑制劑通過正?；瘷C體抗腫瘤免疫應答從而殺滅腫瘤細胞，而后者是指從腫瘤患者體內分離免疫活性細胞，在體外進行基因工程加工和擴增，然后回輸到患者體內，從而達到直接殺傷腫瘤細胞或激發機體的免疫應答殺傷腫瘤細胞的目的[1,2]。

盡管免疫療法顯著改善了多種晚期腫瘤患者的生存預后，但并非所有患者都能從免疫治療中受益，現有的生物標志物如高微衛星不穩定性(MSI-H)，程序性死亡配體1(PD-L1)，腫瘤突變負荷(TMB)等無法可靠地預測治療反應和療效。越來越多的研究證實腸道微生態能夠對宿主的免疫以及腫瘤治療反應產生影響，不僅具有作為免疫治療療效和不良反應預測指標的潛力，通過不同策略調控腸道微生態從而調控免疫治療的設想還使其具有廣闊的應用前景[3]。

1 腸道微生物組簡介

腸道微生態由生活在人體腸道的數萬億微生物，包括病毒、真菌、古細菌以及原生動物和其他微生物的復雜群落組成。這些共生微生物與人類共同進化，具有多種有益于人類健康的功能，包括從飲食中收獲其他難以接近的營養素，維持粘膜屏障的完整性，以及促進免疫系統發育和體內的穩態[4,5]。

腸道微生物組的破壞(生態失調)與包括胃腸道疾病、自身免疫性疾病、神經疾病和代謝性疾病在內的一系列疾病有關[6]。特定的細菌和病毒感染能夠誘發腫瘤形成，并且也影響癌癥治療的相關毒性。臨床研究和小鼠實驗均表明腸道微生態與免疫檢查點抑制劑和其他療法之間存在強烈關聯。臨床前研究模型也證明成功腸道微生物群的調節可以增強治療反應[7,8]。

2 腸道微生態與機體免疫

腸道微生態在先天性和獲得性免疫反應中起著至關重要的作用。所有與宿主相關的微生物都是在出生后通過垂直傳播獲得的，然后通過整個生命中的環境暴露繼續進化。共生的微生物通過調節宿主的免疫系統影響多種生理功能。腸道中定植的某些細菌傳遞不同的信號，這些信號影響先天性和獲得性免疫系統的功能而導致遠離定植位點的全身性結果。通過腸道微生物組可以實現炎癥、感染以及食物和共生抗原耐受性之間的微妙平衡[9]。

腸道微生態對于保持粘膜屏障的完整性和防止腸道泄漏發揮重要作用，在粘膜中的T 細胞和B 細胞具有受微生物群影響位置特異性表型和功能，這些細胞通過抑制對無害抗原的反應和強化腸粘膜屏障功能的完整性來維持免疫穩態。腸道內的微生物及其代謝產物，如短鏈脂肪酸(如丁酸鹽)，可能改變局部和全身性抗炎和促炎細胞因子的平衡，并破壞調節性T 細胞和T 輔助-17 細胞亞群的比例[10,11]。腸道微生物群可能通過基礎信號刺激局部吞噬細胞，從而產生更有效的細胞因子應對感染。

腸道微生態也幫助維持全身免疫。例如，某些種類的雙歧桿菌可以增強阻斷程序性死亡1(PD-1)途徑的T 細胞依賴性抗腫瘤作用，并且由細菌誘導的調節性T(Treg)細胞產生全身性抗炎功能[12]。

腸道微生物群中的不平衡，稱為生態失調，可以通過接近和遠離其誘導部位的T 細胞的活性引發幾種免疫紊亂。越來越多的證據表明，生態失調可以影響局部和全身的抗腫瘤免疫力。例如，癌癥風險增加可能與復發性抗生素暴露有關。腸道細菌調節了血液系統惡性腫瘤中異基因造血干細胞移植(ASCT)后感染和移植物抗宿主病(GVHD)的風險。系統性廣譜抗生素的早期應用與GVHD 和移植相關死亡率的增加有關，可能是由于腸道微生物群中保護性梭菌和布勞特氏菌的消耗[13]。

3 腸道微生物組與免疫治療關系

3.1 免疫檢查點抑制劑

兩個獨立研究小組的結果顯示，共生的腸道微生態影響小鼠模型對免疫檢查點抑制的反應，通過調節腸道微生物群能夠顯著增強治療反應，提示腸道微生物群的組成與癌癥類型的免疫檢查點阻斷治療反應之間存在密切關聯，但兩組實驗中與治療反應相關的菌群構成卻并不相同[14,15]。

除了腸道微生物群與治療反應的關聯之外，Routy 等的研究中發現，兩個獨立的隊列研究了接受抗程序性死亡受體-1(PD-1)抑制劑治療的患者使用抗生素的效果，提供了破壞腸道微生物群會降低治療反應的證據。在免疫檢查點抑制劑治療期間接受抗生素治療的患者中觀察到較低的微生物多樣性，這表明抗生素使用引起的生態失調可能會削弱對抗PD-1 治療的反應。然而，并非所有研究都觀察到抗生素使用與抗PD-1 反應之間的關聯，這些相關研究可能會因需要使用抗生素的健康狀況而混淆[16]。重要的是，在其中幾個隊列中進行的機制研究表明，患腫瘤的無菌小鼠接受對抗PD-1有反應的患者的糞便移植比接受對抗PD-1 有沒有反應的患者的糞便移植，其抗PD-1 治療的反應顯著改善。那些具有更有利的腸道微生物組的患者以及接受應答移植物的小鼠顯示出腫瘤內免疫浸潤的增加[7,8]。

除了腸道微生物組在應對免疫檢查點阻斷方面的作用外，初步研究還顯示腸道微生物組與治療相關免疫毒性之間存在關聯，主要集中在CTLA-4 單抗相關的結腸炎中。在這些研究中，腸道微生物群的基線差異顯示與多個隊列中CTLA-4 單抗相關的結腸炎的發展相關[17,18]。

3.2 過繼性免疫治療

研究發現，腸道細菌在全身放療的作用下被誘導移位至腸系膜淋巴結，再通過TLR4 信號轉導而增強ACT 的療效，給小鼠補充TLR4 配體LPS 同樣可增強ACT 的抗腫瘤反應[19]。同樣地，接受清髓性放療預處理的轉移性黑色素瘤患者對TIL 過繼治療的效果更好。ACT 的療效受腸道菌群的天然組成或抗生素治療后導致的菌群改變或糞菌移植的顯著影響。針對G+菌的萬古霉素可誘導全身性CD8α+DC 的增加，其以IL-12 依賴性方式增強ACT 的療效。這提示有望通過改變腸道菌群來改善ACT 的療效和腫瘤患者的預后[20]。

4 調節腸道微生物組以改善癌癥的治療反應

4.1 糞便移植

雖然在癌癥背景下的糞便微生物群移植剛剛開始進行研究，但這種療法已在艱難梭菌感染(CDI)[21]和炎癥性腸病[22]等疾病中得到廣泛證實，這可能為設計治療癌癥方面試驗提供重要參考依據。通過從供體移植整個腸道微生物生態系統的糞便移植與單一有益細菌的遞送相比具有多種潛在優勢。首先，引入細菌的植入可能在整個社區移植的環境中更加穩健，受體微生物組的競爭排斥較低。移植整個生態系統可以移植假定的有益細菌和整個支持生態系統以及整體的多樣性。

值得注意的是，在復發性艱難梭菌感染的嚴重不良狀態下，單次輸注健康供體糞便微生物群移植治療可獲得臨床益處和持久性微生物群植入[21]。然而在其他疾病中，天然微生物群沒有被抗生素反復破壞并且由單一致病菌株支配，單一糞便微生物群移植的持久植入更具有挑戰性[22,23]。

4.2 飲食、益生菌、益生元、后生元

腸道微生物群密切參與人類消化和營養物消化吸收的每一步[24]。腸道微生物群改變了食物的營養供應，釋放出許多人體無法消化的營養素。除此之外，飲食可以影響各種腸道微生物群(細菌、病毒、真菌、原生動物和噬菌體)的組成以及它們的轉錄和代謝組學特征[25,26]。急促的飲食變化可以在相對較短的時間內導致腸道微生物群落結構的變化[27]。飲食改良對特定腸道微生物群組成的存在影響，消除與擬桿菌減少有關的動物脂肪攝入[28]和增加短鏈脂肪酸(SCFA)有關的高纖維飲食會產生細菌[29,30]。這些變化也被證明會影響小鼠的免疫反應和人類的新陳代謝。鑒于這些發現，最終可能會在癌癥治療的影響中考慮飲食影響[25,31,32]。

除了飲食，益生元和后生元也可用于調節腸道微生物群。益生元由特定的化學物質組成，這些化學物質促進選擇性細菌群的生長，從而促進多樣化和“健康”的微生物群。果聚糖(包括低聚果糖和菊粉)等物質，已被證實可選擇性地刺激特定細菌類群的生長并改變腸道內的短鏈脂肪酸水平[33]。例如已在小鼠模型中研究過的SCFA(如丁酸鹽)，作為高纖維飲食的組分或在飲用水中用于預防結直腸癌[34]。

此外，目前還在研究噬菌體用于調節微生物群治療疾病的治療策略。噬菌體是感染細菌的病毒，是腸道病毒的最豐富和多樣化的成員[35]，它們可以用于以非常選擇的方式殺死細菌。在臨床前模型中，噬菌體已被證明與針對特定細菌類群的抗生素具有相同的功效，同時對共生的非靶向細菌的破壞較少。有趣的是，最近的研究表明，噬菌體實際上也可能以其他方式塑造腸道微生物群，并且可能部分地有助于FMT 對CDI 的功效[36]。然而，需要進一步研究以了解這些藥物的作用機制和可能的耐藥性，安全性和產品制備以及對正常菌群和免疫系統的潛在影響[37]。

4.3 把腫瘤微生物作為靶點

除了調節腸道微生物群以影響癌癥治療之外，目前正在努力靶向腫瘤微生物群以阻止癌癥進展并增強對癌癥治療的反應。因為一些研究現已證明瘤內細菌對結直腸癌和胰腺癌的治療反應有害[38,39,40]。重要的是，通過使用抗生素消除這些腫瘤中的細菌與改善化療反應和免疫檢查點阻滯有關。但是還必須考慮全身性抗生素使用對腸道微生物群的影響。

另一種針對腫瘤微生物群的創造性策略是利用了基因工程細菌對腫瘤的控制，用生物工程技術使這些細菌能夠直接殺死腫瘤細胞或產生有利于抗腫瘤免疫反應的免疫微環境。例如用表達源自弧菌的TLR5 配體鞭毛蛋白的減毒沙門氏菌菌株引發免疫應答，該免疫應答促進了針對小鼠的原位結直腸癌細胞的抗腫瘤免疫活性[41]。但是，在患者中使用感染因子作為治療方式仍然存在安全問題，需要謹慎對待[42]。