下呼吸道菌群失調與肺癌發生發展關系的研究進展

陳倩倩 張景熙 白沖

上海市第二軍醫大學附屬長海醫院呼吸科200433

人類微生物組計劃發現人體內微生物與約20%的惡性腫瘤有關[1],其中最具特征性的微生物-癌癥關系是腸道微生物與消化系統腫瘤之間的關系,如胃癌[2]、結腸癌[3]。近年來,隨著支氣管鏡技術應用于下呼吸道樣本采集以及高通量測序基因組學技術應用于下呼吸道菌群分析,下呼吸道菌群與呼吸系統疾病的關系已成為目前的研究熱點。研究發現,COPD、肺纖維化及哮喘患者下呼吸道中存在菌群定植,且其下呼吸道菌群的多樣性、相對豐度或菌群功能與健康人群間存在差異[4]。肺癌是目前全世界男性和女性癌癥死亡的最常見原因之一。肺癌患者的5年生存率為20%[5]。下呼吸道菌群與肺癌風險之間的關系已有報道。因此,了解下呼吸道菌群如何影響肺癌的發展和治療效果可能是預測癌癥發展風險、提高治療效果和安全性的關鍵。本綜述就近來有關下呼吸道菌群與肺癌關系的研究結果、下呼吸道菌群在肺癌發生發展中可能發揮作用的潛在機制及在肺癌診治中的應用進行回顧分析。

1 下呼吸道菌群概述

人體呼吸道分為上、下呼吸道。上呼吸道包括前鼻孔、鼻道、副鼻竇、鼻咽和口咽,以及聲帶以上的喉部,下呼吸道包括聲帶以下的喉部、氣管、較小的氣道 (即支氣管和細支氣管)和肺泡。由于特殊的解剖位置和傳統培養基的局限性,健康人下呼吸道長久以來被認為是無菌的[6]。直到2010年Hilty等[7]利用16S r RNA 測序發現了下呼吸道菌群,隨后下呼吸道菌群與呼吸系統疾病的關系日益受到重視。下呼吸道采集的標本主要有痰、支氣管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid,BALF)、保護性毛刷刷檢物和侵入性操作的支氣管鏡活檢標本[8]。有研究者收集了6名健康成年人的BALF、保護性毛刷刷洗液,發現從上、下呼吸道的菌群組成幾乎無差別,僅生物量逐漸下降。健康人呼吸道內主要定植著五大菌門:厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、梭桿菌門,其中厚壁菌門、擬桿菌門在下呼吸道數量比上呼吸道多,下呼吸道菌群構成與健康和疾病關系密切[9]。另一研究收集了8例成年無肺部疾病志愿者的支氣管鏡檢標本,發現下呼吸道和口咽部菌群均以普雷沃菌屬和韋榮球菌屬占優勢,同時證實了支氣管鏡檢雖然經過上呼吸道,但對下呼吸道菌群影響甚微[10]。

2 下呼吸道菌群與肺癌

目前,已有研究發現肺癌患者痰液或BALF 標本中普雷沃菌屬、鏈球菌屬、韋榮球菌屬豐度表達增高[11]。Huang等[12]發現普雷沃菌屬在肺癌患者BALF中占主要成分,其后依次為鏈球菌屬、韋榮球菌屬及奈瑟菌屬,存在遠處轉移腺癌患者BALF 中鏈球菌屬豐度低于無遠處轉移患者,有遠處轉移的鱗癌患者中韋榮球菌屬顯著高于未轉移者。同樣,Lee等[13]發現韋榮球菌屬在肺癌患者下呼吸道含量明顯增高。Laroumagne等[14]發現革蘭陰性菌如流感嗜血桿菌、腸桿菌屬和大腸桿菌在肺癌中更常見。另有研究表明,在晚期癌癥患者的組織中,溫熱桿菌更為豐富,而在發生轉移的患者中,軍團菌則更為豐富[15]。此外,Patnaik等[16]還發現下呼吸道細菌菌群與早期非小細胞肺癌術后復發相關。上述結果的不一致提示下呼吸道菌群主要以口腔厭氧菌屬及革蘭陰性菌為主,但存在多樣性及異質性,可能與人種、疾病的不同分期等存在一定關系,仍需進一步研究。

3 下呼吸道菌群失調引起肺癌發生發展的機制

雖然除了一些細菌、病毒外,幾乎沒有微生物本身是致癌的,但最近有研究表明肺組織微環境的變化與微生物定植有關[17],可能下呼吸道菌群通過改變肺組織環境參與了肺癌的發生發展,主要機制歸納如下。

3.1 炎性微環境介導的炎性通路的活化促進肺癌的發生發展 肺癌患者在疾病過程中經常出現下呼吸道感染[18],而下呼吸道感染也會影響肺癌治療的療效和患者的總體生存率[19]。近來已有研究發現下呼吸道菌群失調與腫瘤的炎性微環境相關。眾所周知,慢性炎癥是肺癌的危險因素,如COPD[20]。有研究發現,在COPD 患者中,不可分型流感嗜血桿菌 (NTHi)等變異細菌可誘導上皮細胞因子IL-17C的產生,而IL-17C是參與慢性炎癥和炎癥相關腫瘤發生和發展的重要炎癥因子[21]。此外,研究表明,鏈球菌屬通過TLR2受體上調IL-6表達,增加肺腺癌細胞黏附活性促進肝轉移發生[22]。Tsay等[23]發現普雷沃菌、鏈球菌及韋榮球菌可通過激活肺癌細胞PI3K、ERK1/2和VEGF信號通路,誘導IL-1β、IL-18、IL-6 等炎性介質表達,并招募炎性細胞形成局部慢性炎癥,促進腫瘤進展。細菌除了產生促炎因子,導致氣道上皮細胞慢性炎癥和增殖信號通路上調,誘導上皮細胞轉化和腫瘤發生外,還可以直接影響上皮細胞的致癌途徑 (癌基因)。研究發現煙草煙霧導致肺上皮細胞的TP53基因突變,從而受到細菌的入侵,促進肺部腫瘤的發生[24]。

3.2 免疫微環境介導的免疫激活促進肺癌的發生發展 在宿主免疫-微生物的關系中,肺部免疫耐受和激活之間的微妙平衡可能會因過度使用抗生素、改變飲食或慢性感染而發生改變,這可能會增加肺癌的風險[25]。肺部微生物群通過募集樹突狀細胞、γδT 和T 調節細胞誘導機體產生免疫耐受。研究發現抗生素治療的小鼠 (Abt)對Lewis肺癌細胞更敏感,并在Abt小鼠肺中發現γδT17 細胞反應缺陷,添加正常的γδT 細胞或補充IL-17可恢復Abt小鼠受損的免疫監視表型,從而證明了細菌在宿主抗腫瘤免疫中的重要作用[26]。值得注意的是,正常菌群可以促進正常免疫耐受的維持,同樣,在某些情況下,它們也可能為癌癥創造一個允許的環境。例如,一些細菌可能幫助癌細胞定植于肺組織并建立肺轉移。Le Noci等[27]研究發現,局部抗生素治療減少了肺轉移瘤的種植,這一效果與免疫反應的調節有關。因此,微生物誘導的免疫反應對癌癥患者是有利的還是有害的,可能取決于其所涉及的特定類型的細菌。例如,肺部菌群介導輔助性T細胞1型(T helper 1,Th1)細胞、Th17細胞、γδT 細胞激活免疫反應,從而促進肺癌的發生[28-29]。與致癌性免疫相反,針對某些細菌菌株的特異性CD8+T 細胞通過增強免疫反應來輔助傳統化療[30]。此外,這一發現還在小鼠實驗中得到了證實:通過霧化吸入抗生素 (萬古霉素/新霉素)或益生菌 (鼠李糖乳桿菌)改變肺部菌群的組成,激活強免疫反應,從而抑制腫瘤的肺轉移[26]。這些結果證實了肺部細菌在抗腫瘤免疫反應中的關鍵作用,并主張不同細菌種類之間的平衡對抗腫瘤免疫反應至關重要。

3.3 代謝微環境介導的代謝調控促進肺癌的發生發展 近年來研究發現,細菌參與調節宿主代謝,細菌利用宿主細胞的代謝物如氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等,同時,其產生的代謝物也會影響腫瘤的發生和發展。研究發現,普雷沃菌可促進細胞分泌揮發性硫化合物例如硫化氫、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫化物等致癌物質,影響腫瘤的生長和擴散、抑制細胞凋亡、增強腫瘤血管生成[31]。菌群還可以通過細菌脂多糖、短鏈脂肪酸等來調節肺部免疫或炎癥反應。細菌脂多糖又稱細菌內毒素,是革蘭陰性菌細胞壁的重要組成成分,能促進肺癌細胞的生長[32]。短鏈脂肪酸,如丙酸鹽,體外實驗證實可以抑制肺癌細胞株的增殖[33]。人類所需的20 種必需氨基酸,部分可由共生菌群代謝產生,如脯氨酸、色氨酸[34]。這些氨基酸可以通過控制核苷酸和蛋白質的合成來限制腫瘤細胞的生長,同時其下游代謝產物與人體的免疫功能密切相關。有研究證實精氨酸的下游代謝產物如鳥氨酸和瓜氨酸影響T 細胞的激活[35]。此外,細菌還會產生與氨基酸代謝相關的酶,如天冬酰胺酶。一項研究顯示,天冬酰胺抑制ATF4介導的非小細胞肺癌 (non-small cell lung cancer,NSCLC)細胞的凋亡[36]。還有研究發現酪氨酸處UDP-葡萄糖-6-脫氫酶的磷酸化與肺癌患者的轉移復發和預后不良相關[37]。但目前有關肺部菌群的代謝產物對肺癌的影響還需進一步證實。

4 下呼吸道菌群的調節在肺癌治療中的進展

4.1 基礎研究的進展 雖然大多數微生物與腫瘤的研究都集中在腸道微生物上,但是有一些研究已經發現下呼吸道菌群可能與肺癌的療效有關。體內實驗發現,用順鉑與萬古霉素、氨芐青霉素和新霉素的抗生素混合物聯合治療的Lewis肺癌小鼠,其腫瘤的大小要遠大于單用順鉑的小鼠且存活率顯著降低。相比之下,順鉑聯合乳桿菌治療的小鼠腫瘤更小,存活率更高[38]。抗生素霧化是一種新的治療策略,讓氣道中獲得較高的抗生素濃度,同時以最小的不良反應最大限度地殺滅細菌。實驗證明,在萬古霉素/新霉素霧化吸入的小鼠中觀察到B16 (黑色素瘤細胞)肺轉移的數量減少,BALF 中共生細菌負荷降低。為了評估肺部菌群對腫瘤轉移生長的影響,從接受抗生素治療的小鼠BALF中分離出有差異的細菌,霧化吸入后可以減少肺部腫瘤的轉移,用從未治療小鼠肺部分離的共生菌重新定植抗生素治療小鼠,發現定植的共生菌能夠逆轉抗生素治療的抗腫瘤作用[27]。此外,肺部給藥的優勢還包括對腸道菌群影響最小,避免了腸道菌群失調對全身免疫的影響[27]。基因靶向治療也可以特異性地殺傷腫瘤細胞,而不傷害正常細胞和組織。雙歧桿菌屬于非致病性專性厭氧菌,可以在惡性腫瘤組織中特異性富集,所以可將自殺基因和免疫調節因子等導入雙歧桿菌中,讓這些雙歧桿菌作為藥物傳遞系統靶向進入乏氧的腫瘤組織,在腫瘤中特異性地增殖,從而達到治療腫瘤的目的[39]。例如,構建雙歧桿菌介導的fms 酪氨酸激酶受體 (soluble fms-like tyrosine kinase receptor,sFlt-1)基因轉移系統,可以在基因和蛋白質水平上表達sFlt-1,顯著抑制VEGF 誘導的人臍靜脈內皮細胞的生長,從而更有效、安全地抑制小鼠Lewis肺癌的生長,延長其生存時間[40]。體外實驗發現,益生菌本身也具有良好的抗腫瘤效應。例如,雙歧桿菌可誘導NSCLC 細胞的凋亡,并通過下調基質金屬蛋白酶-9 的表達抑制其侵襲[41]。

4.2 臨床研究的進展 近來提出的腫瘤微生物治療理論認為通過上調抑癌細菌或下調促癌細菌等手段有助于調節局部微生物菌群失調,具有改善局部免疫、降低肺部炎癥、提高化療、放療及免疫治療療效等作用,將日漸成為腫瘤治療的一個重要環節[42]。已有研究表明益生菌干預能改善化療、免疫等相關治療的療效與不良反應。例如丁酸梭菌可以減少肺癌患者化療引起的腹瀉,降低全身炎癥反應[43]。Routy等[44]發現在接受ICIS 治療的NSCLC 患者中,以前接受抗生素治療的患者預后較差。雖然這項研究的重點是抗生素治療期間腸道微生物群的變化,但預計這些變化也會影響肺部微生物群,從而可能調節局部對肺癌的免疫反應。有研究發現在NSCLC 患者術后使用銅綠假單胞菌注射液能顯著改患者善的免疫狀態,預防術后感染,防止腫瘤的復發和轉移[45]。

隨著微生物組學研究的不斷進展,針對下呼吸道菌群有望成為是治療呼吸系統疾病,特別是肺癌的一個新突破點。目前已有證據表明,下呼吸道菌群的多樣性和相對豐度在腫瘤 (甚至分期)和健康狀態下有顯著差別,然而,肺部微生物群在肺癌發生以及對化療和免疫治療中的具體作用機制,益生菌在治療疾病時的確切療效及安全性等方面的問題還有待進一步研究。

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