腫瘤微環境內的微生物群

趙 迪，張秀森，劉書培，楊 澤，張旭東，原 翔

人類共生微生物群落主要存在于腸道，還有部分存在于身體的其他部位，如皮膚、口腔、呼吸道和生殖道，影響機體的免疫、新陳代謝和營養生物轉化等多種生理功能。這種由人類宿主和微生物組成的共生體，能夠感知環境并做出提示，產生相應的適應[1-2]。宿主和微生物之間復雜的相互作用可以延伸到癌癥，共生菌直接影響腫瘤的發生、發展和治療反應，微生物與20%人類惡性腫瘤有關[3]。共生微生物在解剖部位的分布形成不同的微生物群落[4]。荷瘤組織的共生微生物群是腫瘤微環境的重要組成部分，在更局部的范圍內影響腫瘤的發生和進展[5]。此外，特定腫瘤類型有特定的腫瘤細菌種群，提示微生物群與腫瘤的發生有關[6]。

共生菌群的免疫調節功能已被充分證明[2]，其對癌癥發生和癌癥進展的影響也是如此。在健康狀態下，微生物群和宿主免疫系統之間的相互作用是平衡和穩態的。宿主的免疫系統能夠容忍共生微生物群落，并對潛在的有害病原體作出適當的反應。然而，這種平衡的擾亂和微生物群的失調會產生促進腫瘤啟動和進展的微環境[5]。

本文就消化系統腫瘤組織中的微生物群及其在腫瘤發生和治療中的作用和機制等方面進行綜述。

1 腫瘤內微生物與癌癥發展的機制

腫瘤內微生物和癌癥發展之間的聯系已經建立起來，3個主要的機制包括[7]：①通過增加突變直接促進腫瘤發生，②調節致癌基因或致癌途徑，③通過調節宿主免疫系統影響腫瘤進展。

許多微生物分泌的蛋白質、分子和次級代謝產物，如colibactin毒素、細胞致死性腫脹毒素(cytolethal distendin toxin, CDT)和脆弱類桿菌毒素(bacteroides fragilis toxin, BFT)等，可直接導致DNA損傷、細胞周期阻滯和基因組不穩定。在腫瘤微環境中產生這些化合物的細菌可以直接增加組織的突變[8]。除了直接破壞DNA，共生微生物產物可以參與宿主的信號通路，從而引起信號分子的變化，促進腫瘤的發生。信號通路在人體中扮演著重要的角色，因為它們涉及多種生理功能。例如Wnt/β-catenin信號通路。β-catenin信號通路的改變可以促進c-Myc和CyclinD-1等癌基因的轉錄，并促進癌變和腫瘤進展[9]。β-catenin的激活或調節的局部共生微生物群已在胃癌和結直腸癌有報道[10-12]。脆弱類桿菌分泌的BFT，可以特異性的裂解E-粘連蛋白(E-catenin)，觸發β-catenin信號，促進原癌基因c-Myc的轉錄和翻譯，從而促進結腸腫瘤的發生[13]。ERK和PI3K作為重要的信號分子，與腫瘤的發生密切相關。一項研究報道，與正常人群相比，肺癌患者的下呼吸道富含口腔類細菌群，由此將ERK和PI3K的上調與肺癌相聯系[14]。并且許多研究表明，菌群的生態失調可引起慢性的促炎免疫反應，導致免疫抑制的腫瘤微環境，并可通過改變抗原提呈和調節性T細胞(Treg)和髓系免疫抑制細胞(MDSC)刺激而損害抗腫瘤免疫反應[15]。比如，表達在所有人類NK細胞和T細胞上的TIGIT受體可以直接與具核梭桿菌(F.ncleatum)的FAPα蛋白相互作用，抑制NK細胞的細胞毒作用和T細胞的激活，最終損害抗腫瘤免疫反應[16]。除了炎癥，局部微生物已經被證明通過抑制抗腫瘤免疫反應來調節局部免疫監視。正常情況下，微生物群不會引起促炎反應，但當免疫系統形成的防御機制受損或新的細菌被引入系統時，例如共生細菌通過黏膜移位，或在免疫缺陷的情況下，免疫系統可能會對微生物群產生反應，其中一些反應可能會引發或促進腫瘤生長[17]。

因此，局部共生菌群可能是癌癥治療的一個潛在靶點，并需要進一步的研究。

2 食管癌

食管癌是一種常見的消化道腫瘤，對公眾健康造成很大的威脅[18]。多項證據表明，微生物可能與許多類型的癌癥直接相關[5]。比如，胃腸道微生物群已被證明影響抗腫瘤免疫，胃腸道微生物群中某些物種的存在與食管癌患者的預后相關[19]。口腔微生物群被發現可以影響食管微生物群，從而潛在地促進食管癌的發生。最新研究指出炎性牙周病和微生物與食管癌的發生有潛在聯系[20-21]。口腔生物失調引起的免疫調節和腸道菌群改變表明牙周病與食管癌有一定的聯系。

牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis,Pg)是牙周病發病的主要病因之一，其可以破壞口腔微生物的平衡，導致宿主——微生物群的非生物相互作用[22-23]。多項臨床和實驗研究顯示，Pg與口腔和胃腸道癌癥(包括食管癌和胰腺癌)之間存在不同程度的相關性。微生物群促腫瘤作用的幾種機制，其中包括慢性炎癥。炎癥反應代表了病原體的存在和癌癥發展之間的關鍵聯系。值得注意的是，已發現某些腸道微生物可誘發腫瘤或促進炎癥[24-25]。例如，IL-6/STAT3通路的激活與微生物群誘導的腫瘤進展有關。先前研究發現食管癌患者IL-6水平升高與預后不良相關，IL-6誘導了EMT相關標志的表達，同時形成免疫抑制的腫瘤微環境[5]。Pg可以通過IL-6分泌誘導自噬，可通過促進MDSC募集來調節局部食管癌腫瘤微環境，從而使腫瘤細胞逃避宿主免疫反應。

Yamamura等發現F.ncleatum可通過趨化因子依賴的方式促進Treg淋巴細胞對腫瘤的浸潤，從而增強腫瘤的侵襲性。另有研究證實，食管癌組織中F.ncleatum的存在與食管癌患者預后不良相關[20]。

3 胃癌

人類微生物群是正常生理必不可少的，因為微生物群產生的大量分子可以與宿主相互作用，對病原體的定居提供天然防御[17]。幽門螺桿菌存在于包括人類在內的許多哺乳動物的胃腸道中，被認為是胃癌的危險因素。由于胃癌是一種多因素疾病，從發生、發展到轉移都與腫瘤微環境改變密切相關[26]，因此，胃微生物群作為腫瘤微環境的重要組成部分越來越受到人們的重視。

幽門螺桿菌感染是天然免疫和獲得性免疫反應的活性刺激因子，胃黏膜中的幽門螺桿菌聚集性觸發天然宿主防御，導致胃上皮細胞表達促炎和抗菌因子。胃上皮細胞的這種防御可能進一步刺激參與炎癥反應的浸潤細胞的先天免疫反應，這可能影響細菌密度和多樣性、炎癥水平，并最終產生適應性免疫反應。炎癥和免疫反應的嚴重程度是決定其是否導致胃癌發生的重要因素[27]。盡管食道和胃在解剖學上是相連的，但這兩個器官中的微生物群是否含有類似的微生物群的組成和多樣性還不得而知。

4 結直腸腫瘤

許多研究已經確定了共生菌在結直腸癌(colorectal cancer, CRC)中的作用。并且隨后的研究進一步證明了F.ncleatum及其相關厭氧菌在結直腸腫瘤中的持續定植[28]。Bullman等在活體人源性CRC異種移植模型研究顯示F.ncleatum促進腫瘤細胞增殖或腫瘤生長，可能機制是F.ncleatum黏附素分子與癌細胞或免疫細胞上的細胞表面基序結合，導致下游的致癌或免疫抑制信號[29]。據報道，引起胃腸道炎癥的產腸毒素脆弱類桿菌(enterotoxigenic bacteroides fragilis, ETBF)可抑制覆蓋CRC和癌前結腸腺瘤的生物膜[30]。同樣，在人類大腸癌組織中也檢測到表達聚酮化合物合成酶(pks+)的大腸桿菌。Pks+的大腸桿菌產生的基因毒素colibactin使結腸上皮細胞的DNA烷基化，因此是導致CRC的潛在突變源[28]。并且許多其他尚未得到充分鑒定的細菌也可能在大腸癌的發生和發展中發揮作用。

除了腫瘤發生，腫瘤內微生物群在調節對癌癥治療的反應中起著重要作用。例如，在化療后復發的患者的大腸癌組織中發現了豐富的F.ncleatum。研究表明，F.ncleatum通過下調microRNAs激活自噬途徑，促進化療耐藥性[31]。

共生微生物群穩定地存在于胃腸道，Geller等發現胰腺導管腺癌(PDAC)相關細菌可以逆行來自胃腸道。這也與胰腺、肝臟和腸道之間存在持續相互作用的假設一致，胰腺和肝癌的發展與腸道微生物群的失調和錯位有關[6,32]。Bullman等發現[29]，與原發性肝細胞癌相比，結直腸癌肝轉移中梭菌的相對豐度顯著增加。這些器官之間的相互干擾表明，遠端腸道或局部癌癥組織中的微生物群對癌癥相關免疫反應的相對貢獻。

5 肝癌

肝臟與腸道溝通密切，并執行營養代謝、免疫和細菌代謝產物生物轉化等相關功能，又被稱為“腸肝軸”。完整的腸道-肝臟軸依賴于完整的腸道屏障、健康的腸道微生物群和正常的肝功能。腸道微生物群是與人體共生的最重要的微生態系統。如非酒精性脂肪肝(NAFLD)和肝硬化等肝臟疾病，通常與腸道微生物群的改變有關，并且有人認為腸道細菌產物有助于肝癌的發生。

腸道菌群對于肝細胞癌(hepatocellalar carcinoma, HCC)發生的作用是復雜而精細的。盡管存在多級腸道屏障，但在血液從結腸向肝臟的運輸過程中，會產生較少腸道菌群的衍生代謝物和病原相關分子模式的暴露[33]，并且經由樹突狀細胞識別提呈，最后通過調節T細胞激活免疫系統。例如，病原相關分子模式(脂多糖、DNA和鞭毛蛋白激活核因子κB和肽聚糖)通過nod樣受體和TLRs，促使炎性細胞因子和趨化因子分泌并進入門靜脈循環，進而使肝細胞損傷。除了肝細胞損傷外，病原相關分子模式還可以激活參與纖維化進展的肝星形細胞，庫普弗細胞比肝細胞更容易受到脂多糖的影響[34-35]。研究表明，肝癌患者的咽拭子經常發現含有Fusobacterium和Oribacterium，并且HCC的腸道微生物群中乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸球菌的數量出現減少[36]。最終，微生物群的失調或免疫調節失衡導致了癌癥的發生發展。

6 微生物群與免疫治療

由于微生物群在宿主免疫中起到重要作用，我們可以直觀地理解為它可能會影響癌癥治療的反應和毒性。人類的獲得性免疫反應有兩種類型：一種是由B細胞抗體介導的體液免疫，另一種是由T細胞[包括CD8細胞(Tc)和CD4細胞(Th)]介導的細胞免疫。部分惡性腫瘤可以過表達某些蛋白質，這些蛋白可以抑制T細胞反應，這為治療惡性腫瘤提供了一個新思路。

最近發現的免疫治療藥物，特別是免疫檢查點抑制劑，如針對程序性細胞死亡蛋白1(PD1)、程序性死亡配體1(PD-L1)或細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4(CTLA-4)的抑制劑，可以恢復T細胞功能以破壞腫瘤細胞，已被認為是靶向治療食管癌或胃癌的新選擇[37]。盡管這些藥物的治療結果很有希望，但很大一部分患者沒有從中獲益，或者不能達到持續緩解，甚至一部分患者會隨著時間的推移而產生耐藥性。新出現的證據表明，腸道微生物群在調節對這些免疫療法的反應中起著重要作用。根據免疫檢查點抑制劑治療前糞便樣本的DNA測序分析，有反應或無反應的患者中，不同的細菌分類群被過度表達，這表明腸道微生物群組成與隨后的治療反應之間存在關聯[38-39]。并且多項研究報告發現，腸道微生物群影響不同惡性腫瘤患者對檢查點抑制劑的治療反應。

如上所述，微生物群影響免疫治療的機制仍需進一步探究，為癌癥的免疫治療提供新方法。

7 未來展望

微生物群在調節腫瘤進展和影響腫瘤預后的腫瘤微環境中發揮著重要作用，并且受到越來越多的關注。不同部位的微生物群落在各自腫瘤的發生和發展中起著重要作用。在許多情況下，腫瘤內的微生物群通過引起突變或參與致癌信號通路而直接促進癌癥的生長[7]。此外，腫瘤內的微生物群可能引起炎癥和免疫抑制，從而影響腫瘤微環境并影響腫瘤的形成[5,40]。并且，微生物群可能通過各種機制影響對治療的反應[41-43]。這都為腫瘤內的微生物群與各種腫瘤之間的關系提供了合理的解釋。

盡管對癌癥和癌癥治療中的微生物群的了解越來越多，但腫瘤內微生物群與癌癥之間的關系錯綜復雜，需要進一步研究。其中腸道微生物群對腫瘤發生和治療的影響已被廣泛研究，并取得了很大進展。然而，由于腫瘤內低豐度的微生物群落和樣本污染，腫瘤內微生物群和腫瘤之間的關系尚需繼續探索。微生物群的研究帶來了一個全新的觀點，即其調節人類免疫及潛在介導腫瘤免疫治療。關于微生物群分析，以及營養和藥物等的作用及其對癌癥治療的影響還存在諸多問題。深入了解微生物群與癌癥之間的相互作用可以為優化調節微生物群以增強免疫監測和癌癥治療提供基礎。