腸道菌群及代謝產物對免疫抑制劑抗腫瘤療效的研究進展

鄧小玉 王穎熠 黨倩倩 鄭穎娟 楊道科

鄭州大學第一附屬醫院放療科，河南鄭州 450052

近年來，免疫療法為人類抗癌戰爭翻開嶄新的一頁，將治療重點從腫瘤本身轉移到機體的免疫系統，通過動員免疫細胞識別并消除腫瘤細胞。然而，在治療過程中發現，較大比例的患者出現原發性或獲得性耐藥，推測可能與免疫治療有效性遲遲不到30%有關[1]。腸道菌群作為一種新興的克服耐藥性和增加其敏感性的治療策略，通過調節腸道菌群以豐富腸道有益菌有望成為提高免疫治療療效的手段。因此，腸道微生態的調節可能成為腫瘤免疫治療的重要輔助階段，腸道菌群或可成為新的預測抗腫瘤療效的標志物，提高免疫治療效果并減少免疫治療的不良反應。

1 腸道菌群及代謝產物概述

人體細菌分布最多的器官是腸道，數量可達1014個，約是人體細胞數量的3 倍，這些細菌被統稱為“腸道菌群”[2]。腸道菌群由約1000 種細菌定植組成，包括厭氧菌、需氧菌和兼性厭氧菌[3]。其中，對免疫治療發揮作用的菌群中，厭氧菌占絕大多數，包括雙歧桿菌[4]、擬桿菌[5]、阿克曼菌[6]等，乳球菌和屎腸球菌屬[7]在內的兼性厭氧菌對免疫治療也有一定的作用。

正常人體腸道菌群具有調節人體物質代謝、維持腸黏膜完整性等作用[8-10]。此外，腸道菌群在參與碳水化合物、脂質、蛋白質等物質代謝過程中，產生許多影響機體免疫和健康的代謝物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、色氨酸代謝產物、膽汁酸等。SCFA 一般由膳食纖維發酵產生，包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，其中丁酸鹽是結腸細胞的主要能量來源，與降低結直腸癌風險有關[11]。色氨酸是人體必需氨基酸，一般由膳食蛋白質降解而來，小腸吸收大部分膳食來源的色氨酸，一小部分可到達結腸并被腸道菌群分解代謝轉化為各種分解代謝物。色氨酸有兩條代謝途徑，絕大部分的色氨酸通過犬尿氨酸途徑代謝成為犬尿氨酸衍生物[12]，犬尿氨酸代謝途徑的失調可通過破壞抗腫瘤免疫反應來促進腫瘤發展。色氨酸代謝作為限制抗腫瘤免疫的主要代謝途徑，具有促進腫瘤細胞生長的特性，因而也成為腫瘤免疫治療的藥物開發靶點[13]。

2 免疫檢查點抑制劑抗腫瘤現狀

免疫療法可提高多種腫瘤類型患者的長期生存率，其中免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor，ICI）是腫瘤治療中最重要的發現。程序性死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）和細胞毒性T 淋巴細胞抗原-4（cytotoxic T-lymphocyte antigen-4，CTLA-4）是兩種重要的免疫檢查點蛋白，可啟動抑制T 細胞功能的信號通路，觸發腫瘤免疫逃逸，使腫瘤細胞逃脫免疫系統的殺傷。ICI 與免疫檢查點蛋白受體結合以克服腫瘤介導的T 細胞功能抑制，并恢復免疫系統殺死腫瘤細胞的能力[14]。目前，ICI的臨床應用主要集中在抗CTLA-4 抗體（伊匹木單抗、tremelimumab）、PD-1（帕博利珠單抗、納武利尤單抗、cemiplimab）和程序性死亡蛋白配體-1（programmed death ligand-1，PD-L1）（阿替利珠單抗、avelumab 和度伐利尤單抗），且阻斷PD-1 和PD-L1 的單克隆抗體已獲美國食品藥品監督管理局批準用于黑色素瘤、腎細胞癌、肺癌、尿路上皮癌等不同類型晚期不可切除腫瘤的一線和（或）二線治療[15]。

然而，ICI 的有效性并不高，臨床研究結果表明，只有約20%的患者可從PD-1/PD-L1 藥物中獲益[16]。在大多數患者中，腫瘤對抗PD-1 或PD-L1 治療表現出耐藥性；雖然在腫瘤免疫治療中觀察到前所未有的持久反應率，但大多數患者并未從治療中受益，一些應答者在一段應答期后復發[17]。因此，解決ICI耐藥問題、擴大免疫治療受益群體、提高免疫治療的有效性是下一步探索的重點。

3 腸道菌群影響免疫檢查點抑制劑抗腫瘤療效

2015 年，《科學》雜志首次報道腸道菌群的組成影響ICI 療效，提出可通過操縱腸道菌群來改善抗腫瘤免疫反應。研究者通過建立小鼠腫瘤模型，揭示了雙歧桿菌和擬桿菌屬分別在阻斷PD-L1 和CTLA-4 的免疫刺激效應中的關鍵作用[4,5]。Sivan 等[4]使用16S核糖體RNA 測序鑒定出雙歧桿菌可增強抗腫瘤免疫反應，且發現在黑色素瘤小鼠中，PD-L1 抑制劑與喂食雙歧桿菌聯合治療可顯著增強抗腫瘤效果。Vetizou 等[5]發現在無菌或抗生素治療的小鼠中，腫瘤對CTLA-4 特異性抗體無反應，且相應的效應CD4+T 細胞和腫瘤浸潤淋巴細胞（tumor infiltrating lymphocyte，TIL）的激活顯著降低，口服多形擬桿菌、脆弱擬桿菌、伯克霍爾德菌或脆弱擬桿菌與伯克霍爾德菌組合喂養的抗生素治療小鼠恢復了對CTLA-4 抗體的抗腫瘤反應。Vetizou 等隨后將含有擬桿菌屬的黑色素瘤患者糞便移植到小鼠的腸道中可增強CTLA-4 抗體在小鼠中的療效。以上研究初次提出腸道菌群組成對ICI 發揮抗腫瘤療效的重要影響，為將來通過靶向操縱腸道微生物改善免疫治療療效奠定了基礎。

然而，由于小鼠與人類各方面結構組成的差異，移植瘤小鼠模型作為臨床前研究并不能完全模擬人體中腸道菌群影響ICI 抗腫瘤的療效。Routy 等[6]觀察到對PD-1 抑制劑應答者的腸道微生物群組成更加多樣化，其中阿克曼菌和阿利斯替普斯菌在應答者中的比例較高。Gopalakrishnan 等[7]調查了接受抗PD-1 治療的黑色素瘤患者的腸道和口腔微生物群，發現有應答個體的腸道微生物組的多樣性較高，其中乳球菌科和屎腸球菌屬的細菌豐度較高，而無應答者腸道微生物組的樣本內多樣性較低。Matson 等[18]觀察到在對PD-1 治療有反應的轉移性黑色素瘤患者糞便樣本中富集了包括長雙歧桿菌、屎腸球菌在內的8 個物種，而無應答者中乳球菌和腸球菌更豐富，其結果與臨床前實驗中小鼠對腫瘤免疫治療的反應有相關性。在以上3 項研究中，研究者收集了對抗PD-1 治療有反應患者和無反應患者的糞便，經過特殊處理后對無菌荷瘤小鼠進行糞便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，FMT），與接受來自無反應供體FMT 的小鼠相比，對抗PD-1 治療有反應的FMT 小鼠的抗腫瘤免疫顯著增強，CD8+T細胞水平增加，而接受非應答者FMT 治療的小鼠抗腫瘤免疫未有增強且免疫抑制性CD4+T 細胞水平更高。

為證實此研究的全球普適性，2019 年，Jin 等[19]對37 例接受納武利尤單抗治療的晚期非小細胞肺癌患者進行腸道菌群分析，發現與對納武利尤單抗無反應患者相比，有反應患者治療過程中的腸道菌群多樣性更加豐富且成分穩定，患者無進展生存期也顯著延長，其中阿利斯替普斯菌、長雙歧桿菌和普雷沃菌在有應答患者糞便中富集，而瘤胃球菌屬在無應答患者中更豐富。Peng 等[20]為調查腸道菌群與胃腸道腫瘤抗PD-1/PD-L1 療法的臨床反應相關性，分別在免疫治療前和期間收集接受抗PD-1/PD-L1 治療的74 例晚期胃腸道腫瘤患者的糞便樣本，對糞便樣品進行測序顯示，對PD-1/PD-L1 治療反應較好患者中的普雷沃菌/擬桿菌比例升高，同時乳球菌科和拉克菌科的豐度明顯更高，產SCFA 的共生細菌（包括真細菌、乳酸桿菌和鏈球菌）在預后良好患者中較多，進一步暗示微生物組作為ICI 療效反應標志物的潛力。

4 腸道菌群代謝產物影響免疫檢查點抑制劑的療效

4.1 短鏈脂肪酸

SCFA 作為腸道微生物群產生的主要代謝產物，具有抗炎、調節糖脂代謝紊亂、提高腫瘤治療效果的作用[21]。近年來，越來越多的研究將SCFA 與ICI抗腫瘤療效聯系起來。日本的一項前瞻性隊列研究評估了接受納武利尤單抗或帕博利珠單抗的實體瘤患者的糞便和血漿SCFA 水平，結果發現高濃度的糞便SCFA 濃度與患者較長的無進展生存期相關[22]。Botticelli 等[23]通過對接受納武利尤單抗二線治療的非小細胞肺癌患者進行腸道菌群代謝組學分析發現，丙酸鹽和丁酸鹽與更好的ICI 療效相關。然而，在使用伊匹木單抗治療黑色素瘤患者的隊列研究中得到與之相反的結論，血清丁酸鹽和丙酸鹽水平較低的患者表現出更長的無進展生存期[24]。這些發現可能是胃腸道中SCFA 的產生與吸收之間復雜相互作用的結果。總之，這些研究結果表明糞便或血清SCFA 濃度與對免疫治療的反應有關。

4.2 色氨酸代謝物

色氨酸分解代謝物包括吲哚、色胺、吲哚乙醇、吲哚丙酸、吲哚乳酸、吲哚乙酸等，在腫瘤和免疫調節中起重要作用[25]。Li 等[26]通過分析接受納武利尤單抗治療的黑色素瘤和腎細胞癌患者血清樣本發現，色氨酸向犬尿氨酸（色氨酸分解代謝的產物）轉化比率的增加與黑色素瘤和腎細胞癌患者較差的總體存活率有關。同樣的研究結論在動物實驗中也有報道[27]，吲哚胺 2,3-雙加氧酶（Indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）作為犬尿氨酸的前體合成物質，可抑制CTLA-4 抑制劑的抗腫瘤作用，且與腫瘤細胞的IDO 表達無關。Karayama 等[28]檢測了19 例接受ICI 治療的非小細胞肺癌患者的血漿色氨酸代謝物，發現低水平的色氨酸代謝物3-羥基氨基苯甲酸與較長的中位無進展生存期顯著相關，并提出色氨酸代謝物可能具有預測ICI 療效的潛力。

4.3 肌苷

此外，腸道菌群分解產生的嘌呤核苷與ICI 治療反應也有一定的關系。Tanoue 等[29]證實無菌小鼠接種由11 種細菌菌株組成的聯合體后，可在腸道中誘導產生γ 干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的CD8+T 細胞，進一步增強抗腫瘤反應。通過代謝分析發現，與未接種該聯合體的小鼠相比，接種小鼠的腸道內容物中肌苷、甲羥戊酸、二甲基甘氨酸等分子水平明顯增加。Mager 等[30]在動物實驗中發現假單胞菌雙歧桿菌或阿克曼菌等特定細菌產生的代謝物肌苷可增強ICI 的療效。如果這些小鼠研究反映了人類腫瘤免疫生物學，則肌苷補充劑可人為地添加到接受免疫檢查點阻斷療法的患者飲食中。但Mager 等人的研究集中于CTLA-4 抑制劑，且發現不可能推廣至PD-1/PD-L1 抑制劑，因此，肌苷可能無法克服腫瘤固有的、獨立于微生物組的某些免疫檢查點的抗性模式。

5 通過腸道菌群干預改善免疫檢查點抑制劑療效

研究顯示，高纖維飲食的生活方式對ICI 抗腫瘤療效有改善作用，其機制可能與具有免疫調節特性的SCFA 有關[31]。Spencer 等[32]研究發現，飲食中攝入較高膳食纖維的患者無進展生存期顯著延長，此研究結果在臨床前小鼠模型中也得到驗證。Han 等[33]證實在黑色素瘤小鼠模型中，通過口服菊粉（一種膳食纖維）可調節腸道菌群組成進而增強PD-1 抑制劑的抗腫瘤活性。益生菌是對宿主產生有益作用的活細菌，可通過調節腸道菌群進一步調節機體免疫反應并增強免疫治療效果[34]。攝入市售益生菌也可影響腸道菌群并改善ICI 抗腫瘤療效[32]，甚至可消除免疫相關性結腸炎的發生[35]。因此，在免疫治療時增加每日攝入纖維素的量、合理添加益生菌或許可增加ICI 抗腫瘤療效。

此外，多項研究顯示抗生素的應用可顯著降低ICI 療效及患者預后[36-38]。研究者從病例中篩選足夠多的晚期非小細胞肺癌患者，比較從ICI 治療開始前60d、治療中及治療后30d 內使用抗生素對臨床療效的影響，結果表明，抗生素的使用與患者臨床獲益呈負相關，無進展生存期及總生存期不足未使用抗生素組的50%。Routy 等[6]也證實了這一觀點，發現使用抗生素的患者較未使用者無進展生存期和總生存期明顯縮短。因此，在腫瘤患者免疫治療過程中，如何使用抗生素及如何評估抗生素對腸道菌群的影響值得關注和思考。

6 展望

隨著人們對腸道菌群認識的深入，發現腸道菌群不僅與多種炎性疾病相關，在腫瘤的發生、治療、預后方面也發揮重要作用，尤其在宿主免疫調控方面起著不可替代的作用。近年來，腸道菌群代謝產物與腫瘤之間關系的研究逐漸增加，旨在探討腸道菌群及其代謝產物更多的功能，找出與腫瘤防治有關的措施。雖然確切的機制尚未完全闡明，但如何通過精準調控腸道菌群及其代謝產物增加ICI 的療效、擴大受益群體是接下來我們面臨的一個巨大挑戰。因此，面對腸道生態系統龐大的功能體系，在未來的研究中，腸道菌群發揮的更多作用有待我們繼續挖掘，利用此功能研發的藥品有望成為治療腫瘤的重要輔助用藥甚至主導其用藥。