腸道菌群與腫瘤免疫治療研究進展①

張瀟怡 孔勝男 張紅梅 （空軍軍醫大學西京醫院腫瘤科，西安 710032）

近年來，以免疫檢查點抑制劑為主的腫瘤免疫療法在造血系統和部分實體瘤的治療中顯示出巨大的潛力，但不同瘤種、不同個體，免疫治療療效不盡相同［1］。近期多項研究表明，宿主腸道菌群對免疫治療效果具有重要的影響。本文將從腸道菌群、人體免疫調節以及與腫瘤發生發展關系出發，對腸道菌群與腫瘤免疫治療的研究進行綜述。

1 腸道菌群參與人體免疫調節

1.1 腸道菌群參與局部免疫 在多細胞生命體中，共生菌與宿主間的相互作用，對于宿主維持其生理穩態、應對環境的變化至關重要。菌群的作用大多發生在局部屏障部位，例如腸道中菌群調節營養吸收、維生素合成、膽汁和激素代謝以及碳水化合物發酵。胃腸道作為體內菌群主要的棲息地，是病原體侵襲宿主的主要途徑和發生感染的主要部位，其中共生菌和病原體命運高度相互依賴，并且可直接、動態地與病原體和免疫細胞相互作用，起到局部免疫的保護作用。共生菌可促進建立對病原體不利的環境，還可產生抑制病原體生長或存活的抗微生物肽（antimicrobial peptides，AMPs）［2-3］。此外，共生菌控制感染的能力也與其促進和校準固有免疫和適應性免疫的能力相關，在局部免疫屏障的形成和建立黏膜免疫的過程中起著重要的作用［4］。

1.2 腸道菌群參與全身免疫 菌群不僅參加局部免疫，亦發揮全身性調節作用，包括調節代謝、炎癥反應和免疫［5］。菌群通過提供指導性信號來調節表觀遺傳修飾，通過表觀調控校準炎癥刺激、感染、疫苗和自身免疫的免疫應答［6-9］。傳統認為上皮屏障及其免疫系統可以防止細菌進入健康生物體內部組織，而越來越多的研究表明，細菌可穿透腸道黏膜和皮膚，擴散至引流淋巴結，對機體進行系統性的調控和保護［10-12］。在免疫缺陷或影響上皮完整性的疾病存在時，上述擴散現象呈增強趨勢。此外，細菌代謝產物擴散、宿主生長因子和細胞因子分泌、趨化因子誘導的屏障免疫細胞遷移以及細菌或免疫細胞分泌的外泌體或囊泡，都參與了細菌的全身作用機制。而細菌介導的系統性全身作用機制尚待進一步的探索。有研究表明，菌群對先天免疫的影響部分取決于其對造血功能的影響，如無菌小鼠缺乏骨髓來源的髓樣細胞，導致其卵黃囊來源的中樞神經系統小膠質細胞和應對感染的免疫應答存在缺陷［13］。這類缺陷在注射抗生素的健康小鼠的體內也可出現，說明機體需要復雜的菌群來維持組織駐留髓樣細胞的免疫功能［14］。此外循環中性粒細胞的功能成熟及其胞外誘捕能力也受菌群調節［15］。細菌的分泌物可影響IFN-γ 表達，從而影響嗜中性粒細胞（neutrophilic granulocyte，NEU）生存與激活［16-17］。這些均表明活化的屏障骨髓細胞可重新進入體循環并有助于菌群全身性效應，亦有助于解釋菌群對外周或腫瘤浸潤髓系細胞免疫應答的影響［18］。

2 腸道菌群與腫瘤

盡管腫瘤在侵犯或轉移至其他組織之前表現為局部生長方式，但腫瘤是一種改變機體平衡機制的系統性疾病。腫瘤細胞生長特征取決于特定的基因改變，例如抑癌基因失活或原癌基因激活，以及腫瘤的其他經典基因改變［19］。

越來越多的研究證實腫瘤微環境（tumor micro‐environment，TME）對腫瘤細胞生長具有重要促進作用［20］。菌群可影響組織代謝、影響免疫細胞在腫瘤微環境中的分化和功能，促進或抑制癌癥發生。上皮屏障表面是宿主與共生體間的主要接觸點，菌群的組成或豐度同時影響炎癥、免疫反應以及上皮細胞和基質細胞的穩態［21-22］。胃腸道聚集了人體大部分細菌，上述作用尤為明顯。細菌結構組分及其代謝產物（例如硫化氫、對甲酚）與上皮細胞、間質細胞和造血細胞直接相互作用可能具有直接的遺傳性并促進癌癥進展［23-27］。此外，菌群亦可通過將燒烤食物或環境污染物中的雜環芳香胺（heterocy‐clic aromatic amines，HAAs）轉化為具有基因毒性的致癌物，亦可通過影響炎癥反應促進癌癥發生［28-30］。在臨床和流行病學調查以及動物模型實驗研究中，研究者基于菌群與腫瘤病變的物理關聯、其豐度與癌癥風險的相關性，鑒定出參與腫瘤發生的多種菌群，包括糞腸球菌（Enterococcus faecium）、溶血鏈球菌（hemolytics streptococcus，HS）、腸致病性大腸桿菌（enteropathogenic Escherichia coli，EPEC）、肝螺桿菌（Helicobacter hepaticus，Hh）、腸沙門氏菌（Salmo‐nella enteria）和有核梭桿菌（Fusobacterium nuclea‐tum）等［31-33］。與宿主-微生物相互作用相關的基因缺陷小鼠已被廣泛用于研究菌群影響癌癥機制，特別是免疫相關基因（如Tlr5、IL-10、Tbx1 和Rag2）缺陷小鼠，不僅表現為易發結腸炎和結腸癌，還表現為腸道微生態失調。這種對癌癥的易感性可通過糞菌移植轉移給健康小鼠。結腸感染肝螺桿菌在不同小鼠模型中對癌癥發生作用不同。結直腸癌前病變小鼠模型（APCmin/+）以及氧化偶氮甲烷（azoxymethane，AOM）預處理的Rag2 基因（recombi‐nation activating gene-2，Rag2）全敲除（Rag2?/?）小鼠中，結腸感染肝螺桿菌可通過誘導固有淋巴細胞分泌IL-22 增加回腸和結腸腫瘤的患病風險［34-35］。而Rag2+/+小鼠模型中，肝螺桿菌感染可誘導調節性T細胞（regulatory cells，Tregs）分泌IL-10，從而抵抗腸癌和乳腺癌的發生［36］。此外，基于SV40大T 抗原構建的乳腺癌小鼠模型中，肝螺桿菌感染可增加腫瘤異質性，并影響中性粒細胞遷移至乳腺［37］。此外，還有多項研究發現腸道菌群通過調節腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）控制炎癥反應，并誘導氧化應激及白細胞和上皮細胞的遺傳毒性，從而影響胸腺淋巴瘤的發病率［38-42］。

3 腸道菌群與免疫治療

免疫療法是21 世紀以來癌癥研究的重大突破之一［1］。持久且有效的治療已在惡性黑色素瘤和肺癌患者中得到證實，但不同個體乃至不同腫瘤細胞類型中療效不盡相同。近來多項研究顯示腸道菌群影響患者對免疫治療的反應，國內外專家積極探討其中關系，為改善免疫治療效果提供了新的思路［43-45］。

3.1 腸道菌群與免疫檢查點抑制劑治療 免疫檢查點是免疫系統的調節者，通過激活或抑制性的分子調節維持免疫系統穩態。目前最熱點的免疫療法是通過抑制免疫檢查點相關分子激活機體對腫瘤細胞的免疫［46］。細胞毒T 淋巴細胞相關抗原4（cytotoxic T lymphocyte associated antigen 4，CTLA-4）、程序性死亡受體1（programmed cell death 1，PD-1）和程序性死亡受體配體1（programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1）是這類抑制劑的主要靶標，在小鼠實驗和臨床試驗中均顯示此類抑制劑對黑色素瘤、腎癌、肺癌等瘤種具有高效的抗腫瘤作用［47］。2015年發表在Science上的2篇重磅文章首次指出腸道菌群可能影響CTLA-4 及PD-L1 抑制劑的療效［48-49］。VETIZOU 團隊［48］發現抗CTLA-4 療法對無菌或接受抗生素治療的小鼠無效。抗CTLA-4 抗體處理小鼠可持續誘導T 細胞介導的回腸和結腸黏膜損傷，并改變腸道和糞便中的菌群。給無菌小鼠口服多形擬桿菌或脆弱擬桿菌時，可激活瘤內樹突狀細胞（dendritic cells，DC）并在腫瘤引流淋巴結中誘導Th1 應答來重塑抗CTLA-4 藥物療效。而口服脆弱擬桿菌和洋蔥伯克霍爾德菌，不僅可增強抗CTLA-4藥物的抗癌反應，亦可防止由抗CTLA-4 誘導的腸道炎癥。與抗CTLA-4略有不同的是，阻斷PD-L1不會引起腸道損傷，但腸道菌群的組成影響抗PD-L1的療效［48-49］。

令人振奮的是，2017 年Science連發3 篇關于腸道菌群與腫瘤免疫治療的研究論文，讓此前的動物實驗在臨床中也得到了有效驗證。ROUTY 等［50］在黑色素瘤、非小細胞肺癌以及腎癌患者中發現，在抗PD-1 治療效果較差的患者體內，缺乏一種叫Akkermansia muciniphila 的細菌，為了驗證這個發現，研究者們對無菌小鼠進行Akk.muciniphila 菌群移植，結果顯示這種腸道菌群調節可改善抗PD-1藥物療效。進一步研究發現這些菌群可誘導DC 分泌IL-12，從而參與PD-1 阻斷治療中。另一篇文章中，MASTON 等［51］也發現在黑色素瘤患者中，腸道菌群的豐度和種類均與患者抗PD-1 效果顯著相關。他們采用了16S 核糖體RNA 測序、宏基因組測序以及定量PCR的技術，對42例黑色素瘤患者的糞便菌群進行了分析，結果發現在療效較好的黑色素瘤患者糞便中有更豐富的菌種，包括長雙歧桿菌（bifido‐bacterium longum）、空腸彎曲桿菌（campylobacter jejuni，CJ）和糞腸球菌；而將效果好的患者糞便移植到無菌小鼠中，可增強小鼠體內T 細胞應答和抗PD-1 療效，抗腫瘤效果明顯改善［51］。第3 篇文章由MD Anderson 癌癥中心的GOPALAKRISHNAN 團隊主導，通過分析112 例接受抗PD-1 療法的黑色素瘤患者口腔與腸道菌群，發現抗PD-1療效較好的患者體內，Ruminococcaceae 家族細菌更加豐富，且代謝通路更豐富，有更活躍的系統免疫和抗腫瘤免疫活動［52］。

3.2 腸道菌群與過繼性T 細胞免疫治療 過繼性T 細胞免疫治療是向腫瘤患者輸入具有抗腫瘤活性的T 細胞，直接殺傷腫瘤或激發機體免疫反應而殺傷腫瘤細胞，從而達到治療腫瘤的目的［53］。腸道菌群維持免疫治療的抗癌效果首見于抗生物素治療小鼠，其腫瘤特異性細胞毒性T 細胞（cytotoxic T cell，CTL）過繼治療的功效降低［54］。全身化療可誘導腸道菌群轉移至腸系膜淋巴結，從而增強過繼T細胞在腫瘤中的增殖和抗腫瘤活性［55］。過繼T細胞需要TLR4（Toll-like receptor 4）信號通路支持，該療法在TLR4 缺失鼠中療效較差，因此清髓性放療后轉移性黑色素瘤患者對腫瘤浸潤淋巴細胞過繼性治療更敏感［56］。全身放療或化療后，患者接受造血干細胞移植治療療效也與腸道菌群組成相關。

3.3 CpG-寡脫氧核苷酸腫瘤治療 CpG-寡脫氧核苷酸（CpG-oligodeoxynucleotide，CpG-ODN）是TLR9（Toll-like receptor 9）激動劑，具有免疫激活作用，可直接誘導漿細胞樣樹突狀細胞（plasmacytoid den‐dritic cells，PDC）活化與成熟，作為腫瘤免疫治療佐劑。有研究發現，CpG-ODN 通過誘導髓樣細胞分泌TNF 和IL-12 等促炎細胞因子來激活對腫瘤細胞的免疫應答，在黑色素瘤、膀胱癌等瘤種中顯示出抗腫瘤活性［57-58］。在這種促炎癥微環境中，抗原特異性T細胞被激活，大多數常規小鼠腫瘤均可清除，而無菌小鼠腫瘤浸潤髓樣細胞不能產生對CpG-ODN響應的促炎因子，導致CpG-ODN 療法療效不佳。IIDA 等［59］進一步研究腸道菌群的組成與CpG-ODN療效的相關性，發現瘤胃球菌屬（ruminococcus obe‐um）和Alistipes 菌屬與腫瘤壞死因子分泌呈正相關，乳酸菌屬（lactobacillus sp.）與腫瘤壞死因子分泌呈負相關。小鼠使用抗生素后，口服Alistipes 菌屬可重建CpG-ODN誘導的腫瘤壞死因子分泌，口服乳酸菌屬可降低腫瘤壞死因子分泌。這些結果均表明無菌腸道狀態會削弱免疫細胞對CpG-ODN 的應答，但不同細菌種類或可有相反的作用。多項研究表明，口服已知細菌Alistipes 菌屬可以促進ABX小鼠腫瘤相關骨髓細胞產生TNF［57，60-61］。因此可通過使用抗生素、益生菌等方法調節單個腸道菌群的豐度，從而調節該患者對免疫療法的應答。

綜上所述，腸道菌群與人體免疫調節及癌癥發生發展密切相關，亦是控制腫瘤免疫逃逸和免疫藥物敏感性的關鍵因素。其對腫瘤免疫治療的影響在動物實驗與臨床研究中均得到驗證［62］。腸道菌群的系統性效應遠不止于調節免疫和致癌，亦包括調控生物體的其他生理功能，對此目前仍知之甚少。新型測序技術和分析手段對腸道菌群研究有巨大貢獻，使調節腸道菌群可能成為癌癥和其他疾病的精準和個體化治療的重要組成部分，腸道菌群研究亦將成為精準和個體化醫療的下一個前沿領域。