腸道菌群與放療敏感性及放射性黏膜炎關系的研究進展

李昌振，樓建軍，孔培中，韓偉

作者單位：1中國科學院合肥腫瘤醫院，安徽 合肥 230001；

2中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230001

腸道菌群（the gut microbiome，GM）是指人類腸道中的所有微生物的基因組成，包括細菌、病毒、真菌和古細菌。人體腸道內寄生著10萬億個微生物，這些微生物與腫瘤的發生和發展關系密切，并對腫瘤治療起著積極的作用［1-2］。大量研究表明腸道菌群在化療及免疫治療中起到關鍵的作用［3-4］。放療是抗腫瘤治療的重要組成部分，超過50%的癌癥病人在疾病過程中接受過放療，其中60%的病人能夠從放療中獲益［5］。當然，放療過程中也會出現放射性黏膜炎等并發癥，重度放射性黏膜炎可以導致放療暫停，影響到病人的生存預后。然而，放療療效以及放射性黏膜炎嚴重程度在不同病人之間差異很大。本文就腸道菌群、放療敏感性及放射性黏膜炎之間關系的研究進行綜合性闡述。

1 腸道菌群與機體免疫系統

腸道菌群可以影響固有免疫發育。動物模型證實無菌小鼠存在嚴重的免疫缺陷，表現為腸道相關淋巴組織（gut-associated lymphoid tissue， GALT）發育障礙［6］。無菌小鼠不僅僅存在腸道局部免疫缺陷，骨髓中的造血也發生了改變。研究表明，髓系造血與腸道中群落的多樣性呈正相關，同時也與血漿中Toll 樣受體水平相關，這表明腸道菌群可能通過微生物相關分子模式（microorganism-associated molecular patterns， MAMPs）影響了骨髓造血［7］。腸道菌群代謝產物短鏈脂肪酸（SCFA）能夠進入血液循環并作用于骨髓，提高髓系造血能力［8］。腸道菌群還能影響宿主的外周淋巴細胞生成。造血干細胞移植（hematopoietic stem cell transplantation，HSCT）是一種治療血液腫瘤的方法，然而這種治療會導致循環免疫細胞和腸道微生物群的巨大變化。Schluter等［9］通過觀察HSCT 后循環中免疫細胞與腸道微生物群每日變化，發現腸道菌群和免疫細胞之間存在聯系，揭示了腸道菌群與免疫系統的關系。

腸道細菌還能影響適應性免疫反應。許多研究已經證明不同共生菌與抗腫瘤T細胞反應之間有著密切的聯系。環磷酰胺能使希氏腸球菌（Entero?coccus hirae）易位并活化致病性Th17 細胞和CD8+T細胞，從而抑制肉瘤和肺腺癌模型中的腫瘤生長［3］。雙歧桿菌（Bifidobacterium）能增強樹突狀細胞功能，導致CD8+T細胞在腫瘤微環境中的啟動和積累的增強，促進程序性細胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1， PD-1）抑制劑對黑色素瘤的抗瘤效應［4］。脆弱擬桿菌（B. fragilis）定植期間分泌的細菌多糖（PSA）能夠通過腸道樹突狀細胞激活CD4+T 細胞并誘導適當的細胞因子產生，進而指導宿主免疫系統的成熟［10］。當然，有些腸道菌群也會產生促腫瘤生長的作用。乳桿菌將膳食色氨酸代謝為吲哚，能夠激活腫瘤相關巨噬細胞上的高芳香烴受體活性，進而抑制炎癥性T 細胞的浸潤，促進腫瘤生長［11］。

總之，腸道菌群可以調節機體免疫功能，這些免疫介導的相互作用和集體反饋回路被定義為腫瘤免疫-微生物組（immunooncology-microbiome，IOM）軸［12］。

2 腸道菌群與放療的相互作用

腸道菌群和放療之間的相互作用是雙向的，即放療破壞了腸道菌群穩定，而腸道菌群的改變又影響放療療效。動物實驗表明盆腔輻射引起小鼠腸道細菌組成的顯著改變，增加了大腸中的阿利斯蒂普菌（Alistipes）的水平以及小腸中棒狀桿菌屬（Co?rynebacterium）的水平［13］。腸道菌群的改變可以影響放療療效。Shiao 等［14］發現在乳腺癌和黑色素瘤小鼠模型中，用抗生素介導的細菌耗竭，抑制了巨噬細胞和CD8 T 細胞激活，最終使放療效果受限。而抗真菌藥介導的真菌耗竭，則使起免疫抑制作用的M2 巨噬細胞減少，有利于解除放療時的免疫抑制，同時，增強了CD8 T 細胞的效應，最終提高了放療效果。

放療具有強大的免疫調節作用，放療增強了樹突狀細胞抗原提呈效應，并上調CD8+T細胞，使得抗癌活性可以在遠離放療部位觀察到，這種現象稱為遠端效應［15］。研究者發現萬古霉素是一種作用于腸道陽性球菌的抗生素，能夠增強放療誘導的抗腫瘤免疫反應。這種協同作用依賴于腫瘤相關抗原交叉呈遞給CD8+T細胞和IFN-γ［16］。

腸道菌群能夠對放療療效起到預測作用。研究者通過對接受同步放化療直腸癌病人的糞便樣本分析發現，與完全緩解的病人相比，非完全緩解病人糞便中的類桿菌相對較多，提示類桿菌與完全緩解率有關［17］。相似的結論在胰腺癌病人中也能觀察到，研究者在長期生存病人的腫瘤微生物組中發現了更高的α 多樣性，并在發現和驗證隊列中確定了高度預測長期存活率的腫瘤內微生物組特征（假黃單胞菌-鏈霉菌-糖多胞菌-克勞斯芽孢桿菌）［18］。通過人-小鼠糞便微生物群移植（FMT）實驗，我們能夠對腫瘤微生物群進行差異調節，并影響腫瘤生長和腫瘤免疫浸潤。

3 腸道菌群對放射性黏膜炎的影響

放射性腸炎（radiation-induced enteritis， RE）是盆腔放療常見的副反應之一，超過80%的病人在盆腔放療過程中會發生放射性腸炎［19］。病人會出現腹瀉、腹痛、惡心和嘔吐，嚴重時可以導致放療暫停，影響到病人的生存預后。放射性腸炎的發病機制包括直接作用和間接作用。電離輻射可直接引起細胞DNA 鏈及染色體斷裂等細胞損傷，進而導致細胞周期中斷及細胞凋亡。間接作用則是由活性氧的產生和促炎細胞因子的釋放引起的［20］。目前，廣泛采用Sonis［21］提出的5 階段模型對放射性腸炎的發生和發展進行描述，即初始期、原發性損傷期、信號放大期、潰瘍期和愈合期。

腸道菌群對腸道黏膜放射損傷及修復的許多環節產生影響。輻射破壞腸道屏障和黏液層，導致細菌易位，進而導致炎癥反應的激活，同時，輻射導致的菌群失調可以引起腸道局部和全身的免疫反應，促進腸炎發展［22］。腸道菌群同樣參與腸道上皮的修復過程。腸道黏膜修復依靠腸道干細胞增殖分化，腸道微生物群可以調節腸道干細胞增殖分化為再生上皮細胞。研究結果表明，細菌通過刺激RIG-I/MAVS和STING信號通路誘導I型干擾素的產生，從而保護腸道干細胞免受損傷［23］。革蘭陰性菌的膜成分中的脂多糖刺激上皮細胞表面TLR4 表達，導致前列腺素的產生和減少輻射誘導的上皮干細胞凋亡［24］。

一些動物實驗數據表明放射性腸炎與腸道菌群有關。Guo 等［8］發現在高劑量輻射后幸存小鼠腸道菌群中毛螺菌科和腸球菌科比重增加，這些菌群產生的SCFA 能通過減輕造血和胃腸組織的DNA 損傷和活性氧釋放，幫助小鼠抵抗輻射。相反的，Ger?assy等［25］通過使用直腸輻射小鼠模型證實盆腔輻射能夠造成腸道菌群失調，并通過促進IL-1β 的分泌使小鼠腸道黏膜更容易受到輻射損傷。腸道菌群對輻射損傷的調節受性別差異影響，口服辛伐他汀僅能在雄性小鼠中減輕輻射引起的腸道細菌群結構改變，從而改善造血系統損傷、胃腸道功能和上皮完整性，施用抗生素或移植雌性小鼠的腸道菌群，會消除上述治療效果，表明性別特異的腸道菌群在治療輻射損傷中有關鍵介導作用［26］。

臨床上，放療后的腸道菌群失調與放射性腸炎風險增加顯著相關。Wang 等［27］評估了宮頸癌放療病人腸道菌群的變化，發現放射性腸炎病人出現了菌群失調，其變形菌數量增加，擬桿菌的數量減少。同樣，Mitra 等［28］評估了接受放化療的宮頸癌病人的腸道菌群變化與胃腸道毒性之間的相關性，胃腸功能較好病人的腸道菌群具有更高的多樣性。因此，腸道菌群可能是放射性腸炎的預測標志物。一項大型臨床試驗［29］證實盆腔放療病人的腸道菌群多樣性隨著放療的進行逐漸降低，而多樣性的降低也與晚期放射性腸炎在一定程度上呈正相關。放射性腸炎病人體內Ⅳ型梭狀芽孢桿菌、玫瑰桿菌和弧菌屬豐度顯著性升高，而用于調節腸道菌群與自穩態的細胞因子（如IL-7、IL-12、IL-15、IL-16 等）降低。不僅如此，臨床試驗證實通過糞便移植治療后，放射性腸炎病人臨床癥狀、內鏡和影像學表現均有改善［30］。盡管上述實驗樣本量較小，但這些數據揭示了放療后腸道菌群改變和放射性腸炎之間的潛在聯系，即腸道菌群多樣性越低，腸炎發生風險越大。

放射性口腔黏膜炎（radiation-induced oral muco?sitis，RIOM）是頭頸部腫瘤放療中最常見的并發癥。超過90%的頭頸部放療病人會發生放射性口腔黏膜炎，其中重度黏膜炎的發生率達到了56%［31］。RI?OM 嚴重程度與腸道菌群相關。Jiang 等［32］對接受放化療的鼻咽癌病人進行口服益生菌治療，結果發現服用益生菌的病人發生口腔黏膜炎嚴重程度顯著降低。對病人糞便測序結果表明，同步放化療明顯干擾了病人的腸道多樣性，而益生菌明顯恢復了病人腸道菌群多樣性，使之接近健康人。因此，腸道菌群可能成為RIOM風險的預測標志物。

4 總結

腸道菌群對抗癌免疫反應具有不可忽視的影響，然而其生理機制是十分復雜的。在放療方面，目前的研究證據表明，腸道菌群不僅影響放療的療效，而且還預測放射性黏膜炎的發生風險及嚴重程度。這些結果雖然令人信服，但也有其局限性。事實上，上述研究中沒有考慮到飲食、抗生素使用等因素對于腸道菌群的影響。另一方面，這些研究雖然通過使用益生菌或益生元對腸道菌群進行了干預，但由于對放射性黏膜炎腸道菌群的了解不足，干預措施并不精確，這就導致產生了相互矛盾的結果。盡管有這些局限性，發現腸道菌群如何調節放療敏感性及放射性黏膜炎以及其機制仍是未來重要的研究方向。人們希望腸道菌群成為一種新的生物標志物，通過調節腸道菌群能夠提高放療療效，并且降低放療毒性。