腸道菌群與異基因造血干細(xì)胞移植研究進(jìn)展

傅 鑫,黃曉兵,2△

異基因造血干細(xì)胞移植(allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, allo-HSCT)是治療各種惡性腫瘤,特別是造血惡性腫瘤最有效的治療手段。然而,由于其危及生命的并發(fā)癥,如移植物抗宿主病(graft versus host disease,GVHD)、感染和復(fù)發(fā),allo-HSCT的應(yīng)用受到限制。目前越來越多的研究表明,腸道菌群組成及多樣性與allo-HSCT后患者臨床結(jié)果密切相關(guān)。抗生素的合理選擇,益生元、益生菌、后生元和糞菌移植等靶向腸道菌群的干預(yù)措施可減少allo-HSCT后并發(fā)癥,改善患者預(yù)后。因此,筆者對allo-HSCT后腸道菌群與GVHD、感染、復(fù)發(fā)和免疫重建之間的關(guān)系做一綜述,并且討論了針對腸道菌群的多種治療手段,為臨床上改善allo-HSCT預(yù)后提供策略。

1 腸道菌群與宿主免疫

腸道上皮由腸上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、Paneth細(xì)胞、M細(xì)胞等細(xì)胞組成。腸上皮細(xì)胞及其之間緊密連接是腸道屏障關(guān)鍵組成部分。腸道中杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的黏液層將腸道共生體與上皮分離,為腸道提供保護(hù)屏障。腸道Paneth細(xì)胞通過分泌抗菌蛋白抑制細(xì)菌入侵。M細(xì)胞負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)粘膜免疫及腸腔抗原的捕獲[1]。此外,以短鏈脂肪酸為代表的微生物代謝產(chǎn)物也可調(diào)控腸道上皮的內(nèi)穩(wěn)態(tài),腸上皮內(nèi)穩(wěn)態(tài)同時促進(jìn)微生物在腸道中的定殖,當(dāng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)打破時腸道菌群將失調(diào)[2]。在allo-HSCT受體中,由于其潛在的惡性腫瘤、全身放射治療以及暴露于抗生素和化療藥物,降低了腸道屏障的完整性,而具有非常高的感染和炎癥并發(fā)癥風(fēng)險。腸道細(xì)菌及其組成部分(病原體相關(guān)分子模式)轉(zhuǎn)移到固有層并被抗原提呈細(xì)胞識別,激活效應(yīng)細(xì)胞和加重GVHD。GVHD導(dǎo)致的B細(xì)胞、Paneth細(xì)胞和粘膜層的破壞加劇腸道炎癥和細(xì)菌易位,導(dǎo)致allo-HSCT后的生存率下降。

2 腸道菌群對移植結(jié)果及移植相關(guān)疾病的作用

2.1 腸道菌群與GVHD

2.1.1腸道微生物與GVHD GVHD是allo-HSCT后移植相關(guān)并發(fā)癥中最主要、最嚴(yán)重的一種。腸道菌群失調(diào)與GVHD之間互為因果、惡性循環(huán)。針對allo-HSCT后微生物群作用的早期研究并未報道特定的腸道微生物種類與GVHD或移植相關(guān)死亡率的相關(guān)性。隨著基因測序技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的證據(jù)表明allo-HSCT受體腸道菌群多樣性及特定的組成與移植預(yù)后相關(guān)。動物實驗表明,在GVHD小鼠腸道中梭菌豐度明顯降低,重新引入梭狀芽孢桿菌分離株的混合物可以產(chǎn)生高水平的丁酸從而上調(diào)Treg細(xì)胞、增加腸道完整性,延長GVHD小鼠存活時間[3]。allo-HSCT后患者臨床數(shù)據(jù)顯示,患者糞便中較高的腸球菌科及葡萄球菌科豐度與急性GVHD的風(fēng)險增加相關(guān)[4]。相比之下,屬于梭菌綱的Blautia屬豐度增加與GVHD相關(guān)死亡率降低和總體生存率提高顯著相關(guān)[5]。最近Burgos等[6]發(fā)現(xiàn),胃腸道急性移植物抗宿主病(GI-aGVHD)患者發(fā)病前后的糞便樣本中可以檢測到菌群失調(diào),且GVHD發(fā)病前糞便中梭菌綱成員豐度降低、產(chǎn)丁酸菌減少、嚴(yán)格厭氧菌/兼性厭氧菌比值降低與allo-HCT后更短的生存期和較高的GVHD相關(guān)死亡風(fēng)險有關(guān)。由此可見,針對腸道微生物組的分析或可預(yù)測GVHD的發(fā)病率和嚴(yán)重程度,從而有可能進(jìn)行早期針對微生物組的干預(yù)。

2.1.2微生物代謝物和GVHD 微生物代謝產(chǎn)物由腸道菌群產(chǎn)生的多種中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物組成,在調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和免疫應(yīng)答中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[7]。據(jù)報道, 接受allo-HSCT患者微生物代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸、芳香烴受體配體、多胺等水平發(fā)生了顯著變化,尤其是在急性移植物抗宿主病(acute graft versus host disease,aGVHD)患者中。短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)是微生物發(fā)酵膳食纖維的主要產(chǎn)物,參與調(diào)節(jié)宿主腸道穩(wěn)態(tài)和能量代謝[8]。動物實驗表明,allo-HSCT后發(fā)生GVHD小鼠腸道內(nèi)短鏈脂肪酸丁酸濃度明顯降低,通過直接服用丁酸或通過改變微生物組增加產(chǎn)丁酸菌恢復(fù)丁酸水平可以減輕GVHD嚴(yán)重程度并提生存率[3]。在GVHD患者中, SCFAs濃度(包括乙酸、丙酸和丁酸)均明顯降低并與GVHD嚴(yán)重程度和死亡率相關(guān),其中丁酸濃度在GVHD各階段均顯著降低,可作為GVHD診斷標(biāo)志物[9]。近期Meedt等也證實了allo-HSCT患者腸道菌群產(chǎn)丁酸能力與患者GVHD嚴(yán)重程度、GVHD相關(guān)死亡率及移植相關(guān)死亡率呈顯著負(fù)相關(guān)[10]。

芳香烴受體(AhR)配體是來源于腸道菌群代謝,對維持腸上皮屏障,調(diào)節(jié)先天及適應(yīng)性免疫至關(guān)重要[11]。在GVHD小鼠模型中,給予AhR配體吲哚衍生物可以改善GVHD嚴(yán)重程度,降低GVHD相關(guān)死亡率,同時保持移植物抗白血病效應(yīng)(GVL)[12]。Michonneau等[13]發(fā)現(xiàn),GVHD患者AhR配體水平顯著降低,包括3-吲哚醇硫酸酯(3-IS)、吲哚乙酸、吲哚乙酰谷氨酰胺和吲哚丙酸。Weber等[14]發(fā)現(xiàn),低水平尿液3-IS與較高的移植相關(guān)死亡率和較低的總生存率相關(guān),可能是預(yù)測GVHD的潛在生物標(biāo)志物。此外,Wu等[15]發(fā)現(xiàn)微生物代謝物氧化三甲胺 (TMAO) 或高膽堿飲食可通過NLRP3依賴的機(jī)制誘導(dǎo)M1巨噬細(xì)胞極化進(jìn)而增強(qiáng)Th1和Th17分化,增加小鼠GVHD嚴(yán)重程度和死亡率,提示我們通過對allo-HSCT患者控制膽堿飲食可能是減輕GVHD的有效策略。綜上,微生物代謝物在GVHD的發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用,可能是預(yù)防和治療GVHD的靶點,然而其具體作用機(jī)制仍不清楚,需要進(jìn)一步研究闡明。

2.2 腸道菌群與感染感染是allo-HSCT后非復(fù)發(fā)死亡的主要原因之一,僅次于GVHD。在allo-HSCT患者中,術(shù)前放療、化療及抗生素治療導(dǎo)致腸道菌群失衡、腸道微生物單一優(yōu)勢,顯著增加菌血癥風(fēng)險。Taur等[16]發(fā)現(xiàn)在近50%的患者在發(fā)生菌血癥之前已存在相應(yīng)菌群在腸道內(nèi)占優(yōu)勢,這些患者中菌群腸道優(yōu)勢與菌血癥之間的中位時間為7天,腸道中腸球菌支配的患者發(fā)生耐萬古霉素腸球菌菌血癥風(fēng)險增加9倍,腸變形菌支配的患者發(fā)生革蘭氏陰性桿菌菌血癥風(fēng)險增加5倍。Harris等[17]研究了腸道菌群在allo-HSCT后肺部并發(fā)癥中的作用,發(fā)現(xiàn)γ-變形菌屬腸道優(yōu)勢是allo-HSCT后肺部并發(fā)癥(包括感染)的重要預(yù)測因子。Haak等[18]發(fā)現(xiàn)allo-HSCT后患者糞便中產(chǎn)丁酸菌豐度較高的患者其發(fā)生呼吸道病毒感染風(fēng)險比其它患者低5倍。因此,通過監(jiān)測腸道微生物變化可以預(yù)測患者發(fā)生感染的風(fēng)險,并且針對腸道微生物群的保護(hù)對預(yù)防感染可能有一定幫助。

2.3 腸道菌群與復(fù)發(fā)目前普遍認(rèn)為腸道共生菌在腫瘤免疫監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。有假說提出了抗原擬態(tài),認(rèn)為微生物蛋白與腫瘤相關(guān)抗原具有密切的相似性。也有研究者認(rèn)為腸道共生菌通過非特異性激活先天免疫細(xì)胞發(fā)揮腫瘤免疫檢測。最近研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物組特定成員與降低allo-HSCT后復(fù)發(fā)風(fēng)險有關(guān)。Peled等[19]通過對541例allo-HSCT患者腸道微生物的豐度與疾病復(fù)發(fā)/進(jìn)展之間的回顧性研究發(fā)現(xiàn),粘液真桿菌豐度較高與疾病復(fù)發(fā)/進(jìn)展的風(fēng)險降低相關(guān),在有和無這組細(xì)菌的患者中,2年的復(fù)發(fā)/進(jìn)展累積發(fā)生率分別為19.8%和33.8%。這可能與粘液真桿菌產(chǎn)生豐富的短鏈脂肪酸增強(qiáng)了allo-HSCT后GVT效應(yīng)有關(guān)。有研究者在此基礎(chǔ)上提出了在allo-HSCT后,通過接種粘液真桿菌來改變疾病復(fù)發(fā)率高風(fēng)險患者的腸道菌群以降低復(fù)發(fā)率的可能性。此外,腸道中咽峽炎鏈球菌豐度較高的患者移植后復(fù)發(fā)率較低,而屎腸球菌與復(fù)發(fā)風(fēng)險增加相關(guān)[20]。這些可能成為潛在診斷或治療靶點,全面了解腸道菌群驅(qū)動黏膜和全身免疫調(diào)節(jié)的機(jī)制,可能有助于在改善GVT效應(yīng)的同時緩解GVHD,提高allo-HSCT后的總體生存率。

2.4 腸道菌群與免疫重建Allo-HSCT后免疫重建與感染、腫瘤復(fù)發(fā)密切相關(guān),而腸道菌群在移植后免疫重建中可能發(fā)揮重要作用。研究表明,腸道微生物群的存在可促進(jìn)小鼠骨髓生成并降低其感染敏感性[21],抗生素處理的小鼠表現(xiàn)出對骨髓中所有祖細(xì)胞亞型造血的多系抑制[22]。一項對無菌小鼠與野生小鼠免疫系統(tǒng)研究[23]表明,無菌小鼠在腸道黏膜中的效應(yīng)T細(xì)胞少于野生小鼠,通過將無菌小鼠與野生型小鼠混養(yǎng)后可以促進(jìn)無菌小鼠免疫系統(tǒng)成熟。Staffas等[24]發(fā)現(xiàn)在骨髓移植小鼠模型中,用抗生素清除腸道菌群可損害移植后的免疫重建,主要表現(xiàn)在抑制淋巴細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞的分化和恢復(fù)。Ingham等[25]在對allo-HSCT后兒童的腸道、口腔和鼻腔菌群動態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)CD4+T、Th17和B細(xì)胞的重建與三個部位的菌群具有相關(guān)性,其中腸道中毛螺菌科、瘤胃球菌科和乳桿菌科菌群高豐度與CD4+T細(xì)胞、TH17細(xì)胞亞群這些適應(yīng)性免疫細(xì)胞群數(shù)量呈正相關(guān)。這表明腸道微生物群在塑造免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,并可以作為提高移植后免疫的一種靶向策略。目前移植后免疫重建的評估包括檢測絕對淋巴細(xì)胞計數(shù),淋巴細(xì)胞亞群和抗體滴度以及功能分析和TCR多樣性,然而將免疫重建與微生物組學(xué)相結(jié)合的臨床研究較少,未來的前瞻性研究需要整合這些領(lǐng)域的研究,以更好地探究微生物組在allo-HSCT后免疫重建中的潛作用。并且,目前針對腸道菌群與免疫重建的研究只闡明了相關(guān)性,轉(zhuǎn)化應(yīng)用仍在起步階段,其背后的機(jī)制需要我們進(jìn)一步深入研究。

3 針對腸道菌群改善allo-HSCT結(jié)果的策略

3.1 抗生素腸道菌群多樣性與allo-HSCT后總生存率相關(guān),這個發(fā)現(xiàn)使研究者提出了關(guān)于allo-HSCT受體細(xì)菌凈化的問題,即如何在不影響治療療效的情況下保持“健康”共生微生物對機(jī)體的保護(hù)作用。抗生素治療類型可能決定腸道菌群組成和菌群破壞程度。一項對allo-HSCT患者及小鼠的回顧性研究[26]發(fā)現(xiàn)某些能破壞腸道微生物組的廣譜抗生素會增加GVHD相關(guān)死亡率,并且具有厭氧活性的抗生素與較高的GVHD相關(guān)死亡率有關(guān)。Weber 等[27]發(fā)現(xiàn)利福昔明單獨使用或配合全身抗生素治療可以改善腸道GVHD的癥狀和降低移植相關(guān)死亡率。Hayase等[28]提出,碳青霉烯類抗生素可以促使擬桿菌破壞黏液層而加重GVHD。除抗生素類型外,抗生素治療時間也會影響微生物多樣性并可能影響患者的預(yù)后。一項多中心回顧性研究[29]表明,早期接觸抗生素導(dǎo)致梭狀芽孢桿菌顯著減少并增加GVHD相關(guān)死亡率。近期一項動物實驗[30]表明,長期抗生素暴露可以引起淋巴細(xì)胞功能障礙和共生細(xì)菌全身逃逸導(dǎo)致感染風(fēng)險增加。綜上所述,抗生素是一把雙刃劍,在發(fā)揮抗感染效果的同時會影響腸道微生態(tài)而加重GVHD、延緩免疫重建,因此需慎重評估抗生素的作用。在allo-HSCT受者中抗生素早期降階治療并限制使用廣譜抗生素及消除專性厭氧菌的抗生素可能有助于改善患者預(yù)后。當(dāng)然,這需要進(jìn)行多中心前瞻性研究來評估抗生素的選擇對allo-HSCT后中性粒細(xì)胞減少期間細(xì)菌感染的短期風(fēng)險,以及抗生素使用所致的微生物組多樣性改變對長期終點(移植物抗宿主病、免疫重建和微生物耐藥性)的影響,以優(yōu)化allo-HSCT受體中抗生素的使用,在防止菌血癥同時減少腸道菌群損傷對長期預(yù)后的影響。

3.2 益生元益生元是指一種不易消化的化合物,通過在腸道中被微生物代謝,能調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和/或活性,以對宿主提供有益的生理作用。益生元對機(jī)體的有益影響已在各種研究中得到證實。近期Holmes 等[31]發(fā)現(xiàn),低聚半乳糖(GOS)通過影響腸道菌群可在一定程度上提高GVHD小鼠的生存率和緩解GVHD癥狀。Hayase 等[28]提出口服補(bǔ)充木糖可防止經(jīng)美羅培南治療的小鼠的結(jié)腸黏液層變薄而改善其GVHD生存率。這些研究為在造血干細(xì)胞移植中研究益生元提供了一個令人信服的理論基礎(chǔ),益生元可能成為預(yù)防GVHD的一種輔助療法。

3.3 益生菌益生菌是用于改善健康的活體微生物,具有調(diào)節(jié)免疫功能、生成有機(jī)酸和抗微生物產(chǎn)物、與宿主及其菌群互作、改善腸道屏障、產(chǎn)生酶和具有系統(tǒng)性影響的小分子等作用。在小鼠GVHD模型中已經(jīng)證明通過梭菌治療可以改善GVHD[3]。近期的一項研究[32]揭示了新一代益生菌嗜粘蛋白-阿克曼氏菌(AKK菌)在加速腸上皮再生、促進(jìn)IEC發(fā)育、促進(jìn)腸道屏障完整性、抑制炎癥反應(yīng)等方面發(fā)揮重要重要,這為將益生菌應(yīng)用于輔助治療GVHD提供了理論基礎(chǔ)。同時,大多數(shù)患者在在allo-HSCT后幾周內(nèi)出現(xiàn)腸道細(xì)菌多樣性下降且多達(dá)一半的菌血癥發(fā)生在腸道細(xì)菌占主導(dǎo)地位之前,這表明給予益生菌預(yù)防病原體定植的潛在有效性。然而目前針對益生菌在在allo-HSCT受者中的應(yīng)用較少,僅限于臨床前模型和小型試點試驗,缺乏大規(guī)模循證醫(yī)學(xué)依據(jù)。值得注意的是,也有報道益生菌的使用可能產(chǎn)生負(fù)面作用。免疫功能低下的自體干細(xì)胞移植的套細(xì)胞淋巴瘤患者在過度食用富含嗜酸乳桿菌的酸奶后發(fā)生嗜酸乳桿菌敗血癥[33],提示益生菌在特定人群中的潛在安全性問題。近年來,基因工程技術(shù)的出現(xiàn)可以使益生菌分泌具有有益作用的化合物,如抗菌肽(AMPs)。不少研究報道了基因工程改造的益生菌在強(qiáng)化腫瘤免疫治療、治療腸道耐藥菌及艱難梭菌感染中的作用。相信在不久的將來,益生菌可能會通過基因工程技術(shù)為allo-HSCT宿主帶來福音。

3.4 后生元后生元是對宿主健康有益的無生命微生物和/或其成分的制劑。菌群分泌、修飾或降解的小分子可調(diào)控宿主健康,基于這些代謝物的療法稱為后生元療法,這種方法與益生菌策略和糞便移植相比具有更高的安全性和可操作性。有多項研究探討了后生元對腸道疾病改善的效果。在一項小鼠結(jié)腸炎模型中[34],口服滅活的Akk菌或是Akk菌的外膜蛋白Amuc_1100(一種后生元),可以通過調(diào)節(jié)CD8+細(xì)胞毒性T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞改善結(jié)腸炎。特別是在GVHD小鼠模型中[3],通過增加腸道中吲哚或其衍生物的水平可以顯著降低了小鼠GVHD的風(fēng)險。一項針對5例復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染患者的研究[35]表明,從供者糞便中轉(zhuǎn)移無菌濾液而不是糞便微生物群,足以改善艱難梭菌感染癥狀。這提示我們后生元療法與益生菌療法、糞菌移植相比,細(xì)菌成分、代謝物可能是一種替代方法,特別是對于免疫功能低下的患者。這研些究給后生元應(yīng)用于allo-HSCT患者來改善腸道完整性并預(yù)防腸道移植物抗宿主病帶來了啟發(fā)。然而目前將后生元應(yīng)用于造血干細(xì)胞移植患者的臨床資料還很少,且菌群代謝物具有多重功能且大多數(shù)代謝物功能尚不清楚,圍繞這些我們還需要更為深入的研究。

3.5 糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)FMT作為恢復(fù)腸道菌群的一種臨床手段,早期用于治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染。近年來,有大量臨床研究在探索FMT用于治療血液腫瘤患者的艱難梭菌感染、類固醇難治性急性GVHD和多重耐藥細(xì)菌感染。在一項針對FMT在激素難治性或激素依賴性腸道GVHD患者小規(guī)模研究[36]中,所有患者均通過FMT改善了GVHD癥狀且未發(fā)現(xiàn)由于FMT造成的不良反應(yīng)。Bilinski 等[37]研究發(fā)現(xiàn),急性GVHD患者對FMT的總應(yīng)答率及完全應(yīng)答率分別可達(dá)到57%及42%,而在慢性GVHD患者中,FMT可維持或改善器官受累情況。Spindelboeck等[38]證實了FMT可緩解腸道移植物抗宿主病,延長總生存期。此外,Ghani 等[39]提出,FMT可顯著降低多藥耐藥菌定殖患者血流感染,并顯著減少碳青霉烯抗生素的使用、抗生素使用時長、菌血癥和住院時長。當(dāng)然, 也有FMT后感染并發(fā)癥的病例報道,1例allo-HSCT患者在接受FMT后引起產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶大腸桿菌菌血癥而導(dǎo)致死亡[40]。然而目前尚缺少FMT應(yīng)用于造血干細(xì)胞移植患者的大規(guī)模臨床研究,我們需要進(jìn)行長期隨訪和更大規(guī)模的研究來評估FMT對allo-HSCT患者的安全性和有效性。

4 未來與展望

識別具有診斷意義和預(yù)后意義的微生物標(biāo)志物對于告知患者風(fēng)險和選擇合適的治療策略至關(guān)重要,然而關(guān)于腸道微生物組在造血干細(xì)胞移植受者中的作用,以及如何利用微生物組預(yù)防或治療移植相關(guān)疾病,仍有許多懸而未決的問題。腸道微生物群和造血干細(xì)胞移植領(lǐng)域中的許多研究實際上只證明了相關(guān)性,從相關(guān)性轉(zhuǎn)向因果性仍然是一個重要且必要的步驟。未來的研究將進(jìn)一步剖析腸道菌群如何調(diào)宿主生理活動以改善患者健康和預(yù)后。