腸道微生物穩(wěn)態(tài)影響抗腫瘤治療的研究進(jìn)展

魯弘骎 陳暉 黃頡剛

人體腸道存在著大量微生物群落，對(duì)人類的生理過程具有重要影響，尤其是炎癥和免疫反應(yīng)[1]。正常宿主腸道黏膜上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞上寄生的微生物群落，在種群、數(shù)量上保持相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡，即腸道微生物穩(wěn)態(tài)，該穩(wěn)態(tài)在食物消化、組織代謝、腸道相關(guān)淋巴組織發(fā)育、膽汁酸代謝、維生素B及維生素K合成等過程中起著關(guān)鍵作用。此外，微生物的抗原及代謝產(chǎn)物還能刺激機(jī)體產(chǎn)生細(xì)胞因子來對(duì)抗病原體。研究表明在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療的過程中，患者腸道內(nèi)微生物群落種類及數(shù)量可能發(fā)生了變化，即腸道微生物失穩(wěn)態(tài)[2]。在腸道內(nèi)微生物失衡狀態(tài)與再平衡因素的交互作用下，致炎通路被激活，免疫通路失活，抗腫瘤治療的療效、預(yù)后及結(jié)局可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。目前已在多種類型癌癥中證實(shí)，腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療有關(guān)[3]。因此，筆者就腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療的相關(guān)性作一綜述。

1 腸道微生物群落與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系

1.1 腸道微生物群落與腫瘤的發(fā)生 近年來，有研究通過減少與抑制大腸癌相關(guān)的脆弱類桿菌來抑制炎癥過程，結(jié)果表明根除微生物可能有助于抑制腫瘤的發(fā)生。有研究對(duì)荷瘤小鼠進(jìn)行誘導(dǎo)結(jié)腸炎相關(guān)結(jié)直腸癌的干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)炎癥期間抗生素干預(yù)能減少腫瘤的發(fā)生，而未經(jīng)抗生素清除微生物的小鼠腫瘤負(fù)荷增加了2倍；同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過腸道微生物移植到無菌小鼠的干預(yù)方式會(huì)刺激結(jié)腸道腫瘤的發(fā)展[4-5]。腸道腸毒素性脆弱類桿菌可以分泌脆弱類桿菌毒素，引起炎癥性腹瀉的表現(xiàn)，但也能定植于部分人群而不導(dǎo)致任何癥狀。某些特異病原體感染能促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，目前已明確的有人乳頭瘤病毒、幽門螺桿菌、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒等[6]。

1.2 腸道微生物群落與腫瘤的發(fā)展 腸道微生物群落可以通過炎癥反應(yīng)或炎癥介質(zhì)干擾宿主基因組穩(wěn)定性造成損害的途徑來干預(yù)腫瘤的發(fā)展，即宿主細(xì)胞信號(hào)通路途徑[7]。腸道內(nèi)微生物分解產(chǎn)物會(huì)影響腸道黏膜屏障的完整性，導(dǎo)致腸壁通透性增加，從而允許抗原穿透腸壁，并通過炎癥因子進(jìn)一步強(qiáng)化刺激、加劇黏膜細(xì)胞內(nèi)的遺傳不穩(wěn)定性。例如，在腸道微生物失穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的炎癥過程中，血管內(nèi)皮生長因子、表皮生長因子濃度升高，而它們是促進(jìn)腫瘤發(fā)展的重要生長因子[8-9]。

2 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與抗腫瘤治療的關(guān)系

相關(guān)研究表明，抗腫瘤治療會(huì)影響人體腸道微生物群落的分布、數(shù)量及種類，進(jìn)而刺激宿主產(chǎn)生免疫應(yīng)答，導(dǎo)致并發(fā)癥發(fā)生，最終影響療效及預(yù)后[10]。

2.1 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與化療 化療過程中使用的細(xì)胞毒性藥物會(huì)導(dǎo)致最直接的胃腸道黏膜損害，包括胃腸黏膜屏障破壞、胃腸黏膜炎癥等。輕者影響抗腫瘤治療效果，重者導(dǎo)致預(yù)后不良甚至病死。胃腸黏膜炎癥的發(fā)生受腸道共生微生物群落的影響，主要通過以下5種方式實(shí)現(xiàn)：（1）炎癥過程和氧化應(yīng)激，（2）腸通透性，（3）黏液層，（4）對(duì)有害、刺激的抗性上皮修復(fù)機(jī)制，（5）活化和釋放免疫效應(yīng)分子。

生物代謝表型主要由基因組、腸道微生物群落、所處環(huán)境及攝入的外源物等決定?；煂?duì)患者的影響主要表現(xiàn)在腸道微生物群落明顯改變，從而影響生物代謝表型[11]。細(xì)菌和宿主之間的相互作用，可能會(huì)進(jìn)一步影響宿主的代謝表型，從而影響化療對(duì)宿主預(yù)期效應(yīng)。以肌苷為例，它是腺苷的天然代謝產(chǎn)物，具有抗炎、免疫抑制的作用。對(duì)小鼠血清的代謝分析發(fā)現(xiàn)，接受吉西他濱治療的小鼠中肌苷含量明顯降低[12]。深入研究發(fā)現(xiàn)，某些腸道微生物參與肌苷水平的調(diào)節(jié)，如乳酸桿菌可逆轉(zhuǎn)肌苷的消耗，導(dǎo)致肌苷水平升高[13]。

通過調(diào)節(jié)腸道微生物群落活性來提高藥物療效或減輕毒性，是改善化療效果的2個(gè)重要方向。研究表明，調(diào)節(jié)靶向微生物群落的穩(wěn)態(tài)及活性，可以減輕伊立替康對(duì)小鼠造成的胃腸道毒性反應(yīng)[14]。在無病原小鼠的研究中，發(fā)現(xiàn)一些G+菌可提高環(huán)磷酰胺的治療效果，其機(jī)制是環(huán)磷酰胺引起腸上皮屏障破壞后，細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物可通過移位作用刺激Th17和Th1細(xì)胞引導(dǎo)直接抗腫瘤免疫應(yīng)答，從而提升抗腫瘤效應(yīng)[15]。皮下淋巴瘤小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，鑒別出具有種屬特異性的腸道細(xì)菌并使髓樣細(xì)胞釋放活性氧，從而增強(qiáng)奧沙利鉑的化療作用[16]。可見，某些共生狀態(tài)的腸道微生物在腫瘤化療期間可起到與化療藥物的協(xié)同抗腫瘤效應(yīng)，維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)，在一定程度上提升治療效果。

2.2 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與放療 放療是導(dǎo)致腸道微生物群落發(fā)生改變的一個(gè)重要物理因素。電離輻射會(huì)對(duì)腸道黏膜及微生物群落帶來直接、明顯的損害[17]。通過觀察放療后出現(xiàn)急性腹瀉患者的腸道微生物群落狀況，發(fā)現(xiàn)微生物種類、數(shù)量及穩(wěn)態(tài)均呈現(xiàn)多樣性改變。一項(xiàng)關(guān)于放療誘發(fā)小鼠腸炎的研究發(fā)現(xiàn)，伴隨腸道炎癥的發(fā)生，小鼠腸道微生物群落發(fā)生了改變[18]。有研究表明，采用腸道微生物生態(tài)學(xué)分析的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)腸道微生物失穩(wěn)態(tài)情況，并作積極調(diào)整與干預(yù)，將有助于減少放療帶來的毒性反應(yīng)[19]。此外，腸道微生物移植也能減輕輻射毒性。有研究通過糞便微生物移植來提高受輻射照射小鼠的存活率，結(jié)果顯示糞便微生物移植能提高小鼠外周血WBC、改善胃腸道功能及腸上皮的完整性[20]。

2.3 腸道微生物穩(wěn)態(tài)與免疫治療 在免疫治療興起初期就有研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群落與人體免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)系，即特定腸道細(xì)菌菌群可以影響臨床前小鼠癌癥模型的免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICI）療效。ICI是通過阻斷癌細(xì)胞逃避CD8+T細(xì)胞殺傷的能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抗腫瘤作用[21]。近年來，越來越多臨床研究證實(shí)腫瘤患者腸道微生物群落狀態(tài)與免疫治療的療效有關(guān)。

早期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)免疫治療CTLA-4阻滯劑（伊比利木）單抗產(chǎn)生的療效與腸道微生物組分的相關(guān)性進(jìn)行研究，比較了抗CTLA-4抗體作用于常規(guī)組（特定無病原體）和無菌組荷瘤小鼠的療效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)組的腫瘤進(jìn)展得到控制，而無菌組未顯示抗腫瘤效果。人源化小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過糞便微生物移植方式，將異體微生物移植到無菌或抗生素處理的動(dòng)物中，可重新形成腸道微生物群落；而具有正常腸道菌群的異種移植瘤小鼠予抗生素治療后，進(jìn)一步接受ICI治療，結(jié)果顯示小鼠腫瘤的進(jìn)展顯著。臨床上接受抗PD-1或抗PD-L1免疫治療的非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌或尿路上皮癌患者，約1/3曾因各種情況接受抗生素治療[22]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在ICI治療前或期間曾接受過抗生素治療的患者存活率較對(duì)照組明顯降低。對(duì)以上人群的腸道微生物群落進(jìn)行檢測并篩選出2種特定的微生物——嗜黏液阿克曼原蟲、Hirae腸球菌，這2種微生物的存活狀態(tài)可特異性預(yù)測ICI治療反應(yīng)；同時(shí)將這些細(xì)菌或含有應(yīng)答糞便微生物移植于多種異種無菌移植瘤小鼠模型中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)都產(chǎn)生了一定的腫瘤退縮效應(yīng)[22]。近期一項(xiàng)研究也證實(shí)了該結(jié)果，它將產(chǎn)生ICI治療應(yīng)答的荷瘤小鼠糞便微生物移植到進(jìn)行PDL1檢查點(diǎn)阻斷治療的無菌黑色素瘤小鼠，與接受無應(yīng)答荷瘤小鼠糞便微生物移植的小鼠相比，腫瘤明顯較小，CD8+T細(xì)胞浸潤腫瘤也更顯著[23]。在動(dòng)物模型中，糞桿菌的豐度與CD8+T細(xì)胞浸潤直接相關(guān)。經(jīng)抗生素處理或無免疫治療應(yīng)答的小鼠接受產(chǎn)生免疫治療應(yīng)答小鼠糞便微生物移植后，可恢復(fù)抗PD-1治療的免疫應(yīng)答。在預(yù)后研究中，對(duì)PD-1靶點(diǎn)治療有反應(yīng)的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤個(gè)體較無應(yīng)答者的微生物群落更多樣化，同時(shí)具有高豐度的單一細(xì)菌屬糞桿菌的患者600d后仍保持疾病無進(jìn)展?fàn)顟B(tài)的可能性是低豐度糞桿菌患者的2倍以上。Matson等[24]從在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者腸道微生物群落中鑒定出8個(gè)群落和2個(gè)種屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有上述微生物分布的PD-1治療應(yīng)答者明顯優(yōu)于非應(yīng)答者。同時(shí)通過動(dòng)物研究佐證，通過糞便微生物移植無菌小鼠重現(xiàn)供體腸道微生物譜的表型，與既往報(bào)道的抗PD-1反應(yīng)性相關(guān)特征性的微生物種譜一致，如糞腸球菌、柯林賽拉氣相桿菌等。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，與Th1極化、翅膀狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)性T細(xì)胞減少等有關(guān)，推測與免疫治療相關(guān)的抗腫瘤免疫增強(qiáng)效應(yīng)有關(guān)[24]。在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者抗PD-1治療與腸道微生物譜關(guān)系的研究中，Gopalakrishnan等[25]確認(rèn)了瘤胃球菌群家族在ICI應(yīng)答者的富集現(xiàn)象。ICI治療反應(yīng)性與腸道微生物群落的豐度和多樣性有關(guān)，涉及腸道微生物群落的總體組成及分布，這可能有助于預(yù)測并區(qū)分ICI治療有反應(yīng)者與無反應(yīng)者[26]。盡管研究都觀察到了依賴于腸道微生物的T細(xì)胞浸潤于腫瘤中（ICI治療成功的先決條件），但具體機(jī)制有待闡明。

目前尚不清楚在免疫檢查點(diǎn)抑制效應(yīng)的背景下，哪些腸道微生物具有免疫調(diào)節(jié)作用。盡管基因組測序提供了關(guān)于腸道微生物群落發(fā)育結(jié)構(gòu)及功能的有用信息，但未明確闡明微生物的具體代謝及效應(yīng)過程。在未來研究中，識(shí)別與ICI反應(yīng)性或非反應(yīng)性相關(guān)的其他生物標(biāo)志物至關(guān)重要。

3 小結(jié)

許多細(xì)胞毒性藥物會(huì)導(dǎo)致胃腸黏膜炎癥，這與腸道屏障惡化和細(xì)菌移位有關(guān)。這些藥物會(huì)引起中性粒細(xì)胞減少，細(xì)菌移位可導(dǎo)致全身感染，從而需要抗生素干預(yù)。而抗生素的使用會(huì)擾亂腸道微生物群落甚至使有益菌群喪失，隨之發(fā)生的微生物群落失穩(wěn)態(tài)會(huì)引發(fā)一系列問題。通過補(bǔ)充和調(diào)整外源性腸道微生物，可能有助于維持抗腫瘤治療患者的腸道微生物穩(wěn)態(tài)。一項(xiàng)單中心回顧性研究選取長程化療伴復(fù)發(fā)、難治性艱難梭菌感染的患者，以糞便微生物移植的方式幫助患者重新建立腸道微生物穩(wěn)態(tài)[27]。所有患者艱難梭菌平均感染4次，萬古霉素、甲硝唑等藥物平均治療106d，經(jīng)糞便微生物移植治療的患者存活超過60d；提示糞便微生物移植是一種安全、有效的治療方法[27]。益生菌具有激活細(xì)胞保護(hù)途徑、緩解活性氧種類、替換致病細(xì)菌和維持腸屏障完整性的作用。對(duì)150例接受基于5-氟尿嘧啶化療的結(jié)直腸癌患者進(jìn)行益生菌補(bǔ)充，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3～4級(jí)腹瀉發(fā)生率較安慰劑組明顯降低[28]。一項(xiàng)薈萃分析結(jié)果表明，益生菌補(bǔ)充可降低癌癥患者腹瀉發(fā)生率[29]。對(duì)于盆腔惡性腫瘤化放療導(dǎo)致胃腸道黏膜炎癥的處理，目前專家共識(shí)和指南均推薦使用益生菌來預(yù)防和治療腹瀉[30]。

綜上所述，目前關(guān)于腸道微生物群落對(duì)抗腫瘤治療結(jié)局的具體影響尚未明確?，F(xiàn)有研究資料及證據(jù)提示，腸道微生物穩(wěn)態(tài)可能是抗腫瘤治療成功的一個(gè)重要條件。