腸道微生物在腫瘤發(fā)生和治療中的作用

王晨晨，聶勇戰(zhàn)

0 引 言

人類腸道內(nèi)定植著復(fù)雜的微生物群落，并與人類自身共同組成了一個(gè)超級(jí)生物體。腸道微生物包括1000多種細(xì)菌，編碼的基因數(shù)量至少是人體自身基因的100倍［1］。腸道菌群結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，功能也十分多樣化。腸道菌群通過與人體和外界環(huán)境相互作用，影響人體的營養(yǎng)、免疫和代謝，與多個(gè)系統(tǒng)密切聯(lián)系，可以調(diào)節(jié)骨密度、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)發(fā)育、促進(jìn)骨髓造血、抑制病原微生物，以及通過腦腸軸調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)［2］。當(dāng)菌群結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生或者增加患病風(fēng)險(xiǎn)。近年來腸道微生物在腫瘤發(fā)生發(fā)展，以及診療中所起的作用越來越受到重視。腸道微生物異常不僅可以促進(jìn)腫瘤發(fā)生，而且還可影響放化學(xué)治療（簡稱化療）以及免疫治療效果。腸道菌群和腫瘤的關(guān)系不容忽視，現(xiàn)重點(diǎn)討論腸道菌群和腫瘤的發(fā)生發(fā)展和治療相關(guān)的研究。

1 腸道微生物與腫瘤發(fā)生

癌癥和微生物的之間的關(guān)系復(fù)雜，盡管人們普遍認(rèn)為癌癥是宿主遺傳和環(huán)境因素導(dǎo)致的疾病，但數(shù)據(jù)顯示，大約20%的惡性腫瘤與微生物有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌患者的糞便促進(jìn)了小鼠腸道腫瘤的發(fā)生［3］。失衡的腸道微生物可以影響宿主體內(nèi)的代謝、擾亂免疫系統(tǒng)功能、改變宿主細(xì)胞增殖和死亡的平衡［4］。通過受損腸道黏膜屏障進(jìn)入組織的微生物，作為消化道腫瘤微環(huán)境的成分，影響腫瘤的生長和擴(kuò)散［5］。近年來，對(duì)于腸道菌群促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的機(jī)制得到了揭示。細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌毒素破壞DNA，從而殺死競爭者，并得以在微生物群體中生存。但研究發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)菌毒素可能引起人體正常細(xì)胞的基因突變，導(dǎo)致癌癥。如B2組大腸埃希菌表達(dá)的PKS位點(diǎn)編碼的colibactin毒素，產(chǎn)腸毒素脆弱擬桿菌產(chǎn)生的脆弱擬桿菌毒素（Bacteroides Fragilis Toxin，BFT）和蛋白菌產(chǎn)生的細(xì)胞膨脹毒素（cytolethal distending toxin，CDT）。colibactin和CDT均可引起哺乳動(dòng)物細(xì)胞雙鏈DNA損傷［6］，而BFT可激發(fā)高水平的活性氧（reactive oxygen species，ROS），進(jìn)而破壞宿主DNA［7］。當(dāng)DNA損傷程度超過宿主細(xì)胞的修復(fù)能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生細(xì)胞死亡或致癌突變。

除了破壞DNA外，部分微生物具有參與宿主致癌途徑的蛋白質(zhì)。Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞的極性、生長和干細(xì)胞特性，在多種惡性腫瘤中被異常改變。研究發(fā)現(xiàn)，β-catenin信號(hào)通路是癌癥相關(guān)微生物的常見作用靶點(diǎn)。幽門螺桿菌致癌菌株表達(dá)CagA蛋白、具核梭桿菌表達(dá)的一種細(xì)胞黏附組分FadA和產(chǎn)腸毒素脆弱擬桿菌分泌的BFT，結(jié)合宿主腸上皮細(xì)胞E-cadherin，調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號(hào)通路，隨著Wnt通路相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、癌基因和炎癥基因表達(dá)的增加，導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞增殖、屏障破壞，促進(jìn)黏膜炎癥和癌癥形成［8-10］。另一方面，黏膜屏障破壞后，宿主細(xì)胞通過模式識(shí)別受體識(shí)別微生物，例如Toll樣受體，激活炎癥反應(yīng)，刺激免疫細(xì)胞釋放TNF-α、IL-17、IL-21、IL-22等，進(jìn)而激活NF-κB和STAT3通路，可促進(jìn)細(xì)胞增殖和抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)腫瘤發(fā)生［11］。微生物代謝物也可促進(jìn)炎癥反應(yīng)，并影響組織中細(xì)胞增殖和死亡的平衡［12］。代謝產(chǎn)物中丁酸鹽可以激活G蛋白耦聯(lián)受體109A（GPR109A），促進(jìn)髓系細(xì)胞產(chǎn)生抗炎宿主反應(yīng)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg細(xì)胞）生成［13］。

平衡的、“健康的”腸道微生態(tài)與正常的生理功能有關(guān)，但是腸道微生態(tài)紊亂時(shí)，上述提到的或至今未發(fā)現(xiàn)的菌屬增殖，或者與之相抵抗的有益菌的豐度降低，紊亂的腸道微生物表現(xiàn)出促進(jìn)腫瘤發(fā)生的效應(yīng)。那么定期檢測分析腸道微生物的組分和功能，可能成為預(yù)防種瘤的重要手段。

2 腸道微生物與腫瘤治療

2.1 腸道微生物與化療鉑類抗腫瘤藥物如奧沙利鉑和順鉑通過與DNA形成鉑-DNA鏈合物，導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂，達(dá)到抗腫瘤效果。腸道微生物并不是藥物穿透腫瘤細(xì)胞和形成鉑-DNA鏈合物的必要條件，但是，在無菌小鼠或者抗生素處理的小鼠體內(nèi)觀察到鉑類藥物誘導(dǎo)的炎癥基因的表達(dá)水平降低，腫瘤細(xì)胞DNA損傷減少，抗腫瘤效應(yīng)降低［14］。在接種益生菌種嗜酸乳桿菌后，抗生素處理小鼠恢復(fù)了鉑類相關(guān)炎癥基因的表達(dá)，并恢復(fù)了順鉑的抗腫瘤作用［15］。研究顯示，腸道菌群的缺失下調(diào)了NADPH氧化酶2（NOX2）的表達(dá)，從而減少腫瘤浸潤髓系細(xì)胞分泌ROS，而ROS正是鉑類藥物細(xì)胞毒性作用的有效成分［14］。完整的腸道菌群或嗜酸乳桿菌對(duì)鉑類藥物產(chǎn)生ROS的機(jī)制依賴于通過髓系分化初級(jí)應(yīng)答88（MyD88）相關(guān)的天然免疫受體（模式識(shí)別受體）的信號(hào)傳遞［15］。環(huán)磷酰胺可以改變腸黏膜的通透性，并選擇性改變腸道內(nèi)幾種菌群的豐度，誘導(dǎo)選定的革蘭氏陽性菌轉(zhuǎn)移到次級(jí)淋巴器官中，易位細(xì)菌增加了瘤內(nèi)CD8+T cell與T調(diào)節(jié)細(xì)胞（Treg）比率，激活致病性Th17細(xì)胞和記憶性Th1細(xì)胞免疫應(yīng)答，從而誘導(dǎo)出抗腫瘤免疫反應(yīng)［16］。

由此可以看出，平衡的或者說“健康”的腸道菌群在化療中的整體效應(yīng)是增強(qiáng)抗腫瘤的，這是腸道菌群對(duì)機(jī)體的整體性、系統(tǒng)性的調(diào)控。拆開來看，某些組分（如嗜酸乳桿菌）與整體的效應(yīng)相同，但基于腸道菌群龐大的群落，也會(huì)有部分菌屬與整體效應(yīng)相反，促進(jìn)化療的耐藥。有研究發(fā)現(xiàn)，化療后復(fù)發(fā)患者的結(jié)直腸癌組織中具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）含量豐富，在173例腸癌組織中，具核梭桿菌豐度高的患者中有73.4%發(fā)生了病情復(fù)發(fā)［17］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，具核梭桿菌通過TLR4和MyD88先天免疫信號(hào)和特定的微小RNA，激活細(xì)胞自噬通路，抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)奧沙利鉑和5-FU的化療耐藥［17］。另有研究發(fā)現(xiàn)，大腸埃希菌瘤內(nèi)接種可以抑制吉西他濱的抗腫瘤作用而增強(qiáng)CB1954在小鼠體內(nèi)的抗腫瘤效果［18］。

2.2 腸道微生物與放療放射治療是腫瘤治療的重要手段，腫瘤細(xì)胞DNA損傷是通過直接沉積能量或通過輻射誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)水分子產(chǎn)生ROS引起的。放療不僅會(huì)引起腫瘤細(xì)胞的死亡，也會(huì)對(duì)未受輻射的細(xì)胞產(chǎn)生非靶向效應(yīng)。放療能改變微生物群組成，誘導(dǎo)腸隱窩細(xì)胞凋亡，破壞腸道屏障［19］。這些改變使致病微生物進(jìn)入組織，引起腸道炎癥。臨床研究中已證明益生菌有益于預(yù)防放射性腸病。含嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、干酪乳桿菌的制劑對(duì)盆腔輻射引起的腸道毒性有保護(hù)作用，可顯著降低嚴(yán)重腹瀉的發(fā)生率［20］。糞便微生物移植提高了照射后動(dòng)物的存活率，提高了外周血白細(xì)胞數(shù)，改善了胃腸道功能和腸上皮完整性［21］。近年來，關(guān)于腸道菌群對(duì)腸上皮屏障保護(hù)的機(jī)制也有報(bào)道。鼠李糖桿菌通過TLR-2/MyD88信號(hào)通路和COX-2產(chǎn)生放射防護(hù)作用，抑制放療誘導(dǎo)的腸上皮細(xì)胞的凋亡，顯著改善放療所致的腸道綜合征［22］；也有報(bào)道稱腸道菌群對(duì)腸道屏障的保護(hù)作用的機(jī)制之一是誘導(dǎo)產(chǎn)生血管生成素樣4（ANGPTL 4）［23］；而ANGPTL 4對(duì)脂質(zhì)代謝、血管生成和組織修復(fù)有多效性作用［24］。

目前的研究提示，腸道菌群在放療中保護(hù)胃腸道黏膜，沒有明確發(fā)現(xiàn)腸道菌群可以調(diào)節(jié)放療的抗腫瘤效應(yīng)；但是放療引起的免疫原性細(xì)胞死亡，產(chǎn)生了類似于原位腫瘤疫苗作用，促進(jìn)全身炎癥和免疫。由此可以推斷腸道微生物在放療的抗腫瘤作用中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，但需要進(jìn)一步的研究證明。而且，腸道菌群保護(hù)胃腸道黏膜，減少了并發(fā)癥的發(fā)生，提高了患者對(duì)治療的耐受性和生活質(zhì)量，間接提高了放療的效果。

2.3 腸道微生物與腫瘤免疫治療最近，免疫療法在治療血液和實(shí)體癌方面顯示出了潛力，并在對(duì)常規(guī)治療無效的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者中取得了持久的完全緩解。而且研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可以調(diào)節(jié)免疫治療的抗腫瘤效應(yīng)。由全身放射治療引起的腸道菌群向腸系膜淋巴結(jié)移位，通過TLR4信號(hào)，可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)移T細(xì)胞在腫瘤內(nèi)的增殖和抗腫瘤活性［25］。而用抗生素處理小鼠后，過繼轉(zhuǎn)移腫瘤特異性細(xì)胞毒性T細(xì)胞的療效會(huì)降低。同樣，在無菌小鼠或者抗生素處理的小鼠中，CPG-寡脫氧核苷酸和IL-10受體抗體合用對(duì)皮下腫瘤的治療效果變差，髓系細(xì)胞不能有效產(chǎn)生促炎因子，TNF依賴性出血壞死也不能被有效誘導(dǎo)。但是，Alistipes shahii菌的再定植恢復(fù)了髓系細(xì)胞產(chǎn)生TNF的能力，而常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠口服發(fā)酵乳桿菌后TNF產(chǎn)生受損［26］。研究發(fā)現(xiàn)，革蘭陰性菌Alistipes和革蘭陽性菌瘤胃球菌屬與TNF的產(chǎn)生呈正相關(guān)，乳桿菌屬（包括鼠乳桿菌、腸乳桿菌和發(fā)酵乳桿菌）為負(fù)相關(guān)［27］。

免疫檢查點(diǎn)抑制劑抗細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4抗體和抗程序性死亡蛋白1或程序性死亡蛋白配體-1抗體（programmed death ligand-1，PD-L1）對(duì)多種腫瘤顯示出較強(qiáng)的抗腫瘤活性，廣泛應(yīng)用于治療惡性黑色素瘤、胃癌、非小細(xì)胞肺癌等［28］。抗CTLA-4抗體對(duì)無菌小鼠或者抗生素處理小鼠皮下腫瘤的反應(yīng)較差，給予多形擬桿菌或脆弱擬桿菌喂養(yǎng)后，恢復(fù)了抗CTLA-4抗體的治療效果，其機(jī)制可能是通過誘導(dǎo)瘤內(nèi)樹突狀細(xì)胞成熟和腫瘤引流淋巴結(jié)中的Th1反應(yīng)。研究者還發(fā)現(xiàn)，某些抗生素（如萬古霉素）可通過改變腸道微生物的組成，減少革蘭陽性菌的數(shù)量，保留多形桿狀菌和伯克氏菌，增強(qiáng)抗CTLA-4的反應(yīng)。研究者通過對(duì)黑色素瘤患者接受抗CTLA-4治療前后的糞便微生物分析，發(fā)現(xiàn)抗CTLA-4治療本身可能改變腸道微生物的組成，從而有利于其抗瘤活性［29］。

在PD-1抗體治療黑色素瘤的研究中，研究者在動(dòng)物模型和臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多令人振奮的現(xiàn)象和結(jié)果。Gajewski團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)來自同一品系，不同實(shí)驗(yàn)室的小鼠其對(duì)黑色素瘤的免疫強(qiáng)度存有差異，接種的黑色素瘤生長速度不同。但是將兩種小鼠同籠飼養(yǎng)22d后，這種差異縮小了。將免疫反應(yīng)強(qiáng)的小鼠的糞便移植到免疫弱小鼠體內(nèi)，后者也產(chǎn)生較強(qiáng)的免疫反應(yīng)。這表明兩種小鼠針對(duì)黑色素瘤免疫強(qiáng)度的差異是由腸道微生物組成、結(jié)構(gòu)的不同造成的。進(jìn)而對(duì)這種小鼠糞便進(jìn)行16sRNA測序，發(fā)現(xiàn)兩者腸道內(nèi)雙歧桿菌屬存在明顯差異。非常有意思的是，研究后續(xù)發(fā)現(xiàn)口服雙歧桿菌可達(dá)到與PD-L1抗體療法相同的抗瘤效果，雙歧桿菌與PD-L1抗體聯(lián)合治療，腫瘤生長幾乎停止。而這可能是通過增強(qiáng)的樹突狀細(xì)胞功能增加CD8+T細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中的積累介導(dǎo)的［30］。

一個(gè)來自19家機(jī)構(gòu)的多中心臨床研究中，112例抗PD-1免疫治療的黑色素瘤患者根據(jù)療效分為應(yīng)答組和非應(yīng)答組，腸道菌群分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)答組患者腸道富含柔嫩梭菌，非應(yīng)答組富含擬桿菌，而且腸道菌群多態(tài)性高的患者生存期明顯延長［31］。發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象后研究者以此為分組條件，將患者分為柔嫩梭菌高豐度組、低豐度組，擬桿菌高豐度組、低豐度組。發(fā)現(xiàn)柔嫩梭菌豐度高的患者，給予抗PD-1治療后，生存期明顯比低豐度組延長；而富含擬桿菌的患者生存期比低豐度組縮短［32］。這反證了前期發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。同樣，將患者的糞便移植給無菌荷瘤小鼠，給予抗PD-1治療后，結(jié)果顯示應(yīng)答組腸道菌群移植后能增加小鼠腫瘤內(nèi)CD8+殺傷性細(xì)胞數(shù)目，明顯抑制腫瘤生長［32］。這與上一個(gè)研究相互印證，腸道菌群在PD-1抗體治療黑色素瘤中發(fā)揮重要作用。

另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)用PD-1抗體治療249例患有非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌或者尿路上皮癌的患者過程中，使用抗生素治療感染的患者其PD-1抗體療效降低，無進(jìn)展生存期和總生存期明顯縮短。糞菌16sRNA測序發(fā)現(xiàn)，PD-1抗體應(yīng)答組腸道中富含阿克曼氏菌。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也有相同的結(jié)果，給予抗生素組合（氨芐青霉素+黏菌素+鏈霉素）處理14d，處理組PD-1抗體或CTLA-4抗體的療效明顯降低。將患者的糞便移植到無菌荷瘤小鼠體內(nèi)，應(yīng)答組患者的糞便可增強(qiáng)PD-1抗體或CTLA-4抗體的抗腫瘤效應(yīng)。而且有趣的是，非應(yīng)答組糞便移植小鼠口服補(bǔ)充阿克曼氏菌后，CCR9+CXCR3+CD4+T淋巴細(xì)胞向小鼠腫瘤的募集增加，恢復(fù)了PD-1抗體的療效［32］。

胃腸道是人體最大的免疫器官，腸道微生物可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的狀態(tài)。一旦找到特定菌屬的作用，就可以人為的操縱菌屬，改變免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)免疫治療的效果。不僅僅是腫瘤，其他與免疫有關(guān)的疾病也可以參考這種策略，例如有團(tuán)隊(duì)研究IG A腎病與腸道菌群的關(guān)系。

3 結(jié)語與展望

近年來對(duì)腸道菌群的研究，使我們對(duì)腸道菌群有了更深的了解，并逐步建立大量的菌群庫，如由南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院和第四軍醫(yī)大學(xué)西京消化病醫(yī)院共同發(fā)起建立的中華糞菌庫，對(duì)分析正常人和患者腸道菌群的組成特征譜，提供了良好的數(shù)據(jù)平臺(tái)，為更好地運(yùn)用腸道菌群促進(jìn)人類健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前腸道菌群與腫瘤的發(fā)生發(fā)展與治療方面取得了一些可喜的結(jié)果，這些發(fā)現(xiàn)正逐步轉(zhuǎn)化應(yīng)用于臨床，指導(dǎo)腫瘤的預(yù)防和治療，并產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，腸道菌群在腫瘤發(fā)生中的重要作用，有望成為腫瘤預(yù)防的重要干預(yù)，而且對(duì)理解腫瘤發(fā)生開辟了一個(gè)新維度。其次，通過糞菌移植或者抗生素等手段，調(diào)節(jié)相關(guān)菌屬的豐度，可以保證化療的最大療效。對(duì)于合并感染的患者，抗生素使用的時(shí)機(jī)、劑量、療程要根據(jù)菌群的特點(diǎn)和可能對(duì)當(dāng)前治療方案的影響決定。“健康的”腸道菌群保護(hù)胃黏膜屏障，在化療治療中，給予益生菌、益生元或者糞菌移植方式調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)的多樣性和平衡，可以減少不良反應(yīng)和并發(fā)癥的出現(xiàn)。最讓研究者期待的是，腸道微生物在免疫治療中的巨大影響，提示通過保護(hù)腸道微生態(tài)的平衡和多樣性可以讓免疫檢查點(diǎn)抑制劑發(fā)揮最大療效。更有意義的是，通過這方面的研究，揭示了腸道微生物與機(jī)體免疫系統(tǒng)的緊密結(jié)合，進(jìn)一步加深理解微生態(tài)對(duì)人體免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。而且免疫檢查點(diǎn)抑制劑在臨床中的使用，所治療的患者隊(duì)列正是真實(shí)世界研究中最理想的觀察對(duì)象，增進(jìn)我們了解機(jī)體內(nèi)腸道微生態(tài)如何通過腸道黏膜局域免疫系統(tǒng)調(diào)控全身系統(tǒng)免疫系統(tǒng)。當(dāng)然，目前我們對(duì)腸道微生態(tài)的認(rèn)識(shí)還比較片面，未知的領(lǐng)域還有待積極探索，盡管存有不足，但是，隨著對(duì)動(dòng)物模型和臨床的深入研究，腸道菌群在腫瘤發(fā)生、腫瘤治療，尤其在免疫治療中發(fā)揮作用的深層次機(jī)制將會(huì)一步步被揭示。