腸道菌群、機體免疫與腫瘤放射治療關系的研究進展

張芮　李琴　喬云鋒　韓江龍　王詩杰　黃柯潔　付振明

【摘要】 人體內含有大量的共生菌群，這些共生菌群已被證實可以影響人體免疫系統(tǒng)。腫瘤的放射治療會導致腸道菌群紊亂、免疫失調，引起急慢性炎癥。同時，腸道菌群的組成成分可能影響放射治療的效果和副反應發(fā)生?，F已發(fā)現應用益生菌、抗生素、糞便移植等改變宿主腸道菌群的方法具有預防和治療放射性腸炎、增加放射敏感性及增強放療效果的作用。本文就目前關于腸道菌群、機體免疫與腫瘤放射治療間的關系的研究進行綜合性闡述。

【關鍵詞】 共生菌; 放射治療; 腫瘤; 放射性炎癥

【Abstract】 The human body contains a large number of symbiotic bacteria，which have been proved to affect the human immune system.Radiation therapy for tumors can lead to intestinal flora disorders and immune disorders，causing acute and chronic inflammation.At the same time，the composition of intestinal flora may affect the efficacy of radiotherapy and the incidence of side effects.It has been found that the application of probiotics，antibiotics，fecal transplantation and other methods to change the host intestinal flora has the effect of preventing and treating radiation enteritis，increasing radiosensitivity and enhancing the effect of radiotherapy.This article reviews the recent researches on the relationship between intestinal bacterial flora，immunity and tumor radiation therapy.

【Key words】 Symbiotic bacteria; Radiotherapy; Cancer; Radiation-induced inflammation

First-authors address：Renmin Hospital of Wuhan University，Wuhan 430060，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.08.045

隨著宏基因組測定方法的快速發(fā)展和微生物基因組數據庫的建立與完善，微生物檢測技術逐漸成熟，不僅可以檢測出樣本中微生物的物種豐度，還可以通過比對數據庫得到相關的功能豐度。越來越多的研究發(fā)現，腫瘤患者在接受放射治療特別是盆腹腔放射治療后的效果和副反應與患者腸道內的共生菌群相關。本文就目前關于腸道菌群、機體免疫與腫瘤放射治療間關系的研究進行綜合性闡述。

1 人體共生微生物

棲息在人類身體上的菌群包括細菌和其他微生物如古生菌、真菌、原生動物等。它們主要表現為與宿主的共生關系，而當腸道生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變時可能會引起腸道菌群紊亂，使得這些共生菌成為致病菌[1]。人體內的微生物于出生時開始定植在人體上，在嬰幼兒時期變化較劇烈，在成年人中相對穩(wěn)定，但仍可受到飲食、生活方式、疾病和治療手段的影響而發(fā)生變化[2]。

2 腫瘤的放射治療對機體免疫的影響

隨著社會的發(fā)展、人們壽命的延長，腫瘤發(fā)病率持續(xù)上升，其中約70%的患者在治療時需要放療，而這之中又有75%的患者會出現不同程度的副作用，影響了治療的效果、完整性和患者的生存[3]。放射治療不僅會對腫瘤細胞產生直接的DNA損傷，也通過電離輻射誘導細胞內水分子解離產生氧自由基（reactive oxygen species，ROS）來間接誘導DNA損壞;還會對非靶細胞產生非靶向作用，如引起靶區(qū)旁細胞的旁觀者效應、全身放射反應、基因組不穩(wěn)定等，進一步造成DNA繼發(fā)損傷[4]。近年來，隨著免疫治療的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現聯合免疫治療可以促進放射治療的遠隔效應（一種免疫反應），由此可將放射療法的使用擴展到治療轉移性疾病當中[5]。越來越多的研究顯示微生物不僅可以在化療和免疫治療等腫瘤治療中起到重要的作用，也與放射治療存在相互作用。相關研究發(fā)現，腸道菌群可影響放射治療的效果和副作用的發(fā)生[6]。此外，菌群是否也能增加放射治療的遠隔效應、是否有可能通過干預菌群來增加放射治療效果及減少放射治療并發(fā)癥成為亟待研究的問題。

3 腸道菌群與宿主免疫功能的關系

近年來，有關腸道菌群與宿主免疫功能關系的研究激增，大量證據顯示腸道菌群在炎癥和自身免疫疾病中起到重要的作用。腸道相關淋巴組織參與控制腸道微生物群的獲取、維持和定位，并且參與維持功能性上皮屏障以防止病原體侵入宿主[7]。微生物群對宿主免疫功能的影響主要通過釋放中間共同介質（例如代謝物）而不是特定微生物和免疫細胞之間的直接相互作用來發(fā)揮作用。例如色氨酸代謝物可對腫瘤壞死因子產生強烈的抑制作用，短鏈脂肪酸可促進漿細胞產生IgA來增強免疫力，IgA又可影響細菌毒力[8]。細菌代謝物或細菌本身可以激活局部樹突細胞，使其遷移到相應引流淋巴結進而激活T細胞，后者可以遷移至腸黏膜或進入體循環(huán)引起一系列免疫反應[7]。缺乏腸道微生物群的無菌小鼠具有嚴重的免疫缺陷：如缺乏黏膜層，免疫球蛋白A（IgA）分泌改變，Peyers斑塊變小、功能減退等[9]。在多發(fā)性硬化和類風濕性關節(jié)炎動物模型中進行的研究表明：無菌小鼠不會發(fā)生自身免疫;然而，如果向無菌小鼠引入特定細菌，則可以誘導自身免疫疾病發(fā)生;如再給予其與正常小鼠共生的脆弱擬桿菌的細菌多糖則可以減輕自身免疫癥狀。總體而言，微生物群有助于塑造整個免疫系統(tǒng)[10]。但是，腸道微生物組如何參與影響宿主免疫仍有待闡明。據報道，嬰兒（<2個月）糞便中測量的擬桿菌的相對量與TLR4的mRNA表達及脂多糖敏感性呈負相關。同樣，乳桿菌和雙歧桿菌的低定植與過敏的發(fā)生率較高有關[11]。這些結果顯示了腸道微生物組對宿主免疫系統(tǒng)的影響，并突出了腸道微生物組驅動疾病易感性的可能性。

4 放射治療與腸道菌群的關系

4.1 放射治療對腸道菌群的影響 許多細菌對輻射敏感，而在接受放射治療的患者和小鼠的上皮表面微生物群的變化已經被發(fā)現與治療副作用如口腔黏膜炎、腹瀉、腸炎和骨髓衰竭等有關[12]。放射治療對腸道的影響的相關研究主要集中于輻射引起的毒性作用方面，其中關于輻射引起的腸炎的研究最為多見與透徹。有研究顯示，輻射可以誘導腸隱窩中的細胞凋亡、破壞腸道屏障、改變微生物結構，從而導致腸道炎癥、破壞微生物介導的黏膜穩(wěn)態(tài)、影響先天與后天的免疫系統(tǒng)[13]。研究還發(fā)現，輻射引起的胃腸毒性與炎癥性腸病之間存在相似性，兩者具有相似的發(fā)病機制，并且多表現為腹瀉、直腸出血和吸收不良等癥狀。臨床研究顯示盆腹腔放射治療后，放射治療引發(fā)放射性腸炎的患者相比較無放射性腸炎患者具有更高比例的腸道菌群紊亂，主要表現為糞便中桿菌和放線菌水平上升和梭狀芽孢桿菌水平下降;在急性和晚期放射性腸病患者中出現小腸細菌的過度生長。綜合來看，輻射可能引起腸道菌群紊亂，進而促進放射性腸炎的發(fā)生。另一方面，相比于其他患者，克羅恩病患者和潰瘍性結腸炎患者放療后嚴重的急性或慢性并發(fā)癥風險增加29%～46%。這暗示著紊亂的腸道菌群環(huán)境會增加放射治療后不良反應的發(fā)生。因此，放射治療可引起菌群紊亂，而腸道菌群的紊亂又會增加各種并發(fā)癥的風險[14]。

4.2 腸道菌群對放射治療效果的影響 關于菌群影響放射治療方面的基礎研究開始較早。動物實驗主要比較放療后無菌小鼠和傳統(tǒng)培養(yǎng)小鼠的生存，證明腸道菌群會影響放射的敏感性。經歷全身照射后，無菌小鼠比傳統(tǒng)培養(yǎng)的小鼠存活時間更長，并且需要更高的輻射劑量才能誘導腸病。照射后，無菌小鼠相比常規(guī)培養(yǎng)小鼠具有更少的內皮細胞凋亡和淋巴細胞浸潤，表達更少的腫瘤壞死因子α（TNF-α）、IL-1β和IL-6，并可通過給予IL-1受體拮抗劑改善放射損傷，只有擬桿菌和大腸桿菌定植的動物模型具有與無菌小鼠相似的實驗結果。經過放射的小鼠的微生物組在體內和體外都具有致病性[15]。有動物研究顯示，對糞便移植（FMT）治療小鼠進行10 d的放射過程中觀察到與常規(guī)小鼠相比更高的存活率和更弱的毒性反應，這表明改變腸道菌群的組成可以改變腸道對輻射的敏感性[16]。另有研究比較了白天受照射的小鼠和晚上受照射的小鼠對放療的敏感性，發(fā)現小鼠白天比夜間對照射毒性更為敏感。研究表明晝夜節(jié)律能影響輻射誘導的細胞凋亡和在腸道、骨髓、外周血p53基因的激活[17]。此外，晝夜節(jié)律與腸道微生物成分的晝夜變化和短鏈脂肪酸的產生相關，從而能夠假設小鼠對放射治療的敏感性的晝夜變化與小鼠體內微生物群成分的晝夜變化相關。

菌群對放療效果的影響方面的臨床研究較少，大多是針對放療相關副反應，并且每個研究病例數較少，很難做出有統(tǒng)計學差異的研究。目前的研究主要認為，桿菌和放線菌總量的增加和梭狀芽孢桿菌的減少增加放療后急性腸炎的風險，并且不建議具有炎癥性腸病等的患者接受放療。一項涉及少數患者的研究使用了16S核糖體RNA進行DNA指紋分析和克隆測序，評估了放療前、放療期間和放療后的大便情況。有研究顯示，患者初始腸道微生物的組成可能是放射治療后是否會發(fā)生腹瀉的一個決定因素[18]。另一項研究顯示，與放療后出現放射性腸炎的患者相比，未出現放射性腸炎患者的腸道菌群多樣性較高，桿菌、小類桿菌、韋榮球菌豐度較低，梭菌、顫桿菌克菌、普雷沃菌和一些未分類菌群豐度較高，并且具有更低的厚壁菌/擬桿菌比率[12]。菌群對放射治療效果影響則是亟待研究的問題。

5 調節(jié)菌群可以減少放療相關黏膜炎癥的發(fā)生

5.1 益生菌、益生元、合益菌粉 益生菌，是指經過適當方法使用可以使宿主受益的活的微生物;益生元，就是可以促進宿主體內有益菌群生長的非生物類食物;合益菌粉即指兩者的混合物。已發(fā)現含有嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、干酪乳桿菌的益生菌制劑可以減少放射引起的嚴重腸炎的發(fā)生率[19]。同樣的，針對頭頸部的研究也發(fā)現短乳桿菌的使用減少了頭頸部腫瘤患者放療和化療誘導的黏膜炎的發(fā)生率，并提高了治療的完成率[20]。最近的一篇Meta分析納入了6項研究以評價補充益生菌對放射性腸炎的預防作用，結果顯示預防性使用益生菌相比較安慰劑組腹瀉發(fā)生率明顯降低，但與使用其他抗腹瀉藥物組無顯著區(qū)別[21]。以上研究顯示，益生菌和相關制劑可以作為一種針對放射性腸炎的潛在治療方法，但由于相關研究較少，無法確定更好的益生菌和相關制劑的成分及使用時機。使用益生菌增強放射治療效果將也是非常值得今后研究的課題。

5.2 抗生素 很明顯，抗生素的使用會影響菌群的組成結構。早在幾十年前抗生素就被考慮作為一種治療放射性腸炎的方法，已有動物研究顯示不同種類的不同抗菌藥物可能對放射引起的炎癥有治療效果，但哪種藥物具有更好的療效還未被確定?；A研究認為一些共生菌具有在放射狀態(tài)下保護宿主的作用，因此，理論上，作用于特定類型菌群的抗生素可能可以更好地保護接受放射治療的宿主，從而將抗生素應用于輻射損傷的預防和治療[22]。最近發(fā)表在Science上的一篇文章顯示使用抗生素甲硝噠唑處理含有梭形桿菌的癌組織，降低梭形桿菌負載，可以抑制癌細胞增殖和腫瘤生長，這也顯示出抗生素在腫瘤治療中的潛在作用[23]。

5.3 糞便移植 以胃腸道為例，其上定植有十分密集的微生物菌群，它們通過十分復雜的相互作用共同調節(jié)宿主的免疫和代謝，這些共生菌群中組成結構和功能的變化被認為與許多疾病的發(fā)病有關。因此單獨對個別菌群的研究可能并不能解釋整體菌群對疾病的預防和治療效果，了解腸道微生物群如何影響健康、導致疾病需要將范圍從注重個別病原體轉變?yōu)榭紤]整個微生態(tài)環(huán)境，因此有了糞便移植（FMT）方面的研究。FMT已被證明是可以改善炎癥性腸病、非酒精性脂肪肝、代謝綜合征和神經精神障礙患者生活質量的最直接和最根本的方式。2013年FMT已被美國FDA寫進臨床指南，用于復發(fā)性難辨梭狀芽孢桿菌感染的治療。但是，迄今為止，FMT是否可以用來預防和緩解輻射引起的毒性仍然未知。有動物研究顯示，對FMT治療小鼠進行10 d的放射過程中觀察到與常規(guī)小鼠相比更高的存活率和更弱的毒性反應，這表明FMT對輻射誘導的毒性起到保護作用[16]。我國也有類似的案例報道，一例因宮頸癌行放療導致放射性腸炎的患者經親屬供體糞菌移植后，癥狀獲得顯著緩解[24]。

[14] Crawford P A，Gordon J I.Microbial regulation of intestinal radiosensitivity[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2005，102（37）：13254-13259.

[15] Gerassy-Vainberg S，Blatt A，Danin-Poleg Y，et al.Radiation induces proinflammatory dysbiosis：transmission of inflammatory susceptibility by host cytokine induction[J].Gut，2018，67（1）：97-107.

[16] Cui M，Xiao H，Li Y，et al.Faecal microbiota transplantation protects against radiation-induced toxicity[J].EMBO Mol Med，2017，9（4）：448-461.

[17] Duncan A M，Ronen A，Blakey D H.Diurnal variation in the response of gamma-ray-induced apoptosis in the mouse intestinal epithelium[J].Cancer Lett，1983，21（2）：163-166.

[18] Ishihara H，Tanaka I，Yakumaru H，et al.Circadian transitions in radiation dose-dependent augmentation of mRNA levels for DNA damage-induced genes elicited by accurate real-time RT-PCR quantification[J].J Radiat Res，2010，51（3）：265-275.

[19] Panebianco C，Andriulli A，Pazienza V.Pharmacomicrobiomics：exploiting the drug-microbiota interactions in anticancer therapies[J].Microbiome，2018，6（1）：92.

[20] Sharma A，Rath G K，Chaudhary S P，et al.Lactobacillus brevis CD2 lozenges reduce radiation and chemotherapy-induced mucositis in patients with head and neck cancer：a randomized double-blind placebo-controlled study[J].Eur J Cancer，2012，48（6）：875-881.

[21] Liu M M，Li S T，Shu Y，et al.Probiotics for prevention of radiation-induced diarrhea：a meta-analysis of randomized controlled trials[J].PLoS One，2017，12（6）：e0178870.

[22] Packey C D，Ciorba M A.Microbial influences on the small intestinal response to radiation injury[J].Curr Opin Gastroenterol，2010，26（2）：88-94.

[23] Bullman S，Pedamallu C S，Sicinska E，et al.Analysis of Fusobacterium persistence and antibiotic response in colorectal cancer[J].Science，2017，358（6369）：1443-1448.

[24]劉亭，楊彬珧，雷超，等.親屬供體糞菌移植緩解放射性腸炎病案報告[J].中醫(yī)藥臨床雜志，2018，31（1）：445-447.

[25] Brook I，Walker R I，MacVittie T J.Effect of antimicrobial therapy on bowel flora and bacterial infection in irradiated mice[J].Int J Radiat Biol Relat Stud Phys Chem Med，1988，53（5）：709-716.

[26] Cui M，Xiao H，Luo D，et al.Circadian Rhythm Shapes the Gut Microbiota Affecting Host Radiosensitivity[J].Int J Mol Sci，2016，17（11）：1786.

（收稿日期：2018-11-30） （本文編輯：張爽）