腸道微生態(tài)與腫瘤免疫治療的研究進(jìn)展

丁瑤，張獻(xiàn)全(通信作者*)，孫貴銀

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院，重慶 400000；2.江津區(qū)中心醫(yī)院，重慶 400000)

0 引言

腫瘤免疫治療開辟了腫瘤治療領(lǐng)域的新方向，與手術(shù)、化療、放療和分子靶向治療等借助“外力”試圖直接殺傷腫瘤細(xì)胞的治療手段不同，免疫治療主要利用自身抗腫瘤免疫機(jī)制對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷和持久控制。目前腫瘤的免疫治療主要包括免疫檢查點(diǎn)抑制(Immune checkpoint inhibitors，ICIs)和過繼性細(xì)胞治療(Adoptive Cell Transfer Therapy，ACT)。免疫檢查點(diǎn)抑制劑通過正?；瘷C(jī)體抗腫瘤免疫應(yīng)答從而殺滅腫瘤細(xì)胞，而后者是指從腫瘤患者體內(nèi)分離免疫活性細(xì)胞，在體外進(jìn)行基因工程加工和擴(kuò)增，然后回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，從而達(dá)到直接殺傷腫瘤細(xì)胞或激發(fā)機(jī)體的免疫應(yīng)答殺傷腫瘤細(xì)胞的目的[1,2]。

盡管免疫療法顯著改善了多種晚期腫瘤患者的生存預(yù)后，但并非所有患者都能從免疫治療中受益，現(xiàn)有的生物標(biāo)志物如高微衛(wèi)星不穩(wěn)定性(MSI-H)，程序性死亡配體1(PD-L1)，腫瘤突變負(fù)荷(TMB)等無法可靠地預(yù)測(cè)治療反應(yīng)和療效。越來越多的研究證實(shí)腸道微生態(tài)能夠?qū)λ拗鞯拿庖咭约澳[瘤治療反應(yīng)產(chǎn)生影響，不僅具有作為免疫治療療效和不良反應(yīng)預(yù)測(cè)指標(biāo)的潛力，通過不同策略調(diào)控腸道微生態(tài)從而調(diào)控免疫治療的設(shè)想還使其具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 腸道微生物組簡(jiǎn)介

腸道微生態(tài)由生活在人體腸道的數(shù)萬億微生物，包括病毒、真菌、古細(xì)菌以及原生動(dòng)物和其他微生物的復(fù)雜群落組成。這些共生微生物與人類共同進(jìn)化，具有多種有益于人類健康的功能，包括從飲食中收獲其他難以接近的營(yíng)養(yǎng)素，維持粘膜屏障的完整性，以及促進(jìn)免疫系統(tǒng)發(fā)育和體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)[4,5]。

腸道微生物組的破壞(生態(tài)失調(diào))與包括胃腸道疾病、自身免疫性疾病、神經(jīng)疾病和代謝性疾病在內(nèi)的一系列疾病有關(guān)[6]。特定的細(xì)菌和病毒感染能夠誘發(fā)腫瘤形成，并且也影響癌癥治療的相關(guān)毒性。臨床研究和小鼠實(shí)驗(yàn)均表明腸道微生態(tài)與免疫檢查點(diǎn)抑制劑和其他療法之間存在強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)。臨床前研究模型也證明成功腸道微生物群的調(diào)節(jié)可以增強(qiáng)治療反應(yīng)[7,8]。

2 腸道微生態(tài)與機(jī)體免疫

腸道微生態(tài)在先天性和獲得性免疫反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。所有與宿主相關(guān)的微生物都是在出生后通過垂直傳播獲得的，然后通過整個(gè)生命中的環(huán)境暴露繼續(xù)進(jìn)化。共生的微生物通過調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng)影響多種生理功能。腸道中定植的某些細(xì)菌傳遞不同的信號(hào)，這些信號(hào)影響先天性和獲得性免疫系統(tǒng)的功能而導(dǎo)致遠(yuǎn)離定植位點(diǎn)的全身性結(jié)果。通過腸道微生物組可以實(shí)現(xiàn)炎癥、感染以及食物和共生抗原耐受性之間的微妙平衡[9]。

腸道微生態(tài)對(duì)于保持粘膜屏障的完整性和防止腸道泄漏發(fā)揮重要作用，在粘膜中的T 細(xì)胞和B 細(xì)胞具有受微生物群影響位置特異性表型和功能，這些細(xì)胞通過抑制對(duì)無害抗原的反應(yīng)和強(qiáng)化腸粘膜屏障功能的完整性來維持免疫穩(wěn)態(tài)。腸道內(nèi)的微生物及其代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(如丁酸鹽)，可能改變局部和全身性抗炎和促炎細(xì)胞因子的平衡，并破壞調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞和T 輔助-17 細(xì)胞亞群的比例[10,11]。腸道微生物群可能通過基礎(chǔ)信號(hào)刺激局部吞噬細(xì)胞，從而產(chǎn)生更有效的細(xì)胞因子應(yīng)對(duì)感染。

腸道微生態(tài)也幫助維持全身免疫。例如，某些種類的雙歧桿菌可以增強(qiáng)阻斷程序性死亡1(PD-1)途徑的T 細(xì)胞依賴性抗腫瘤作用，并且由細(xì)菌誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)性T(Treg)細(xì)胞產(chǎn)生全身性抗炎功能[12]。

腸道微生物群中的不平衡，稱為生態(tài)失調(diào)，可以通過接近和遠(yuǎn)離其誘導(dǎo)部位的T 細(xì)胞的活性引發(fā)幾種免疫紊亂。越來越多的證據(jù)表明，生態(tài)失調(diào)可以影響局部和全身的抗腫瘤免疫力。例如，癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加可能與復(fù)發(fā)性抗生素暴露有關(guān)。腸道細(xì)菌調(diào)節(jié)了血液系統(tǒng)惡性腫瘤中異基因造血干細(xì)胞移植(ASCT)后感染和移植物抗宿主病(GVHD)的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)性廣譜抗生素的早期應(yīng)用與GVHD 和移植相關(guān)死亡率的增加有關(guān)，可能是由于腸道微生物群中保護(hù)性梭菌和布勞特氏菌的消耗[13]。

3 腸道微生物組與免疫治療關(guān)系

3.1 免疫檢查點(diǎn)抑制劑

兩個(gè)獨(dú)立研究小組的結(jié)果顯示，共生的腸道微生態(tài)影響小鼠模型對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制的反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)腸道微生物群能夠顯著增強(qiáng)治療反應(yīng)，提示腸道微生物群的組成與癌癥類型的免疫檢查點(diǎn)阻斷治療反應(yīng)之間存在密切關(guān)聯(lián)，但兩組實(shí)驗(yàn)中與治療反應(yīng)相關(guān)的菌群構(gòu)成卻并不相同[14,15]。

除了腸道微生物群與治療反應(yīng)的關(guān)聯(lián)之外，Routy 等的研究中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)獨(dú)立的隊(duì)列研究了接受抗程序性死亡受體-1(PD-1)抑制劑治療的患者使用抗生素的效果，提供了破壞腸道微生物群會(huì)降低治療反應(yīng)的證據(jù)。在免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療期間接受抗生素治療的患者中觀察到較低的微生物多樣性，這表明抗生素使用引起的生態(tài)失調(diào)可能會(huì)削弱對(duì)抗PD-1 治療的反應(yīng)。然而，并非所有研究都觀察到抗生素使用與抗PD-1 反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，這些相關(guān)研究可能會(huì)因需要使用抗生素的健康狀況而混淆[16]。重要的是，在其中幾個(gè)隊(duì)列中進(jìn)行的機(jī)制研究表明，患腫瘤的無菌小鼠接受對(duì)抗PD-1有反應(yīng)的患者的糞便移植比接受對(duì)抗PD-1 有沒有反應(yīng)的患者的糞便移植，其抗PD-1 治療的反應(yīng)顯著改善。那些具有更有利的腸道微生物組的患者以及接受應(yīng)答移植物的小鼠顯示出腫瘤內(nèi)免疫浸潤(rùn)的增加[7,8]。

除了腸道微生物組在應(yīng)對(duì)免疫檢查點(diǎn)阻斷方面的作用外，初步研究還顯示腸道微生物組與治療相關(guān)免疫毒性之間存在關(guān)聯(lián)，主要集中在CTLA-4 單抗相關(guān)的結(jié)腸炎中。在這些研究中，腸道微生物群的基線差異顯示與多個(gè)隊(duì)列中CTLA-4 單抗相關(guān)的結(jié)腸炎的發(fā)展相關(guān)[17,18]。

3.2 過繼性免疫治療

研究發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌在全身放療的作用下被誘導(dǎo)移位至腸系膜淋巴結(jié)，再通過TLR4 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而增強(qiáng)ACT 的療效，給小鼠補(bǔ)充TLR4 配體LPS 同樣可增強(qiáng)ACT 的抗腫瘤反應(yīng)[19]。同樣地，接受清髓性放療預(yù)處理的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者對(duì)TIL 過繼治療的效果更好。ACT 的療效受腸道菌群的天然組成或抗生素治療后導(dǎo)致的菌群改變或糞菌移植的顯著影響。針對(duì)G+菌的萬古霉素可誘導(dǎo)全身性CD8α+DC 的增加，其以IL-12 依賴性方式增強(qiáng)ACT 的療效。這提示有望通過改變腸道菌群來改善ACT 的療效和腫瘤患者的預(yù)后[20]。

4 調(diào)節(jié)腸道微生物組以改善癌癥的治療反應(yīng)

4.1 糞便移植

雖然在癌癥背景下的糞便微生物群移植剛剛開始進(jìn)行研究，但這種療法已在艱難梭菌感染(CDI)[21]和炎癥性腸病[22]等疾病中得到廣泛證實(shí)，這可能為設(shè)計(jì)治療癌癥方面試驗(yàn)提供重要參考依據(jù)。通過從供體移植整個(gè)腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的糞便移植與單一有益細(xì)菌的遞送相比具有多種潛在優(yōu)勢(shì)。首先，引入細(xì)菌的植入可能在整個(gè)社區(qū)移植的環(huán)境中更加穩(wěn)健，受體微生物組的競(jìng)爭(zhēng)排斥較低。移植整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)可以移植假定的有益細(xì)菌和整個(gè)支持生態(tài)系統(tǒng)以及整體的多樣性。

值得注意的是，在復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染的嚴(yán)重不良狀態(tài)下，單次輸注健康供體糞便微生物群移植治療可獲得臨床益處和持久性微生物群植入[21]。然而在其他疾病中，天然微生物群沒有被抗生素反復(fù)破壞并且由單一致病菌株支配，單一糞便微生物群移植的持久植入更具有挑戰(zhàn)性[22,23]。

4.2 飲食、益生菌、益生元、后生元

腸道微生物群密切參與人類消化和營(yíng)養(yǎng)物消化吸收的每一步[24]。腸道微生物群改變了食物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，釋放出許多人體無法消化的營(yíng)養(yǎng)素。除此之外，飲食可以影響各種腸道微生物群(細(xì)菌、病毒、真菌、原生動(dòng)物和噬菌體)的組成以及它們的轉(zhuǎn)錄和代謝組學(xué)特征[25,26]。急促的飲食變化可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的變化[27]。飲食改良對(duì)特定腸道微生物群組成的存在影響，消除與擬桿菌減少有關(guān)的動(dòng)物脂肪攝入[28]和增加短鏈脂肪酸(SCFA)有關(guān)的高纖維飲食會(huì)產(chǎn)生細(xì)菌[29,30]。這些變化也被證明會(huì)影響小鼠的免疫反應(yīng)和人類的新陳代謝。鑒于這些發(fā)現(xiàn)，最終可能會(huì)在癌癥治療的影響中考慮飲食影響[25,31,32]。

除了飲食，益生元和后生元也可用于調(diào)節(jié)腸道微生物群。益生元由特定的化學(xué)物質(zhì)組成，這些化學(xué)物質(zhì)促進(jìn)選擇性細(xì)菌群的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)多樣化和“健康”的微生物群。果聚糖(包括低聚果糖和菊粉)等物質(zhì)，已被證實(shí)可選擇性地刺激特定細(xì)菌類群的生長(zhǎng)并改變腸道內(nèi)的短鏈脂肪酸水平[33]。例如已在小鼠模型中研究過的SCFA(如丁酸鹽)，作為高纖維飲食的組分或在飲用水中用于預(yù)防結(jié)直腸癌[34]。

此外，目前還在研究噬菌體用于調(diào)節(jié)微生物群治療疾病的治療策略。噬菌體是感染細(xì)菌的病毒，是腸道病毒的最豐富和多樣化的成員[35]，它們可以用于以非常選擇的方式殺死細(xì)菌。在臨床前模型中，噬菌體已被證明與針對(duì)特定細(xì)菌類群的抗生素具有相同的功效，同時(shí)對(duì)共生的非靶向細(xì)菌的破壞較少。有趣的是，最近的研究表明，噬菌體實(shí)際上也可能以其他方式塑造腸道微生物群，并且可能部分地有助于FMT 對(duì)CDI 的功效[36]。然而，需要進(jìn)一步研究以了解這些藥物的作用機(jī)制和可能的耐藥性，安全性和產(chǎn)品制備以及對(duì)正常菌群和免疫系統(tǒng)的潛在影響[37]。

4.3 把腫瘤微生物作為靶點(diǎn)

除了調(diào)節(jié)腸道微生物群以影響癌癥治療之外，目前正在努力靶向腫瘤微生物群以阻止癌癥進(jìn)展并增強(qiáng)對(duì)癌癥治療的反應(yīng)。因?yàn)橐恍┭芯楷F(xiàn)已證明瘤內(nèi)細(xì)菌對(duì)結(jié)直腸癌和胰腺癌的治療反應(yīng)有害[38,39,40]。重要的是，通過使用抗生素消除這些腫瘤中的細(xì)菌與改善化療反應(yīng)和免疫檢查點(diǎn)阻滯有關(guān)。但是還必須考慮全身性抗生素使用對(duì)腸道微生物群的影響。

另一種針對(duì)腫瘤微生物群的創(chuàng)造性策略是利用了基因工程細(xì)菌對(duì)腫瘤的控制，用生物工程技術(shù)使這些細(xì)菌能夠直接殺死腫瘤細(xì)胞或產(chǎn)生有利于抗腫瘤免疫反應(yīng)的免疫微環(huán)境。例如用表達(dá)源自弧菌的TLR5 配體鞭毛蛋白的減毒沙門氏菌菌株引發(fā)免疫應(yīng)答，該免疫應(yīng)答促進(jìn)了針對(duì)小鼠的原位結(jié)直腸癌細(xì)胞的抗腫瘤免疫活性[41]。但是，在患者中使用感染因子作為治療方式仍然存在安全問題，需要謹(jǐn)慎對(duì)待[42]。