腸道菌群對(duì)兒童急性白血病影響的研究進(jìn)展

羅雨希綜述，劉 麗審校

0 引 言

白血病是造血系統(tǒng)的惡性增殖性疾病，特點(diǎn)為造血組織中的某一系造血細(xì)胞克隆性擴(kuò)增，破壞正常造血系統(tǒng)，并進(jìn)入外周血浸潤(rùn)到全身各組織器官中。白血病是兒童最常見(jiàn)的惡性腫瘤，我國(guó)10歲以下兒童白血病的發(fā)病率為(3～4)/10萬(wàn)，其中90%以上為急性白血病(acute leukemia, AL)。

腸道菌群是人體最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，由數(shù)萬(wàn)億細(xì)菌、古細(xì)菌、病毒、真菌和其他微真核生物定植體組成[1]，主要分為厚壁菌門、類桿菌門、變形菌門和放線菌門四個(gè)微生物門，其中厚壁菌門(60%～80%)和類桿菌門(15%～25%)是主要的優(yōu)勢(shì)菌群。最新的研究估計(jì)腸道菌群的數(shù)量約為30萬(wàn)億，與體細(xì)胞的數(shù)量接近1∶1[2]。由腸道微生物生態(tài)、代謝和免疫組成的動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)現(xiàn)和維持宿主健康具有非常重要的意義。有益微生物的減少和微生物多樣性的減少均會(huì)引發(fā)腸道菌群失調(diào)，不僅能通過(guò)局部效應(yīng)影響腸道代謝、粘膜炎癥和免疫功能，影響胃腸道疾病的發(fā)生；還能通過(guò)腸道微生物的易位、微生物衍生代謝物或內(nèi)分泌分子的循環(huán)、免疫細(xì)胞和細(xì)胞因子的遷移等機(jī)制影響腸外器官[3]，以及通過(guò)迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)腸-腦軸信號(hào)，導(dǎo)致神經(jīng)精神疾病、自身免疫性疾病、代謝性疾病，甚至腸外腫瘤的發(fā)生[4]。

近年來(lái)腸道菌群對(duì)兒童急性白血病的影響得到廣泛研究，本文將綜述腸道菌群與兒童急性白血病的發(fā)生機(jī)制以及對(duì)白血病治療、預(yù)后以及預(yù)防的影響。

1 腸道菌群與白血病的發(fā)生機(jī)制

1.1 TET-甲基胞嘧啶雙加氧酶2(tet methylcytosine dioxygenase 2，TET2)基因突變影響乳酸桿菌分布而誘發(fā)急性髓系白血病(acute myelogenous leukemia , AML)編碼表觀遺傳修飾酶的TET2基因的體細(xì)胞突變會(huì)使人類和小鼠的造血干細(xì)胞自我更新頻率增加，并向髓系細(xì)胞分化，誘發(fā)AML[5]。但研究發(fā)現(xiàn)，TET2基因突變只是白血病的發(fā)生因素之一[6]，TET2的缺乏會(huì)使腸道屏障功能受損[7]，導(dǎo)致腸道內(nèi)的乳酸桿菌易位進(jìn)入血液和其他外周器官中，刺激微生物依賴性炎癥介質(zhì)IL-6的產(chǎn)生，從而刺激骨髓增生，誘導(dǎo)AML的發(fā)生[8]。且在注射抗生素和IL-6抑制劑的小鼠以及出生在無(wú)菌環(huán)境下的TET2突變小鼠的體內(nèi)都沒(méi)有檢測(cè)到白血病前骨髓增生，進(jìn)一步證明了腸道菌群在這一過(guò)程中的作用。

1.2腸道菌群紊亂是前體B細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病(precursor B-cell lymphoblastic leukemia , pB-ALL)發(fā)生的關(guān)鍵步驟pB-ALL是兒童白血病中最常見(jiàn)的類型，其發(fā)生可分為兩步：第一步是基因改變，通過(guò)遺傳變異獲得；第二步發(fā)生在圍產(chǎn)期或嬰兒期，由微生物感染已經(jīng)失調(diào)的免疫系統(tǒng)觸發(fā)[9]。但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與pB-ALL發(fā)展相關(guān)的單一微生物，而是微生物群的缺乏與pB-ALL顯著相關(guān)，在遺傳易感性小鼠中，即使沒(méi)有感染刺激，通過(guò)應(yīng)用抗生素治療改變微生物組足以觸發(fā)白血病的發(fā)展[10]。因此，腸道微生物組可被用作早期生物標(biāo)記物，以識(shí)別具有pB-ALL發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的遺傳易感小鼠。

1.3腸道屏障受損通過(guò)白細(xì)胞介素1α(interleukin 1α , IL-1α)促進(jìn)急性T淋巴細(xì)胞白血病(T-cell acute lymphoblastic leukemia，T-ALL)細(xì)胞增殖IL-1α是IL-1的前體，是炎癥和免疫反應(yīng)、血管生成和造血過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子。炎癥刺激導(dǎo)致腸道屏障破壞，促進(jìn)細(xì)胞因子如IL-1、IL-6等生成。IL-1α在T-ALL細(xì)胞核中過(guò)度表達(dá)，可能通過(guò)激活NFκB和SP1促進(jìn)T-ALL細(xì)胞的增殖，并減少其凋亡[11]。

1.4腸道菌群代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)間接影響白血病的發(fā)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)由腸道微生物群發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生，主要是醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，能抑制組蛋白去乙?；?，促進(jìn)T淋巴細(xì)胞分化為效應(yīng)T細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞[12]，產(chǎn)生IL-10等。在信號(hào)通路上，SCFA可通過(guò)GPR43信號(hào)通路促進(jìn)微生物抗原特異性Th1細(xì)胞產(chǎn)生IL-10；通過(guò)激活STAT3和mTOR途徑，促進(jìn)Th1細(xì)胞中B淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)成熟蛋白1(Blimp-1)的表達(dá)，從而加速Th1細(xì)胞產(chǎn)生IL-10[13]；丁酸通過(guò)GPR41和GPR43信號(hào)通路，加速抗原激活的CD8+T細(xì)胞的代謝，從而增強(qiáng)其記憶潛能[14]。因此，SCFA在誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞分化和發(fā)育中尤為重要，從而在免疫環(huán)境的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)抗病原體免疫或免疫耐受，間接影響白血病的發(fā)生[15]。

2 腸道菌群與白血病的治療

2.1 化療前的腸道菌群組成可預(yù)測(cè)后續(xù)感染所有被確診為AL的兒童都將接受化療，而化療藥物會(huì)引起胃腸道功能紊亂和額外的免疫抑制，導(dǎo)致發(fā)熱性中性粒細(xì)胞減少癥和危及生命的血液感染的發(fā)生，而預(yù)防性和治療性抗生素的使用加重了對(duì)腸道菌群生態(tài)平衡的破壞[16]。一項(xiàng)針對(duì)ALL患兒的大型隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)[17]，在化療的誘導(dǎo)和再誘導(dǎo)I期后，微生物多樣性相對(duì)于化療前顯著降低，某些細(xì)菌類群(如擬桿菌科)的相對(duì)豐度顯著降低，而其他類群(如梭狀芽孢桿菌科和鏈球菌科)的相對(duì)豐度增加[18]。調(diào)整化療階段和所有風(fēng)險(xiǎn)水平后發(fā)現(xiàn)，化療開(kāi)始前腸道微生物群的組成可以預(yù)測(cè)后續(xù)治療階段感染和發(fā)熱性中性粒細(xì)胞減少癥的發(fā)生率[19]，鏈球菌科占優(yōu)勢(shì)(相對(duì)豐度≥30%)預(yù)測(cè)隨后出現(xiàn)腹瀉疾病的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，而腸球菌科占優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)隨后出現(xiàn)發(fā)熱性中性粒細(xì)胞減少癥和腹瀉疾病的風(fēng)險(xiǎn)均顯著增加[20]。

2.2化療藥物的起效受到腸道菌群的調(diào)節(jié)宿主對(duì)化療藥物的反應(yīng)會(huì)受到腸道微生物群的影響，腸道菌群通過(guò)生態(tài)變異、易位、免疫調(diào)節(jié)、代謝、酶降解等機(jī)制影響化療藥物[21]，主要是在促進(jìn)藥物療效、毒性的調(diào)節(jié)等方面。環(huán)磷酰胺(cyclophosphamide, CTX)是兒童ALL早期強(qiáng)化化療CAM方案的基礎(chǔ)用藥，研究發(fā)現(xiàn)CTX可誘導(dǎo)腸道微生物群的選擇性易位，導(dǎo)致小鼠小腸中乳酸桿菌和腸球菌的數(shù)量減少，而約翰遜乳桿菌、鼠乳桿菌和hirae腸球菌等數(shù)量增多，刺激特異性“致病性”T輔助17(pT(H)17)細(xì)胞的產(chǎn)生，從而發(fā)揮其抗腫瘤的藥效。用抗生素殺死這些細(xì)菌則會(huì)降低小鼠的pT(H)17反應(yīng)，使其對(duì)CTX產(chǎn)生耐藥性[22]。

2.3腸道菌群與異基因造血干細(xì)胞移植(allogeneic hematopoietic stem cell transplantation，allo-HSCT)allo-HSCT是治療兒童高危白血病的重要方法，用于恢復(fù)與造血障礙相關(guān)的骨髓功能，重建正常造血和免疫，而達(dá)到治療目的。然而，移植物抗宿主反應(yīng)(graft versus host disease, GvHD)是allo-HSCT最嚴(yán)重的并發(fā)癥，也是最常見(jiàn)的死因[23]。

2.3.1單一菌群優(yōu)勢(shì)與GvHD有關(guān)多項(xiàng)研究都表明，單一微生物群的優(yōu)勢(shì)與有害結(jié)果有關(guān)[24]。例如，厚壁菌、變形菌和腸桿菌科的較高豐度與死亡率和GvHD的發(fā)生相關(guān)[25]，而漆菌科、放線菌科的較高豐度和布氏桿菌的存在與較好的結(jié)果相關(guān)[26]。同樣，腸球菌、大腸埃希菌或普氏桿菌屬的單一優(yōu)勢(shì)與GvHD的存在和嚴(yán)重程度有關(guān)。

2.3.2腸道菌群影響GvHD發(fā)生的作用機(jī)制MHC II類分子在回腸內(nèi)的腸上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cell, IEC)上表達(dá)，在胃腸道CD4+T細(xì)胞依賴性GvHD的啟動(dòng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而微生物群通過(guò)影響IL-12/IFNγ細(xì)胞因子軸，上調(diào)IEC上MHC-II的水平，從而誘發(fā)致死性GvHD[27]。乳酸菌科和瘤胃菌科的減少以及腸桿菌科的增加通過(guò)影響Treg/Th17失衡而誘發(fā)急性GvHD[28]，這可能是通過(guò)CD4+T細(xì)胞中的乙?；疕3實(shí)現(xiàn)的[29]。而近期一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高硬脂酸飲食通過(guò)富集嗜黏蛋白阿克曼菌及其代謝產(chǎn)物(尤其是醋酸鹽)而加重急性GvHD的發(fā)生[30]，而這一過(guò)程與Th17和Th1反應(yīng)的增強(qiáng)及其各自的下游細(xì)胞因子IL17、IFN-γ有關(guān)[31]。另一項(xiàng)基于腸球菌和乳糖飲食的研究發(fā)現(xiàn)，腸球菌的擴(kuò)張與GvHD相關(guān)死亡率成正相關(guān)，而這一內(nèi)在機(jī)制依賴于乳糖的利用，并通過(guò)臨床攜帶乳糖吸收不良等位基因的患者在抗生素暴露后維持了長(zhǎng)時(shí)間的腸球菌水平正常證明了這一觀點(diǎn)，這或許為一種非抗生素的治療策略(如無(wú)乳糖飲食)提供了新思路[32]。

2.4益生菌制劑的探索嘗試allo-HSCT后的免疫重建是成功移植的基礎(chǔ)，即在沒(méi)有發(fā)生GvHD和機(jī)會(huì)性感染的情況下預(yù)防疾病復(fù)發(fā)[33]。益生菌制劑可以增加腸道內(nèi)益生菌的數(shù)量，調(diào)節(jié)腸道生態(tài)，恢復(fù)微生態(tài)多樣性，并刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)，使粒細(xì)胞濃度和抗體的滴度增加，減少感染的發(fā)生[34]。已知在腸道微需氧條件下生長(zhǎng)的鼠李糖乳桿菌GG，可以通過(guò)Toll樣受體2刺激單核細(xì)胞[35]?？诜樗釛U菌已被證明可以驅(qū)動(dòng)小鼠骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞的M1極化[36]。但一項(xiàng)在人類allo-HSCT受者中進(jìn)行的鼠李糖乳桿菌益生菌隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明，益生菌制劑在預(yù)防GvHD方面沒(méi)有發(fā)揮作用[37]。使用益生菌制劑只能恢復(fù)一種或幾種特定的腸道微生物，不能恢復(fù)復(fù)雜微生物群落的功能。有時(shí)盲目單獨(dú)補(bǔ)充一種益生菌可能對(duì)宿主產(chǎn)生不利影響[38]，甚至導(dǎo)致益生菌引起的感染。Avcin等[39]報(bào)道的一名高危急性淋巴細(xì)胞性白血病患兒接受了化療和益生菌制劑治療，出現(xiàn)中性粒細(xì)胞減少癥，血液培養(yǎng)提示為短雙歧桿菌敗血癥。

3 腸道菌群與兒童白血病幸存者的預(yù)后

研究發(fā)現(xiàn)，兒童ALL的成年幸存者有更高的慢性共病風(fēng)險(xiǎn)和早期死亡率，而所有幸存者的CD4+和CD8+細(xì)胞的激活率以及炎癥生物標(biāo)志物如IL-6和C反應(yīng)蛋白循環(huán)水平都有所增加。眾所周知，腸道菌群失調(diào)與許多疾病的發(fā)展有關(guān)，例如糖尿病、代謝綜合征和動(dòng)脈粥樣硬化等，所有這些疾病在兒童癌癥幸存者中也很普遍[40]。研究者比較分析存活組和對(duì)照組的糞便樣本發(fā)現(xiàn)，兩組之間存在多個(gè)差異豐富的微生物類群[41]，已知因其他慢性疾病(如炎癥性腸病)而大量減少的細(xì)菌類群，如糞便細(xì)菌、瘤胃科和漆樹科[42]，在ALL幸存者中也不太豐富。

4 腸道菌群與兒童白血病預(yù)防

“延遲感染假說(shuō)”強(qiáng)調(diào)了早期微生物暴露在預(yù)防兒童白血病發(fā)病中的有利作用[43]。在出生時(shí)和出生后最初幾年內(nèi)建立腸道微生物群對(duì)新陳代謝和免疫系統(tǒng)功能具有深遠(yuǎn)而持久的影響[44]，相關(guān)機(jī)制可能與調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的激活有關(guān)。現(xiàn)代生活方式的改變，例如分娩方式(剖腹產(chǎn))和非母乳喂養(yǎng)、抗生素使用、飲食和社會(huì)接觸破壞了這一暴露，導(dǎo)致微生物組的多樣性減少或生態(tài)失調(diào)[45]。因此，提倡出生后第一年進(jìn)行日托護(hù)理或長(zhǎng)期母乳喂養(yǎng)；設(shè)計(jì)一種預(yù)防性“疫苗”，模仿嬰兒期自然感染的保護(hù)作用；口服良性合生元(如乳酸桿菌和低聚糖)調(diào)節(jié)發(fā)育中的免疫系統(tǒng)，這些都可能為預(yù)防ALL的發(fā)生提供有用策略[10]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，腸道菌群與兒童急性白血病的發(fā)生、治療、預(yù)后以及預(yù)防均有著密切的關(guān)系，但目前還迫切需要找出兒童白血病發(fā)病和進(jìn)展的特定微生物，并進(jìn)一步探索腸道微生物群與兒童白血病之間聯(lián)系的潛在分子機(jī)制和途徑。這樣的話，就可以采用更具針對(duì)性和有效性的療法(例如特定益生菌補(bǔ)充劑、特定微生物組移植，以及有利于特定微生物的飲食調(diào)節(jié))[46]，為兒童急性白血病的治療和預(yù)防提供臨床新思路。此外，還應(yīng)探索積極的措施，以確定糞便微生物群移植[47]、工程微生物聯(lián)合體或調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)是否能降低GvHD風(fēng)險(xiǎn)并成功治療GvHD患者[48]，朝著有益allo-HSCT患兒的方向發(fā)展及改善預(yù)后提供臨床依據(jù)。