微生物群與腫瘤發(fā)展及治療相關(guān)性的研究進(jìn)展

褚洛頤，孔金玉，李桂芳，張秀森，孫玲云，高社干,2，孫江濤

人體微生物群包含的獨(dú)特基因至少是人類基因組的100倍[1-2]。它們的主要棲息地是腸道，但活躍的微生物群存在于身體的大部分部位，包括口腔、消化道和呼吸道。這些微生物影響我們?cè)S多重要的生理功能，包括免疫系統(tǒng)和新陳代謝。這種由人類宿主和微生物組成的共生體能夠感知環(huán)境信號(hào)，并做出相應(yīng)的適應(yīng)性反應(yīng)[3]。宿主和微生物之間復(fù)雜的相互作用能夠延伸到癌癥，微生物與20%的人類惡性腫瘤相關(guān)[4]。共生微生物群直接影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和治療。例如，小鼠腸道共生微生物群的破壞會(huì)影響化療與免疫治療的抗腫瘤效應(yīng)[5]。在癌癥患者中也觀察到同樣的現(xiàn)象，即對(duì)腸道微生物群依賴性的治療反應(yīng)[6-7]。腸道微生物群在調(diào)節(jié)胃腸道和遠(yuǎn)端部位腫瘤方面的系統(tǒng)性作用，此前已有很好的綜述[8-9]。

腫瘤組織的共生微生物群構(gòu)成了腫瘤微環(huán)境的重要組成部分[10]，影響腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，其中主要相關(guān)的潛在作用模式包括以下3種[11]：①通過增加突變直接促進(jìn)腫瘤發(fā)生。經(jīng)過進(jìn)化，許多微生物產(chǎn)生的化合物能夠?qū)е翫NA損傷、細(xì)胞周期停滯和遺傳不穩(wěn)定。這些化合物可以促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，例如大腸桿菌素可通過一些大腸桿菌和其他腸桿菌科中的pks位點(diǎn)產(chǎn)生[12-13]，說明微生物群能夠?qū)е码p鏈DNA損傷，從而促進(jìn)結(jié)直腸癌的腫瘤發(fā)生[14]。②癌基因或致癌途徑的調(diào)節(jié)。除了直接造成DNA損傷，共生微生物產(chǎn)物還能夠參與宿主的致癌通路。這些通路的激活或上調(diào)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生已被報(bào)道，尤其是Wnt/β-catenin通路[15]，該通路可促進(jìn)癌基因如c-Myc和G1/S-特異性周期蛋白-D1(CyclinD-1)的轉(zhuǎn)錄并促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展，例如在胃癌和結(jié)直腸癌中，Wnt/β-catenin通路可被局部共生微生物群激活或調(diào)節(jié)[16-18]，并且促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。③通過下調(diào)宿主免疫系統(tǒng)功能，增強(qiáng)腫瘤進(jìn)展。在健康狀態(tài)下，共生微生物和宿主免疫系統(tǒng)處于平衡穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。宿主免疫系統(tǒng)能夠耐受共生微生物群落，并對(duì)潛在的有害病原體做出適當(dāng)反應(yīng)。然而，這種平衡的擾亂和微生物群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的微環(huán)境的形成。許多研究表明，局部細(xì)菌群落的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致慢性炎性免疫反應(yīng)，并且能夠促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。這可能與微生物激活核因子κB(NF-κβ)有關(guān)，NF-κβ是腫瘤相關(guān)免疫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[19-20]。局部微生物已被證明通過抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)來調(diào)節(jié)局部免疫監(jiān)視，這種免疫抑制已在結(jié)腸癌患者以及肺癌小鼠模型中觀察到[21-22]，表明共生微生物群可能是癌癥治療的潛在目標(biāo)，但其發(fā)生機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

此外，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)特定的細(xì)菌群體具有腫瘤類型特異性，與腫瘤發(fā)展有關(guān)[23]。在最近研究中，有學(xué)者分析了7種癌癥類型的1 500多種腫瘤[23]，發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)微生物組成在腫瘤類型之間是不同的，揭示了微生物代謝途徑和臨床特征之間的相關(guān)性。本文綜述不同類型腫瘤中的微生物群，以及它們?cè)诓煌愋偷哪[瘤發(fā)生進(jìn)展及治療中的作用。

1 食管癌

食管癌是世界上最常見的惡性腫瘤之一[24]，其組織學(xué)類型主要包括食管腺癌和食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)，中國(guó)食管癌以ESCC更常見，占比超過90%。而目前的預(yù)防及治療手段欠佳，多數(shù)患者仍不能得到有效控制，5 a生存率很低[24]。食管含有多種類型微生物，主要分為Ⅰ型和Ⅱ型[25]。Ⅰ型微生物群主要類型為革蘭陽性菌(15%)厚壁菌門， 主要為鏈球菌(相對(duì)豐度為 79%)，與正常食管密切相關(guān)；而Ⅱ型微生物群主要類型為革蘭陰性菌(53%)，主要與食管異常有關(guān)。一方面，這些微生物從局部維持穩(wěn)態(tài)到系統(tǒng)地調(diào)節(jié)機(jī)體代謝、造血、炎性反應(yīng)、免疫反應(yīng)等方面均發(fā)揮著重要作用；另一方面，微生態(tài)失調(diào)可能導(dǎo)致組織損傷，從而促進(jìn)產(chǎn)生致癌代謝物的細(xì)菌過度增殖，并在各種疾病中發(fā)揮重要作用，包括炎性疾病和腫瘤發(fā)生發(fā)展、轉(zhuǎn)移過程[26-27]。國(guó)內(nèi)高社干教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonas gingivalis,Pg)與食管癌之間的密切關(guān)系[28]。Pg是一種重要的口腔致病菌，可侵入上皮細(xì)胞，干擾宿主免疫應(yīng)答和細(xì)胞周期機(jī)制，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展[29]。已知增加IL-6和STAT3活性可以促進(jìn)腫瘤發(fā)生[30]。有關(guān)研究表明Pg激活JAK2和GSK3β通路[30]，從而減少腫瘤抑制因子p53的水平。Pg可誘使環(huán)氧化酶2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)增加，增加腫瘤新生血管形成，有利于腫瘤的局部浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移[30]。Pg還可以通過間接作用，抑制自然殺傷T細(xì)胞的功能，有利于腫瘤細(xì)胞逃脫自身免疫系統(tǒng)的攻擊，有利于腫瘤細(xì)胞的增殖與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[31-32]?？傊@些發(fā)現(xiàn)支持了局部微生物群在腫瘤發(fā)生與食管癌發(fā)展中起關(guān)鍵作用的觀點(diǎn)，為食管癌的預(yù)防和治療提供了潛在的新途徑。

2 肺癌

作為體內(nèi)表面積最大的黏膜部位和與外部環(huán)境的主要接口，肺與外界環(huán)境相通，存在各種各樣的微生物[33-34]，在慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)和囊性纖維化等肺部疾病中，肺微生物群已被證明處于失調(diào)狀態(tài)[35-36]。來自人類和小鼠研究的越來越多的證據(jù)表明，微生物群生態(tài)失調(diào)與肺癌有關(guān)。

在癌癥中，肺癌是癌癥相關(guān)死亡率的主要原因，也是第二常見的癌癥類型[37]。據(jù)估計(jì)，所有肺癌病例中有90%歸因于吸煙，煙草煙霧、空氣污染和其他致癌物都是既定的風(fēng)險(xiǎn)因素，吸煙者的腫瘤內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌分群顯示出香煙煙霧中化學(xué)物質(zhì)降解途徑的富集，表明腫瘤內(nèi)微生物群和癌癥病因?qū)W之間存在聯(lián)系，即肺共生微生物群與癌癥有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)棲熱菌屬豐度增加與晚期癌癥之間的相關(guān)性，以及軍團(tuán)菌與轉(zhuǎn)移之間的相關(guān)性[34]。

肺部微生物群可以直接影響肺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。局部共生微生物在致癌和癌癥進(jìn)展中作用的3個(gè)主要機(jī)制中，局部免疫環(huán)境的調(diào)節(jié)和致癌途徑與肺癌有關(guān)。研究表明，肺內(nèi)微生物群落的失調(diào)能夠通過特定的微生物成分促進(jìn)致癌途徑的改變[38]。已有發(fā)現(xiàn)表明了TP53和肺微生物群失調(diào)之間的聯(lián)系[39]。嗜酸菌屬在肺鱗狀細(xì)胞癌活檢樣本中富集，在TP53突變的肺鱗癌患者的活檢中發(fā)現(xiàn)了相同的分類群。在診斷性支氣管鏡檢查中使用氣道刷檢，檢測(cè)出肺癌患者的口腔菌群分類相比對(duì)照組增加，特別是鏈球菌和韋永氏球菌?？谇患?xì)菌患病率的增加與PI3K和ERK上調(diào)有關(guān)[40]。將氣道上皮細(xì)胞暴露于韋永氏球菌、普氏桿菌和鏈球菌的體外實(shí)驗(yàn)也導(dǎo)致ERK和PI3K通路上調(diào)，是肺癌發(fā)生的“早期事件”[41]，因此通過共生微生物群失調(diào)上調(diào)該途徑有助于肺癌的發(fā)生。肺微生物群已被證明能改變免疫微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展，慢性炎癥與癌癥密切相關(guān)，細(xì)胞因子、趨化因子和其他促炎因子可以促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和擴(kuò)散[42]。已有學(xué)者利用霧化抗生素證明，微生物群中細(xì)菌生物量的減少與通過T細(xì)胞和NK細(xì)胞活化增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)和減少免疫抑制調(diào)節(jié)性T細(xì)胞有關(guān)[23]。此外，有研究表明，在抗生素和益生菌條件下，益生菌鼠李糖乳桿菌可克服免疫抑制和抑制肺腫瘤植入，使腫瘤轉(zhuǎn)移減少[23]。

3 結(jié)腸直腸癌

胃腸道是人體內(nèi)絕大多數(shù)共生微生物群的棲息地，宿主和微生物群之間的雙向串?dāng)_已成為腫瘤進(jìn)展和各種類型胃腸癌治療反應(yīng)的一個(gè)核心方面。大量研究證實(shí)了共生細(xì)菌在結(jié)直腸癌中的作用[9]。從機(jī)理上講，腸道微生物群已被證明通過在宿主中引起雙鏈DNA損傷，或通過激活致癌信號(hào)如Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑，或通過增加模式識(shí)別受體的參與上調(diào)NF-kB信號(hào)來促進(jìn)炎癥，從而促進(jìn)誘變。例如，使用無偏倚的基因組分析首次確定梭桿菌屬與結(jié)直腸癌相關(guān)[19]。

4 其他腫瘤

除上述主要黏膜器官外，陰道微生物群也與宮頸癌有關(guān)。最近的一項(xiàng)里程碑式的研究顯示，卵巢和卵巢組織、骨肉瘤、多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中存在瘤內(nèi)細(xì)菌，腫瘤內(nèi)細(xì)菌編碼的不同微生物組成和代謝功能在不同類型的癌癥中得到鑒定[11]。此外，發(fā)現(xiàn)乳腺腫瘤相關(guān)微生物群在所有受試腫瘤類型中具有最高水平的多樣性和豐度。重要的是，這項(xiàng)研究使用從新鮮乳腺組織中離體分離的細(xì)菌和熒光標(biāo)記的D-丙氨酸證實(shí)了代謝活性細(xì)菌的存在。

5 結(jié)論

作為調(diào)節(jié)腫瘤進(jìn)展和影響癌癥預(yù)后的腫瘤微環(huán)境中的一個(gè)關(guān)鍵影響因素，微生物群正受到越來越多的關(guān)注。不同身體部位的微生物群落在各自癌癥的腫瘤發(fā)生和腫瘤進(jìn)展中起不同作用。在許多情況下，基因突變、致癌通路的調(diào)節(jié)和免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)的直接變化可以為局部微生物和癌癥之間的聯(lián)系提供潛在的解釋。值得注意的是，共生微生物群對(duì)免疫微環(huán)境產(chǎn)生影響，經(jīng)常促進(jìn)炎癥或抑制抗腫瘤免疫。宿主免疫系統(tǒng)和局部微生物之間的串?dāng)_影響癌癥的生長(zhǎng)和擴(kuò)散。

腫瘤相關(guān)細(xì)菌的作用需要進(jìn)一步研究。理清微生物、腫瘤微環(huán)境和癌細(xì)胞之間的復(fù)雜關(guān)系，可以為潛在的癌癥治療和現(xiàn)有癌癥治療在個(gè)體癌癥患者中的表現(xiàn)提供有價(jià)值的見解。在這個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，仍有許多問題有待解決。總的來說，未來需要繼續(xù)對(duì)腫瘤內(nèi)微生物群進(jìn)行研究，以進(jìn)一步探索其在癌癥中的作用，并找到新的癌癥治療策略，包括靶向和個(gè)體化治療，以最大限度地提高抗腫瘤治療的療效。