腸道菌群及代謝產(chǎn)物對免疫抑制劑抗腫瘤療效的研究進(jìn)展

鄧小玉 王穎熠 黨倩倩 鄭穎娟 楊道科

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科，河南鄭州 450052

近年來，免疫療法為人類抗癌戰(zhàn)爭翻開嶄新的一頁，將治療重點從腫瘤本身轉(zhuǎn)移到機(jī)體的免疫系統(tǒng)，通過動員免疫細(xì)胞識別并消除腫瘤細(xì)胞。然而，在治療過程中發(fā)現(xiàn)，較大比例的患者出現(xiàn)原發(fā)性或獲得性耐藥，推測可能與免疫治療有效性遲遲不到30%有關(guān)[1]。腸道菌群作為一種新興的克服耐藥性和增加其敏感性的治療策略，通過調(diào)節(jié)腸道菌群以豐富腸道有益菌有望成為提高免疫治療療效的手段。因此，腸道微生態(tài)的調(diào)節(jié)可能成為腫瘤免疫治療的重要輔助階段，腸道菌群或可成為新的預(yù)測抗腫瘤療效的標(biāo)志物，提高免疫治療效果并減少免疫治療的不良反應(yīng)。

1 腸道菌群及代謝產(chǎn)物概述

人體細(xì)菌分布最多的器官是腸道，數(shù)量可達(dá)1014個，約是人體細(xì)胞數(shù)量的3 倍，這些細(xì)菌被統(tǒng)稱為“腸道菌群”[2]。腸道菌群由約1000 種細(xì)菌定植組成，包括厭氧菌、需氧菌和兼性厭氧菌[3]。其中，對免疫治療發(fā)揮作用的菌群中，厭氧菌占絕大多數(shù)，包括雙歧桿菌[4]、擬桿菌[5]、阿克曼菌[6]等，乳球菌和屎腸球菌屬[7]在內(nèi)的兼性厭氧菌對免疫治療也有一定的作用。

正常人體腸道菌群具有調(diào)節(jié)人體物質(zhì)代謝、維持腸黏膜完整性等作用[8-10]。此外，腸道菌群在參與碳水化合物、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝過程中，產(chǎn)生許多影響機(jī)體免疫和健康的代謝物，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、色氨酸代謝產(chǎn)物、膽汁酸等。SCFA 一般由膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)生，包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，其中丁酸鹽是結(jié)腸細(xì)胞的主要能量來源，與降低結(jié)直腸癌風(fēng)險有關(guān)[11]。色氨酸是人體必需氨基酸，一般由膳食蛋白質(zhì)降解而來，小腸吸收大部分膳食來源的色氨酸，一小部分可到達(dá)結(jié)腸并被腸道菌群分解代謝轉(zhuǎn)化為各種分解代謝物。色氨酸有兩條代謝途徑，絕大部分的色氨酸通過犬尿氨酸途徑代謝成為犬尿氨酸衍生物[12]，犬尿氨酸代謝途徑的失調(diào)可通過破壞抗腫瘤免疫反應(yīng)來促進(jìn)腫瘤發(fā)展。色氨酸代謝作為限制抗腫瘤免疫的主要代謝途徑，具有促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長的特性，因而也成為腫瘤免疫治療的藥物開發(fā)靶點[13]。

2 免疫檢查點抑制劑抗腫瘤現(xiàn)狀

免疫療法可提高多種腫瘤類型患者的長期生存率，其中免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor，ICI）是腫瘤治療中最重要的發(fā)現(xiàn)。程序性死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）和細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞抗原-4（cytotoxic T-lymphocyte antigen-4，CTLA-4）是兩種重要的免疫檢查點蛋白，可啟動抑制T 細(xì)胞功能的信號通路，觸發(fā)腫瘤免疫逃逸，使腫瘤細(xì)胞逃脫免疫系統(tǒng)的殺傷。ICI 與免疫檢查點蛋白受體結(jié)合以克服腫瘤介導(dǎo)的T 細(xì)胞功能抑制，并恢復(fù)免疫系統(tǒng)殺死腫瘤細(xì)胞的能力[14]。目前，ICI的臨床應(yīng)用主要集中在抗CTLA-4 抗體（伊匹木單抗、tremelimumab）、PD-1（帕博利珠單抗、納武利尤單抗、cemiplimab）和程序性死亡蛋白配體-1（programmed death ligand-1，PD-L1）（阿替利珠單抗、avelumab 和度伐利尤單抗），且阻斷PD-1 和PD-L1 的單克隆抗體已獲美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)用于黑色素瘤、腎細(xì)胞癌、肺癌、尿路上皮癌等不同類型晚期不可切除腫瘤的一線和（或）二線治療[15]。

然而，ICI 的有效性并不高，臨床研究結(jié)果表明，只有約20%的患者可從PD-1/PD-L1 藥物中獲益[16]。在大多數(shù)患者中，腫瘤對抗PD-1 或PD-L1 治療表現(xiàn)出耐藥性；雖然在腫瘤免疫治療中觀察到前所未有的持久反應(yīng)率，但大多數(shù)患者并未從治療中受益，一些應(yīng)答者在一段應(yīng)答期后復(fù)發(fā)[17]。因此，解決ICI耐藥問題、擴(kuò)大免疫治療受益群體、提高免疫治療的有效性是下一步探索的重點。

3 腸道菌群影響免疫檢查點抑制劑抗腫瘤療效

2015 年，《科學(xué)》雜志首次報道腸道菌群的組成影響ICI 療效，提出可通過操縱腸道菌群來改善抗腫瘤免疫反應(yīng)。研究者通過建立小鼠腫瘤模型，揭示了雙歧桿菌和擬桿菌屬分別在阻斷PD-L1 和CTLA-4 的免疫刺激效應(yīng)中的關(guān)鍵作用[4,5]。Sivan 等[4]使用16S核糖體RNA 測序鑒定出雙歧桿菌可增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)，且發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤小鼠中，PD-L1 抑制劑與喂食雙歧桿菌聯(lián)合治療可顯著增強(qiáng)抗腫瘤效果。Vetizou 等[5]發(fā)現(xiàn)在無菌或抗生素治療的小鼠中，腫瘤對CTLA-4 特異性抗體無反應(yīng)，且相應(yīng)的效應(yīng)CD4+T 細(xì)胞和腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（tumor infiltrating lymphocyte，TIL）的激活顯著降低，口服多形擬桿菌、脆弱擬桿菌、伯克霍爾德菌或脆弱擬桿菌與伯克霍爾德菌組合喂養(yǎng)的抗生素治療小鼠恢復(fù)了對CTLA-4 抗體的抗腫瘤反應(yīng)。Vetizou 等隨后將含有擬桿菌屬的黑色素瘤患者糞便移植到小鼠的腸道中可增強(qiáng)CTLA-4 抗體在小鼠中的療效。以上研究初次提出腸道菌群組成對ICI 發(fā)揮抗腫瘤療效的重要影響，為將來通過靶向操縱腸道微生物改善免疫治療療效奠定了基礎(chǔ)。

然而，由于小鼠與人類各方面結(jié)構(gòu)組成的差異，移植瘤小鼠模型作為臨床前研究并不能完全模擬人體中腸道菌群影響ICI 抗腫瘤的療效。Routy 等[6]觀察到對PD-1 抑制劑應(yīng)答者的腸道微生物群組成更加多樣化，其中阿克曼菌和阿利斯替普斯菌在應(yīng)答者中的比例較高。Gopalakrishnan 等[7]調(diào)查了接受抗PD-1 治療的黑色素瘤患者的腸道和口腔微生物群，發(fā)現(xiàn)有應(yīng)答個體的腸道微生物組的多樣性較高，其中乳球菌科和屎腸球菌屬的細(xì)菌豐度較高，而無應(yīng)答者腸道微生物組的樣本內(nèi)多樣性較低。Matson 等[18]觀察到在對PD-1 治療有反應(yīng)的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者糞便樣本中富集了包括長雙歧桿菌、屎腸球菌在內(nèi)的8 個物種，而無應(yīng)答者中乳球菌和腸球菌更豐富，其結(jié)果與臨床前實驗中小鼠對腫瘤免疫治療的反應(yīng)有相關(guān)性。在以上3 項研究中，研究者收集了對抗PD-1 治療有反應(yīng)患者和無反應(yīng)患者的糞便，經(jīng)過特殊處理后對無菌荷瘤小鼠進(jìn)行糞便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT），與接受來自無反應(yīng)供體FMT 的小鼠相比，對抗PD-1 治療有反應(yīng)的FMT 小鼠的抗腫瘤免疫顯著增強(qiáng)，CD8+T細(xì)胞水平增加，而接受非應(yīng)答者FMT 治療的小鼠抗腫瘤免疫未有增強(qiáng)且免疫抑制性CD4+T 細(xì)胞水平更高。

為證實此研究的全球普適性，2019 年，Jin 等[19]對37 例接受納武利尤單抗治療的晚期非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行腸道菌群分析，發(fā)現(xiàn)與對納武利尤單抗無反應(yīng)患者相比，有反應(yīng)患者治療過程中的腸道菌群多樣性更加豐富且成分穩(wěn)定，患者無進(jìn)展生存期也顯著延長，其中阿利斯替普斯菌、長雙歧桿菌和普雷沃菌在有應(yīng)答患者糞便中富集，而瘤胃球菌屬在無應(yīng)答患者中更豐富。Peng 等[20]為調(diào)查腸道菌群與胃腸道腫瘤抗PD-1/PD-L1 療法的臨床反應(yīng)相關(guān)性，分別在免疫治療前和期間收集接受抗PD-1/PD-L1 治療的74 例晚期胃腸道腫瘤患者的糞便樣本，對糞便樣品進(jìn)行測序顯示，對PD-1/PD-L1 治療反應(yīng)較好患者中的普雷沃菌/擬桿菌比例升高，同時乳球菌科和拉克菌科的豐度明顯更高，產(chǎn)SCFA 的共生細(xì)菌（包括真細(xì)菌、乳酸桿菌和鏈球菌）在預(yù)后良好患者中較多，進(jìn)一步暗示微生物組作為ICI 療效反應(yīng)標(biāo)志物的潛力。

4 腸道菌群代謝產(chǎn)物影響免疫檢查點抑制劑的療效

4.1 短鏈脂肪酸

SCFA 作為腸道微生物群產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物，具有抗炎、調(diào)節(jié)糖脂代謝紊亂、提高腫瘤治療效果的作用[21]。近年來，越來越多的研究將SCFA 與ICI抗腫瘤療效聯(lián)系起來。日本的一項前瞻性隊列研究評估了接受納武利尤單抗或帕博利珠單抗的實體瘤患者的糞便和血漿SCFA 水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高濃度的糞便SCFA 濃度與患者較長的無進(jìn)展生存期相關(guān)[22]。Botticelli 等[23]通過對接受納武利尤單抗二線治療的非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行腸道菌群代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，丙酸鹽和丁酸鹽與更好的ICI 療效相關(guān)。然而，在使用伊匹木單抗治療黑色素瘤患者的隊列研究中得到與之相反的結(jié)論，血清丁酸鹽和丙酸鹽水平較低的患者表現(xiàn)出更長的無進(jìn)展生存期[24]。這些發(fā)現(xiàn)可能是胃腸道中SCFA 的產(chǎn)生與吸收之間復(fù)雜相互作用的結(jié)果?？傊@些研究結(jié)果表明糞便或血清SCFA 濃度與對免疫治療的反應(yīng)有關(guān)。

4.2 色氨酸代謝物

色氨酸分解代謝物包括吲哚、色胺、吲哚乙醇、吲哚丙酸、吲哚乳酸、吲哚乙酸等，在腫瘤和免疫調(diào)節(jié)中起重要作用[25]。Li 等[26]通過分析接受納武利尤單抗治療的黑色素瘤和腎細(xì)胞癌患者血清樣本發(fā)現(xiàn)，色氨酸向犬尿氨酸（色氨酸分解代謝的產(chǎn)物）轉(zhuǎn)化比率的增加與黑色素瘤和腎細(xì)胞癌患者較差的總體存活率有關(guān)。同樣的研究結(jié)論在動物實驗中也有報道[27]，吲哚胺 2,3-雙加氧酶（Indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）作為犬尿氨酸的前體合成物質(zhì)，可抑制CTLA-4 抑制劑的抗腫瘤作用，且與腫瘤細(xì)胞的IDO 表達(dá)無關(guān)。Karayama 等[28]檢測了19 例接受ICI 治療的非小細(xì)胞肺癌患者的血漿色氨酸代謝物，發(fā)現(xiàn)低水平的色氨酸代謝物3-羥基氨基苯甲酸與較長的中位無進(jìn)展生存期顯著相關(guān)，并提出色氨酸代謝物可能具有預(yù)測ICI 療效的潛力。

4.3 肌苷

此外，腸道菌群分解產(chǎn)生的嘌呤核苷與ICI 治療反應(yīng)也有一定的關(guān)系。Tanoue 等[29]證實無菌小鼠接種由11 種細(xì)菌菌株組成的聯(lián)合體后，可在腸道中誘導(dǎo)產(chǎn)生γ 干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的CD8+T 細(xì)胞，進(jìn)一步增強(qiáng)抗腫瘤反應(yīng)。通過代謝分析發(fā)現(xiàn)，與未接種該聯(lián)合體的小鼠相比，接種小鼠的腸道內(nèi)容物中肌苷、甲羥戊酸、二甲基甘氨酸等分子水平明顯增加。Mager 等[30]在動物實驗中發(fā)現(xiàn)假單胞菌雙歧桿菌或阿克曼菌等特定細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物肌苷可增強(qiáng)ICI 的療效。如果這些小鼠研究反映了人類腫瘤免疫生物學(xué)，則肌苷補(bǔ)充劑可人為地添加到接受免疫檢查點阻斷療法的患者飲食中。但Mager 等人的研究集中于CTLA-4 抑制劑，且發(fā)現(xiàn)不可能推廣至PD-1/PD-L1 抑制劑，因此，肌苷可能無法克服腫瘤固有的、獨立于微生物組的某些免疫檢查點的抗性模式。

5 通過腸道菌群干預(yù)改善免疫檢查點抑制劑療效

研究顯示，高纖維飲食的生活方式對ICI 抗腫瘤療效有改善作用，其機(jī)制可能與具有免疫調(diào)節(jié)特性的SCFA 有關(guān)[31]。Spencer 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，飲食中攝入較高膳食纖維的患者無進(jìn)展生存期顯著延長，此研究結(jié)果在臨床前小鼠模型中也得到驗證。Han 等[33]證實在黑色素瘤小鼠模型中，通過口服菊粉（一種膳食纖維）可調(diào)節(jié)腸道菌群組成進(jìn)而增強(qiáng)PD-1 抑制劑的抗腫瘤活性。益生菌是對宿主產(chǎn)生有益作用的活細(xì)菌，可通過調(diào)節(jié)腸道菌群進(jìn)一步調(diào)節(jié)機(jī)體免疫反應(yīng)并增強(qiáng)免疫治療效果[34]。攝入市售益生菌也可影響腸道菌群并改善ICI 抗腫瘤療效[32]，甚至可消除免疫相關(guān)性結(jié)腸炎的發(fā)生[35]。因此，在免疫治療時增加每日攝入纖維素的量、合理添加益生菌或許可增加ICI 抗腫瘤療效。

此外，多項研究顯示抗生素的應(yīng)用可顯著降低ICI 療效及患者預(yù)后[36-38]。研究者從病例中篩選足夠多的晚期非小細(xì)胞肺癌患者，比較從ICI 治療開始前60d、治療中及治療后30d 內(nèi)使用抗生素對臨床療效的影響，結(jié)果表明，抗生素的使用與患者臨床獲益呈負(fù)相關(guān)，無進(jìn)展生存期及總生存期不足未使用抗生素組的50%。Routy 等[6]也證實了這一觀點，發(fā)現(xiàn)使用抗生素的患者較未使用者無進(jìn)展生存期和總生存期明顯縮短。因此，在腫瘤患者免疫治療過程中，如何使用抗生素及如何評估抗生素對腸道菌群的影響值得關(guān)注和思考。

6 展望

隨著人們對腸道菌群認(rèn)識的深入，發(fā)現(xiàn)腸道菌群不僅與多種炎性疾病相關(guān)，在腫瘤的發(fā)生、治療、預(yù)后方面也發(fā)揮重要作用，尤其在宿主免疫調(diào)控方面起著不可替代的作用。近年來，腸道菌群代謝產(chǎn)物與腫瘤之間關(guān)系的研究逐漸增加，旨在探討腸道菌群及其代謝產(chǎn)物更多的功能，找出與腫瘤防治有關(guān)的措施。雖然確切的機(jī)制尚未完全闡明，但如何通過精準(zhǔn)調(diào)控腸道菌群及其代謝產(chǎn)物增加ICI 的療效、擴(kuò)大受益群體是接下來我們面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。因此，面對腸道生態(tài)系統(tǒng)龐大的功能體系，在未來的研究中，腸道菌群發(fā)揮的更多作用有待我們繼續(xù)挖掘，利用此功能研發(fā)的藥品有望成為治療腫瘤的重要輔助用藥甚至主導(dǎo)其用藥。