肺部微生物群與肺癌關(guān)系的研究進(jìn)展

蘇征 賈鑫華 范亞光 趙方輝 喬友林

人體微生物群是由細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌、原生動物和病毒等多種微生物組成，與宿主共同進(jìn)化，其在人體的各種生物學(xué)功能中發(fā)揮著重要作用[1,2]。微生物群由大約40萬億個微生物組成，數(shù)量遠(yuǎn)超過人類細(xì)胞的數(shù)量，其特性和相對豐度會受到人體健康狀態(tài)的影響[3]。例如，幽門螺桿菌（Helicobacter pylori, HP）是一種常見的蛋白質(zhì)細(xì)菌，存在于上消化道，主要導(dǎo)致胃炎和胃潰瘍的發(fā)生，并且可以顯著增加胃癌的患病風(fēng)險[4]。人乳頭狀瘤病毒（human papillomavirus, HPV）是一組環(huán)狀雙鏈DNA（deoxyribonucleic acid）病毒，易感染人類表皮和黏膜鱗狀上皮，引起生殖器疣、宮頸癌和口咽癌等多種疾病[5]。人乙型肝炎病毒（human hepatitis B virus, HBV）是一種DNA病毒，屬于嗜肝DNA病毒科，HBV慢性感染會導(dǎo)致慢性肝炎、肝硬化和肝細(xì)胞癌等疾病的發(fā)生[6]。隨著二代測序技術(shù)（next generation sequencing, NGS）的發(fā)展，人類微生物群已受到廣泛關(guān)注，微生物群可以通過免疫、代謝和炎癥等多個生物途徑對人類機(jī)體健康狀態(tài)和疾病治療等方面產(chǎn)生重要影響[7]。

人類微生物組計劃（Human Microbiome Project,HMP）于2007年被提出，分為2個階段。第一階段主要以健康人群為對象描繪了人體微生物的全景圖。第二階段的人類微生物組計劃作為第一階段的延續(xù)，聯(lián)合多組學(xué)研究策略探究微生物在健康與疾病中扮演的角色。在第一階段，研究納入的人體部位包括鼻腔、口腔、腸道、陰道和皮膚，而肺部則被認(rèn)為是無菌的。但近些年研究發(fā)現(xiàn)，肺部存在微生物群落并且與肺癌的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。研究人員分析肺部呼吸樣本中的微生物組群落發(fā)現(xiàn)，擬桿菌屬、厚壁菌屬、變形桿菌屬和鏈球菌屬、假單胞菌屬、維氏菌屬和普氏菌屬[8-11]等微生物可能與肺癌發(fā)病有關(guān)。因此，本文中簡要綜述了近年來肺部微生物群研究進(jìn)展，包括目前肺部微生物群與肺癌的相關(guān)性研究，可能的分子機(jī)制和臨床治療中的應(yīng)用。

1 肺部微生物群與肺癌

肺部的微生物群是處于動態(tài)平衡狀態(tài)的，因為呼吸道不斷暴露于懸浮在空氣中的微生物，這些微生物通過口腔和上呼吸道流向下呼吸道[12]。下呼吸道的微生物群通過呼吸和咽部分泌物的微吸入進(jìn)入肺部，這大概是健康人體肺部微生物群的主要來源[13]。考慮到口腔和呼吸道之間的解剖學(xué)關(guān)聯(lián)，健康成年人口咽部微生物群與肺部微生物群高度相關(guān)[14-16]。肺部微生態(tài)與呼吸系統(tǒng)疾病之間存在密切關(guān)聯(lián)，目前研究主要集中于肺部微生態(tài)與慢性阻塞性肺疾病、哮喘等慢性氣道疾病之間的關(guān)聯(lián)。但近些年來，越來越多的證據(jù)表明肺部微生物群與肺癌之間也存在密切關(guān)聯(lián)。

1.1 肺癌患者具有特異的肺部微生物群

1.1.1 肺部微生物群α多樣性 Hosgood等[17]在中國宣威開展了一系列病例對照研究，最初研究納入了8例不吸煙女性肺癌和8例健康人對照，對口腔和痰液兩份標(biāo)本進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，肺癌患者的Granulicatella、Abiotrophia和Streptococcus屬富集。之后其又納入了45例肺癌和45例健康人對照，收集痰液標(biāo)本進(jìn)行測序。結(jié)果表明不吸煙人群中，肺癌風(fēng)險的增加與微生物群α多樣性較低有關(guān)[18]。其團(tuán)隊最新的一項巢氏病例對照研究發(fā)現(xiàn)，通過對114例肺癌患者和114例對照基線漱口水標(biāo)本進(jìn)行測序，結(jié)果表明微生物群α多樣性較低的人群患肺癌的風(fēng)險明顯增高，但微生物群β多樣性在病例組和對照組間未發(fā)現(xiàn)明顯差異。進(jìn)一步分析[19]發(fā)現(xiàn)，較高豐度的螺菌綱和類桿菌綱與肺癌風(fēng)險降低有關(guān)，而較高豐度的桿菌類和乳酸菌類與肺癌風(fēng)險增加有關(guān)。此外，Liu等[20]納入24例肺癌患者和18例非肺癌患者，每個肺癌患者收集癌變部位和對側(cè)非癌變部位的支氣管刷檢樣本進(jìn)行測序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)從健康部位到非癌變部位到癌變部位，微生物群α多樣性穩(wěn)步下降；在屬的層面上，鏈球菌和奈瑟菌屬的豐度呈上升趨勢，而葡萄球菌則逐漸下降。

與之相反的是，Greathouse等[21]納入了143例肺癌病例和33例非肺癌對照，收集每例肺癌患者癌變部位和臨近非癌變部位、非肺癌患者正常肺部的病理組織標(biāo)本進(jìn)行測序，結(jié)果表明，與非腫瘤鄰近組織或腫瘤組織相比，在正常的肺部菌群α多樣性較低。

1.1.2 與肺部良性疾病患者微生物群的差異 Lee等[22]納入了20例肺癌和8例良性腫塊狀病變患者，通過支氣管鏡收集了支氣管肺泡灌洗液進(jìn)行測序，結(jié)果表明肺癌患者和良性腫塊狀病變患者的肺部微生物群落存在顯著差異，Veillonella屬和Megasphaera屬有可能作為預(yù)測肺癌的生物標(biāo)志物。Liu等[23]發(fā)現(xiàn)肺癌患者的肺部微生物組成和群落結(jié)構(gòu)與單純肺氣腫患者存在明顯差異。他們納入了10例肺氣腫患者、11例肺癌患者和19例患者同時患有兩種疾病的患者，收集患者肺部非腫瘤病理組織進(jìn)行測序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與僅肺氣腫患者相比，肺癌患者肺部微生物組成的特點是變形桿菌（主要是Acinetobacter和Acidovorax屬）的豐度明顯較低，而類桿菌（鏈球菌）和類細(xì)菌（Prevotella）的感染率較高。

1.1.3 腫瘤部位存在特異微生物群落 Yu等[24]收集165例肺癌患者的腫瘤部位和非腫瘤部位的病理組織，然后進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺部微生物群與口腔、鼻腔、糞便、皮膚和陰道中的微生物群落存在明顯差異，其中變形桿菌是最主要的門類（60%）。Peters等[25]進(jìn)行了一項19例非小細(xì)胞肺癌患者的預(yù)實驗，收集了患者的腫瘤組織以及同一肺葉遠(yuǎn)端正常肺組織進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中微生物群落的豐富性和多樣性低于配對的正常組織。

1.2 吸煙、室內(nèi)燃煤和慢性支氣管炎等因素可能會影響肺部微生物群落 Hosgood等[19]發(fā)現(xiàn)與使用無煙煤的病例相比，使用煙煤做飯和取暖的病例中，肺部微生物群的α多樣性更高，主要是芽孢桿菌的差異。Yu等[24]研究表明肺部微生物α多樣性隨空氣中的微粒暴露、地區(qū)人口密度從低到高以及吸煙包年數(shù)的增加而增加，但有慢性支氣管炎病史的人群其肺部微生物α多樣性減少。

1.3 病理類型影響肺部微生物群落多樣性 Yan的研究[26]通過收集10例鱗癌，10例腺癌和20例對照的唾液標(biāo)本進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，鱗狀細(xì)胞癌和腺癌患者唾液樣本中的Capnocytophaga、Selenomonas、Veillonella和Neisseria屬明顯改變。肺鱗癌患者的微生物群落似乎比肺腺癌更多樣化。Gomes等[11]納入49例肺癌病例和54例非肺癌對照，收集支氣管肺泡灌洗液進(jìn)行測序，然后從The Cancer Genome Atlas選擇509例腺癌和500例鱗癌來檢測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的微生物群。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肺癌微生物菌群富含變形桿菌，而且微生物群落比肺腺癌更多樣化。蛋白菌群是肺癌的特異性菌群，其在肺鱗癌和肺腺癌中也被發(fā)現(xiàn)。肺鱗癌與一些腸桿菌科特異性相關(guān)。Greathouse等[21]在肺鱗癌中發(fā)現(xiàn)了單獨(dú)的分類群，其中Acidovorax屬在吸煙者中富集。此外，Acidovorax屬在有TP53突變的鱗狀細(xì)胞癌中表現(xiàn)出更高的豐度，而在腺癌中沒有看到。但其他研究人員則得出了相反結(jié)論。Yu等[24]發(fā)現(xiàn)與鱗狀細(xì)胞癌相比，腺癌中觀察到較高的系統(tǒng)發(fā)育多樣性，熱力菌的相對豐度增加，拉氏菌的相對豐度減少。

1.4 腫瘤轉(zhuǎn)移狀態(tài)影響肺部微生物群多樣性 Huang等[27]通過收集33例支氣管灌洗液（14例鱗癌和19例腺癌）和52例痰液標(biāo)本（15例鱗癌和37例腺癌）進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無轉(zhuǎn)移的肺腺癌中Veillonell、Megasphaera、Actinomyces和Arthrobacter屬明顯高于無轉(zhuǎn)移的肺鱗癌。有轉(zhuǎn)移的肺腺癌中Capnocytophaga和Rothia屬的含量明顯低于有轉(zhuǎn)移的肺鱗癌。與無轉(zhuǎn)移的肺腺癌相比，伴有轉(zhuǎn)移的肺腺癌中鏈球菌屬含量顯著降低。Veillonella和Rothia屬的含量在有轉(zhuǎn)移的肺鱗癌中則明顯高于無轉(zhuǎn)移的肺鱗癌。

綜上所述，肺部微生物群和肺癌之間的研究仍處于初步探索階段，關(guān)于肺癌的認(rèn)識遠(yuǎn)少于胃癌和結(jié)腸癌等其他癌癥。目前，該領(lǐng)域研究仍有許多挑戰(zhàn)有待解決：第一，已知危險因素的混雜作用，例如吸煙、暴露于各種職業(yè)致癌物（氡、砷、石棉等）、空氣污染、肺癌家族史等危險因素。然而，目前幾乎沒有肺部微生物組的研究有足夠樣本量在多變量分析中調(diào)整上述已知的危險因素。第二，缺乏足夠的對照來調(diào)整樣本類型和環(huán)境污染物的系統(tǒng)偏倚。使用不同的標(biāo)本類型，如肺部病理組織、痰液和支氣管鏡灌洗液等，它們對肺部微生物組的代表性可能存在差異。此外，對于微生物群落載量低的肺部樣本，比如支氣管灌洗液和肺組織活檢，即使樣本中較低的環(huán)境污染也可能對菌群測序結(jié)果產(chǎn)生較大影響。第三，需要長期縱向隊列研究來闡明肺部微生物組和肺癌的因果關(guān)聯(lián)，以及納入不同時間點的樣本來評估肺部微生物組的時序性變化，并且納入不同國家/地區(qū)的人群來增加研究的代表性。

2 肺部微生物通過免疫反應(yīng)誘導(dǎo)肺癌發(fā)生

宿主和微生物組之間的共生關(guān)系基于機(jī)體屏障和免疫系統(tǒng)[28,29]。一旦屏障缺陷或免疫功能消失，就會發(fā)生微生物群的紊亂和細(xì)菌移位，導(dǎo)致微生物組與上皮細(xì)胞或免疫系統(tǒng)之間的病理性相互作用[30,31]。

近年來研究揭示了肺部微生物組的變異在介導(dǎo)肺癌發(fā)生、發(fā)展中的作用。Jungnickel等[32]在慢性阻塞性肺疾病患者中發(fā)現(xiàn)，由非分型流感嗜血桿菌誘導(dǎo)的上皮細(xì)胞因子白介素17C（interleukin 17C, IL-17C），通過增加中性粒細(xì)胞炎癥介導(dǎo)細(xì)菌的促腫瘤作用。Tsay等[33]發(fā)現(xiàn)，肺癌患者的下呼吸道富含口腔類群（鏈球菌和Veillonella屬），這與ERK和PI3K信號傳導(dǎo)途徑的上調(diào)有關(guān)。體外實驗結(jié)果也證明氣道上皮細(xì)胞暴露于Veillonella、Prevotella屬和鏈球菌，會產(chǎn)生相同的信號通路的上調(diào)。此外，微生物誘導(dǎo)的Th17細(xì)胞可促進(jìn)肺癌細(xì)胞增殖和血管生成[34]。吸煙也可以通過誘導(dǎo)細(xì)菌因子的易位，進(jìn)而促進(jìn)肺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移生長和增殖[35]。共生菌群有助于小鼠模型中γδT17細(xì)胞對肺癌的應(yīng)答[36]。

肺部微生物組與肺癌之間的機(jī)制研究仍處于初步階段。目前大多數(shù)研究是在實驗室小鼠中進(jìn)行的，而人類與小鼠微生物群落結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致該類研究外推的局限性。而且人類研究多為橫斷面研究，無法提供時間因果證據(jù)。此外，應(yīng)該考慮rRNA測序技術(shù)的局限性，因為它不能區(qū)分活的和死的微生物。因此，宏基因組分析只是提供了微生物群落的組成，而沒有提供微生物潛在的生物功能信息。宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)的結(jié)合對于研究肺部菌群與肺癌的機(jī)制關(guān)系至關(guān)重要[37]。

3 肺部微生物在免疫治療中的作用

目前對微生物用于肺癌臨床治療應(yīng)用的探索仍處于早期階段，包括益生菌、飲食干預(yù)和糞便微生物群移植。了解人類肺部微生物群與肺癌之間的關(guān)系，可以為肺癌的診斷和治療帶來新的希望。

研究發(fā)現(xiàn)與惡性疾病相關(guān)的菌群失調(diào)或同時使用抗生素［免疫檢查點抑制劑（checkpoint inhibitors, ICIs）治療之前、期間或之后不久］可能影響ICIs療效。在ICIs治療期間，服用抗生素的非小細(xì)胞肺癌患者與沒有接受抗生素治療的患者相比，其無進(jìn)展生存期和總生存期明顯減少[38]。后續(xù)有研究比較了兩組患者的腸道微生物群，并從康復(fù)患者的糞便中分離出了益生菌。而這種益生菌已被證明對預(yù)防肥胖癥和糖尿病有效。此外，研究人員將康復(fù)患者的糞便植入無菌小鼠體內(nèi)，那些接受“有效”糞便的小鼠對程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1, PD-1）抑制劑的反應(yīng)很快。此外，口服益生菌也能恢復(fù)免疫療法的相同效果[39]。最近一項對接受免疫檢查點抑制劑PD-1治療的中國晚期非小細(xì)胞肺癌患者的研究表明，腸道微生物群多樣性較高的患者對抗PD-1免疫檢查點抑制劑的副反應(yīng)更好。具有有利的腸道微生物群的患者（如多樣性高的患者）在外周血[40]中表現(xiàn)出增強(qiáng)的記憶T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞特征。

目前該領(lǐng)域的研究大多數(shù)集中在腸道微生物群，但抗生素也可能影響肺部微生物群，進(jìn)而改變ICIs和其他免疫療法對肺癌患者的抗腫瘤作用[41]。因此，肺部微生物組對免疫療法的影響及其機(jī)制還需更多的探索。

4 小結(jié)

肺癌疾病負(fù)擔(dān)嚴(yán)重，而肺部微生態(tài)的研究從新的角度認(rèn)識肺癌。目前研究已初步證實肺癌患者存在肺部微生態(tài)的改變，而這些差異菌可能通過炎癥反應(yīng)、產(chǎn)生毒性代謝產(chǎn)物等機(jī)制參與肺癌的發(fā)生發(fā)展，并且跟肺癌的病理類型、腫瘤轉(zhuǎn)移狀態(tài)和預(yù)后等因素存在關(guān)聯(lián)。因此，未來需要更多微生態(tài)的研究揭示肺部微生態(tài)與肺癌發(fā)生發(fā)展的因果關(guān)系，最終為臨床診斷與治療肺癌提供新的思路。