腸道菌群與放療敏感性及放射性黏膜炎關(guān)系的研究進(jìn)展

李昌振，樓建軍，孔培中，韓偉

作者單位：1中國(guó)科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院，安徽 合肥 230001；

2中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001

腸道菌群（the gut microbiome，GM）是指人類腸道中的所有微生物的基因組成，包括細(xì)菌、病毒、真菌和古細(xì)菌。人體腸道內(nèi)寄生著10萬(wàn)億個(gè)微生物，這些微生物與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展關(guān)系密切，并對(duì)腫瘤治療起著積極的作用［1-2］。大量研究表明腸道菌群在化療及免疫治療中起到關(guān)鍵的作用［3-4］。放療是抗腫瘤治療的重要組成部分，超過50%的癌癥病人在疾病過程中接受過放療，其中60%的病人能夠從放療中獲益［5］。當(dāng)然，放療過程中也會(huì)出現(xiàn)放射性黏膜炎等并發(fā)癥，重度放射性黏膜炎可以導(dǎo)致放療暫停，影響到病人的生存預(yù)后。然而，放療療效以及放射性黏膜炎嚴(yán)重程度在不同病人之間差異很大。本文就腸道菌群、放療敏感性及放射性黏膜炎之間關(guān)系的研究進(jìn)行綜合性闡述。

1 腸道菌群與機(jī)體免疫系統(tǒng)

腸道菌群可以影響固有免疫發(fā)育。動(dòng)物模型證實(shí)無(wú)菌小鼠存在嚴(yán)重的免疫缺陷，表現(xiàn)為腸道相關(guān)淋巴組織（gut-associated lymphoid tissue， GALT）發(fā)育障礙［6］。無(wú)菌小鼠不僅僅存在腸道局部免疫缺陷，骨髓中的造血也發(fā)生了改變。研究表明，髓系造血與腸道中群落的多樣性呈正相關(guān)，同時(shí)也與血漿中Toll 樣受體水平相關(guān)，這表明腸道菌群可能通過微生物相關(guān)分子模式（microorganism-associated molecular patterns， MAMPs）影響了骨髓造血［7］。腸道菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（SCFA）能夠進(jìn)入血液循環(huán)并作用于骨髓，提高髓系造血能力［8］。腸道菌群還能影響宿主的外周淋巴細(xì)胞生成。造血干細(xì)胞移植（hematopoietic stem cell transplantation，HSCT）是一種治療血液腫瘤的方法，然而這種治療會(huì)導(dǎo)致循環(huán)免疫細(xì)胞和腸道微生物群的巨大變化。Schluter等［9］通過觀察HSCT 后循環(huán)中免疫細(xì)胞與腸道微生物群每日變化，發(fā)現(xiàn)腸道菌群和免疫細(xì)胞之間存在聯(lián)系，揭示了腸道菌群與免疫系統(tǒng)的關(guān)系。

腸道細(xì)菌還能影響適應(yīng)性免疫反應(yīng)。許多研究已經(jīng)證明不同共生菌與抗腫瘤T細(xì)胞反應(yīng)之間有著密切的聯(lián)系。環(huán)磷酰胺能使希氏腸球菌（Entero?coccus hirae）易位并活化致病性Th17 細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞，從而抑制肉瘤和肺腺癌模型中的腫瘤生長(zhǎng)［3］。雙歧桿菌（Bifidobacterium）能增強(qiáng)樹突狀細(xì)胞功能，導(dǎo)致CD8+T細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中的啟動(dòng)和積累的增強(qiáng)，促進(jìn)程序性細(xì)胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1， PD-1）抑制劑對(duì)黑色素瘤的抗瘤效應(yīng)［4］。脆弱擬桿菌（B. fragilis）定植期間分泌的細(xì)菌多糖（PSA）能夠通過腸道樹突狀細(xì)胞激活CD4+T 細(xì)胞并誘導(dǎo)適當(dāng)?shù)募?xì)胞因子產(chǎn)生，進(jìn)而指導(dǎo)宿主免疫系統(tǒng)的成熟［10］。當(dāng)然，有些腸道菌群也會(huì)產(chǎn)生促腫瘤生長(zhǎng)的作用。乳桿菌將膳食色氨酸代謝為吲哚，能夠激活腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞上的高芳香烴受體活性，進(jìn)而抑制炎癥性T 細(xì)胞的浸潤(rùn)，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)［11］。

總之，腸道菌群可以調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能，這些免疫介導(dǎo)的相互作用和集體反饋回路被定義為腫瘤免疫-微生物組（immunooncology-microbiome，IOM）軸［12］。

2 腸道菌群與放療的相互作用

腸道菌群和放療之間的相互作用是雙向的，即放療破壞了腸道菌群穩(wěn)定，而腸道菌群的改變又影響放療療效。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明盆腔輻射引起小鼠腸道細(xì)菌組成的顯著改變，增加了大腸中的阿利斯蒂普菌（Alistipes）的水平以及小腸中棒狀桿菌屬（Co?rynebacterium）的水平［13］。腸道菌群的改變可以影響放療療效。Shiao 等［14］發(fā)現(xiàn)在乳腺癌和黑色素瘤小鼠模型中，用抗生素介導(dǎo)的細(xì)菌耗竭，抑制了巨噬細(xì)胞和CD8 T 細(xì)胞激活，最終使放療效果受限。而抗真菌藥介導(dǎo)的真菌耗竭，則使起免疫抑制作用的M2 巨噬細(xì)胞減少，有利于解除放療時(shí)的免疫抑制，同時(shí)，增強(qiáng)了CD8 T 細(xì)胞的效應(yīng)，最終提高了放療效果。

放療具有強(qiáng)大的免疫調(diào)節(jié)作用，放療增強(qiáng)了樹突狀細(xì)胞抗原提呈效應(yīng)，并上調(diào)CD8+T細(xì)胞，使得抗癌活性可以在遠(yuǎn)離放療部位觀察到，這種現(xiàn)象稱為遠(yuǎn)端效應(yīng)［15］。研究者發(fā)現(xiàn)萬(wàn)古霉素是一種作用于腸道陽(yáng)性球菌的抗生素，能夠增強(qiáng)放療誘導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。這種協(xié)同作用依賴于腫瘤相關(guān)抗原交叉呈遞給CD8+T細(xì)胞和IFN-γ［16］。

腸道菌群能夠?qū)Ψ暖煰熜鸬筋A(yù)測(cè)作用。研究者通過對(duì)接受同步放化療直腸癌病人的糞便樣本分析發(fā)現(xiàn)，與完全緩解的病人相比，非完全緩解病人糞便中的類桿菌相對(duì)較多，提示類桿菌與完全緩解率有關(guān)［17］。相似的結(jié)論在胰腺癌病人中也能觀察到，研究者在長(zhǎng)期生存病人的腫瘤微生物組中發(fā)現(xiàn)了更高的α 多樣性，并在發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證隊(duì)列中確定了高度預(yù)測(cè)長(zhǎng)期存活率的腫瘤內(nèi)微生物組特征（假黃單胞菌-鏈霉菌-糖多胞菌-克勞斯芽孢桿菌）［18］。通過人-小鼠糞便微生物群移植（FMT）實(shí)驗(yàn)，我們能夠?qū)δ[瘤微生物群進(jìn)行差異調(diào)節(jié)，并影響腫瘤生長(zhǎng)和腫瘤免疫浸潤(rùn)。

3 腸道菌群對(duì)放射性黏膜炎的影響

放射性腸炎（radiation-induced enteritis， RE）是盆腔放療常見的副反應(yīng)之一，超過80%的病人在盆腔放療過程中會(huì)發(fā)生放射性腸炎［19］。病人會(huì)出現(xiàn)腹瀉、腹痛、惡心和嘔吐，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致放療暫停，影響到病人的生存預(yù)后。放射性腸炎的發(fā)病機(jī)制包括直接作用和間接作用。電離輻射可直接引起細(xì)胞DNA 鏈及染色體斷裂等細(xì)胞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞周期中斷及細(xì)胞凋亡。間接作用則是由活性氧的產(chǎn)生和促炎細(xì)胞因子的釋放引起的［20］。目前，廣泛采用Sonis［21］提出的5 階段模型對(duì)放射性腸炎的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行描述，即初始期、原發(fā)性損傷期、信號(hào)放大期、潰瘍期和愈合期。

腸道菌群對(duì)腸道黏膜放射損傷及修復(fù)的許多環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。輻射破壞腸道屏障和黏液層，導(dǎo)致細(xì)菌易位，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的激活，同時(shí)，輻射導(dǎo)致的菌群失調(diào)可以引起腸道局部和全身的免疫反應(yīng)，促進(jìn)腸炎發(fā)展［22］。腸道菌群同樣參與腸道上皮的修復(fù)過程。腸道黏膜修復(fù)依靠腸道干細(xì)胞增殖分化，腸道微生物群可以調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞增殖分化為再生上皮細(xì)胞。研究結(jié)果表明，細(xì)菌通過刺激RIG-I/MAVS和STING信號(hào)通路誘導(dǎo)I型干擾素的產(chǎn)生，從而保護(hù)腸道干細(xì)胞免受損傷［23］。革蘭陰性菌的膜成分中的脂多糖刺激上皮細(xì)胞表面TLR4 表達(dá)，導(dǎo)致前列腺素的產(chǎn)生和減少輻射誘導(dǎo)的上皮干細(xì)胞凋亡［24］。

一些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明放射性腸炎與腸道菌群有關(guān)。Guo 等［8］發(fā)現(xiàn)在高劑量輻射后幸存小鼠腸道菌群中毛螺菌科和腸球菌科比重增加，這些菌群產(chǎn)生的SCFA 能通過減輕造血和胃腸組織的DNA 損傷和活性氧釋放，幫助小鼠抵抗輻射。相反的，Ger?assy等［25］通過使用直腸輻射小鼠模型證實(shí)盆腔輻射能夠造成腸道菌群失調(diào)，并通過促進(jìn)IL-1β 的分泌使小鼠腸道黏膜更容易受到輻射損傷。腸道菌群對(duì)輻射損傷的調(diào)節(jié)受性別差異影響，口服辛伐他汀僅能在雄性小鼠中減輕輻射引起的腸道細(xì)菌群結(jié)構(gòu)改變，從而改善造血系統(tǒng)損傷、胃腸道功能和上皮完整性，施用抗生素或移植雌性小鼠的腸道菌群，會(huì)消除上述治療效果，表明性別特異的腸道菌群在治療輻射損傷中有關(guān)鍵介導(dǎo)作用［26］。

臨床上，放療后的腸道菌群失調(diào)與放射性腸炎風(fēng)險(xiǎn)增加顯著相關(guān)。Wang 等［27］評(píng)估了宮頸癌放療病人腸道菌群的變化，發(fā)現(xiàn)放射性腸炎病人出現(xiàn)了菌群失調(diào)，其變形菌數(shù)量增加，擬桿菌的數(shù)量減少。同樣，Mitra 等［28］評(píng)估了接受放化療的宮頸癌病人的腸道菌群變化與胃腸道毒性之間的相關(guān)性，胃腸功能較好病人的腸道菌群具有更高的多樣性。因此，腸道菌群可能是放射性腸炎的預(yù)測(cè)標(biāo)志物。一項(xiàng)大型臨床試驗(yàn)［29］證實(shí)盆腔放療病人的腸道菌群多樣性隨著放療的進(jìn)行逐漸降低，而多樣性的降低也與晚期放射性腸炎在一定程度上呈正相關(guān)。放射性腸炎病人體內(nèi)Ⅳ型梭狀芽孢桿菌、玫瑰桿菌和弧菌屬豐度顯著性升高，而用于調(diào)節(jié)腸道菌群與自穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞因子（如IL-7、IL-12、IL-15、IL-16 等）降低。不僅如此，臨床試驗(yàn)證實(shí)通過糞便移植治療后，放射性腸炎病人臨床癥狀、內(nèi)鏡和影像學(xué)表現(xiàn)均有改善［30］。盡管上述實(shí)驗(yàn)樣本量較小，但這些數(shù)據(jù)揭示了放療后腸道菌群改變和放射性腸炎之間的潛在聯(lián)系，即腸道菌群多樣性越低，腸炎發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越大。

放射性口腔黏膜炎（radiation-induced oral muco?sitis，RIOM）是頭頸部腫瘤放療中最常見的并發(fā)癥。超過90%的頭頸部放療病人會(huì)發(fā)生放射性口腔黏膜炎，其中重度黏膜炎的發(fā)生率達(dá)到了56%［31］。RI?OM 嚴(yán)重程度與腸道菌群相關(guān)。Jiang 等［32］對(duì)接受放化療的鼻咽癌病人進(jìn)行口服益生菌治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)服用益生菌的病人發(fā)生口腔黏膜炎嚴(yán)重程度顯著降低。對(duì)病人糞便測(cè)序結(jié)果表明，同步放化療明顯干擾了病人的腸道多樣性，而益生菌明顯恢復(fù)了病人腸道菌群多樣性，使之接近健康人。因此，腸道菌群可能成為RIOM風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)標(biāo)志物。

4 總結(jié)

腸道菌群對(duì)抗癌免疫反應(yīng)具有不可忽視的影響，然而其生理機(jī)制是十分復(fù)雜的。在放療方面，目前的研究證據(jù)表明，腸道菌群不僅影響放療的療效，而且還預(yù)測(cè)放射性黏膜炎的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及嚴(yán)重程度。這些結(jié)果雖然令人信服，但也有其局限性。事實(shí)上，上述研究中沒有考慮到飲食、抗生素使用等因素對(duì)于腸道菌群的影響。另一方面，這些研究雖然通過使用益生菌或益生元對(duì)腸道菌群進(jìn)行了干預(yù)，但由于對(duì)放射性黏膜炎腸道菌群的了解不足，干預(yù)措施并不精確，這就導(dǎo)致產(chǎn)生了相互矛盾的結(jié)果。盡管有這些局限性，發(fā)現(xiàn)腸道菌群如何調(diào)節(jié)放療敏感性及放射性黏膜炎以及其機(jī)制仍是未來(lái)重要的研究方向。人們希望腸道菌群成為一種新的生物標(biāo)志物，通過調(diào)節(jié)腸道菌群能夠提高放療療效，并且降低放療毒性。