腸道菌群與異基因造血干細胞移植研究進展

傅 鑫,黃曉兵,2△

異基因造血干細胞移植(allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, allo-HSCT)是治療各種惡性腫瘤,特別是造血惡性腫瘤最有效的治療手段。然而,由于其危及生命的并發(fā)癥,如移植物抗宿主病(graft versus host disease,GVHD)、感染和復發(fā),allo-HSCT的應用受到限制。目前越來越多的研究表明,腸道菌群組成及多樣性與allo-HSCT后患者臨床結果密切相關?？股氐暮侠磉x擇,益生元、益生菌、后生元和糞菌移植等靶向腸道菌群的干預措施可減少allo-HSCT后并發(fā)癥,改善患者預后。因此,筆者對allo-HSCT后腸道菌群與GVHD、感染、復發(fā)和免疫重建之間的關系做一綜述,并且討論了針對腸道菌群的多種治療手段,為臨床上改善allo-HSCT預后提供策略。

1 腸道菌群與宿主免疫

腸道上皮由腸上皮細胞、杯狀細胞、Paneth細胞、M細胞等細胞組成。腸上皮細胞及其之間緊密連接是腸道屏障關鍵組成部分。腸道中杯狀細胞產生的黏液層將腸道共生體與上皮分離,為腸道提供保護屏障。腸道Paneth細胞通過分泌抗菌蛋白抑制細菌入侵。M細胞負責調節(jié)粘膜免疫及腸腔抗原的捕獲[1]。此外,以短鏈脂肪酸為代表的微生物代謝產物也可調控腸道上皮的內穩(wěn)態(tài),腸上皮內穩(wěn)態(tài)同時促進微生物在腸道中的定殖,當內穩(wěn)態(tài)打破時腸道菌群將失調[2]。在allo-HSCT受體中,由于其潛在的惡性腫瘤、全身放射治療以及暴露于抗生素和化療藥物,降低了腸道屏障的完整性,而具有非常高的感染和炎癥并發(fā)癥風險。腸道細菌及其組成部分(病原體相關分子模式)轉移到固有層并被抗原提呈細胞識別,激活效應細胞和加重GVHD。GVHD導致的B細胞、Paneth細胞和粘膜層的破壞加劇腸道炎癥和細菌易位,導致allo-HSCT后的生存率下降。

2 腸道菌群對移植結果及移植相關疾病的作用

2.1 腸道菌群與GVHD

2.1.1腸道微生物與GVHD GVHD是allo-HSCT后移植相關并發(fā)癥中最主要、最嚴重的一種。腸道菌群失調與GVHD之間互為因果、惡性循環(huán)。針對allo-HSCT后微生物群作用的早期研究并未報道特定的腸道微生物種類與GVHD或移植相關死亡率的相關性。隨著基因測序技術的進步,越來越多的證據表明allo-HSCT受體腸道菌群多樣性及特定的組成與移植預后相關。動物實驗表明,在GVHD小鼠腸道中梭菌豐度明顯降低,重新引入梭狀芽孢桿菌分離株的混合物可以產生高水平的丁酸從而上調Treg細胞、增加腸道完整性,延長GVHD小鼠存活時間[3]。allo-HSCT后患者臨床數據顯示,患者糞便中較高的腸球菌科及葡萄球菌科豐度與急性GVHD的風險增加相關[4]。相比之下,屬于梭菌綱的Blautia屬豐度增加與GVHD相關死亡率降低和總體生存率提高顯著相關[5]。最近Burgos等[6]發(fā)現,胃腸道急性移植物抗宿主病(GI-aGVHD)患者發(fā)病前后的糞便樣本中可以檢測到菌群失調,且GVHD發(fā)病前糞便中梭菌綱成員豐度降低、產丁酸菌減少、嚴格厭氧菌/兼性厭氧菌比值降低與allo-HCT后更短的生存期和較高的GVHD相關死亡風險有關。由此可見,針對腸道微生物組的分析或可預測GVHD的發(fā)病率和嚴重程度,從而有可能進行早期針對微生物組的干預。

2.1.2微生物代謝物和GVHD 微生物代謝產物由腸道菌群產生的多種中間產物和終產物組成,在調節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和免疫應答中發(fā)揮著至關重要的作用[7]。據報道, 接受allo-HSCT患者微生物代謝產物短鏈脂肪酸、芳香烴受體配體、多胺等水平發(fā)生了顯著變化,尤其是在急性移植物抗宿主病(acute graft versus host disease,aGVHD)患者中。短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)是微生物發(fā)酵膳食纖維的主要產物,參與調節(jié)宿主腸道穩(wěn)態(tài)和能量代謝[8]。動物實驗表明,allo-HSCT后發(fā)生GVHD小鼠腸道內短鏈脂肪酸丁酸濃度明顯降低,通過直接服用丁酸或通過改變微生物組增加產丁酸菌恢復丁酸水平可以減輕GVHD嚴重程度并提生存率[3]。在GVHD患者中, SCFAs濃度(包括乙酸、丙酸和丁酸)均明顯降低并與GVHD嚴重程度和死亡率相關,其中丁酸濃度在GVHD各階段均顯著降低,可作為GVHD診斷標志物[9]。近期Meedt等也證實了allo-HSCT患者腸道菌群產丁酸能力與患者GVHD嚴重程度、GVHD相關死亡率及移植相關死亡率呈顯著負相關[10]。

芳香烴受體(AhR)配體是來源于腸道菌群代謝,對維持腸上皮屏障,調節(jié)先天及適應性免疫至關重要[11]。在GVHD小鼠模型中,給予AhR配體吲哚衍生物可以改善GVHD嚴重程度,降低GVHD相關死亡率,同時保持移植物抗白血病效應(GVL)[12]。Michonneau等[13]發(fā)現,GVHD患者AhR配體水平顯著降低,包括3-吲哚醇硫酸酯(3-IS)、吲哚乙酸、吲哚乙酰谷氨酰胺和吲哚丙酸。Weber等[14]發(fā)現,低水平尿液3-IS與較高的移植相關死亡率和較低的總生存率相關,可能是預測GVHD的潛在生物標志物。此外,Wu等[15]發(fā)現微生物代謝物氧化三甲胺 (TMAO) 或高膽堿飲食可通過NLRP3依賴的機制誘導M1巨噬細胞極化進而增強Th1和Th17分化,增加小鼠GVHD嚴重程度和死亡率,提示我們通過對allo-HSCT患者控制膽堿飲食可能是減輕GVHD的有效策略。綜上,微生物代謝物在GVHD的發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用,可能是預防和治療GVHD的靶點,然而其具體作用機制仍不清楚,需要進一步研究闡明。

2.2 腸道菌群與感染感染是allo-HSCT后非復發(fā)死亡的主要原因之一,僅次于GVHD。在allo-HSCT患者中,術前放療、化療及抗生素治療導致腸道菌群失衡、腸道微生物單一優(yōu)勢,顯著增加菌血癥風險。Taur等[16]發(fā)現在近50%的患者在發(fā)生菌血癥之前已存在相應菌群在腸道內占優(yōu)勢,這些患者中菌群腸道優(yōu)勢與菌血癥之間的中位時間為7天,腸道中腸球菌支配的患者發(fā)生耐萬古霉素腸球菌菌血癥風險增加9倍,腸變形菌支配的患者發(fā)生革蘭氏陰性桿菌菌血癥風險增加5倍。Harris等[17]研究了腸道菌群在allo-HSCT后肺部并發(fā)癥中的作用,發(fā)現γ-變形菌屬腸道優(yōu)勢是allo-HSCT后肺部并發(fā)癥(包括感染)的重要預測因子。Haak等[18]發(fā)現allo-HSCT后患者糞便中產丁酸菌豐度較高的患者其發(fā)生呼吸道病毒感染風險比其它患者低5倍。因此,通過監(jiān)測腸道微生物變化可以預測患者發(fā)生感染的風險,并且針對腸道微生物群的保護對預防感染可能有一定幫助。

2.3 腸道菌群與復發(fā)目前普遍認為腸道共生菌在腫瘤免疫監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。有假說提出了抗原擬態(tài),認為微生物蛋白與腫瘤相關抗原具有密切的相似性。也有研究者認為腸道共生菌通過非特異性激活先天免疫細胞發(fā)揮腫瘤免疫檢測。最近研究發(fā)現腸道微生物組特定成員與降低allo-HSCT后復發(fā)風險有關。Peled等[19]通過對541例allo-HSCT患者腸道微生物的豐度與疾病復發(fā)/進展之間的回顧性研究發(fā)現,粘液真桿菌豐度較高與疾病復發(fā)/進展的風險降低相關,在有和無這組細菌的患者中,2年的復發(fā)/進展累積發(fā)生率分別為19.8%和33.8%。這可能與粘液真桿菌產生豐富的短鏈脂肪酸增強了allo-HSCT后GVT效應有關。有研究者在此基礎上提出了在allo-HSCT后,通過接種粘液真桿菌來改變疾病復發(fā)率高風險患者的腸道菌群以降低復發(fā)率的可能性。此外,腸道中咽峽炎鏈球菌豐度較高的患者移植后復發(fā)率較低,而屎腸球菌與復發(fā)風險增加相關[20]。這些可能成為潛在診斷或治療靶點,全面了解腸道菌群驅動黏膜和全身免疫調節(jié)的機制,可能有助于在改善GVT效應的同時緩解GVHD,提高allo-HSCT后的總體生存率。

2.4 腸道菌群與免疫重建Allo-HSCT后免疫重建與感染、腫瘤復發(fā)密切相關,而腸道菌群在移植后免疫重建中可能發(fā)揮重要作用。研究表明,腸道微生物群的存在可促進小鼠骨髓生成并降低其感染敏感性[21],抗生素處理的小鼠表現出對骨髓中所有祖細胞亞型造血的多系抑制[22]。一項對無菌小鼠與野生小鼠免疫系統(tǒng)研究[23]表明,無菌小鼠在腸道黏膜中的效應T細胞少于野生小鼠,通過將無菌小鼠與野生型小鼠混養(yǎng)后可以促進無菌小鼠免疫系統(tǒng)成熟。Staffas等[24]發(fā)現在骨髓移植小鼠模型中,用抗生素清除腸道菌群可損害移植后的免疫重建,主要表現在抑制淋巴細胞和嗜中性粒細胞的分化和恢復。Ingham等[25]在對allo-HSCT后兒童的腸道、口腔和鼻腔菌群動態(tài)監(jiān)測中發(fā)現CD4+T、Th17和B細胞的重建與三個部位的菌群具有相關性,其中腸道中毛螺菌科、瘤胃球菌科和乳桿菌科菌群高豐度與CD4+T細胞、TH17細胞亞群這些適應性免疫細胞群數量呈正相關。這表明腸道微生物群在塑造免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,并可以作為提高移植后免疫的一種靶向策略。目前移植后免疫重建的評估包括檢測絕對淋巴細胞計數,淋巴細胞亞群和抗體滴度以及功能分析和TCR多樣性,然而將免疫重建與微生物組學相結合的臨床研究較少,未來的前瞻性研究需要整合這些領域的研究,以更好地探究微生物組在allo-HSCT后免疫重建中的潛作用。并且,目前針對腸道菌群與免疫重建的研究只闡明了相關性,轉化應用仍在起步階段,其背后的機制需要我們進一步深入研究。

3 針對腸道菌群改善allo-HSCT結果的策略

3.1 抗生素腸道菌群多樣性與allo-HSCT后總生存率相關,這個發(fā)現使研究者提出了關于allo-HSCT受體細菌凈化的問題,即如何在不影響治療療效的情況下保持“健康”共生微生物對機體的保護作用?？股刂委燁愋涂赡軟Q定腸道菌群組成和菌群破壞程度。一項對allo-HSCT患者及小鼠的回顧性研究[26]發(fā)現某些能破壞腸道微生物組的廣譜抗生素會增加GVHD相關死亡率,并且具有厭氧活性的抗生素與較高的GVHD相關死亡率有關。Weber 等[27]發(fā)現利福昔明單獨使用或配合全身抗生素治療可以改善腸道GVHD的癥狀和降低移植相關死亡率。Hayase等[28]提出,碳青霉烯類抗生素可以促使擬桿菌破壞黏液層而加重GVHD。除抗生素類型外,抗生素治療時間也會影響微生物多樣性并可能影響患者的預后。一項多中心回顧性研究[29]表明,早期接觸抗生素導致梭狀芽孢桿菌顯著減少并增加GVHD相關死亡率。近期一項動物實驗[30]表明,長期抗生素暴露可以引起淋巴細胞功能障礙和共生細菌全身逃逸導致感染風險增加。綜上所述,抗生素是一把雙刃劍,在發(fā)揮抗感染效果的同時會影響腸道微生態(tài)而加重GVHD、延緩免疫重建,因此需慎重評估抗生素的作用。在allo-HSCT受者中抗生素早期降階治療并限制使用廣譜抗生素及消除專性厭氧菌的抗生素可能有助于改善患者預后。當然,這需要進行多中心前瞻性研究來評估抗生素的選擇對allo-HSCT后中性粒細胞減少期間細菌感染的短期風險,以及抗生素使用所致的微生物組多樣性改變對長期終點(移植物抗宿主病、免疫重建和微生物耐藥性)的影響,以優(yōu)化allo-HSCT受體中抗生素的使用,在防止菌血癥同時減少腸道菌群損傷對長期預后的影響。

3.2 益生元益生元是指一種不易消化的化合物,通過在腸道中被微生物代謝,能調節(jié)腸道菌群的組成和/或活性,以對宿主提供有益的生理作用。益生元對機體的有益影響已在各種研究中得到證實。近期Holmes 等[31]發(fā)現,低聚半乳糖(GOS)通過影響腸道菌群可在一定程度上提高GVHD小鼠的生存率和緩解GVHD癥狀。Hayase 等[28]提出口服補充木糖可防止經美羅培南治療的小鼠的結腸黏液層變薄而改善其GVHD生存率。這些研究為在造血干細胞移植中研究益生元提供了一個令人信服的理論基礎,益生元可能成為預防GVHD的一種輔助療法。

3.3 益生菌益生菌是用于改善健康的活體微生物,具有調節(jié)免疫功能、生成有機酸和抗微生物產物、與宿主及其菌群互作、改善腸道屏障、產生酶和具有系統(tǒng)性影響的小分子等作用。在小鼠GVHD模型中已經證明通過梭菌治療可以改善GVHD[3]。近期的一項研究[32]揭示了新一代益生菌嗜粘蛋白-阿克曼氏菌(AKK菌)在加速腸上皮再生、促進IEC發(fā)育、促進腸道屏障完整性、抑制炎癥反應等方面發(fā)揮重要重要,這為將益生菌應用于輔助治療GVHD提供了理論基礎。同時,大多數患者在在allo-HSCT后幾周內出現腸道細菌多樣性下降且多達一半的菌血癥發(fā)生在腸道細菌占主導地位之前,這表明給予益生菌預防病原體定植的潛在有效性。然而目前針對益生菌在在allo-HSCT受者中的應用較少,僅限于臨床前模型和小型試點試驗,缺乏大規(guī)模循證醫(yī)學依據。值得注意的是,也有報道益生菌的使用可能產生負面作用。免疫功能低下的自體干細胞移植的套細胞淋巴瘤患者在過度食用富含嗜酸乳桿菌的酸奶后發(fā)生嗜酸乳桿菌敗血癥[33],提示益生菌在特定人群中的潛在安全性問題。近年來,基因工程技術的出現可以使益生菌分泌具有有益作用的化合物,如抗菌肽(AMPs)。不少研究報道了基因工程改造的益生菌在強化腫瘤免疫治療、治療腸道耐藥菌及艱難梭菌感染中的作用。相信在不久的將來,益生菌可能會通過基因工程技術為allo-HSCT宿主帶來福音。

3.4 后生元后生元是對宿主健康有益的無生命微生物和/或其成分的制劑。菌群分泌、修飾或降解的小分子可調控宿主健康,基于這些代謝物的療法稱為后生元療法,這種方法與益生菌策略和糞便移植相比具有更高的安全性和可操作性。有多項研究探討了后生元對腸道疾病改善的效果。在一項小鼠結腸炎模型中[34],口服滅活的Akk菌或是Akk菌的外膜蛋白Amuc_1100(一種后生元),可以通過調節(jié)CD8+細胞毒性T細胞和巨噬細胞改善結腸炎。特別是在GVHD小鼠模型中[3],通過增加腸道中吲哚或其衍生物的水平可以顯著降低了小鼠GVHD的風險。一項針對5例復發(fā)性艱難梭菌感染患者的研究[35]表明,從供者糞便中轉移無菌濾液而不是糞便微生物群,足以改善艱難梭菌感染癥狀。這提示我們后生元療法與益生菌療法、糞菌移植相比,細菌成分、代謝物可能是一種替代方法,特別是對于免疫功能低下的患者。這研些究給后生元應用于allo-HSCT患者來改善腸道完整性并預防腸道移植物抗宿主病帶來了啟發(fā)。然而目前將后生元應用于造血干細胞移植患者的臨床資料還很少,且菌群代謝物具有多重功能且大多數代謝物功能尚不清楚,圍繞這些我們還需要更為深入的研究。

3.5 糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)FMT作為恢復腸道菌群的一種臨床手段,早期用于治療復發(fā)性艱難梭菌感染。近年來,有大量臨床研究在探索FMT用于治療血液腫瘤患者的艱難梭菌感染、類固醇難治性急性GVHD和多重耐藥細菌感染。在一項針對FMT在激素難治性或激素依賴性腸道GVHD患者小規(guī)模研究[36]中,所有患者均通過FMT改善了GVHD癥狀且未發(fā)現由于FMT造成的不良反應。Bilinski 等[37]研究發(fā)現,急性GVHD患者對FMT的總應答率及完全應答率分別可達到57%及42%,而在慢性GVHD患者中,FMT可維持或改善器官受累情況。Spindelboeck等[38]證實了FMT可緩解腸道移植物抗宿主病,延長總生存期。此外,Ghani 等[39]提出,FMT可顯著降低多藥耐藥菌定殖患者血流感染,并顯著減少碳青霉烯抗生素的使用、抗生素使用時長、菌血癥和住院時長。當然, 也有FMT后感染并發(fā)癥的病例報道,1例allo-HSCT患者在接受FMT后引起產超廣譜β-內酰胺酶大腸桿菌菌血癥而導致死亡[40]。然而目前尚缺少FMT應用于造血干細胞移植患者的大規(guī)模臨床研究,我們需要進行長期隨訪和更大規(guī)模的研究來評估FMT對allo-HSCT患者的安全性和有效性。

4 未來與展望

識別具有診斷意義和預后意義的微生物標志物對于告知患者風險和選擇合適的治療策略至關重要,然而關于腸道微生物組在造血干細胞移植受者中的作用,以及如何利用微生物組預防或治療移植相關疾病,仍有許多懸而未決的問題。腸道微生物群和造血干細胞移植領域中的許多研究實際上只證明了相關性,從相關性轉向因果性仍然是一個重要且必要的步驟。未來的研究將進一步剖析腸道菌群如何調宿主生理活動以改善患者健康和預后。