馬衛(wèi)東, 許林, 蔣峰

微生物群落已經(jīng)進化出各種各樣的專門譜系,以適應不同的棲息地[1]，腸道微生物在癌癥發(fā)生及治療引起的免疫反應中發(fā)揮作用。宿主的黏膜免疫系統(tǒng)和微生物群落是共同進化的,兩者相互作用維持體內(nèi)的生態(tài)平衡。當病原菌破壞宿主黏膜免疫系統(tǒng)與微生物群落間的生態(tài)平衡時,免疫系統(tǒng)會對該細菌作出反應,從而可能改變其對腫瘤的免疫反應和腫瘤微環(huán)境[2]。近年來,隨著外科手術、化療和放療等治療方法越來越有效,癌癥的存活率有了顯著提高[3]。特異性不良反應、獲得性耐藥性和高成本是靶向治療面臨的亟需解決的問題。隨著人們對腸道微生物研究的不斷深入,研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群有望為改善現(xiàn)有化療藥物的療效、降低毒性以及提高免疫治療的敏感性提供一種新的途徑。

寄主與共生微生物之間的相互作用有利于維持機體的生理穩(wěn)態(tài)[1]。上皮屏障上的微生物群影響宿主的營養(yǎng)、代謝、能量平衡、炎癥和適應性免疫等系統(tǒng)功能[4-5]。微生物群失調(diào)可能是腫瘤治療的結(jié)果,也可能是腫瘤治療反應異質(zhì)性的原因[6]。本文就腸道微生物群在調(diào)節(jié)癌癥治療中的作用進行綜述。

1 腸道微生物群與癌癥免疫治療

1.1 免疫療法 免疫療法用于治療癌癥療效顯著。腫瘤細胞的識別和殺傷部分依賴于T細胞介導的細胞免疫。T細胞通過T細胞受體(T cell receptor,TCR)與腫瘤細胞表面主要組織相容性復合體(MHC)的特異性抗原結(jié)合。TCR和MHC分子的相互作用是由一系列免疫檢查點控制的,這些檢查點通過共刺激信號和共抑制信號來激活或抑制T細胞。細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4(CTLA-4)、程序性細胞死亡蛋白1(PD-1)、PD-1配體(PD-L1)是協(xié)同抑制分子,可抑制免疫應答,預防自身免疫性疾病。PD-1及其配體PD-L1在免疫耐受中發(fā)揮重要作用,兩者結(jié)合可以傳遞共抑制信號,抑制T細胞的免疫活性,導致腫瘤細胞的免疫逃逸[7]。迄今為止,CTLA-4和PD-1/PD-L1軸(mAb介導的對兩個檢查點的阻斷)在臨床免疫治療領域取得了巨大的成功[7]。需注意的是,患者對檢查點抑制劑的反應有相當大的個體差異[8-10]。有趣的是,近期有研究表明,檢查點抑制劑的療效受患者腸道菌群的影響,患者臨床反應的變化可以用腸道微生物群和免疫檢查點抑制劑之間的相互作用來解釋[8,11]。

1.2 腸道微生物群調(diào)節(jié)免疫檢查點抑制劑(PD1/PDL1)療效 Sivan等[11]指出腸道微生物群可以解釋免疫檢查點抑制劑在臨床反應中呈現(xiàn)異質(zhì)性的原因。其應用小鼠黑素瘤模型進行研究發(fā)現(xiàn),不同實驗室小鼠腫瘤的生長速度不同,與Taconic實驗室小鼠相比,Jackson實驗室(JAX)小鼠的腫瘤生長速度更慢,抗PD-L1單克隆抗體的抗腫瘤效果也更顯著。這些小鼠有相同的遺傳背景,但它們的微生物組成不同。JAX供體糞便微生物群移植到Taconic實驗室小鼠后,其抗PD-L1單克隆抗體的抗腫瘤效果增強。雙歧桿菌在此過程中的作用被認為是至關重要的,單獨喂養(yǎng)雙歧桿菌可以通過激活樹突狀細胞來增強抗PD-L1的效力,而樹突狀細胞能夠激活CD8+T細胞,清除腫瘤細胞[11]。

Routy等[12]研究揭示了一個有趣的現(xiàn)象,在抗PD-1治療前或治療后不久服用抗生素的患者,其復發(fā)時間較未服用抗生素者早,且生存期較未服用抗生素者短,未服用抗生素者對抗PD-1治療的反應較好。該研究對歐洲和美國100例接受抗PD-1單克隆抗體治療的肺癌和腎癌患者的腸道菌群組成進行了分析,結(jié)果顯示,與抗PD-1無應答者(NR)相比,抗PD1應答者(R)艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)的豐度明顯更高[12]。為了確定腸道微生物群是否在抗PD-1反應中發(fā)揮關鍵作用,研究人員將患者糞便微生物群移植到抗生素處理小鼠或無菌小鼠體內(nèi),結(jié)果示這些小鼠獲得了同樣的免疫檢查點阻斷(ICB)反應能力。NR患者糞便微生物組不能復制小鼠對抗PD-1的應答能力,但單獨艾克曼菌灌胃或與海氏腸球菌聯(lián)合灌胃可逆轉(zhuǎn)小鼠的無應答[12]。艾克曼菌可增加白細胞介素(IL)-12的分泌,增加CD4+T細胞數(shù)目,提高腫瘤床、腫瘤引流淋巴結(jié)、腸系膜淋巴結(jié)中趨化因子受體CCR9的表達水平,輔助抗PD-1應答。研究表明,二甲雙胍可提高腸道黏膜艾克曼菌的豐度[13],提示二甲雙胍可用于提高腫瘤患者對免疫檢查點抑制劑的敏感性。

Gopalakrishnan等[14]對在美國德州大學MD安德森癌癥中心接受抗PD-1治療的25例黑色素瘤患者進行16S rRNA基因測序,研究發(fā)現(xiàn)R患者體內(nèi)富含糞桿菌屬(Faecalibacterium),糞桿菌屬與患者無進展生存呈顯著正相關,擬桿菌目(Bacteroidales)則增加患者的復發(fā)風險。在治療基線,糞桿菌屬豐度較高的患者已有抗腫瘤免疫應答,且腫瘤床浸潤CD8+T細胞數(shù)量較高。這個結(jié)果可以在小鼠模型中得到復制。在一個類似的研究中,Matson等[15]分析了38例接受抗PD1治療的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的糞便樣本,發(fā)現(xiàn)長雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)、屎腸球菌(Enterococcusfaecium)和產(chǎn)氣柯林斯菌(Collinsellaaerofaciens)有助于改善患者預后。

腸道微生物群可調(diào)節(jié)ICB(PD-1/PD-L1)的應答反應,其中雙歧桿菌、艾克曼菌和糞桿菌屬在PD-1的免疫治療中發(fā)揮免疫佐劑的作用。免疫治療前或免疫治療后不久給予抗生素治療,ICB療效降低。這一發(fā)現(xiàn)為抗生素在臨床中的應用提供了新的見解和思路。未來有可能開發(fā)一種針對微生物群的新療法來改善癌癥治療的效果。

1.3 微生物群調(diào)節(jié)免疫檢查點抑制劑(CTLA-4)療效 Vétizou等[8]研究發(fā)現(xiàn)患者在接受抗CTLA-4治療后,腸道微生物群的組成發(fā)生了快速變化,擬桿菌目和伯克氏菌目(Burkholderiales)的豐度下降,而梭菌目(Clostridiales)的豐度升高。無菌小鼠對抗CTLA-4免疫治療低應答,但口服多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)或脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)均可恢復其對抗CTLA-4的治療應答。研究表明,在腫瘤引流淋巴結(jié)中,多形擬桿菌和脆弱擬桿菌能夠觸發(fā)樹突狀細胞成熟,調(diào)節(jié)IL-12依賴性的Th1反應[16]。雖然CTLA-4的單克隆抗體是有效的,但伊匹單抗(ipilimumab)可引起亞臨床結(jié)腸炎。宿主穩(wěn)態(tài)、免疫反應和微生物群等多種因素可導致此不良反應。接受抗CTLA-4治療的新發(fā)免疫介導結(jié)腸炎患者中擬桿菌門的豐度明顯低于接受抗CTLA-4治療的無結(jié)腸炎患者[17]。小鼠口服多形擬桿菌和脆弱擬桿菌可恢復抗CTLA-4的應答,顯著降低免疫介導的結(jié)腸炎的發(fā)生率。此外,Dubin等[17]研究發(fā)現(xiàn),擬桿菌門(Bacteroidetesphylum)對伊匹單抗相關性結(jié)腸炎具有保護作用。

抗生素的應用在腫瘤的免疫治療中發(fā)揮著重要作用,甚至可通過改變腸道微生物群的組成來影響免疫制劑的療效。Pitt等[18]探討了微生物群與抗CTLA-4治療效果的關系。研究發(fā)現(xiàn),伊匹單抗對無菌小鼠的治療效果在很大程度上取決于腸道菌群,如治療后CD4+T細胞的活化。同時,研究發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌還能降低伊匹單抗相關不良反應的發(fā)生率[18]。以上結(jié)果提示脆弱擬桿菌可用于調(diào)節(jié)抗CTLA-4的治療效果。

合成的CpG寡核苷酸(CpG-ON)是免疫細胞上Toll樣受體9(TLR9)的配體,可增強機體對癌細胞的免疫應答,具有抗腫瘤作用。當患者接種IL-10R抗體以防止腫瘤浸潤Treg細胞的免疫抑制作用時,CpG的作用增強[19-20]。在微生物消除小鼠中,CpG-ODNs和抗IL-10R治療皮下腫瘤的效果很差,腫瘤浸潤骨髓細胞不能產(chǎn)生促炎細胞因子。缺乏微生物的小鼠也無有效的抗腫瘤適應性免疫,可出現(xiàn)強烈的TNF依賴性出血性壞死。在小鼠行抗生素干預后，Alistipes shahii的再殖化誘導小鼠骨髓細胞在缺乏微生物的小鼠中再次產(chǎn)生TNF，但乳酸桿菌(Lfermentum)移植常常會影響常規(guī)飼養(yǎng)小鼠TNF的生成[21]。以上結(jié)果提示盡管完全消除腸道微生物群會破壞骨髓細胞對CpG-ODNs的應答反應,但移植不同種類的細菌可產(chǎn)生不同的作用效果。

2 腸道微生物群與化療

化療可以改變患者腸道微生物群的組成,但其變化對患者預后的影響尚不明確。根據(jù)以往的研究,各種常規(guī)化療藥物的療效可能會受到某些特定微生物群的影響[21-22]。目前,藥物和生物技術行業(yè)的目標是在臨床實踐中提高化療和免疫治療的效率,并降低其毒性。在不久的將來,微生物藥物靶點有可能減輕化療藥物對胃腸道的不良影響。

環(huán)磷酰胺(CP)是一種常用的化療烷化劑。由于腸道屏障的破壞和小腸絨毛高度的降低,環(huán)磷酰胺可誘導腫瘤向次級淋巴器官轉(zhuǎn)移。Viaud等[22]發(fā)現(xiàn)環(huán)磷酰胺對無菌小鼠或抗生素處理小鼠的抗腫瘤作用減弱。特異性革蘭陽性菌(海氏腸球菌、約氏乳桿菌、鼠乳桿菌和節(jié)絲桿菌)被認為是調(diào)控環(huán)磷酰胺在非轉(zhuǎn)移性肉瘤小鼠模型中抗腫瘤療效的關鍵。海氏腸球菌易位已被證明可提高腫瘤內(nèi)CD8/Treg比值[21]。另有研究發(fā)現(xiàn)革蘭陰性的腸道巴恩斯氏菌(Barnesiellaintestinihominis)可改善腫瘤病灶中產(chǎn)生干擾素c的T細胞浸潤,增強環(huán)磷酰胺的抗腫瘤作用。有趣的是,此研究預測若晚期卵巢癌和肺癌患者對腸道巴恩斯氏菌和海氏腸球菌有特定的Th1細胞記憶反應,則其無進展生存期更長[23]。未來有待研究尋找一種最佳的微生物組合,包括腸球菌和巴恩斯氏菌等,可與環(huán)磷酰胺和其他烷化劑協(xié)同使用,以提高化療的療效。

3 臨床研究與應用

目前一些臨床試驗正在進行中。山東大學開展化療后肺癌腸道菌群研究,探討益生菌如何調(diào)節(jié)需要化療的肺癌患者腸道菌群及免疫狀態(tài)[24]。與此同時,阿肯色大學開展了一項名為“腸道微生物組和胃腸道毒性作為晚期乳腺癌新輔助化療反應的決定因素”的項目[24]。這項研究的目的是探討正常的腸道細菌是否有助于身體對抗癌癥。雖然大量研究表明益生菌輔助癌癥治療是有效的,但有關其安全性的證據(jù)仍然不足,尤其是在免疫功能低下的患者中[24]。

4 前景

總的來說,腸道微生物群在腫瘤治療中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用,包括增強患者對免疫治療的敏感性,減少化療藥物的不良反應,減輕放療損傷等。然而,其他黏膜屏障微生物對人體的影響尚不明確?，F(xiàn)有研究已經(jīng)揭示了腸道微生物群在局部水平上影響癌變、炎癥、免疫和治療反應的機制。然而,遠端上皮屏障上的微生物如何調(diào)節(jié)腫瘤的發(fā)生、免疫及多種器官生理功能的具體機制尚不明確。目前關于微生物群如何調(diào)節(jié)癌癥治療的研究多是針對小鼠,如何將這些學術發(fā)現(xiàn)應用于臨床仍然是一個挑戰(zhàn)。雖然植入人體微生物群的小鼠的病理和免疫反應與人類相似,但畢竟與人類還是存在不同點[25]。未來若能確定各種臨床條件下最有益的微生物群組成,就有可能將微生物群組成用作生物標志物、診斷工具或治療靶點,開發(fā)一種既能增強抗癌治療效果,又能降低全身毒性的微生物療法。因此,以微生物群為靶點的治療干預將成為癌癥精準、個性化治療的下一個前沿領域之一。