1 前言

2 腸道微生物群失調(diào)與癌癥發(fā)展

  2.1新興角色:腸道微生物群和免疫療法

  2.2腸道微生物群和化療

  2.3腸道微生物群和其他常規(guī)癌癥治療引起的毒性效應(yīng)

3 臨床試驗(yàn)中的癌癥微生物組

4 展望

人類(lèi)微生物群是細(xì)菌、古菌、真菌和病毒的大集合，它們?cè)趥€(gè)體之間表現(xiàn)出巨大的種群內(nèi)變異。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為腸道微生物群的作用主要局限于幫助食物消化和營(yíng)養(yǎng)獲取。然而，隨著新的分子技術(shù)的出現(xiàn)(如16S核糖體RNA[rRNA]測(cè)序、DNA測(cè)序和宏基因組學(xué))和無(wú)菌小鼠的使用，腸道微生物群在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)中的更大作用得以揭示。首先，微生物組通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)、短鏈脂肪酸(SCFAs)、氨基酸和次級(jí)膽汁酸的產(chǎn)生或轉(zhuǎn)化，對(duì)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝物水平的平衡做出了重大貢獻(xiàn)，這些物質(zhì)可以被宿主吸收或重吸收，然后進(jìn)入循環(huán)。此外，微生物群在免疫系統(tǒng)的訓(xùn)練和發(fā)展中起著重要的作用。例如，某些共生細(xì)菌能夠誘導(dǎo)不同的免疫細(xì)胞群極化并發(fā)揮促炎或抗炎作用，其中一些最終導(dǎo)致免疫抑制。因此，越來(lái)越需要將微生物群在癌癥發(fā)展、診斷和治療中的重要性與背景聯(lián)系起來(lái)。

當(dāng)腸道中細(xì)菌的微妙平衡被破壞時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致微生物群的多樣性降低、穩(wěn)定性降低且通常更具致病性，從而通過(guò)對(duì)宿主代謝或宿主免疫反應(yīng)和功能產(chǎn)生負(fù)面影響而導(dǎo)致各種疾病病理。值得注意的是，腸道微生物群失調(diào)越來(lái)越多地與腫瘤的發(fā)生相關(guān)(圖1)。雖然相關(guān)研究占目前癌癥微生物組研究的很大一部分，但致病作用已通過(guò)來(lái)自幽門(mén)螺桿菌(Helicobacter pylori)的新證據(jù)得到強(qiáng)有力支持。幽門(mén)螺桿菌感染與隨后誘發(fā)的胃炎的發(fā)展密切相關(guān)，被認(rèn)為是癌癥的前兆。在胃上皮細(xì)胞中，幽門(mén)螺桿菌誘導(dǎo)腫瘤抑制蛋白p53降解，進(jìn)而導(dǎo)致胃癌的形成。此外，來(lái)自幽門(mén)螺桿菌的CagA蛋白與上皮E-鈣粘蛋白相互作用，促進(jìn)細(xì)胞增殖，增加致癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化的可能性。值得注意的是，幽門(mén)螺桿菌最近被列為I類(lèi)致癌物。

幽門(mén)螺桿菌，現(xiàn)在已知幾種其他幾種細(xì)菌發(fā)揮致癌作用。細(xì)菌病原體釋放的毒素，如來(lái)自大腸桿菌的大腸桿菌毒素和細(xì)胞致死膨脹毒素，具有DNA酶活性，有助于基因組不穩(wěn)定性，最終可能導(dǎo)致腫瘤的形成和進(jìn)展。另外，致病菌如福氏志賀菌(Shigella flexneri)和脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)分別通過(guò)宿主DNA損傷反應(yīng)干擾或通過(guò)精胺氧化酶活性產(chǎn)生氧化應(yīng)激，導(dǎo)致DNA損傷和基因組變異的積累。此外，某些物種甚至可以通過(guò)抑制宿主的抗腫瘤免疫反應(yīng)來(lái)協(xié)助癌癥的發(fā)生；在具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)的案例中，宿主自然殺傷(NK)細(xì)胞通過(guò)細(xì)菌毒力因子Fap2受到抑制，F(xiàn)ap2抑制了NK細(xì)胞攻擊腫瘤細(xì)胞的能力。

以程序性細(xì)胞死亡蛋白1(PD-1)和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4(CTLA-4)為靶點(diǎn)，使用免疫檢查點(diǎn)阻斷(ICB)療法治療各種癌癥已取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。然而，盡管前景看好，但這些新的ICB策略在個(gè)體間有相當(dāng)大的差異，而且對(duì)腫瘤治療的效果在不同腫瘤類(lèi)型之間并不一致。因此，迫切需要一種預(yù)測(cè)反應(yīng)的生物標(biāo)志物，并更好地理解為什么存在這種異質(zhì)性，以提高治療效果和擴(kuò)大反應(yīng)人群。

有趣的是，一些研究已經(jīng)注意到ICB治療反應(yīng)者和無(wú)反應(yīng)者的糞便樣本中微生物多樣性和組成的重要差異，這表明臨床反應(yīng)的差異可能歸因于腸道微生物群。例如，一項(xiàng)臨床研究指出，給藥糞桿菌(Faecalibacterium)與無(wú)進(jìn)展生存率顯著正相關(guān)；糞桿菌豐度較高的患者腫瘤床中細(xì)胞毒性CD8 T細(xì)胞浸潤(rùn)程度較高，以及其他先前存在的抗腫瘤免疫反應(yīng)。雖然相關(guān)性和因果關(guān)系的分離尚不清楚，但I(xiàn)CB治療在無(wú)菌和抗生素治療小鼠中的成功率明顯較低，這削弱了PD-1阻斷治療的療效和上皮性癌患者的總體生存時(shí)間。此外，已發(fā)現(xiàn)用某些細(xì)菌類(lèi)群操縱無(wú)菌小鼠和移植反應(yīng)者的糞便材料可增強(qiáng)對(duì)ICB的治療反應(yīng)。

雖然進(jìn)展緩慢，但新的研究正在出現(xiàn)，這些研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明微生物組調(diào)節(jié)在減弱ICB治療中的療效(圖2)。已知某些活細(xì)菌物種或益生菌在癌癥治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括影響抗炎細(xì)胞因子水平、檢測(cè)和降解潛在致癌物、激活吞噬細(xì)胞以消除早期癌細(xì)胞，以及產(chǎn)生影響細(xì)胞死亡和增殖的SCFAs。特別是雙歧桿菌(Bifidobacterium)和乳桿菌(Lactobacillus)，它們與降低癌癥發(fā)病率有關(guān)，而且由于它們?cè)诿庖哒{(diào)節(jié)中的已知作用，也被認(rèn)為能帶來(lái)其他健康益處。一項(xiàng)在無(wú)菌小鼠中進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和脆弱擬桿菌通過(guò)提高IL-12依賴(lài)性Th1免疫反應(yīng)來(lái)增強(qiáng)CTLA-4阻斷治療的療效。雙歧桿菌給藥也被證明通過(guò)刺激細(xì)胞毒性CD8 T細(xì)胞、誘導(dǎo)樹(shù)突狀細(xì)胞成熟、招募其他免疫細(xì)胞和激活I(lǐng)型干擾素(IFN)信號(hào)傳導(dǎo)，從而發(fā)揮抗腫瘤作用。最后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，口服給藥鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)GG可增強(qiáng)PD-1免疫療法的抗腫瘤活性，還可通過(guò)誘導(dǎo)樹(shù)突狀細(xì)胞產(chǎn)生I型IFN，并使腸道成分轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓罄钐侨闂U菌(Lactobacillus murinus)和單形擬桿菌(Bacteroides uniformis)，這2種眾所周知的菌種可增加腫瘤浸潤(rùn)性樹(shù)突狀細(xì)胞和T細(xì)胞。重要的是，該研究還從機(jī)制上描述了鼠李糖乳桿菌GG如何通過(guò)模擬cGAS/STING/TBK1/IFN-regulatory-factor-7依賴(lài)性信號(hào)通路觸發(fā)樹(shù)突狀細(xì)胞中IFN生成。

通過(guò)抗生素藥物和噬菌體靶向腸道種群也引起了免疫療法的額外關(guān)注。例如，萬(wàn)古霉素可以通過(guò)減少有害的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌而增強(qiáng)CTLA-4阻斷治療的療效，同時(shí)不影響革蘭氏陰性菌伯克霍爾德氏菌(Burkholderiales)和擬桿菌(Bacteroidales)。然而，由于對(duì)相似類(lèi)型的細(xì)菌菌株的靶向不精確，在某些情況下，抗生素藥物通過(guò)減少細(xì)菌多樣性可能弊大于利。例如，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合使用抗生素和免疫療法會(huì)導(dǎo)致癌癥患者的無(wú)進(jìn)展生存期和總生存期縮短。因此，可以設(shè)計(jì)噬菌體來(lái)代替抗生素，專(zhuān)門(mén)針對(duì)有害的病原菌。例如，一項(xiàng)研究確定了生物無(wú)機(jī)雜合噬菌體對(duì)腫瘤微環(huán)境的抗結(jié)直腸癌修飾，該噬菌體靶向并殺死具核梭桿菌，已知其可增加腫瘤微環(huán)境中的免疫抑制性骨髓源性抑制細(xì)胞。具核梭桿菌結(jié)合M13噬菌體與銀納米顆粒的組合具有卓越的抗菌特性，當(dāng)與檢查點(diǎn)抑制劑或化學(xué)療法聯(lián)合使用時(shí)，可顯著減少小鼠模型中骨髓源性抑制細(xì)胞并顯著延長(zhǎng)總體生存時(shí)間。

至關(guān)重要的是，要考慮癌癥治療如何相互影響微生物組，導(dǎo)致一系列并發(fā)癥；因此，了解治療時(shí)微生物組的組成對(duì)于預(yù)測(cè)和尋找治療后并發(fā)癥的對(duì)策具有重要意義。最早支持腸道微生物群對(duì)癌癥治療反應(yīng)和毒性影響的證據(jù)之一是用于血液癌癥的異基因造血干細(xì)胞移植(HSCT)。臨床研究表明，與微生物多樣性較高的患者相比，HSCT期間和之后的生態(tài)失調(diào)和微生物多樣性喪失與總生存期縮短和移植相關(guān)死亡率較高相關(guān)。對(duì)HSCT反應(yīng)者和幸存者的進(jìn)一步臨床研究將較高豐度的Blautia與提高生存率聯(lián)系起來(lái)，而較高豐度的粘液真桿菌(Eubacterium limosum)與降低復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系起來(lái)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Blautia與移植物抗宿主病致死率降低有關(guān)，這是HSCT的一種嚴(yán)重不良反應(yīng)，其特征是微生物多樣性的喪失，特別是促進(jìn)健康的專(zhuān)性厭氧菌的喪失(如乳桿菌和Blautia)，并因艱難梭菌(Clostridioides difficile)等致病菌株的定植而加劇。重要的是，來(lái)自健康供體的糞便微生物群移植(FMT)可能是補(bǔ)償與細(xì)菌多樣性喪失和致病菌增加相關(guān)的不利影響的有效方法。事實(shí)上，在一項(xiàng)異基因HSCT受體移植后并發(fā)癥的臨床試驗(yàn)中，來(lái)自健康供體的FMT恢復(fù)了微生物多樣性，顯著降低了腹瀉頻率和腹瀉量，完全緩解了腹痛綜合征，并根除了包括艱難梭菌感染在內(nèi)的致病雜質(zhì)。然而，必須指出的是，F(xiàn)MT治療非消化系統(tǒng)癌癥的研究仍處于起步階段，并且在用于FMT的健康供體中，微生物多樣性存在巨大的異質(zhì)性，因此由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化而限制了治療的使用。

眾所周知，電離輻射治療是另一種雙刃癌癥療法，它會(huì)引起輻射誘發(fā)的旁觀者效應(yīng)和基因組不穩(wěn)定性。盡管對(duì)腸道微生物群如何影響放射敏感性的認(rèn)識(shí)還非常缺乏，但近年來(lái)一些臨床轉(zhuǎn)化信息已被闡明。例如，一些研究已經(jīng)證明了包括鼠李糖乳桿菌GG和VSL#3制劑(由鏈球菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌組成)在內(nèi)的益生菌如何保護(hù)腸道黏膜免受放射治療引起的毒性作用。此外，對(duì)于接受放療和化療的頭頸部癌癥患者，聯(lián)合口服短乳桿菌(Lactobacillus brevis)CD2含片可提高治療療效并降低治療誘發(fā)的黏膜炎的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，一項(xiàng)獨(dú)立的臨床前研究表明，使用抗生素萬(wàn)古霉素可增強(qiáng)放療的抗腫瘤活性并阻止腫瘤生長(zhǎng)。有趣的是，同一研究指出，隨后施用丁酸鹽(一種萬(wàn)古霉素敏感細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物)可逆轉(zhuǎn)抗腫瘤作用，從而加強(qiáng)了在未來(lái)研究中尋找共同功能輸出和產(chǎn)生的代謝物的重要性。

最后，眾所周知，癌癥手術(shù)或手術(shù)切除會(huì)有許多術(shù)后并發(fā)癥。以結(jié)直腸癌為例，很大一部分患者經(jīng)常經(jīng)歷手術(shù)部位感染(SSIs)或吻合口瘺(AL)。值得注意的是，一些關(guān)鍵的圍手術(shù)期干預(yù)措施(包括抗菌治療和機(jī)械腸道準(zhǔn)備)旨在最大限度地降低手術(shù)期間糞便污染的風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了微生物多樣性，從而引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題，即腸道多樣性或組成是否可能與術(shù)后并發(fā)癥有關(guān)。事實(shí)上，SSIs和ALs與較低的微生物群生物多樣性有關(guān)；一項(xiàng)轉(zhuǎn)化研究表明，由60%或更多的粘蛋白降解微生物科(毛螺菌科Lachnospiraceae和擬桿菌科Bacteroidaceae)組成的腸道微生物組是AL的預(yù)測(cè)指標(biāo)。同時(shí)，一項(xiàng)臨床前研究表明，在結(jié)直腸吻合術(shù)后，兩種產(chǎn)生膠原酶的細(xì)菌(粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratia marcescens)和銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa))的定植可誘導(dǎo)小鼠發(fā)生AL。然而，口服局部磷酸鹽(已知可控制細(xì)菌毒力)可顯著降低粘質(zhì)沙雷氏菌和銅綠假單胞菌在吻合口組織中的定植和膠原酶活性，從而防止吻合口膿腫的形成和滲漏。此外，益生菌也越來(lái)越多地影響術(shù)后結(jié)果。例如，植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)已被證明通過(guò)促進(jìn)催產(chǎn)素的分泌來(lái)促進(jìn)傷口愈合，催產(chǎn)素調(diào)節(jié)腸-腦-皮膚軸，并防止通常與SSIs發(fā)生相關(guān)的病原體在手術(shù)部位定植。

總體而言，這些研究結(jié)果支持利用腸道微生物群來(lái)減少HSCT、放療和癌癥手術(shù)治療引起的毒性的副作用的潛力。由于目前大部分信息來(lái)自結(jié)直腸癌，未來(lái)的研究應(yīng)該致力于更好地描述可轉(zhuǎn)化的微生物群靶向策略如何在眾多癌癥類(lèi)型中糾正治療后的毒性作用或并發(fā)癥。

然而，仍然有許多限制和知識(shí)空白需要通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)解決。例如，在鑒定微生物組組成時(shí)，分析方法存在相當(dāng)大的差異。一些研究可能對(duì)糞便使用16S rRNA測(cè)序，而其他研究則檢查膽汁或唾液；因此，很難在研究中達(dá)成共識(shí)，因?yàn)椴煌瑯颖绢?lèi)型的細(xì)菌組成可能不同。此外，特別是在將16S rRNA測(cè)序作為細(xì)菌菌株分類(lèi)鑒定的實(shí)際方法時(shí)，根據(jù)測(cè)量的可變區(qū)域(V1-9)的不同，分辨率存在差異。

一項(xiàng)詳細(xì)的比較研究檢查了V2-V3和V3-V4 16S rRNA區(qū)域之間的分辨率差異，例如，V2到V3的分析對(duì)較低水平類(lèi)群(種和屬)具有顯著更高的分辨率，這說(shuō)明所選擇的分析區(qū)域?qū)Ψ治鼋忉尩木群蜏?zhǔn)確性有相當(dāng)大的作用。此外，考慮到不同健康個(gè)體之間的細(xì)菌菌株存在很大差異，且對(duì)許多腸道微生物的功能了解不足，對(duì)“理想”菌群的組成知之甚少，因此在癌癥患者中使用任何益生菌時(shí)必須謹(jǐn)慎。此外，即使在臨床前模型中顯示出療效，這些發(fā)現(xiàn)也不一定能轉(zhuǎn)化為對(duì)人體的療效。例如，在臨床試驗(yàn)中，HSCT后給藥鼠李糖鼠乳桿菌GG益生菌并沒(méi)有顯著改變腸道微生物組；此外，與對(duì)照組相比，益生菌組發(fā)生移植物抗宿主病的患者明顯更多。隨著對(duì)每一種細(xì)菌菌株的了解不斷提高，使用益生菌作為載體給藥的影響和相關(guān)性也將提高。

需要進(jìn)一步指出的是，盡管過(guò)去幾十年癌癥治療在免疫治療、化療、放療和手術(shù)方面均取得了進(jìn)展，但大多數(shù)對(duì)一些更具挑戰(zhàn)性的原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤仍然無(wú)效。因此，需要考慮對(duì)此類(lèi)癌癥有效的替代療法。例如，飲食調(diào)節(jié)可以顯著改變腸道組成，具有重塑治療范式的顯著潛力。腫瘤，包括來(lái)自大腦的腫瘤，通常高度依賴(lài)葡萄糖和谷氨酰胺等燃料來(lái)源?？紤]到這一點(diǎn)，最近的研究將限制熱量的生酮飲食與谷氨酰胺拮抗劑6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸相結(jié)合，通過(guò)生酮飲食降低葡萄糖水平和6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸靶向谷氨酰胺分解對(duì)2種燃料源進(jìn)行治療性管理，從而抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)并促進(jìn)總體存活(不產(chǎn)生毒性)，證明了對(duì)晚期膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)的有效治療。此外，該研究指出，除了治療性殺死腫瘤細(xì)胞外，疾病癥狀也得到了逆轉(zhuǎn)，水腫、出血和炎癥的發(fā)病率降低。生酮飲食在癌癥患者中的應(yīng)用總體上顯示出巨大的潛力，有助于以較低的劑量將無(wú)毒藥物輸送到腫瘤部位以達(dá)到治療效果，靶向與癌癥發(fā)展相關(guān)的多種途徑，并重塑腸道組成。

鑒于微生物組可能在腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此應(yīng)進(jìn)一步探索將生物免疫和基于細(xì)胞的癌癥療法與腫瘤切除手術(shù)相結(jié)合的整體方法，因?yàn)榘┌Y的治愈可能不是單一療法，而是多種療法的結(jié)合。我們之前已經(jīng)表明，顱內(nèi)GBM腫瘤的細(xì)胞減滅手術(shù)增加了腫瘤部位效應(yīng)T細(xì)胞的流行率，顯著提高了靶向性現(xiàn)場(chǎng)遞送膠囊化基因工程干細(xì)胞的治療效果。最近，我們展示了精氨酸剝奪如何將膠質(zhì)瘤相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞的極性改變?yōu)榇傺妆硇?，與放射治療協(xié)同根除非精氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型GBM腫瘤。我們推測(cè)，腸道微生物群參與精氨酸剝奪框架，這一猜想得到了腸道微生物群和精氨酸代謝之間雙向影響的新證據(jù)的支持。因此，仍有許多令人興奮的可能性有待探索。例如，細(xì)胞減滅術(shù)和免疫治療結(jié)合健康飲食(如生酮飲食)、益生菌和代謝物/氨基酸改變治療(如精氨酸剝奪)能否產(chǎn)生更好和更全面的抗腫瘤作用?雖然這些協(xié)同療法的結(jié)果目前還不清楚，但研究已經(jīng)在進(jìn)行中，以開(kāi)發(fā)和確定新的治療范式，同時(shí)促進(jìn)對(duì)腫瘤(包括腦部腫瘤)的有效抗腫瘤作用，在降低系統(tǒng)毒性的同時(shí)，有效控制這些普遍致命的惡性腫瘤。