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

3 臨床試驗中的癌癥微生物組

4 展望

人類微生物群是細菌、古菌、真菌和病毒的大集合，它們在個體之間表現(xiàn)出巨大的種群內(nèi)變異。長期以來，人們認為腸道微生物群的作用主要局限于幫助食物消化和營養(yǎng)獲取。然而，隨著新的分子技術的出現(xiàn)(如16S核糖體RNA[rRNA]測序、DNA測序和宏基因組學)和無菌小鼠的使用，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，微生物組通過神經(jīng)遞質(zhì)、短鏈脂肪酸(SCFAs)、氨基酸和次級膽汁酸的產(chǎn)生或轉(zhuǎn)化，對循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物水平的平衡做出了重大貢獻，這些物質(zhì)可以被宿主吸收或重吸收，然后進入循環(huán)。此外，微生物群在免疫系統(tǒng)的訓練和發(fā)展中起著重要的作用。例如，某些共生細菌能夠誘導不同的免疫細胞群極化并發(fā)揮促炎或抗炎作用，其中一些最終導致免疫抑制。因此，越來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。

當腸道中細菌的微妙平衡被破壞時，就會導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，從而通過對宿主代謝或宿主免疫反應和功能產(chǎn)生負面影響而導致各種疾病病理。值得注意的是，腸道微生物群失調(diào)越來越多地與腫瘤的發(fā)生相關(圖1)。雖然相關研究占目前癌癥微生物組研究的很大一部分，但致病作用已通過來自幽門螺桿菌(Helicobacter pylori)的新證據(jù)得到強有力支持。幽門螺桿菌感染與隨后誘發(fā)的胃炎的發(fā)展密切相關，被認為是癌癥的前兆。在胃上皮細胞中，幽門螺桿菌誘導腫瘤抑制蛋白p53降解，進而導致胃癌的形成。此外，來自幽門螺桿菌的CagA蛋白與上皮E-鈣粘蛋白相互作用，促進細胞增殖，增加致癌細胞轉(zhuǎn)化的可能性。值得注意的是，幽門螺桿菌最近被列為I類致癌物。

幽門螺桿菌，現(xiàn)在已知幾種其他幾種細菌發(fā)揮致癌作用。細菌病原體釋放的毒素，如來自大腸桿菌的大腸桿菌毒素和細胞致死膨脹毒素，具有DNA酶活性，有助于基因組不穩(wěn)定性，最終可能導致腫瘤的形成和進展。另外，致病菌如福氏志賀菌(Shigella flexneri)和脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)分別通過宿主DNA損傷反應干擾或通過精胺氧化酶活性產(chǎn)生氧化應激，導致DNA損傷和基因組變異的積累。此外，某些物種甚至可以通過抑制宿主的抗腫瘤免疫反應來協(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)細胞通過細菌毒力因子Fap2受到抑制，F(xiàn)ap2抑制了NK細胞攻擊腫瘤細胞的能力。

以程序性細胞死亡蛋白1(PD-1)和細胞毒性T淋巴細胞相關抗原4(CTLA-4)為靶點，使用免疫檢查點阻斷(ICB)療法治療各種癌癥已取得了相當大的進展。然而，盡管前景看好，但這些新的ICB策略在個體間有相當大的差異，而且對腫瘤治療的效果在不同腫瘤類型之間并不一致。因此，迫切需要一種預測反應的生物標志物，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大反應人群。

有趣的是，一些研究已經(jīng)注意到ICB治療反應者和無反應者的糞便樣本中微生物多樣性和組成的重要差異，這表明臨床反應的差異可能歸因于腸道微生物群。例如，一項臨床研究指出，給藥糞桿菌(Faecalibacterium)與無進展生存率顯著正相關；糞桿菌豐度較高的患者腫瘤床中細胞毒性CD8 T細胞浸潤程度較高，以及其他先前存在的抗腫瘤免疫反應。雖然相關性和因果關系的分離尚不清楚，但ICB治療在無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間。此外，已發(fā)現(xiàn)用某些細菌類群操縱無菌小鼠和移植反應者的糞便材料可增強對ICB的治療反應。

雖然進展緩慢，但新的研究正在出現(xiàn)，這些研究通過實驗證明微生物組調(diào)節(jié)在減弱ICB治療中的療效(圖2)。已知某些活細菌物種或益生菌在癌癥治療中發(fā)揮關鍵作用，包括影響抗炎細胞因子水平、檢測和降解潛在致癌物、激活吞噬細胞以消除早期癌細胞，以及產(chǎn)生影響細胞死亡和增殖的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，而且由于它們在免疫調(diào)節(jié)中的已知作用，也被認為能帶來其他健康益處。一項在無菌小鼠中進行的研究發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和脆弱擬桿菌通過提高IL-12依賴性Th1免疫反應來增強CTLA-4阻斷治療的療效。雙歧桿菌給藥也被證明通過刺激細胞毒性CD8 T細胞、誘導樹突狀細胞成熟、招募其他免疫細胞和激活I型干擾素(IFN)信號傳導，從而發(fā)揮抗腫瘤作用。最后，實驗發(fā)現(xiàn)，口服給藥鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)GG可增強PD-1免疫療法的抗腫瘤活性，還可通過誘導樹突狀細胞產(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性樹突狀細胞和T細胞。重要的是，該研究還從機制上描述了鼠李糖乳桿菌GG如何通過模擬cGAS/STING/TBK1/IFN-regulatory-factor-7依賴性信號通路觸發(fā)樹突狀細胞中IFN生成。

通過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注。例如，萬古霉素可以通過減少有害的革蘭氏陽性細菌而增強CTLA-4阻斷治療的療效，同時不影響革蘭氏陰性菌伯克霍爾德氏菌(Burkholderiales)和擬桿菌(Bacteroidales)。然而，由于對相似類型的細菌菌株的靶向不精確，在某些情況下，抗生素藥物通過減少細菌多樣性可能弊大于利。例如，一項研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合使用抗生素和免疫療法會導致癌癥患者的無進展生存期和總生存期縮短。因此，可以設計噬菌體來代替抗生素，專門針對有害的病原菌。例如，一項研究確定了生物無機雜合噬菌體對腫瘤微環(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，當與檢查點抑制劑或化學療法聯(lián)合使用時，可顯著減少小鼠模型中骨髓源性抑制細胞并顯著延長總體生存時間。

至關重要的是，要考慮癌癥治療如何相互影響微生物組，導致一系列并發(fā)癥；因此，了解治療時微生物組的組成對于預測和尋找治療后并發(fā)癥的對策具有重要意義。最早支持腸道微生物群對癌癥治療反應和毒性影響的證據(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死亡率較高相關。對HSCT反應者和幸存者的進一步臨床研究將較高豐度的Blautia與提高生存率聯(lián)系起來，而較高豐度的粘液真桿菌(Eubacterium limosum)與降低復發(fā)風險聯(lián)系起來。進一步發(fā)現(xiàn)，Blautia與移植物抗宿主病致死率降低有關，這是HSCT的一種嚴重不良反應，其特征是微生物多樣性的喪失，特別是促進健康的專性厭氧菌的喪失(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，來自健康供體的糞便微生物群移植(FMT)可能是補償與細菌多樣性喪失和致病菌增加相關的不利影響的有效方法。事實上，在一項異基因HSCT受體移植后并發(fā)癥的臨床試驗中，來自健康供體的FMT恢復了微生物多樣性，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，因此由于缺乏標準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，它會引起輻射誘發(fā)的旁觀者效應和基因組不穩(wěn)定性。盡管對腸道微生物群如何影響放射敏感性的認識還非常缺乏，但近年來一些臨床轉(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)的益生菌如何保護腸道黏膜免受放射治療引起的毒性作用。此外，對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)的黏膜炎的風險。同時，一項獨立的臨床前研究表明，使用抗生素萬古霉素可增強放療的抗腫瘤活性并阻止腫瘤生長。有趣的是，同一研究指出，隨后施用丁酸鹽(一種萬古霉素敏感細菌產(chǎn)生的代謝物)可逆轉(zhuǎn)抗腫瘤作用，從而加強了在未來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，癌癥手術或手術切除會有許多術后并發(fā)癥。以結(jié)直腸癌為例，很大一部分患者經(jīng)常經(jīng)歷手術部位感染(SSIs)或吻合口瘺(AL)。值得注意的是，一些關鍵的圍手術期干預措施(包括抗菌治療和機械腸道準備)旨在最大限度地降低手術期間糞便污染的風險，大大降低了微生物多樣性，從而引發(fā)了一個問題，即腸道多樣性或組成是否可能與術后并發(fā)癥有關。事實上，SSIs和ALs與較低的微生物群生物多樣性有關；一項轉(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的預測指標。同時，一項臨床前研究表明，在結(jié)直腸吻合術后，兩種產(chǎn)生膠原酶的細菌(粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratia marcescens)和銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa))的定植可誘導小鼠發(fā)生AL。然而，口服局部磷酸鹽(已知可控制細菌毒力)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，益生菌也越來越多地影響術后結(jié)果。例如，植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)已被證明通過促進催產(chǎn)素的分泌來促進傷口愈合，催產(chǎn)素調(diào)節(jié)腸-腦-皮膚軸，并防止通常與SSIs發(fā)生相關的病原體在手術部位定植。

總體而言，這些研究結(jié)果支持利用腸道微生物群來減少HSCT、放療和癌癥手術治療引起的毒性的副作用的潛力。由于目前大部分信息來自結(jié)直腸癌，未來的研究應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空白需要通過進一步的研究來解決。例如，在鑒定微生物組組成時，分析方法存在相當大的差異。一些研究可能對糞便使用16S rRNA測序，而其他研究則檢查膽汁或唾液；因此，很難在研究中達成共識，因為不同樣本類型的細菌組成可能不同。此外，特別是在將16S rRNA測序作為細菌菌株分類鑒定的實際方法時，根據(jù)測量的可變區(qū)域(V1-9)的不同，分辨率存在差異。

一項詳細的比較研究檢查了V2-V3和V3-V4 16S rRNA區(qū)域之間的分辨率差異，例如，V2到V3的分析對較低水平類群(種和屬)具有顯著更高的分辨率，這說明所選擇的分析區(qū)域?qū)Ψ治鼋忉尩木群蜏蚀_性有相當大的作用。此外，考慮到不同健康個體之間的細菌菌株存在很大差異，且對許多腸道微生物的功能了解不足，對“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必須謹慎。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)化為對人體的療效。例如，在臨床試驗中，HSCT后給藥鼠李糖鼠乳桿菌GG益生菌并沒有顯著改變腸道微生物組；此外，與對照組相比，益生菌組發(fā)生移植物抗宿主病的患者明顯更多。隨著對每一種細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性也將提高。

需要進一步指出的是，盡管過去幾十年癌癥治療在免疫治療、化療、放療和手術方面均取得了進展，但大多數(shù)對一些更具挑戰(zhàn)性的原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤仍然無效。因此，需要考慮對此類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，包括來自大腦的腫瘤，通常高度依賴葡萄糖和谷氨酰胺等燃料來源?？紤]到這一點，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2種燃料源進行治療性管理，從而抑制腫瘤細胞生長并促進總體存活(不產(chǎn)生毒性)，證明了對晚期膠質(zhì)母細胞瘤(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用總體上顯示出巨大的潛力，有助于以較低的劑量將無毒藥物輸送到腫瘤部位以達到治療效果，靶向與癌癥發(fā)展相關的多種途徑，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)揮關鍵作用，因此應進一步探索將生物免疫和基于細胞的癌癥療法與腫瘤切除手術相結(jié)合的整體方法，因為癌癥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腫瘤的細胞減滅手術增加了腫瘤部位效應T細胞的流行率，顯著提高了靶向性現(xiàn)場遞送膠囊化基因工程干細胞的治療效果。最近，我們展示了精氨酸剝奪如何將膠質(zhì)瘤相關小膠質(zhì)細胞的極性改變?yōu)榇傺妆硇?，與放射治療協(xié)同根除非精氨酸營養(yǎng)缺陷型GBM腫瘤。我們推測，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，細胞減滅術和免疫治療結(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)在進行中，以開發(fā)和確定新的治療范式，同時促進對腫瘤(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，有效控制這些普遍致命的惡性腫瘤。