肠道微生物在肿瘤发生和治疗中的作用

王晨晨，聂勇战

0 引 言

人类肠道内定植着复杂的微生物群落，并与人类自身共同组成了一个超级生物体。肠道微生物包括1000多种细菌，编码的基因数量至少是人体自身基因的100倍［1］。肠道菌群结构非常复杂，功能也十分多样化。肠道菌群通过与人体和外界环境相互作用，影响人体的营养、免疫和代谢，与多个系统密切联系，可以调节骨密度、调节免疫系统发育、促进骨髓造血、抑制病原微生物，以及通过脑肠轴调控神经系统［2］。当菌群结构和功能发生改变，会导致多种疾病的发生或者增加患病风险。近年来肠道微生物在肿瘤发生发展，以及诊疗中所起的作用越来越受到重视。肠道微生物异常不仅可以促进肿瘤发生，而且还可影响放化学治疗（简称化疗）以及免疫治疗效果。肠道菌群和肿瘤的关系不容忽视，现重点讨论肠道菌群和肿瘤的发生发展和治疗相关的研究。

1 肠道微生物与肿瘤发生

癌症和微生物的之间的关系复杂，尽管人们普遍认为癌症是宿主遗传和环境因素导致的疾病，但数据显示，大约20%的恶性肿瘤与微生物有关。有研究发现，结直肠癌患者的粪便促进了小鼠肠道肿瘤的发生［3］。失衡的肠道微生物可以影响宿主体内的代谢、扰乱免疫系统功能、改变宿主细胞增殖和死亡的平衡［4］。通过受损肠道黏膜屏障进入组织的微生物，作为消化道肿瘤微环境的成分，影响肿瘤的生长和扩散［5］。近年来，对于肠道菌群促进肿瘤发生发展的机制得到了揭示。细菌产生细菌毒素破坏DNA，从而杀死竞争者，并得以在微生物群体中生存。但研究发现，这些细菌毒素可能引起人体正常细胞的基因突变，导致癌症。如B2组大肠埃希菌表达的PKS位点编码的colibactin毒素，产肠毒素脆弱拟杆菌产生的脆弱拟杆菌毒素（Bacteroides Fragilis Toxin，BFT）和蛋白菌产生的细胞膨胀毒素（cytolethal distending toxin，CDT）。colibactin和CDT均可引起哺乳动物细胞双链DNA损伤［6］，而BFT可激发高水平的活性氧（reactive oxygen species，ROS），进而破坏宿主DNA［7］。当DNA损伤程度超过宿主细胞的修复能力时，就会发生细胞死亡或致癌突变。

除了破坏DNA外，部分微生物具有参与宿主致癌途径的蛋白质。Wnt/β-catenin信号通路调节细胞的极性、生长和干细胞特性，在多种恶性肿瘤中被异常改变。研究发现，β-catenin信号通路是癌症相关微生物的常见作用靶点。幽门螺杆菌致癌菌株表达CagA蛋白、具核梭杆菌表达的一种细胞黏附组分FadA和产肠毒素脆弱拟杆菌分泌的BFT，结合宿主肠上皮细胞E-cadherin，调节Wnt/β-catenin信号通路，随着Wnt通路相关的转录因子、癌基因和炎症基因表达的增加，导致肠上皮细胞增殖、屏障破坏，促进黏膜炎症和癌症形成［8-10］。另一方面，黏膜屏障破坏后，宿主细胞通过模式识别受体识别微生物，例如Toll样受体，激活炎症反应，刺激免疫细胞释放TNF-α、IL-17、IL-21、IL-22等，进而激活NF-κB和STAT3通路，可促进细胞增殖和抑制细胞凋亡，促进肿瘤发生［11］。微生物代谢物也可促进炎症反应，并影响组织中细胞增殖和死亡的平衡［12］。代谢产物中丁酸盐可以激活G蛋白耦联受体109A（GPR109A），促进髓系细胞产生抗炎宿主反应，导致调节性T细胞（Treg细胞）生成［13］。

平衡的、“健康的”肠道微生态与正常的生理功能有关，但是肠道微生态紊乱时，上述提到的或至今未发现的菌属增殖，或者与之相抵抗的有益菌的丰度降低，紊乱的肠道微生物表现出促进肿瘤发生的效应。那么定期检测分析肠道微生物的组分和功能，可能成为预防种瘤的重要手段。

2 肠道微生物与肿瘤治疗

2.1 肠道微生物与化疗铂类抗肿瘤药物如奥沙利铂和顺铂通过与DNA形成铂-DNA链合物，导致DNA双链断裂，达到抗肿瘤效果。肠道微生物并不是药物穿透肿瘤细胞和形成铂-DNA链合物的必要条件，但是，在无菌小鼠或者抗生素处理的小鼠体内观察到铂类药物诱导的炎症基因的表达水平降低，肿瘤细胞DNA损伤减少，抗肿瘤效应降低［14］。在接种益生菌种嗜酸乳杆菌后，抗生素处理小鼠恢复了铂类相关炎症基因的表达，并恢复了顺铂的抗肿瘤作用［15］。研究显示，肠道菌群的缺失下调了NADPH氧化酶2（NOX2）的表达，从而减少肿瘤浸润髓系细胞分泌ROS，而ROS正是铂类药物细胞毒性作用的有效成分［14］。完整的肠道菌群或嗜酸乳杆菌对铂类药物产生ROS的机制依赖于通过髓系分化初级应答88（MyD88）相关的天然免疫受体（模式识别受体）的信号传递［15］。环磷酰胺可以改变肠黏膜的通透性，并选择性改变肠道内几种菌群的丰度，诱导选定的革兰氏阳性菌转移到次级淋巴器官中，易位细菌增加了瘤内CD8+T cell与T调节细胞（Treg）比率，激活致病性Th17细胞和记忆性Th1细胞免疫应答，从而诱导出抗肿瘤免疫反应［16］。

由此可以看出，平衡的或者说“健康”的肠道菌群在化疗中的整体效应是增强抗肿瘤的，这是肠道菌群对机体的整体性、系统性的调控。拆开来看，某些组分（如嗜酸乳杆菌）与整体的效应相同，但基于肠道菌群庞大的群落，也会有部分菌属与整体效应相反，促进化疗的耐药。有研究发现，化疗后复发患者的结直肠癌组织中具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）含量丰富，在173例肠癌组织中，具核梭杆菌丰度高的患者中有73.4%发生了病情复发［17］。进一步研究发现，具核梭杆菌通过TLR4和MyD88先天免疫信号和特定的微小RNA，激活细胞自噬通路，抑制细胞凋亡，促进奥沙利铂和5-FU的化疗耐药［17］。另有研究发现，大肠埃希菌瘤内接种可以抑制吉西他滨的抗肿瘤作用而增强CB1954在小鼠体内的抗肿瘤效果［18］。

2.2 肠道微生物与放疗放射治疗是肿瘤治疗的重要手段，肿瘤细胞DNA损伤是通过直接沉积能量或通过辐射诱导细胞内水分子产生ROS引起的。放疗不仅会引起肿瘤细胞的死亡，也会对未受辐射的细胞产生非靶向效应。放疗能改变微生物群组成，诱导肠隐窝细胞凋亡，破坏肠道屏障［19］。这些改变使致病微生物进入组织，引起肠道炎症。临床研究中已证明益生菌有益于预防放射性肠病。含嗜酸乳杆菌、双歧杆菌、干酪乳杆菌的制剂对盆腔辐射引起的肠道毒性有保护作用，可显著降低严重腹泻的发生率［20］。粪便微生物移植提高了照射后动物的存活率，提高了外周血白细胞数，改善了胃肠道功能和肠上皮完整性［21］。近年来，关于肠道菌群对肠上皮屏障保护的机制也有报道。鼠李糖杆菌通过TLR-2/MyD88信号通路和COX-2产生放射防护作用，抑制放疗诱导的肠上皮细胞的凋亡，显著改善放疗所致的肠道综合征［22］；也有报道称肠道菌群对肠道屏障的保护作用的机制之一是诱导产生血管生成素样4（ANGPTL 4）［23］；而ANGPTL 4对脂质代谢、血管生成和组织修复有多效性作用［24］。

目前的研究提示，肠道菌群在放疗中保护胃肠道黏膜，没有明确发现肠道菌群可以调节放疗的抗肿瘤效应；但是放疗引起的免疫原性细胞死亡，产生了类似于原位肿瘤疫苗作用，促进全身炎症和免疫。由此可以推断肠道微生物在放疗的抗肿瘤作用中发挥调节作用，但需要进一步的研究证明。而且，肠道菌群保护胃肠道黏膜，减少了并发症的发生，提高了患者对治疗的耐受性和生活质量，间接提高了放疗的效果。

2.3 肠道微生物与肿瘤免疫治疗最近，免疫疗法在治疗血液和实体癌方面显示出了潜力，并在对常规治疗无效的转移性黑色素瘤患者中取得了持久的完全缓解。而且研究发现，肠道菌群可以调节免疫治疗的抗肿瘤效应。由全身放射治疗引起的肠道菌群向肠系膜淋巴结移位，通过TLR4信号，可以增强转移T细胞在肿瘤内的增殖和抗肿瘤活性［25］。而用抗生素处理小鼠后，过继转移肿瘤特异性细胞毒性T细胞的疗效会降低。同样，在无菌小鼠或者抗生素处理的小鼠中，CPG-寡脱氧核苷酸和IL-10受体抗体合用对皮下肿瘤的治疗效果变差，髓系细胞不能有效产生促炎因子，TNF依赖性出血坏死也不能被有效诱导。但是，Alistipes shahii菌的再定植恢复了髓系细胞产生TNF的能力，而常规饲养的小鼠口服发酵乳杆菌后TNF产生受损［26］。研究发现，革兰阴性菌Alistipes和革兰阳性菌瘤胃球菌属与TNF的产生呈正相关，乳杆菌属（包括鼠乳杆菌、肠乳杆菌和发酵乳杆菌）为负相关［27］。

免疫检查点抑制剂抗细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4抗体和抗程序性死亡蛋白1或程序性死亡蛋白配体-1抗体（programmed death ligand-1，PD-L1）对多种肿瘤显示出较强的抗肿瘤活性，广泛应用于治疗恶性黑色素瘤、胃癌、非小细胞肺癌等［28］。抗CTLA-4抗体对无菌小鼠或者抗生素处理小鼠皮下肿瘤的反应较差，给予多形拟杆菌或脆弱拟杆菌喂养后，恢复了抗CTLA-4抗体的治疗效果，其机制可能是通过诱导瘤内树突状细胞成熟和肿瘤引流淋巴结中的Th1反应。研究者还发现，某些抗生素（如万古霉素）可通过改变肠道微生物的组成，减少革兰阳性菌的数量，保留多形杆状菌和伯克氏菌，增强抗CTLA-4的反应。研究者通过对黑色素瘤患者接受抗CTLA-4治疗前后的粪便微生物分析，发现抗CTLA-4治疗本身可能改变肠道微生物的组成，从而有利于其抗瘤活性［29］。

在PD-1抗体治疗黑色素瘤的研究中，研究者在动物模型和临床试验中发现了许多令人振奋的现象和结果。Gajewski团队发现来自同一品系，不同实验室的小鼠其对黑色素瘤的免疫强度存有差异，接种的黑色素瘤生长速度不同。但是将两种小鼠同笼饲养22d后，这种差异缩小了。将免疫反应强的小鼠的粪便移植到免疫弱小鼠体内，后者也产生较强的免疫反应。这表明两种小鼠针对黑色素瘤免疫强度的差异是由肠道微生物组成、结构的不同造成的。进而对这种小鼠粪便进行16sRNA测序，发现两者肠道内双歧杆菌属存在明显差异。非常有意思的是，研究后续发现口服双歧杆菌可达到与PD-L1抗体疗法相同的抗瘤效果，双歧杆菌与PD-L1抗体联合治疗，肿瘤生长几乎停止。而这可能是通过增强的树突状细胞功能增加CD8+T细胞在肿瘤微环境中的积累介导的［30］。

一个来自19家机构的多中心临床研究中，112例抗PD-1免疫治疗的黑色素瘤患者根据疗效分为应答组和非应答组，肠道菌群分析发现，应答组患者肠道富含柔嫩梭菌，非应答组富含拟杆菌，而且肠道菌群多态性高的患者生存期明显延长［31］。发现这个现象后研究者以此为分组条件，将患者分为柔嫩梭菌高丰度组、低丰度组，拟杆菌高丰度组、低丰度组。发现柔嫩梭菌丰度高的患者，给予抗PD-1治疗后，生存期明显比低丰度组延长；而富含拟杆菌的患者生存期比低丰度组缩短［32］。这反证了前期发现的现象。同样，将患者的粪便移植给无菌荷瘤小鼠，给予抗PD-1治疗后，结果显示应答组肠道菌群移植后能增加小鼠肿瘤内CD8+杀伤性细胞数目，明显抑制肿瘤生长［32］。这与上一个研究相互印证，肠道菌群在PD-1抗体治疗黑色素瘤中发挥重要作用。

另一个研究团队发现用PD-1抗体治疗249例患有非小细胞肺癌、肾细胞癌或者尿路上皮癌的患者过程中，使用抗生素治疗感染的患者其PD-1抗体疗效降低，无进展生存期和总生存期明显缩短。粪菌16sRNA测序发现，PD-1抗体应答组肠道中富含阿克曼氏菌。动物实验也有相同的结果，给予抗生素组合（氨苄青霉素+黏菌素+链霉素）处理14d，处理组PD-1抗体或CTLA-4抗体的疗效明显降低。将患者的粪便移植到无菌荷瘤小鼠体内，应答组患者的粪便可增强PD-1抗体或CTLA-4抗体的抗肿瘤效应。而且有趣的是，非应答组粪便移植小鼠口服补充阿克曼氏菌后，CCR9+CXCR3+CD4+T淋巴细胞向小鼠肿瘤的募集增加，恢复了PD-1抗体的疗效［32］。

胃肠道是人体最大的免疫器官，肠道微生物可以调节免疫系统的状态。一旦找到特定菌属的作用，就可以人为的操纵菌属，改变免疫系统，增强免疫治疗的效果。不仅仅是肿瘤，其他与免疫有关的疾病也可以参考这种策略，例如有团队研究IG A肾病与肠道菌群的关系。

3 结语与展望

近年来对肠道菌群的研究，使我们对肠道菌群有了更深的了解，并逐步建立大量的菌群库，如由南京医科大学第二附属医院和第四军医大学西京消化病医院共同发起建立的中华粪菌库，对分析正常人和患者肠道菌群的组成特征谱，提供了良好的数据平台，为更好地运用肠道菌群促进人类健康发展奠定了基础。目前肠道菌群与肿瘤的发生发展与治疗方面取得了一些可喜的结果，这些发现正逐步转化应用于临床，指导肿瘤的预防和治疗，并产生深远的影响。首先，肠道菌群在肿瘤发生中的重要作用，有望成为肿瘤预防的重要干预，而且对理解肿瘤发生开辟了一个新维度。其次，通过粪菌移植或者抗生素等手段，调节相关菌属的丰度，可以保证化疗的最大疗效。对于合并感染的患者，抗生素使用的时机、剂量、疗程要根据菌群的特点和可能对当前治疗方案的影响决定。“健康的”肠道菌群保护胃黏膜屏障，在化疗治疗中，给予益生菌、益生元或者粪菌移植方式调节肠道微生态的多样性和平衡，可以减少不良反应和并发症的出现。最让研究者期待的是，肠道微生物在免疫治疗中的巨大影响，提示通过保护肠道微生态的平衡和多样性可以让免疫检查点抑制剂发挥最大疗效。更有意义的是，通过这方面的研究，揭示了肠道微生物与机体免疫系统的紧密结合，进一步加深理解微生态对人体免疫系统的调节作用。而且免疫检查点抑制剂在临床中的使用，所治疗的患者队列正是真实世界研究中最理想的观察对象，增进我们了解机体内肠道微生态如何通过肠道黏膜局域免疫系统调控全身系统免疫系统。当然，目前我们对肠道微生态的认识还比较片面，未知的领域还有待积极探索，尽管存有不足，但是，随着对动物模型和临床的深入研究，肠道菌群在肿瘤发生、肿瘤治疗，尤其在免疫治疗中发挥作用的深层次机制将会一步步被揭示。