益生菌免疫调节及抗肿瘤作用研究进展

肖雪筠,新华·那比

(新疆医科大学药理学教研室,新疆乌鲁木齐 830000)

根据全球疾病负担报告[1]可知,截止到2017年,全球范围内,传染病患者、孕产妇、新生儿和营养性疾病患者(CMNN)的死亡人数占全球死亡人数的18.6%(1040万),而慢性非传染性疾病(NCD)占73.4%(4110万);在慢性非传染性疾病中,造成最多死亡人数的三类死因为:心脑血管疾病1780万;肿瘤956万;慢性呼吸系统疾病391万;肿瘤相关死亡占NCD总死亡数的23.3%,由此可见,恶性肿瘤已经成为威胁人类健康的重大因素之一,如何降低肿瘤患病率,提高肿瘤治愈率和生存率成为肿瘤治疗中亟待解决的问题。目前,常规的治疗方式有:化疗、手术和放疗以及肿瘤免疫治疗等[2]。益生菌常作为放疗或化疗后的补充剂,应用于抵抗肿瘤治疗中的不良反应[3]。

近年来,益生菌一直是国内外研究的热点,其功能和作用机制受到越来越多的关注,研究发现,益生菌在调节肠道菌群、预防糖尿病、提高机体免疫力等方面具有一定作用。此外,其还可通过脑-肠轴影响情绪和精神表现[4],通过肺-肠轴影响肺部稳态[5]。其与抗癌药物联用可以增强对实体瘤的免疫反应,未来可能作为一种良好的抗癌辅助剂[6]。

本文将通过益生菌对消化、呼吸、运动和生殖系统肿瘤的作用,以及对免疫细胞及代谢的影响进行综述,阐明益生菌通过调节肠道菌群及其代谢产物,对肠道或其他组织器官肿瘤产生的影响,为益生菌功能的进一步研究及临床应用提供思路。

1 益生菌对各系统肿瘤的作用

有文献表明,使用益生菌补充剂可以阻止接受胃旁路手术患者的脂多糖结合蛋白(LBP)水平升高,并且改善血清TNF-α和25-OH维生素D3的浓度[7]。但使用益生菌补充剂时间长短与调控这些指标的动态关系尚不清晰。目前,益生菌的作用机制多以对免疫的调节作用为出发点。

1.1 益生菌对消化系统肿瘤的作用

在益生菌对消化系统的影响体系中,肠道微生物群通过控制肠道相关淋巴组织(GALT)的发育和功能活性在免疫系统中发挥关键作用,包括Peyer氏斑、孤立淋巴滤泡和肠系膜淋巴结[8]。益生菌及其代谢产物丁酸盐产生菌对宿主微生物群落具有正向调节作用,其可改善肠道上皮的屏障功能,将其接种到炎症性肠病(IBD)和克罗恩病(CD)患者的粪便微生物群落中,可以促进丁酸盐的产生并提升肠上皮屏障的完整性[9]。此外,某些益生菌[10]具有的肿瘤免疫作用可能与其改善肠道炎症,调节肠道免疫微环境和帮助恢复宿主肠道免疫平衡[11]的功能有关。

研究发现,丁酸杆菌和枯草杆菌可抑制结直肠癌细胞增殖,引起细胞周期停滞,促进细胞凋亡[12],说明益生菌对肠道肿瘤具有一定的抑制作用,这为益生菌的抗肿瘤作用机制研究奠定了基础。Igor等[13]发现益生菌对慢性炎症性疾病和代谢综合症具有正向作用,除了调节游离脂肪酸、胆汁酸丁酸盐、GABA、脂多糖、Toll样受体的作用之外,还发现益生菌具有预防肿瘤的作用,可诱导肿瘤细胞凋亡,其代谢产物可使致癌物失活,通过增强肠道菌群和宿主饮食中的有效成分间的相互作用来降低患癌风险[14]。也有研究证明多种益生菌具有抑制结肠癌发展进程的作用[15]。保加利亚乳酸杆菌可以调节结肠菌群的结构和肠腔代谢功能(增加短链脂肪酸水平),对二甲基肼(DMH)诱导的大鼠早期大肠癌有预防作用[16]。有研究显示,肠道菌的再生能够增强免疫检查点阻断剂的疗效[17],因此,通过摄入益生菌调节肠道菌群有利于肠道肿瘤的治愈。

1.2 益生菌对呼吸系统肿瘤的作用

有学者研究益生菌对肺炎的治疗作用,发现益生菌联合使用的效果更好,因此治疗时需考虑微生物-微生物和微生物-宿主互作之间的关系[18]。益生菌可以通过自身及代谢产物影响肠道菌群,通过肺-肠轴的作用调节肺部免疫稳态,改善肺部炎症状态。丁酸作为一种短链脂肪酸(SCFAs),是肠道菌群产生的一类代谢产物,同时也是益生菌代谢产物中重要的组成部分,与炎症的发生密切相关。肠道微生物发酵膳食纤维可以产生短链脂肪酸,它们能够影响单核细胞等免疫细胞的生成,这些单核细胞迁移到肺部,变成树突状细胞(DC),抑制幼稚T细胞(naive T cells)向Th2细胞分化,抑制炎症反应,促进其分化为Treg细胞,维持机体免疫平衡[19],也印证了益生菌对肺-肠轴的影响。肺、肠炎症疾病可能经常共存。研究发现,在133名肠应激综合征患者中33%患有一定程度的呼吸系统问题[20],除此之外,慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者发生溃疡性结肠炎和克罗恩病的可能性是健康对照组的近三倍[21]。这些研究表明,益生菌可以通过其代谢产物来调节肠道菌群紊乱,进而减轻远端炎症。

此外,益生菌雾化吸入治疗可以减少肺转移肿瘤生长,可以恢复因雾化吸入抗生素引起的肺部微生态环境破坏,促进肺部抗原提呈细胞(APC)的成熟,同时增加化疗药物达卡巴嗪的疗效[22]。证明益生菌可以在一定程度上拮抗因抗生素产生的免疫细胞减少,促进靶器官微生态环境的恢复,并可以在应用化疗药物的同时,联合使用益生菌,达到增加某些化疗药物的治疗效果,减轻化疗药物产生的副作用,这初步验证了益生菌在肿瘤免疫方面的良性作用,由此可知,益生菌可以作为一种免疫治疗策略应用于肿瘤和其他免疫失衡导致的疾病。

1.3 益生菌对运动系统肿瘤的作用

有研究证实,对卵巢切除(ovx)小鼠给予嗜酸乳杆菌(LA)可强化骨小梁和皮质骨微结构,同时增加骨的矿物质密度和异质性。LA的这种作用是基于其对宿主免疫系统的免疫调节作用,LA通过抑制破骨细胞生成的Th17细胞和促进卵母细胞中的抗破骨细胞生成的Treg细胞来改变Treg-Th17细胞的平衡,同时抑制破骨细胞因子(IL-6、IL-17、TNF-α和RANKL)的表达,增加抗破骨细胞因子(IL-10、IFN-γ)的表达[23]。这说明LA作为骨保护剂在增强骨健康方面有治疗潜力,即通过调整Treg-Th17细胞平衡治疗绝经后骨质疏松症。另外,鼠李糖乳杆菌(LGG)或其产生的丁酸盐可调节睾丸和骨髓中调节性T(Treg)细胞的频率,因此,LGG及其代谢产物可以起到预防和治疗骨质疏松症的作用[24]。综上,微生物的代谢产物丁酸盐可能通过影响调节性T细胞介导多种蛋白表达发挥免疫调节作用。因此,益生菌及其代谢产物具有免疫调节作用,在骨质疏松、肿瘤、炎症性肠病等多种疾病的预防上有应用前景。

1.4 益生菌对生殖系统肿瘤的作用

益生菌对乳腺癌也有一定的抑制作用[25],乳酸菌干酪能激活乳腺免疫系统发挥抗肿瘤作用[26],或可刺激机体的抗癌免疫反应[27],另有研究证明,乳酸菌可以通过刺激营养物质的供应,塑造免疫系统,防止病原微生物的定植,对人体健康起着至关重要的作用。干酪乳杆菌SR1、干酪乳杆菌SR2和从母乳中分离出的副干酪乳杆菌SR4表现出明显的益生菌特性,如良好的抗生素敏感性、显著的抗氧化活性、可以上调凋亡基因bax、bad、caspase3、caspase8和caspase9的表达以及下调bcl-2基因的表达[28],证实了益生菌对宫颈癌(hela)细胞具有一定的抗癌作用。总的来说,这些结果表明,益生菌主要通过激活免疫,下调癌细胞凋亡基因的表达、增强机体的抗癌免疫反应,起到预防和治疗乳腺癌和宫颈癌的效果,可被视为具有潜在治疗指标的局部药物。

2 益生菌对免疫细胞的作用

微生物及其产物是免疫系统在早期形成过程中区分自身与非自身(入侵者)以及先天性血液淋巴细胞(ILC1、2和3),自然杀伤(NK)细胞以及细胞毒性和非细胞毒性的激活和维持所必需的。辅助淋巴细胞、NK细胞和ILC1产生大量的IFN-γ、抗菌肽(AMPs)、颗粒溶素、防御素、溶菌酶和RegIIIγ,它们共同起到调节微生物生态和免疫监视的重要作用[29]。因此,肠道细菌能够对全身免疫系统起到一定的控制作用。因为特定物种的丧失可能导致过度反应或抑制先天免疫反应[30]。肠道微生物还可以影响免疫代谢,影响免疫细胞进行生化活动的中枢,从而改变基因表达谱和转换代谢途径及其关键酶。由于肠道微生物改变而发出的刺激信号可使各种免疫细胞,特别是巨噬细胞、树突状细胞和T细胞表现出不同的重编程代谢途径,以促进它们的活化、存活和谱系的产生[31]。故摄入或移植益生菌可调节肠道菌群结构,刺激免疫细胞的活化和代谢,从而发挥对肠道或远端组织和器官的免疫监视作用,调节机体免疫平衡,维护机体健康。

2.1 益生菌对T细胞的影响

益生菌可以通过调节肠道菌群结构,影响免疫细胞活性,同时调节能量代谢和巨噬细胞极化,进而发挥抗肿瘤活性。糖酵解是生物体内普遍存在的代谢途径,巨噬细胞、T细胞和其他免疫细胞均使用糖酵解产生的限制感染的自由基氧(ROS)。糖酵解还可以促进ATP和代谢中间体的快速产生,这些可以用于巨噬细胞的RNA和蛋白质DNA的生物合成。糖酵解是激活树突状细胞,CD4+T辅助细胞1(Th1),Th2和Th17细胞,NK细胞和细胞毒性CD8+细胞的优先途径[32]。而这种对有氧糖酵解的代谢适应也被看作肿瘤细胞的标志。且已有研究证实,新疆传统发酵驼乳在此方面具有优势,其中的益生菌和免疫活性肽能够通过调节Th1/Th2平衡,发挥免疫保护作用[33-34],但并未证明益生菌的剂量依赖性。

2.2 益生菌对巨噬细胞的影响

巨噬细胞在响应刺激或极化信号引发促炎或抗炎反应后会改变其新陈代谢方式和功能,表现为M1和M2两种表型。M1细胞显示出Th1定向的促炎效应特性,表现出导致组织损伤、抗微生物特性和抗肿瘤活性,而M2细胞表现出组织重塑和修复功能,促进伤口愈合,血管生成,并显示出抗寄生虫特性,有利于肿瘤生长。M1/M2重编程代谢途径可以改变巨噬细胞的功能,改变吞噬作用、抗原呈递和细胞因子的产生[35]。巨噬细胞M1和M2表型都可以通过氧、营养素、细胞因子以及损伤和病原体相关的分子模式(DAMP-和PAMP-)介导的信号来控制[36]。益生菌可以作为一种外源性的营养素介导巨噬细胞极化,从而辅助巨噬细胞产生抗肿瘤作用。

2.3 益生菌对树突状细胞的影响

肠道内存在的益生菌和其他共生细菌在树突状细胞(DC)的调节作用中也很重要[37],树突状细胞(DC)负责对环境中的致病入侵者进行采样,并释放细胞因子或趋化因子以刺激免疫反应。益生菌可通过影响树突状细胞的作用,调节天然免疫反应。

2.4 益生菌对NK细胞的影响

已发现某些益生菌菌株可增强先天性免疫反应(特别是吞噬作用和NK细胞活性)[38]。NK细胞是先天免疫系统的一部分,可分泌细胞因子和杀死病毒感染的细胞及肿瘤细胞,其可通过靶向清除来保护宿主免受病原体和转化细胞的侵害,这些活性是维持NK细胞毒性功能正常的重要基础,而存在于人体的乳酸菌可以增强NK细胞的活性[39]。

3 益生菌对代谢的影响

3.1 益生菌影响肠道代谢产物

益生菌及其代谢产物能够通过调节肠道菌群结构、影响免疫细胞重编程,发挥一定的抗肿瘤作用。这些作用均离不开益生菌对代谢的影响。其抗肿瘤作用与其代谢产物的密切关系体现在:短链脂肪酸(丁酸)可以调控基因表达和癌变,其通过使摄入的致癌物或致突变的化合物降解失活的作用来起到预防和清除癌变的效果[40]。这种作用可能与宿主的饮食结构中膳食纤维的摄入量有关,摄入膳食纤维多者会造成消化系统丁酸盐产量增加,肿瘤抑制代谢物增加,从而抑制消化道肿瘤相关细胞系的生长,特别是在结直肠癌患者中有明显体现[41]。可见饮食结构与肠道菌群和菌群代谢产物之间的相互作用也逐渐成为预防肿瘤疾病的主要着手点。短链脂肪酸产生的多种有机盐类物质影响一系列生理生化反应过程,如丁酸盐作用于结肠细胞,杯状细胞和Paneth细胞,能够为细胞代谢提供能量,并调节细胞凋亡,细胞分化以及核蛋白和核酸的化学修饰。乙酸盐和丙酸盐进入血流并被肝脏和外周器官吸收,其可以作为糖原异生和脂肪生成的底物[42]。但是它们与结直肠癌等肿瘤的发生发展的因果关系还不确定,有待进一步研究。

3.2 益生菌影响能量代谢

从能量代谢角度看,肠道微生物群落可以提供酶促机制和代谢途径,有助于各种生物活性物质如短链脂肪酸(SCFA)、氨基酸,维生素等的产生。它们对于糖酵解,三羧酸循环,氧化磷酸化(OXPHOS)以及氨基酸和脂肪酸代谢的相互关联途径是必需的[43]。研究已经阐明了促进代谢过程的营养素通过对生理和病理条件下的巨噬细胞产生不同刺激的反应,使巨噬细胞被激活,从而获得特殊功能。益生菌可以通过差异消耗葡萄糖,谷氨酰胺和氧来控制巨噬细胞的两种主要炎性表型[44]。M1表型由细菌脂多糖(LPS)和Th1促炎细胞因子如IFN-γ,TNF-α和IL-1β或两者的极化信号触发,而M2表型由Th2细胞因子如IL-4和IL-13以及抗炎细胞因子IL-10和TGFβ或糖皮质激素触发。葡萄糖利用和化学介质的产生,包括ATP、活性氧(ROS)、一氧化氮(NO)和NADPH支持M1巨噬细胞的效应活性[45]。故益生菌可以促进巨噬细胞活化,影响其M1/M2极化,促进肿瘤浸润,提高机体抗肿瘤免疫力。

4 益生菌与免疫检查点协同作用

有研究表明,可以使用免疫检查点阻断的方法进行肿瘤免疫治疗[46]。免疫检查点的激活限制了抗肿瘤免疫反应,可以通过阻断细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白(CTLA-4)和程序性死亡(PD-1)途径实现。但是这种方法也存在一定的局限,即会产生免疫检查点获得性耐药反应,这种作用主要与抗原表达和IFN-γ信号通路有关[47]。越来越多的证据支持不同肠道菌群在肠内和肠外肿瘤的发生和发展具有关键作用。肠道细菌与免疫检查点阻断剂协同作用,可以优化对多种实体癌的免疫反应[48]。但是每种肠道细菌在癌症发生和治疗反应中所起的确切作用仍处于研究的初期阶段,所以具有很大的研究价值和潜力。这些还需要在小鼠模型中进行进一步的验证。

4.1 益生菌应对肿瘤突变负荷增加

研究证明免疫检查点阻断剂[49]对含有突变相关新抗原负荷增加的肿瘤具有显著的治疗作用,同时某些菌株能够增强抗癌药物触发的免疫反应,说明益生菌与免疫检查点阻断剂协同作用可能作为未来治疗的新思路,益生菌的鸡尾酒疗法加上特别的饮食补充剂可作为新型抗癌佐剂[50]。有研究揭示了益生菌和PD-1之间的相关性对动物结直肠癌的影响。用益生菌治疗大鼠,可降低DMH诱导的结肠直肠粘膜中PD-1的表达,联合应用益生菌和吡罗昔康治疗可显著降低PD-1的表达[51]。因此,益生菌可能作为一种有效的预防结直肠癌的药物。除此之外,益生菌还能通过影响免疫细胞重编降低使用免疫检查点阻断剂产生的耐药性,增强检查点阻断疗效,提高对肿瘤突变负荷增加的肿瘤的治疗效果,为肿瘤免疫疗法提供了新思路。

4.2 益生菌影响肿瘤微环境

在慢性病毒感染和癌症中,T细胞长期暴露于持续的抗原刺激下,最终导致T细胞耗竭,表现为T细胞增殖、分泌细胞因子和杀伤靶细胞等功能的丧失[52]。这通常与肿瘤控制效率低下和持续性病毒感染有关。T细胞功能对改变肿瘤微环境至关重要,在肿瘤微环境中,T细胞功能障碍是肿瘤逃逸免疫监视的关键机制[53],免疫检查点阻断可通过恢复免疫以消除癌症或病毒感染细胞,从而使功能失调/耗尽的T细胞恢复活力。益生菌对肿瘤微环境中T细胞功能的作用以及癌症治疗中新的免疫检测点目标分子的确定存在一定的联系[54],使益生菌通过调控免疫检查点分子的表达起到肿瘤免疫作用的治疗方案成为可能。

5 展望

目前,国内外对益生菌的研究不再聚焦于其抗炎抗动脉粥样硬化、抗糖尿病方面的作用。转而将重点放在它们在免疫调节和抗肿瘤方面的作用机制。目前来看,益生菌所具有的抗肿瘤活性与之存在的免疫调节作用分不开,肠道作为人体十分重要的免疫器官之一,在抵御外来病原体方面发挥着非常重要的作用,而益生菌抗肿瘤作用则主要通过调节肠道菌群,使有益菌群增多,有害菌群减少,并通过增加代谢产物(SCFV)的含量,进而影响免疫细胞的增殖、分化,发挥对其他组织器官肿瘤的预防、治疗作用。其可通过重建器官免疫稳态,影响肿瘤微环境,与免疫检查点阻断剂等抗肿瘤药物协同作用,进一步抑制肿瘤细胞增殖,促进其凋亡,最终发挥抗肿瘤的作用。可见益生菌在免疫调节及抗肿瘤方面具有很大的研究价值,这为发酵乳品研究奠定了一定基础。未来可以探讨乳品发酵菌及其代谢产物或免疫活性物质在调节免疫、抗肿瘤、维持肠道稳态,增强化疗药物活性、保护肠黏膜屏障、探究宿主-菌群互作等方面的机制,为益生菌制剂的开发,甚至临床应用提供理论依据。此外,益生菌在癌症背景下如何调节肠道微生物组成结构,以及对未来抗肿瘤治疗的意义仍有待进一步研究。