肠道菌群在抗肿瘤坏死因子-α生物制剂治疗炎症性肠病中的作用

2021-02-03张国新

胃肠病学和肝病学杂志 2021年1期

何植，叶峰，张国新

南京医科大学第一附属医院消化科，江苏南京 210029

抗肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)单克隆抗体(以下简称TNF-α单抗)治疗炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)已有20余年，具有快速诱导并维持疾病缓解，改善患者激素依赖或无效状态，控制肠外表现，减少并发症及实现镜下黏膜愈合等优势[1]，逐渐改变了IBD的管理及治疗策略。英夫利西单抗(infliximab，IFX)作为我国首个被批准用于克罗恩病治疗的TNF-α单抗，自2020年1月1日起被纳入国家医保，或成为医患双方的优先选择。然而，在IBD治疗中，约30%的患者对初次TNF-α单抗无应答，40%～50%的患者在治疗半年至1年后失去应答[2]。因此，合理选择可能获益的患者或提高TNF-α单抗疗效成为优化IBD治疗方案，避免过度治疗的重要方向。

基于粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)研究发现，以FMT为基础，将单次或多次FMT与其他治疗相结合，可以用于难治性疾病的整合治疗[3]，如能改善IBD激素依赖状态，改变PD-1单抗治疗肿瘤的效果等，这种方案被称为FMT升阶梯策略(Step-up FMT)[4]。在Step-up FMT早期研究中，部分对TNF-α单抗失效的患者对初次FMT也无应答，但在FMT后这些原本对抗TNF-α治疗失效的患者重新获得了药物应答，而且有2例曾出现药物输注反应的患者可以很好地耐受随后的抗TNF-α治疗[4]。因此，肠道菌群可能影响药物疗效及毒副反应，调控菌群或可优化疾病管理。本文就肠道菌群在抗TNF-α生物制剂治疗IBD中的变化及疗效预测作用作一概述，并强调FMT可能是优化IBD抗TNF-α治疗的重要方法。

1 TNF-α单抗与IBD

目前应用于临床的TNF-α抑制剂主要以单克隆抗体为主，包括IFX、阿达木单抗(adalimumab，ADA)、戈利木单抗、赛妥珠单抗，以及一种TNF受体-抗体融合蛋白依那西普。虽然以上不同的TNF-α单抗在类风湿性关节炎中均显示有一定疗效，但在IBD的治疗中并不同等有效[5]，甚至依那西普在治疗非IBD时有诱发克罗恩病的风险[6]，这可能与不同药物的结构，疾病本身的IBD发生风险以及合并使用NSAIDs类等药物有关[5]，而肠道菌群可通过菌群易位、代谢、免疫调节、酶降解、改变多样性等多种途径影响肿瘤、内分泌、神经等药物的代谢、功效、毒性，其对TNF-α单抗亦或有重要影响。例如，在TNF-α单抗治疗脊柱关节炎时，Bazin等[7]发现，患者肠道内伯克氏菌目(Burkholderiales)比例增多预示良好的药物应答。尽管通过抑制TNF-α可以实现IBD的治疗，但需要注意的是，用抗体中和TNF或敲除TNF基因可以加重硫酸葡聚糖钠盐(DSS)诱导小鼠的肠炎或增加肠炎的易感性[8-9]，TNF和IL-10均缺失的小鼠在断奶后可发展为严重结肠炎[10]。因此，在特定情况下，TNF在胃肠道炎症及损伤后具有保护作用，这可能是抗TNF-α治疗对部分IBD患者无效的原因之一，IBD患者的肠道菌群失调可能塑造了相关独特的免疫及炎症环境。

TNF-α单抗的应答失效亟需解决，尤其对于治疗手段受限的儿童IBD。研究发现，原发无应答与疾病的严重程度、C反应蛋白、白蛋白、血清中细胞因子表达、肠道黏膜标志物等有关[11]。继发失效主要与药物的免疫原性导致药物快速清除、抗药抗体产生有关。肠道菌群作为IBD发生与发展的关键因素之一，影响患者的炎症水平、营养状况、免疫调节等功能[12]，可能与以上影响抗TNF治疗应答的因素潜在相关。Shaw等[13]发现，肠道菌群紊乱与IBD严重程度、炎症指标有关，结合嗜黏蛋白阿克曼菌属(Akkermansia)、粪球菌属(Coprococcus)、梭杆菌属(Fusobacterium)、粪杆菌属(Faecalibacterium)等特定菌属参数可以有效预测疾病缓解及药物应答。更为重要的是，在FMT的研究中已观察到肠道菌群重建可恢复IBD患者对抗TNF-α治疗的应答[4]，尽管其机制尚未得到充分研究，但为通过菌群调控来优化IBD的抗TNF治疗提示了新方向。

2 肠道菌群与TNF-α单抗

肠道菌群可影响多种IBD药物疗效，如柳氮磺吡啶需要在肠道微生物作用下分解为5-氨基水杨酸起效，甲氨蝶呤可被肠道菌群代谢为非活性形式[14]。临床上也观察到肠道菌群多样性较低的儿童患者对激素应答较差[15]，重建患者肠道菌群可以帮助激素依赖的IBD患者减停激素[16]。另外，在抗整合素治疗IBD中发现肠道菌群多样性高，含支链氨基酸合成的代谢通路增强与良好的药物应答有关[17]。近年来，肠道菌群多样性、组成结构、功能代谢等多方面在抗TNF治疗中的作用也逐渐被研究。需要注意的是，由于肠道菌群与IBD的发生发展相关，因此很难区分抗TNF治疗后的肠道菌群变化是伴随改变，还是药物治疗起到的积极作用，研究抗TNF-α治疗前患者的肠道菌群，可能更易筛选出预测疗效的微生物及相关代谢产物。

2.1 菌群相关基因、抗菌肽、微生物抗体与抗TNF治疗目前已发现200多个易感基因位点与IBD相关，其中许多基因影响肠道菌群与宿主间的免疫调节[12]，如NOD2、TLR、IL-17A等。研究发现，相关易感基因及其蛋白表达影响TNF-α单抗在IBD中的应答[11]，以肠上皮细胞产生的多种抗菌肽为例，其被认为人体天然抗生素，参与IBD患者的肠道菌群调节。Arijs等[18]发现，经抗TNF治疗的克罗恩病患者抗菌肽广泛恢复。Magnusson等[19]发现，在抗TNF治疗前利用11种抗菌肽及其基因表达可以预测溃疡性结肠炎的应答，其中最重要的防御素5和嗜酸性阳离子蛋白在应答者中高表达。另外，抗酿酒酵母抗体(ASCA)、抗大肠埃希菌外膜孔道蛋白C(anti-Omp C)等微生物抗体有助于IBD的诊断，但其预测TNF-α单抗的疗效尚存争议[11]。

2.2 肠道菌群多样性、组成结构与抗TNF治疗肠道菌群在抗TNF治疗前以及治疗过程中的动态变化或与治疗应答有关。一项前瞻性研究发现，饮食或抗TNF治疗可以影响克罗恩病患者肠道微生物组成，包括细菌、真菌、病毒[20]。在抗TNF治疗前，依据患者肠道菌群与健康对照组的相似度分为“趋向健康组”及“远离健康组”，两组对抗TNF治疗的应答差异无统计学意义，但经抗TNF治疗后8周，有应答患者的肠道菌群多样性增加，结构趋向健康对照组，与非应答患者差异有显著统计学意义，并发现放线菌属(Actinomyces)的下降，乳球菌属(Lactococcus)及罗斯氏菌属(Roseburia)的升高与抗TNF治疗有应答相关[20]。Magnusson等[19]在溃疡性结肠炎患者中发现，抗TNF治疗前肠道菌群紊乱程度低、富含普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)的患者对抗TNF治疗有应答，且普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)在治疗过程中逐渐富集。Busquets等[21]发现，经ADA治疗3个月后所有(15例)克罗恩病患者均获得缓解，厚壁菌门(Firmicutes)明显恢复，并发现大肠杆菌(E.coli)明显下降，而普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)无明显变化。另外，Kolho等[22]报道儿童IBD肠道菌群丰度下降，特别是产丁酸盐菌及一些革兰氏阳性梭状菌，与粪钙卫蛋白升高有关，在抗TNF治疗后6周，应答患者肠道菌群多样性及构成趋向健康，并发现直肠真杆菌属(Eubacteriumrectale)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)等6种菌属的丰度变化可以预测抗TNF治疗效果。Yilmaz等[23]通过菌群互作网络发现，IBD的复发、抗TNF治疗的低应答与毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)的互作网络紊乱有关。然而，Ding等[24]在一项关于克罗恩病的研究中发现，尽管患者肠道的拟杆菌门(Bacteroidetes)及相应的拟杆菌纲(Bacteroidia)在初次抗TNF治疗过程中有明显下降，但无论在抗TNF治疗前还是治疗后，患者的肠道菌群组成结构均不能预测治疗应答。

目前，来自国内的2项研究均发现肠道菌群与抗TNF治疗的应答相关。南方医科大学陈烨和周宏伟团队报道[25]，中国IBD患者与西方IBD患者的肠道菌群变化模式类似，放线菌门(Actinobacteria)及变形菌门(Proteobacteria)的增加及厚壁菌门(Firmicutes)的减少与IBD严重程度相关，对IFX治疗有应答的患者肠道菌群多样性恢复，梭菌目(Clostridiales)相对丰度增加，基于以梭菌目为主的特定微生物建立预测模型，预测IFX的应答准确率达86.5%，联合粪钙卫蛋白、克罗恩病活动指数(CDAI)可提高预测准确率至93.8%。另外，上海儿童医院张婷团队对11例接受IFX治疗的儿童克罗恩病进行菌群动态研究[26]，治疗前患儿的菌群多样性低，肠球菌属(Enterococcus)等条件致病菌增多，而多个产短链脂肪酸的菌属缺失，菌群的代谢功能及多条代谢通路异常。经IFX治疗后患者菌群多样性增加，菌群组成和功能趋向健康，但多种产短链脂肪酸的细菌未显著扩增。值得注意的是，该研究中有4例患儿获得对IFX的持续应答，并发现这些患儿肠道中的布劳特氏菌属(Blautia)、粪杆菌属(Faecalibacterium)、毛螺菌属(Lachnospira)、罗斯氏菌属(Roseburia)等产短链脂肪酸菌属明显升高[26]。

抗TNF治疗后长期缓解的患者何时停药存在争论，菌群紊乱可能是重要的预测指标。Rajca等[27]纳入规范使用IFX治疗至少1年，并联合稳定剂量的免疫抑制剂治疗的克罗恩病患者，所有患者均获得无激素缓解至少6个月，前瞻性地评估菌群紊乱对IFX停药后复发的预测价值。相对健康对照组，所纳入33例患者肠道内厚壁菌门(Firmicutes)数量明显减少，主要以球形梭菌(Clostridiumcoccoides)、柔嫩梭菌(C.leptum)、普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)减少为主[27]。但无论患者是否复发，在IFX停药过程中菌群结构未明显变化，仅在停药6个月时发现获得持续缓解的患者大肠杆菌(E.coli)轻微下降，而IFX停药前低比例的普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)和拟杆菌(Bacteroides)可以预测疾病复发[27]。

尽管国内外研究中菌群检测方法、取样来源、药物应答的定义等有所不同，也很难判定菌群紊乱与治疗结局的因果关系，但多数认为抗TNF治疗前患者的菌群状态或治疗过程中的菌群动态变化与治疗预后密切相关，尤其是具有抗炎能力、产短链脂肪酸的菌群。

2.3 肠道菌群代谢与抗TNF治疗肠道菌群的结构变化不一定指示代谢状态的改变，菌群参与代谢的短链脂肪酸、色氨酸、胆汁酸、琥珀酸、神经鞘脂类等物质可以调节宿主免疫及肠上皮细胞功能[12]，因此，结合代谢组学研究有助于进一步理解肠道菌群在IBD中的价值。Aden等[28]首先纳入12例IBD患者、17例风湿病患者、19名健康人作为发现队列，观察到抗TNF治疗使IBD患者(而非风湿病患者)的肠道菌群多样性增加，粪球菌属(Coprococcus)和罗斯氏菌属(Roseburia)富集，但治疗后缓解与未缓解患者的菌群多样性差异无统计学意义，随后将另外23例接受抗TNF或Vedolizumab治疗的IBD患者作为验证队列，在粪便代谢分析中发现，治疗前菌群代谢交换明显下调的患者可获得应答，丁酸盐及其合成相关的底物水平与抗TNF治疗的效果相关。Ding等[24]分别从血、尿、粪样本中进行代谢分析，预测76例克罗恩病患者对初次抗TNF治疗的应答，在血清、尿液中通过极性代谢产物分析发现的组氨酸和半胱氨酸是对抗TNF治疗应答的标志物，而在血清、粪便中通过脂质分析发现磷酸胆碱、神经酰胺、鞘磷脂、甘油三酯，以及胆酸分析中发现的初级胆汁酸与抗TNF治疗无应答相关。利用粪便脂质、粪便胆酸、血清胆酸预测患者对抗TNF治疗应答的AUC值分别为0.94±0.10、0.81±0.17、0.74±0.15。近年来，胆汁酸类、短链脂肪酸、吲哚类、多胺、维生素类化合物等成为研究较多的菌群代谢物，如何将这些代谢物进一步应用于临床是微生物代谢组学面临的重要挑战。

3 FMT优化IBD管理及抗TNF治疗

IBD中的菌群干预主要包括饮食管理、肠内营养、益生菌、FMT等方法，旨在恢复肠道微生态平衡。目前有研究报道联合肠内营养可以维持CD患者对IFX的持续应答[29]，补充益生菌可以提高IFX治疗中-重度溃疡性结肠炎的疗效[30]。FMT作为强有力的重建肠道菌群的方法，已被指南推荐治疗艰难梭菌感染，其在IBD、代谢性疾病、抗移植物宿主反应、放射性肠炎等疾病中也显示出重要价值[3，31]。张发明团队基于FMT治疗难治性IBD的临床经验，总结出Step-up FMT策略[4]，发现FMT不仅可诱导、维持IBD缓解，还可帮助患者脱离激素依赖状态，控制严重的腹腔感染，改善营养不良，重获对生物制剂的应答，相关发现也被其他IBD研究所证实[3，16，32]。通过Step-up FMT策略可有效地改善CD患者腹痛、腹泻、便血、发热、激素依赖、肠皮瘘、活动性肛瘘共7个患者所面临的“困难”，其中腹痛、腹泻、便血、发热在治疗3个月时的有效改善率分别为70.5%、62.3%、72%、76.5%[33]。因此，FMT的适应证不仅是疾病本身，优化疾病管理，如提高患者生存质量，减少药物使用剂量或频率，减少药物毒副作用尤为重要。例如，1例诊断为Good综合征的患者经多次FMT维持治疗后，患者腹泻改善，输注丙种球蛋白的频率下降，住院时间及医疗费用也降低，同时还发现患者的呼吸道感染发生率下降[34]。另外，在肿瘤免疫检查点抑制剂治疗时常发生免疫相关肠炎，其临床、内镜表现、治疗类似IBD，TNF-α单抗被用于激素无效的患者，Wang等[35]报道了2例对激素及抗TNF治疗均无效的难治性免疫相关肠炎患者，在FMT后均获得症状缓解及镜下黏膜愈合，菌群分析发现移植后患者肠道内的双歧杆菌属(Bifidobacterium)、嗜黏蛋白阿克曼菌属(Akkermansia)等有益菌增多。FMT是否可以减少抗TNF药物治疗IBD及其他免疫疾病的用药剂量，降低抗药抗体的产生，减少药物输注反应及机会感染等不良反应，需要相关的研究来回答。

当前，FMT的方法学取得重要进展，基于智能化粪菌分离系统和严格质控相关漂洗过程，最新提出的洗涤菌群移植(washed microbiota transplantation，WMT)[36]可实现实验室过程的量化，质控和安全性提高。在动物实验中，通过向小鼠腹腔注射不同洗涤次数的粪菌上清液，发现经3次离心洗涤的上清液的毒性远远小于经1次离心洗涤时的毒性，同时还发现上清液中病毒种类及数量升高[36]。通过对上清液代谢产物分析发现，多次离心后上清液中抗炎效应的代谢产物增多[36]。该研究证明，WMT相比手工制备的FMT更为安全、有效，是对FMT的新发展。最新提出的《洗涤菌群移植南京共识》[37]对供体的筛选、实验室的方法、患者的准备、给入途径的决策、安全和质量的管理5个方面提出共识意见，将进一步推动FMT的标准化发展。

综上所述，随着FMT方法学发展及肠道菌群研究的深入，将FMT与抗TNF等治疗联合应用于IBD、肿瘤等疾病，或可提高疾病的综合治疗效果。FMT在重建患者肠道菌群结构的同时，其快速发展也重建了医师的知识结构。