肠道菌群在抗肿瘤支持治疗中的研究进展*

王璐 孙伊楠 尹菡 陈心怡 李龙 袁响林

肠道微生物群（gut microbiota，GM）由数以万亿计的微生物组成，包括1 000 余种不同的已知细菌、真菌、古细菌、寄生虫和病毒，其基因超过300 万个[1-2]。健康成年人共有的GM 种类，构成“核心微生物群”[2]，但人类GM 在机体内部和个体之间也表现出显著差异，这取决于饮食习惯、种族、宿主遗传、年龄和既往药物使用情况等[2-4]。GM 可调节多种生理功能，如代谢、炎症、肿瘤和免疫[5-6]。GM 与肿瘤之间复杂而紧密的关系已被大量研究报道，GM 作为肿瘤潜在生物标志物的作用及其对癌症治疗的安全性、耐受性和疗效的影响也越来越得到重视[7-9]。微生物微环境、微循环微环境、免疫微环境和代谢微环境共同构成肿瘤微环境，微生物微环境作为肿瘤微环境重要组成部分之一，在肿瘤的发生发展、放化疗疗效不良反应以及免疫治疗中的作用等方面为解决相关肿瘤难题提供重要方向。GM 和肿瘤的关系复杂而密切，可作为生物标记物、诊断工具、治疗靶点，是肿瘤精准治疗中不可或缺的因素。

1 GM 与肿瘤的发生发展

1.1 肿瘤患者GM 的变化

肿瘤患者与非肿瘤患者在GM 的组成以及丰度上具有显著变化：1）益生菌与致病菌的数量比例下降，其中益生菌包括拟杆菌、长双歧杆菌、瘤胃球菌等；致病菌包括具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum，Fn）、变形菌、Dore 菌、艰难梭菌、志贺菌等；2）菌群多样性降低，肿瘤患者GM 丰度显著低于正常健康人群；癌组织黏膜与癌旁黏膜肠道菌群丰度之间也存在差异；3）厚壁菌门/拟杆菌门比例失衡：菌群失调引发肿瘤发生可归因于微生物因素和宿主免疫反应[10,11]。GM 对肿瘤发生、发展的影响主要通过以下几种途径：1）微生物直接与肿瘤接触，促进肿瘤发展；2）通过调控机体免疫系统而对肿瘤影响；3）通过调节机体代谢，间接影响肿瘤细胞的命运；4）特定的菌群也可以影响肿瘤化疗效果，阻碍肿瘤的有效治疗[12]。结直肠癌患者体内的原发性肿瘤与转移肿瘤中存在相同的肠道细菌，而且这些细菌与肿瘤的生长密切相关[13]；GM 对局部屏障稳态的维持和调节代谢、造血、炎症、免疫和其他功能的生理功能有重要作用，参与上皮屏障和无菌组织中肿瘤的发生发展[14]。

1.2 Fn 促进肿瘤的发生发展

GM 的组成和功能改变使致病菌更易在肠道定植，直接相关的病菌如：Fn、产肠毒素脆弱拟杆菌、致病性大肠埃希菌等；其中对Fn 的研究最为全面和深入。Fn 定植后肠道屏障受损，启动髓细胞介导的免疫反应，导致细胞基因毒性发生及表观遗传改变，最终引起结肠癌发生。Fn 与结肠瘤变、结直肠癌和疾病预后相关，结直肠癌患者的总体存活率随着具核杆菌的增加而减少：R 为Fn 的相对数量（肿瘤组织中的Fn 相对于配对正常上皮组织的的倍数），当R＞216提示预后不良，中位生存期为2年；当肿瘤组织中未检测到Fn 或R＜25，2年的生存率为100%[15]。Fn 和葡萄糖代谢在机制上、生物学和临床上与结直肠癌发生相关，靶向ENO1 通路可能对治疗Fn 升高的结直肠癌患者有意义[16]。此外，针对Fn 设计改造噬菌体是一种精准治疗结直肠癌的方法之一，通过噬菌体改造技术筛选了一种特异性结合Fn 的M13 噬菌体。将银纳米粒子静电组装在其表面衣壳蛋白上，以实现Fn 的特定清除并重塑肿瘤微生物微环境和免疫微环境。体外和体内研究表明，M13 噬菌体治疗可以清除肠道中的Fn 并导致肿瘤部位髓源性抑制细胞扩增减少。此外，抗原呈递细胞被M13 噬菌体激活以进一步唤醒宿主免疫系统以抑制结直肠癌。M13 噬菌体与免疫检查点抑制剂或化疗药物联合使用可显著延长原位结直肠癌模型中小鼠的总体存活率[17]。

GM 中Fn 和哈瑟韦氏菌群能驱动结直肠癌宿主中结肠上皮细胞抑癌基因启动子高甲基化。有研究[18]通过在正常结肠黏膜组织、腺瘤组织，以及10 对结直肠癌和结直肠癌邻近组织中进行16SrRNA 基因测序和基于甲基-CpG 结合域的捕获测序，确定TSG 启动子高甲基化与结直肠癌相关细菌之间具有显著关联；Fn 和哈瑟韦氏菌群被鉴定为甲基化调节细菌。进一步机制验证实验表明：Fn 和哈瑟韦氏菌上调了DNA甲基转移酶，促进了无菌和常规小鼠的结肠上皮细胞增殖。

1.3 GM 多样性与肿瘤的发生发展

不仅单一GM 对结直肠癌发生具有影响，GM 的多样性和构成比也同样具有重要作用[19]。肠道古细菌组成的改变和其他细菌的相互作用与结直肠癌有关，有研究对184 例结直肠癌患者、197 例腺瘤患者和204 例健康人的粪便样本中古细菌进行了NGS 分析发现来自结直肠癌患者、腺瘤患者和对照个体的粪便样本中存在明显的集群差异，表明在肿瘤发生过程中肠道古细菌的组成发生了变化。在对照个体的粪便样本中观察到古细菌和细菌多样性之间的关联，这种现象尚未从结直肠癌患者中观察到。富含结直肠癌患者粪便样本的古细菌与富含相同样本的细菌有广泛的相互关联，富集嗜盐菌和缺乏产甲烷菌是结直肠癌患者粪便样本的古细菌特征[20]。结直肠癌患者的肠道循环细菌DNA 也在结直肠癌诊断中具有一定价值，有研究[21]对来自25 例结直肠癌患者、10 例结直肠腺瘤患者和22 例健康对照人群的血浆样本进行了NGS 测序。与结直肠癌/直肠腺瘤患者相比，健康对照人群的物种多样性略高。大多数循环细菌DNA 来自通常与胃肠道和口腔相关的细菌属。通过差异分析，选出预测能力最高的28 个物种。在直肠腺瘤患者中，与健康对照人群相比，所选28 种物种的相对丰度与结直肠癌患者中的更相似。物种相关性分析显示结直肠癌和健康对照人群显示出不同的物种关联模式。该项研究证明了结直肠癌患者循环细菌DNA 的改变，这有可能成为结直肠癌筛查和早期诊断的非侵入性生物标志物。

1.4 菌群在肿瘤发生发展中的其他应用

GM 不仅能预测结直肠癌的发生和发展，对其他肿瘤也有预测能力。特定GM 特征可预测早期肺癌，有研究通过16S 核糖体RNA 基因测序分析，在包含42 例早期肺癌患者和65 例健康个体的队列中分析了GM 组成。与健康人群相比，肺癌患者的微生物群组成发生了显著变化。利用支持向量机发现具有13个基于操作分类单元的生物标志物的预测模型在肺癌预测中实现了高精度下面积曲线预测，进一步构建一个“患者偏向指数”。该研究揭示了肺癌患者的微生物群谱，并建立了特定的GM 特征，可用于早期肺癌的潜在预测[22]。不仅如此，在完整消化道中，口腔微生物群的生物标志物亦被发现有助于预测结直肠癌发展风险，人类口腔微生物群失调可作为检测结直肠癌的新型非侵入性生物标志物。有研究对161 例结直肠癌患者、34 例结直肠腺瘤患者和58 例健康志愿者的口腔拭子样本使用16S 核糖体RNA 测序评估口腔微生物群。三组口腔微生物组成和多样性差异显著，直肠腺瘤组的多样性最高。口腔微生物群的功能潜力分析表明，与健康对照组相比，直肠腺瘤和结直肠癌组中较多涉及细胞运动相关蛋白。该研究表明口腔微生物群失调与结直肠癌之间存在潜在关联[23]。

2 GM 与放化疗的疗效和不良反应

2.1 GM 调节化疗的疗效和不良反应

GM 与化疗的相互作用可总结为“TIMER”：移位（translocation，T）、免疫调节（immunomodulation，I）、代谢（metabolism，M）、酶降解（enzymatic degradation，E）、减少多样性（reduced diversity，R）[24]。

环磷酰胺（cytoxan，CTX）能够改变肠黏膜屏障，可引起小肠绒毛缩短和炎性细胞浸润，同时CTX 可以直接对GM 造成影响，诱导继发性淋巴器官中黏膜相关的微生物异常和细菌移位，允许共生菌移位至次级淋巴器官。万古霉素能钝化CTX 诱导的TH17 分化，导致CTX 的抗肿瘤效应下降。无菌或经抗生素治疗杀死革兰氏阳性菌荷瘤小鼠的显示TH17 反应降低，且其肿瘤对CTX 具有抗性[25-26]。GM 通过调节自噬促进对结直肠癌化疗耐药，小鼠模型中，Fn 诱导了结直肠癌对5-FU 和奥沙利铂的抗性，Fn 促进自噬通路激活，自噬小体增加，自噬抑制剂明显消除了Fn 诱导的化疗抗性，增加了细胞凋亡[27]。

GM 与化疗也可通过免疫调节相互作用。甲氨蝶呤较易使得广谱抗生素预清除细菌的小鼠产生小肠炎，TLR2 和TLR4 可能参与这种效应的产生[28]。GM 可通过酶降解和代谢途径与化疗的相互作用。抗病毒药物索立夫定在肠道拟杆菌属产生的磷酸化酶的作用下转化产物可以使肝二轻嘧啶脱氢酶失活，5-FU 灭活代谢减少，全身5-FU 浓度增加，甚至发生致死性毒性[29]。化疗也可以减少肠道菌群多样性，在甲氨蝶呤诱导的大鼠胃肠黏膜炎模型中，微生物群的数量和多样性大幅减少，化疗与抗炎细菌的减少和促炎细菌的增加有关，具有这种效应的化疗药包括依托泊苷、阿糖胞苷等[30]。

2.2 GM 与放疗的疗效和不良反应

GM 与放疗的疗效和放射性损伤的发生密切相关。放射诱导的GM 在体内会使结肠组织损伤加重，无菌鼠在辐射诱导微生物群处理后，其放射损伤指标IL-1B 持续升高，并且促进放射性结肠炎发生[31]。粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）也可防止辐射诱发的毒性。FMT 增强血管生成，但不加速肿瘤生长；FMT 可改善胃肠道功能和上皮完整性，从而改善辐射诱发的胃肠道毒性[32]。GM 不仅能调节放疗后胃肠功能，而且对调节全脑放疗后引起的认知功能障碍（cognitive dysfunction，CD）也有临床价值；15Gy 全脑放疗后，CD 的发生率大约是31%。CD 小鼠拟杆菌增多，东海酪酸菌减少。经抗生素处理后，CD 发生率从33.3%上升至45.8%。16SrRNA 测序发现，抗生素组与单纯放疗组对比，其丙型丙酸杆菌、大肠杆菌、埃希氏菌、大肠埃希菌增多。经益生菌处理后，CD 发生率从30.0%降至23.1%[33]。

2.3 GM 在新辅助放化疗中的应用

GM 在预测新辅助放化疗反应方面具有临床价值。有研究观察到新辅助放化疗期间显著的微生物组改变，对比基线样本发现新辅助放化疗反应者和无反应者之间存在显著微生物群差异。与丁酸盐产生相关的微生物，包括罗氏菌属、Dorea 菌属和 Anerostipes 菌属，在反应者中的比例较高，而红蝽菌科和Fn 在无反应者中的比例较高。最终研究选择10 种GM 生物标志物，为预测新辅助放化疗反应提供了新的潜在生物标志物，在这些患者的临床管理中具有重要的意义[34]。

3 GM 调节免疫治疗的疗效和不良反应

GM 可通过调节局部或全身的免疫状态重塑微生物微环境影响免疫治疗的疗效和不良反应。有研究报道3 种肠道菌群：假长双歧杆菌、约氏乳杆菌和欧陆森氏菌能增强免疫治疗疗效，假长双歧杆菌可促进Th1 的激活和抗肿瘤免疫[35]。益生菌丁酸梭菌疗法（clostridium butyricum therapy，CBT）增强了非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitors，ICIs）的疗效，益生菌CBT 组具有更长的无疾病进展时间和生存时间。不仅如此，益生菌CBT 逆转了抗生素干预ICI 的疗效：在接受抗生素治疗的患者中，与未给予益生菌CBT 的患者相比，接受益生菌CBT 的患者无疾病进展时间和生存时间明显提高[36]。NSCLC患者使用质子泵抑制剂或抗生素降低ICI 的疗效[37-38]，可能原因在于NSCLC 患者肠道菌群多样性改善ICI治疗疗效，使得GM 多样性高的人群无疾病进展时间长于肠道菌群多样性低的人群[39]。

GM 在胃肠道肿瘤ICI 疗效的相关性可确定具有患者分层潜力的细菌分类群[40]。有研究基于此利用FMT 技术开展了早期的临床试验，对10 例ICI 难治性转移性黑色素瘤患者进行了一期临床试验，以评估FMT 和再次诱导ICI 的安全性和可行性。该研究观察了3 例患者的临床反应，其中2 例患者达到部分缓解，1 例达到完全缓解。FMT 治疗与肠道固有层和肿瘤微环境中免疫细胞浸润和基因表达谱的有利变化相关[41]。一项研究对粪便样本的16S rRNA 分类测序显示，患者的普氏菌/拟杆菌比升高与ICI 治疗反应性相关，并且特定的反应者亚组具有显著更高的普氏菌丰度、瘤胃球菌科和毛螺菌科。表现出不同反应的患者在与核苷和核苷酸生物合成、脂质生物合成、糖代谢和发酵成短链脂肪酸相关的通路丰度不同。该研究强调了GM 对ICI 治疗效果的影响，并表明GM 作为ICI 反应标志物的潜力[40]。肠道嗜黏蛋白阿克曼菌在ICI 有效应的患者中富集，影响小鼠和患者中ICI 抗癌疗效，与ICI 进行联合，生存期显著提高[42]。特定的GM 组成能显著帮助延长黑色素瘤患者的无进展生存期，在临床中避免使用抗生素，可让患者对ICI 的应答率从25%提高至40%[43]。

4 饮食与药物调节GM、结直肠癌发生发展

饮食可以通过调节GM 来影响结直肠癌的发生和发展（图1）。不易消化的植物多糖主要由肠道微生物群发酵，大枣多糖（jujube polysaccharide，JP）属于植物多糖，通过对GM 的调节，在动物模型中证实可抑制肿瘤的发生。采用氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎-癌症小鼠模型，与对照组相比，添加JP 可通过改善结肠炎-癌症引起的GM 失调来预防结直肠癌。经JP 治疗后，厚壁菌门/拟杆菌门显著减少。JP通过积极调节GM 并增强某些有助于宿主健康的代谢途径而表现出类似益生元的效果。氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸钠改变GM 后，JP 具有恢复GM 的能力，表明JP 作为益生元预防和治疗结直肠癌的潜力[44]。另有研究将具有理想生物相容性并广泛用作食品和药品添加剂的益生菌和益生元相结合，构建一种安全的微生物群调节材料。通过丁酸梭菌和化学修饰的益生葡聚糖之间化学反应，制备了益生元封装的益生菌孢子（spores dex）。该研究发现，其口服后可特异性富集在结直肠癌病灶。在病灶中，葡聚糖被丁酸梭菌发酵，从而产生抗癌短链脂肪酸。此外，益生菌孢子调节GM，并显着增加微生物群的整体丰富度。在皮下和原位肿瘤模型中，益生菌孢子抑制肿瘤生长高达89%，且没有发现显著的不良反应。这项研究揭示了使用高度安全的微生物策略来调节肠道微生物群的可能性，并为治疗各种胃肠道疾病提供了潜在的途径[45]。

图1 以GM 为核心形成个体/食品/药物-GM-肿瘤网络

5 结语与展望

GM 作为药物、食物以及物理化学刺激与肿瘤发生、发展、治疗预后的中介因素，在肿瘤微环境中具有重要的作用；其不仅对结直肠癌、胃癌等消化道肿瘤具有调节、诊断预测作用，也能在其他系统的恶性肿瘤如肺癌中起到生物标志物作用，针对有害GM 的噬菌体的研发也在进行中。提高GM 的多样性，减少抗生素的使用，降低有害菌群的丰度能有效提高肿瘤的预后、抗肿瘤治疗的疗效。针对GM 的精准化调控和检测将会成为未来肿瘤治疗、肿瘤预测的重要方向。