肠道菌群与肝癌免疫治疗的研究进展

张 鑫, 梁 斌

张鑫, 梁斌, 华中科技大学同济医学院附属协和医院放射科 湖北省武汉市 430022

0 引言

原发性肝癌是全球第六大常见癌症和第三大癌症死亡原因, 肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)占原发性肝癌病例的75%-85% , 中国是肝癌高危险地区. 大多数肝癌患者确诊时已是中晚期而失去根治性治疗的机会, 目前现有的治疗方法并不理想. 免疫疗法通过激活肿瘤特异性免疫应答为肿瘤的治疗带来了新的希望. 随着肿瘤免疫治疗取得一系列进展, 肝癌免疫治疗也受到了越来越多的关注, 免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitor, ICI)的应用是目前研究的热点. 人体的肠道菌群是一个庞大而复杂的体系, 在消化、免疫等各项生命活动中发挥重要作用. 肝脏与肠道具有特殊的解剖和生理关系, 越来越多证据表明, 肠道菌群在肝癌的发生发展中起着关键作用. 近些年来研究发现肠道菌群的变化可以预测或影响肿瘤免疫治疗疗效. 因此, 研究肠道菌群与肝癌免疫治疗的关系, 对预测和提高肝癌免疫治疗的疗效可能有重要意义.

1 肠道菌群与肝细胞癌

肝细胞癌通常发生在肝脏慢性炎症的背景下, 诸如病毒性肝炎、酒精性肝病(alcohol-related liver diseases, ALD)、非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis, NASH)、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)及肝硬化等.

肠道和肝脏通过门静脉紧密相连, 这使得肝脏不仅可以接受血液中来自肠道丰富的营养物质, 也暴露于肠道菌群的代谢物和产物. 肠道完整的屏障功能与肠道菌群的相对稳定状态使肝脏免于高度暴露于的肠道菌群的代谢物和产物. 肠道菌群失调, 其特征是致病菌的丰度增加, 同时被认为对身体有益的菌群的多样性减少或丢失, 这导致了一些细菌有害的代谢物堆积, 进而提高肠道通透性并通过“肠-肝轴”来诱发肝脏病理过程. Zhu等的研究结果显示, NASH患者的肠道菌群在门、科和属等水平上均与健康者不同. Chen等发现与健康人相比, 肝硬化患者肠道菌群组成发生了明显改变, 生物总体多样性发生了下降, 表现为类杆菌减少, 变形杆菌和梭杆菌增加, 并且伴随一些潜在致病菌流行. Dapito等的报告, 与传统小鼠相比, 在无菌条件下生长的小鼠患上肝癌的数量更少, 体积更小. 这些研究提示, 肠道菌群的变化与慢性肝病和肝癌的发展具有重要联系. 肠道菌群可以通过病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)介导的免疫通路影响肝癌发生发展. Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)在多种肝脏疾病中发挥作用, 而目前研究比较充分的是TLR2和TLR4. TLR2可与革兰氏阳性菌的细胞壁成分脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)相互作用. 在肥胖诱导肝癌的动物模型中, 肠道革兰氏阳性菌细胞壁的主要成分LTA的易位可以调节肝星状细胞的的衰老相关表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP)变化和上调环氧合酶2(cyclooxygenase-2, COX2)表达, 前者分泌各种促炎因子和促癌分子, 后者介导前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)的产生及后续PTGER4受体作用, 抑制抗肿瘤免疫, 促进肝癌的发展. TLR4是调控内毒素即脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)作用的主要受体和信号传导分子, 与革兰氏阴性细菌及其内毒素的识别和激活有关. LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分, 通过LPS－TLR4通路可以激活TLR4, 引起相关促炎反应, 进而促进肝细胞的分化, 抑制细胞凋亡, 促进肝癌的进展. 肠道菌群可以通过驱动肝脏炎症刺激加速肝脏癌变过程.

肝脏含有多种免疫细胞, 如各种淋巴细胞(T细胞、B细胞、自然杀伤细胞和自然杀伤T细胞)、单核巨噬细胞、树突状细胞、肝星状细胞、肝窦状内皮细胞等. 肝癌通常起源伴有大量免疫细胞浸润, 免疫状态对肝癌的生物学行为可能有很大影响. 肠道菌群及其相关产物作为外界刺激因子可以被机体的免疫系统识别, 引起一系列的免疫反应. 辅助性T细胞17(T helper cell 17, Th17)是一种新的辅助性T细胞亚群, 可产生促炎和促血管生成介质, 如IL17A. 健康肝脏中Th17细胞的丰度很低, 大多数Th17细胞是在肠道中通过与肠道菌群相互作用而产生的. 在肝癌患者的肿瘤和血液中检测到Th17细胞水平升高, 且Th17细胞水平与生存不良呈正相关. Th17细胞分泌的IL17A可能通过分泌血管生成介质和细胞因子来促进肿瘤血管生成, 从而发挥促肿瘤作用. 因此, 推测可能是肠道产生的IL17参与了肝癌的发生发展. 肠道菌群失调可以使肠道上皮增生与白细胞介素-25(interleukin 25, IL-25)分泌增多. Li等研究发现肝癌患者中IL-25水平明显升高, 并且与外科术后的生存率呈负相关. IL-25可以促进Ⅱ型细胞因子依赖性免疫, 通过诱导M2巨噬细胞产生促进肝癌的进展. 自然杀伤T(natural killer T, NKT)细胞可以对肝癌的生长具有抑制作用, NKT细胞的积累受CXCL16的表达调节. 肠道菌群可以通过调节胆汁酸的代谢来影响CXCL16的表达, 进而控制CXCL介导的NKT细胞的招募. 上述研究表明, 肠道菌群可以通过调节免疫细胞的表达与积累, 影响肝癌的发生与进展.

2 肠道菌群与肿瘤免疫治疗

肠道菌群在肿瘤免疫治疗中扮演着重要作用, 操纵肠道菌群可能会调节肿瘤的免疫治疗效果. 在对肿瘤免疫治疗效果更好的患者中, 对健康有利的细菌(如艾克曼氏菌属和双歧杆菌属)或免疫原性细菌(如肠球菌属)的含量相对更加丰富, 同时双歧杆菌属、艾克曼氏菌属和拟杆菌属已被认为是能有效提高抗肿瘤免疫能力、更好地控制体内肿瘤生长的有利细菌. 大肠埃希氏菌(, ECN)是一种应用广泛的益生菌, 最近一项实验表明, ECN具有增强抗肿瘤免疫作用, 显著增强了转化生长因子受体阻滞剂对肿瘤生长和转移的抑制作用. 同时, ECN能缓解免疫抑制的肿瘤微环境, 表现为肿瘤特异性效应T细胞浸润增强, 树突状细胞活化. 受ECN的调节, 肠道菌群还可能会向某些有益细菌转移, 与荷瘤对照组相比, ECN治疗的小鼠也发现类杆菌属的丰度增加. 艾克曼氏菌属()是一种定植于粘膜层的肠道共生菌, 被认为是一种很有前途的益生菌候选菌种. 单独使用艾克曼氏菌属可以恢复患者免疫力并通过将CCR9+CXCR3+CD4+T细胞被招募到肿瘤床上, 提高CD4+T细胞与CD4+FoxP3+T细胞(regulatory T cells, Tregs)的比率, 增加肿瘤中免疫细胞浸润. 除了上述菌群, 一些具有提高抗肿瘤免疫能力的菌群正不断被发掘.

目前常用的免疫治疗方法有免疫检查点抑制剂治疗、靶向肿瘤相关抗原的抗体治疗、嵌合抗原受体T细胞免疫治疗、肿瘤疫苗治疗和免疫联合治疗. 关于肠道菌群与肿瘤免疫治疗研究大部分围绕免疫检查点抑制剂展开. 免疫检查点指免疫系统中存在的抑制受体和抑制信号通路, 这些检查点在肿瘤组织中表达上调, 抑制T细胞活性, 从而形成免疫逃逸. 其靶点主要包括细胞毒性T淋巴细胞抗原-4(cytotoxic T lymphocyte antigen-4, CTLA-4)和程序性死亡受体-1(programmed cell death 1, PD-1)及其配体程序性死亡受体配体-1(programmed cell death ligand 1, PD-L1). CTLA-4作为免疫抑制受体, 与T 细胞表现的协同刺激分子受体CD28具有相同的配体CD80和CD86, 通过与CD28竞争性结合配体, 从而抑制T细胞活化. PD-1主要表达于CD8+T细胞、CD4+T细胞、NK细胞、Treg等, 通过与其配体包括PD-L1和PD-L2结合来传递共抑制信号, 阻断T细胞活化、增殖, 起负性免疫调节作用. 肿瘤细胞可以通过表达PD-L1并与PD-1相互作用抑制T细胞功能, 从而逃避免疫杀伤. 目前已有多种针对上述两个通路的抑制剂应用于临床, 如CTLA-4抑制剂tremelimumab, PD-1抑制剂nivolumab, PD-L1抑制剂atezolizumab. 这些抑制剂通过阻断免疫检查点分子与配体的相互作用, 可增加肿瘤内淋巴细胞浸润、激活原始T细胞、逆转T细胞衰竭、减少肿瘤微环境中免疫抑制成分等, 达到抗肿瘤免疫治疗目的. 有实验表明CTLA-4拮抗剂的抗肿瘤作用依赖于特定种类的类杆菌, 肠道菌群的组成影响小鼠和患者依赖IL-12的Th1型免疫反应. 在使用广谱抗生素的无菌(germ free, GF)小鼠和(specified pathogen free, SPF)小鼠中, 抗CTLA-4治疗的作用明显减弱, 并且可以用具有优势类杆菌的患者进行粪便移植逆转这种效应. 肠道菌群组成不同的小鼠对PD-1/PD-L1阻断治疗的反应也有显著差异. 对抗PD-1治疗有利反应和肿瘤生长缓慢的小鼠, 肠道菌群中双歧杆菌的种类显著增加, 这种作用主要通过促进树突状细胞的成熟, 从而提高肿瘤特异性CD8+T细胞的活性, 进而调节肿瘤微环境. 将两种小鼠共栖或者将粪便移植给对治疗反应较差的小鼠可以减缓小鼠体内肿瘤的生长速度并提高对PD-1的治疗反应. 此外, 给肠道菌群组成欠佳的小鼠口服含有双歧杆菌的益生菌, 也提高了PD-1的抗肿瘤效果. 将对PD-1阻断有反应的患者的粪便样本转移到GF小鼠身上也成功地复制了优势表型: 与接受无应答者粪便的小鼠相比, 肿瘤生长较慢, 治疗效果更好. 一项实验表明, 在接受抗PD-1/PD-L1治疗的情况下, 未按常规适应症接受抗生素治疗的上皮性肿瘤患者的总体存活率和无进展存活率显著更高. 这一现象表明, 抗生素的使用可能会破坏肠道菌群的平衡, 从而削弱抗肿瘤免疫和对免疫检查点阻断的反应. 因此, 补充特定的菌群或调整菌群的组成, 可能会显著改变ICI的治疗效果.

3 肠道菌群在肝癌免疫治疗中的研究进展作用

ICI是近年发展最迅速的免疫治疗策略之一, 在肝癌领域, ICI治疗的临床试验也取得了重要进展. Sangro等人开展了一项tremelimumab对晚期肝癌作用效果的Ⅰ期临床试验, 结果显示其部分缓解率为17.6%, 疾病控制率为76.4%, 疾病无进展生存时间为6.48个月. CHECKMate-040研究是一项针对晚期HCC患者的国际性、多中心、开放标签的Ⅰ/Ⅱ期研究, 旨在评估PD-1检查点抑制剂nivolumab. 试验结果表明, 这种免疫治疗方法具有可接受的安全性和耐受性, 并对肝癌有良好的疗效. CHECKMate-459研究是一项Ⅲ期随机对照试验, 比较nivolumab与sorafenib作为治疗晚期肝癌患者的一线疗法, 研究初步表明, nivolumab作用于未使用及使用过sorafenib失败患者的总体存活率有明显改善的趋势. 关于ICI治疗肝癌的临床实验仍在进行中, 现有证据表明其在肝癌治疗领域具有良好的疗效和安全性.

ICI的应用为肝癌治疗带来了新的希望, 但与在其他实体肿瘤中使用的疗效相比, 其在肝癌领域的临床反应仍然相对较低. 肠道菌群与肿瘤免疫治疗有一定相关性, 肠道菌群有可能影响肝癌免疫治疗的效果. Zheng等的研究揭示了肠道菌群与PD-1治疗肝癌疗效的关系, 8例肝癌患者给予抗PD-1治疗, 其中3例患者被评价为R组(完全或部分缓解, 或病情稳定6个月以上), 5例患者被评价为NR组(疾病进展或病情稳定持续时间＜6个月); R组的菌群的丰富度明显高于NR组, 并且在R组富集的20种优势菌群中, 发现有乳杆菌、双歧杆菌、艾克曼菌和嗜热链球菌等益生菌. 这些益生菌可以通过抑制病原微生物的生长, 对宿主代谢和免疫发挥有利作用. 这项研究提示肝癌抗PD-1免疫治疗的早期肠道菌群的多样性和组成的动态变化特征可能对药物疗效和疾病预后有明显意义. 然而, Shen等的研究结果显示肠道菌群与肝细胞癌患者对ICI的疗效不存在明显关联, 结果还显示Zheng等研究中发现的20种优势菌群并没有在此研究中被鉴定出来. 美国国家癌症研究所正在进行一项将万古霉素治疗和免疫检查点阻断结合的临床试验(NCT03785210). 这项研究有望解释ICI的应用与对肠道菌群的干预相结合是否使肝癌患者获益. 目前尚未有研究肠道菌群与肝癌免疫治疗的关系的大规模前瞻性研究, 但将调节肠道菌群引入肝癌患者免疫治疗领域是一个有前景的研究方向.

4 结论

现有的理论依据和研究进展已经证实肠道菌群在肝癌的发生、发展中的重要作用. 肠道菌群在调节机体免疫和代谢方面具有巨大潜力, 并且肠道与肝脏的解剖学和生理学联系也为肠道菌群在肝癌的治疗提供理论支持. 然而, 由于个体宿主的差异, 肠道菌群的种类众多, 因此还需不断地探索与挖掘, 进一步阐明作用机理. 但毋庸置疑的是, 肠道菌群可能是预测和调节肝癌免疫治疗的一种很有前景的方法.