微生物群与肿瘤发展及治疗相关性的研究进展

褚洛颐，孔金玉，李桂芳，张秀森，孙玲云，高社干,2，孙江涛

人体微生物群包含的独特基因至少是人类基因组的100倍[1-2]。它们的主要栖息地是肠道，但活跃的微生物群存在于身体的大部分部位，包括口腔、消化道和呼吸道。这些微生物影响我们许多重要的生理功能，包括免疫系统和新陈代谢。这种由人类宿主和微生物组成的共生体能够感知环境信号，并做出相应的适应性反应[3]。宿主和微生物之间复杂的相互作用能够延伸到癌症，微生物与20%的人类恶性肿瘤相关[4]。共生微生物群直接影响肿瘤的发生、发展和治疗。例如，小鼠肠道共生微生物群的破坏会影响化疗与免疫治疗的抗肿瘤效应[5]。在癌症患者中也观察到同样的现象，即对肠道微生物群依赖性的治疗反应[6-7]。肠道微生物群在调节胃肠道和远端部位肿瘤方面的系统性作用，此前已有很好的综述[8-9]。

肿瘤组织的共生微生物群构成了肿瘤微环境的重要组成部分[10]，影响肿瘤的发生和发展，其中主要相关的潜在作用模式包括以下3种[11]：①通过增加突变直接促进肿瘤发生。经过进化，许多微生物产生的化合物能够导致DNA损伤、细胞周期停滞和遗传不稳定。这些化合物可以促进肿瘤的发生，例如大肠杆菌素可通过一些大肠杆菌和其他肠杆菌科中的pks位点产生[12-13]，说明微生物群能够导致双链DNA损伤，从而促进结直肠癌的肿瘤发生[14]。②癌基因或致癌途径的调节。除了直接造成DNA损伤，共生微生物产物还能够参与宿主的致癌通路。这些通路的激活或上调导致肿瘤的发生已被报道，尤其是Wnt/β-catenin通路[15]，该通路可促进癌基因如c-Myc和G1/S-特异性周期蛋白-D1(CyclinD-1)的转录并促进肿瘤的发生和进展，例如在胃癌和结直肠癌中，Wnt/β-catenin通路可被局部共生微生物群激活或调节[16-18]，并且促进肿瘤进展。③通过下调宿主免疫系统功能，增强肿瘤进展。在健康状态下，共生微生物和宿主免疫系统处于平衡稳态状态。宿主免疫系统能够耐受共生微生物群落，并对潜在的有害病原体做出适当反应。然而，这种平衡的扰乱和微生物群的失调会导致促进肿瘤发生发展的微环境的形成。许多研究表明，局部细菌群落的失调会导致慢性炎性免疫反应，并且能够促进肿瘤的生长。这可能与微生物激活核因子κB(NF-κβ)有关，NF-κβ是肿瘤相关免疫反应的关键调节因子[19-20]。局部微生物已被证明通过抑制抗肿瘤免疫反应来调节局部免疫监视，这种免疫抑制已在结肠癌患者以及肺癌小鼠模型中观察到[21-22]，表明共生微生物群可能是癌症治疗的潜在目标，但其发生机制需要进一步研究。

此外，研究发现肿瘤内特定的细菌群体具有肿瘤类型特异性，与肿瘤发展有关[23]。在最近研究中，有学者分析了7种癌症类型的1 500多种肿瘤[23]，发现肿瘤内和细胞内微生物组成在肿瘤类型之间是不同的，揭示了微生物代谢途径和临床特征之间的相关性。本文综述不同类型肿瘤中的微生物群，以及它们在不同类型的肿瘤发生进展及治疗中的作用。

1 食管癌

食管癌是世界上最常见的恶性肿瘤之一[24]，其组织学类型主要包括食管腺癌和食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)，中国食管癌以ESCC更常见，占比超过90%。而目前的预防及治疗手段欠佳，多数患者仍不能得到有效控制，5 a生存率很低[24]。食管含有多种类型微生物，主要分为Ⅰ型和Ⅱ型[25]。Ⅰ型微生物群主要类型为革兰阳性菌(15%)厚壁菌门， 主要为链球菌(相对丰度为 79%)，与正常食管密切相关；而Ⅱ型微生物群主要类型为革兰阴性菌(53%)，主要与食管异常有关。一方面，这些微生物从局部维持稳态到系统地调节机体代谢、造血、炎性反应、免疫反应等方面均发挥着重要作用；另一方面，微生态失调可能导致组织损伤，从而促进产生致癌代谢物的细菌过度增殖，并在各种疾病中发挥重要作用，包括炎性疾病和肿瘤发生发展、转移过程[26-27]。国内高社干教授团队首次报道了牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis,Pg)与食管癌之间的密切关系[28]。Pg是一种重要的口腔致病菌，可侵入上皮细胞，干扰宿主免疫应答和细胞周期机制，促进肿瘤的发生发展[29]。已知增加IL-6和STAT3活性可以促进肿瘤发生[30]。有关研究表明Pg激活JAK2和GSK3β通路[30]，从而减少肿瘤抑制因子p53的水平。Pg可诱使环氧化酶2和血管内皮生长因子的表达增加，增加肿瘤新生血管形成，有利于肿瘤的局部浸润和转移[30]。Pg还可以通过间接作用，抑制自然杀伤T细胞的功能，有利于肿瘤细胞逃脱自身免疫系统的攻击，有利于肿瘤细胞的增殖与淋巴结转移[31-32]。总之这些发现支持了局部微生物群在肿瘤发生与食管癌发展中起关键作用的观点，为食管癌的预防和治疗提供了潜在的新途径。

2 肺癌

作为体内表面积最大的黏膜部位和与外部环境的主要接口，肺与外界环境相通，存在各种各样的微生物[33-34]，在慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)和囊性纤维化等肺部疾病中，肺微生物群已被证明处于失调状态[35-36]。来自人类和小鼠研究的越来越多的证据表明，微生物群生态失调与肺癌有关。

在癌症中，肺癌是癌症相关死亡率的主要原因，也是第二常见的癌症类型[37]。据估计，所有肺癌病例中有90%归因于吸烟，烟草烟雾、空气污染和其他致癌物都是既定的风险因素，吸烟者的肿瘤内和细胞内细菌分群显示出香烟烟雾中化学物质降解途径的富集，表明肿瘤内微生物群和癌症病因学之间存在联系，即肺共生微生物群与癌症有关。有研究发现栖热菌属丰度增加与晚期癌症之间的相关性，以及军团菌与转移之间的相关性[34]。

肺部微生物群可以直接影响肺癌细胞的生长。局部共生微生物在致癌和癌症进展中作用的3个主要机制中，局部免疫环境的调节和致癌途径与肺癌有关。研究表明，肺内微生物群落的失调能够通过特定的微生物成分促进致癌途径的改变[38]。已有发现表明了TP53和肺微生物群失调之间的联系[39]。嗜酸菌属在肺鳞状细胞癌活检样本中富集，在TP53突变的肺鳞癌患者的活检中发现了相同的分类群。在诊断性支气管镜检查中使用气道刷检，检测出肺癌患者的口腔菌群分类相比对照组增加，特别是链球菌和韦永氏球菌。口腔细菌患病率的增加与PI3K和ERK上调有关[40]。将气道上皮细胞暴露于韦永氏球菌、普氏杆菌和链球菌的体外实验也导致ERK和PI3K通路上调，是肺癌发生的“早期事件”[41]，因此通过共生微生物群失调上调该途径有助于肺癌的发生。肺微生物群已被证明能改变免疫微环境，促进肿瘤进展，慢性炎症与癌症密切相关，细胞因子、趋化因子和其他促炎因子可以促进肿瘤的生长和扩散[42]。已有学者利用雾化抗生素证明，微生物群中细菌生物量的减少与通过T细胞和NK细胞活化增强抗肿瘤免疫反应和减少免疫抑制调节性T细胞有关[23]。此外，有研究表明，在抗生素和益生菌条件下，益生菌鼠李糖乳杆菌可克服免疫抑制和抑制肺肿瘤植入，使肿瘤转移减少[23]。

3 结肠直肠癌

胃肠道是人体内绝大多数共生微生物群的栖息地，宿主和微生物群之间的双向串扰已成为肿瘤进展和各种类型胃肠癌治疗反应的一个核心方面。大量研究证实了共生细菌在结直肠癌中的作用[9]。从机理上讲，肠道微生物群已被证明通过在宿主中引起双链DNA损伤，或通过激活致癌信号如Wnt/β-连环蛋白途径，或通过增加模式识别受体的参与上调NF-kB信号来促进炎症，从而促进诱变。例如，使用无偏倚的基因组分析首次确定梭杆菌属与结直肠癌相关[19]。

4 其他肿瘤

除上述主要黏膜器官外，阴道微生物群也与宫颈癌有关。最近的一项里程碑式的研究显示，卵巢和卵巢组织、骨肉瘤、多形性胶质母细胞瘤中存在瘤内细菌，肿瘤内细菌编码的不同微生物组成和代谢功能在不同类型的癌症中得到鉴定[11]。此外，发现乳腺肿瘤相关微生物群在所有受试肿瘤类型中具有最高水平的多样性和丰度。重要的是，这项研究使用从新鲜乳腺组织中离体分离的细菌和荧光标记的D-丙氨酸证实了代谢活性细菌的存在。

5 结论

作为调节肿瘤进展和影响癌症预后的肿瘤微环境中的一个关键影响因素，微生物群正受到越来越多的关注。不同身体部位的微生物群落在各自癌症的肿瘤发生和肿瘤进展中起不同作用。在许多情况下，基因突变、致癌通路的调节和免疫系统调节的直接变化可以为局部微生物和癌症之间的联系提供潜在的解释。值得注意的是，共生微生物群对免疫微环境产生影响，经常促进炎症或抑制抗肿瘤免疫。宿主免疫系统和局部微生物之间的串扰影响癌症的生长和扩散。

肿瘤相关细菌的作用需要进一步研究。理清微生物、肿瘤微环境和癌细胞之间的复杂关系，可以为潜在的癌症治疗和现有癌症治疗在个体癌症患者中的表现提供有价值的见解。在这个不断发展的领域，仍有许多问题有待解决。总的来说，未来需要继续对肿瘤内微生物群进行研究，以进一步探索其在癌症中的作用，并找到新的癌症治疗策略，包括靶向和个体化治疗，以最大限度地提高抗肿瘤治疗的疗效。