肠道菌群与放疗敏感性及放射性黏膜炎关系的研究进展

李昌振，楼建军，孔培中，韩伟

作者单位：1中国科学院合肥肿瘤医院，安徽 合肥 230001；

2中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230001

肠道菌群（the gut microbiome，GM）是指人类肠道中的所有微生物的基因组成，包括细菌、病毒、真菌和古细菌。人体肠道内寄生着10万亿个微生物，这些微生物与肿瘤的发生和发展关系密切，并对肿瘤治疗起着积极的作用［1-2］。大量研究表明肠道菌群在化疗及免疫治疗中起到关键的作用［3-4］。放疗是抗肿瘤治疗的重要组成部分，超过50%的癌症病人在疾病过程中接受过放疗，其中60%的病人能够从放疗中获益［5］。当然，放疗过程中也会出现放射性黏膜炎等并发症，重度放射性黏膜炎可以导致放疗暂停，影响到病人的生存预后。然而，放疗疗效以及放射性黏膜炎严重程度在不同病人之间差异很大。本文就肠道菌群、放疗敏感性及放射性黏膜炎之间关系的研究进行综合性阐述。

1 肠道菌群与机体免疫系统

肠道菌群可以影响固有免疫发育。动物模型证实无菌小鼠存在严重的免疫缺陷，表现为肠道相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue， GALT）发育障碍［6］。无菌小鼠不仅仅存在肠道局部免疫缺陷，骨髓中的造血也发生了改变。研究表明，髓系造血与肠道中群落的多样性呈正相关，同时也与血浆中Toll 样受体水平相关，这表明肠道菌群可能通过微生物相关分子模式（microorganism-associated molecular patterns， MAMPs）影响了骨髓造血［7］。肠道菌群代谢产物短链脂肪酸（SCFA）能够进入血液循环并作用于骨髓，提高髓系造血能力［8］。肠道菌群还能影响宿主的外周淋巴细胞生成。造血干细胞移植（hematopoietic stem cell transplantation，HSCT）是一种治疗血液肿瘤的方法，然而这种治疗会导致循环免疫细胞和肠道微生物群的巨大变化。Schluter等［9］通过观察HSCT 后循环中免疫细胞与肠道微生物群每日变化，发现肠道菌群和免疫细胞之间存在联系，揭示了肠道菌群与免疫系统的关系。

肠道细菌还能影响适应性免疫反应。许多研究已经证明不同共生菌与抗肿瘤T细胞反应之间有着密切的联系。环磷酰胺能使希氏肠球菌（Entero⁃coccus hirae）易位并活化致病性Th17 细胞和CD8+T细胞，从而抑制肉瘤和肺腺癌模型中的肿瘤生长［3］。双歧杆菌（Bifidobacterium）能增强树突状细胞功能，导致CD8+T细胞在肿瘤微环境中的启动和积累的增强，促进程序性细胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1， PD-1）抑制剂对黑色素瘤的抗瘤效应［4］。脆弱拟杆菌（B. fragilis）定植期间分泌的细菌多糖（PSA）能够通过肠道树突状细胞激活CD4+T 细胞并诱导适当的细胞因子产生，进而指导宿主免疫系统的成熟［10］。当然，有些肠道菌群也会产生促肿瘤生长的作用。乳杆菌将膳食色氨酸代谢为吲哚，能够激活肿瘤相关巨噬细胞上的高芳香烃受体活性，进而抑制炎症性T 细胞的浸润，促进肿瘤生长［11］。

总之，肠道菌群可以调节机体免疫功能，这些免疫介导的相互作用和集体反馈回路被定义为肿瘤免疫-微生物组（immunooncology-microbiome，IOM）轴［12］。

2 肠道菌群与放疗的相互作用

肠道菌群和放疗之间的相互作用是双向的，即放疗破坏了肠道菌群稳定，而肠道菌群的改变又影响放疗疗效。动物实验表明盆腔辐射引起小鼠肠道细菌组成的显著改变，增加了大肠中的阿利斯蒂普菌（Alistipes）的水平以及小肠中棒状杆菌属（Co⁃rynebacterium）的水平［13］。肠道菌群的改变可以影响放疗疗效。Shiao 等［14］发现在乳腺癌和黑色素瘤小鼠模型中，用抗生素介导的细菌耗竭，抑制了巨噬细胞和CD8 T 细胞激活，最终使放疗效果受限。而抗真菌药介导的真菌耗竭，则使起免疫抑制作用的M2 巨噬细胞减少，有利于解除放疗时的免疫抑制，同时，增强了CD8 T 细胞的效应，最终提高了放疗效果。

放疗具有强大的免疫调节作用，放疗增强了树突状细胞抗原提呈效应，并上调CD8+T细胞，使得抗癌活性可以在远离放疗部位观察到，这种现象称为远端效应［15］。研究者发现万古霉素是一种作用于肠道阳性球菌的抗生素，能够增强放疗诱导的抗肿瘤免疫反应。这种协同作用依赖于肿瘤相关抗原交叉呈递给CD8+T细胞和IFN-γ［16］。

肠道菌群能够对放疗疗效起到预测作用。研究者通过对接受同步放化疗直肠癌病人的粪便样本分析发现，与完全缓解的病人相比，非完全缓解病人粪便中的类杆菌相对较多，提示类杆菌与完全缓解率有关［17］。相似的结论在胰腺癌病人中也能观察到，研究者在长期生存病人的肿瘤微生物组中发现了更高的α 多样性，并在发现和验证队列中确定了高度预测长期存活率的肿瘤内微生物组特征（假黄单胞菌-链霉菌-糖多胞菌-克劳斯芽孢杆菌）［18］。通过人-小鼠粪便微生物群移植（FMT）实验，我们能够对肿瘤微生物群进行差异调节，并影响肿瘤生长和肿瘤免疫浸润。

3 肠道菌群对放射性黏膜炎的影响

放射性肠炎（radiation-induced enteritis， RE）是盆腔放疗常见的副反应之一，超过80%的病人在盆腔放疗过程中会发生放射性肠炎［19］。病人会出现腹泻、腹痛、恶心和呕吐，严重时可以导致放疗暂停，影响到病人的生存预后。放射性肠炎的发病机制包括直接作用和间接作用。电离辐射可直接引起细胞DNA 链及染色体断裂等细胞损伤，进而导致细胞周期中断及细胞凋亡。间接作用则是由活性氧的产生和促炎细胞因子的释放引起的［20］。目前，广泛采用Sonis［21］提出的5 阶段模型对放射性肠炎的发生和发展进行描述，即初始期、原发性损伤期、信号放大期、溃疡期和愈合期。

肠道菌群对肠道黏膜放射损伤及修复的许多环节产生影响。辐射破坏肠道屏障和黏液层，导致细菌易位，进而导致炎症反应的激活，同时，辐射导致的菌群失调可以引起肠道局部和全身的免疫反应，促进肠炎发展［22］。肠道菌群同样参与肠道上皮的修复过程。肠道黏膜修复依靠肠道干细胞增殖分化，肠道微生物群可以调节肠道干细胞增殖分化为再生上皮细胞。研究结果表明，细菌通过刺激RIG-I/MAVS和STING信号通路诱导I型干扰素的产生，从而保护肠道干细胞免受损伤［23］。革兰阴性菌的膜成分中的脂多糖刺激上皮细胞表面TLR4 表达，导致前列腺素的产生和减少辐射诱导的上皮干细胞凋亡［24］。

一些动物实验数据表明放射性肠炎与肠道菌群有关。Guo 等［8］发现在高剂量辐射后幸存小鼠肠道菌群中毛螺菌科和肠球菌科比重增加，这些菌群产生的SCFA 能通过减轻造血和胃肠组织的DNA 损伤和活性氧释放，帮助小鼠抵抗辐射。相反的，Ger⁃assy等［25］通过使用直肠辐射小鼠模型证实盆腔辐射能够造成肠道菌群失调，并通过促进IL-1β 的分泌使小鼠肠道黏膜更容易受到辐射损伤。肠道菌群对辐射损伤的调节受性别差异影响，口服辛伐他汀仅能在雄性小鼠中减轻辐射引起的肠道细菌群结构改变，从而改善造血系统损伤、胃肠道功能和上皮完整性，施用抗生素或移植雌性小鼠的肠道菌群，会消除上述治疗效果，表明性别特异的肠道菌群在治疗辐射损伤中有关键介导作用［26］。

临床上，放疗后的肠道菌群失调与放射性肠炎风险增加显著相关。Wang 等［27］评估了宫颈癌放疗病人肠道菌群的变化，发现放射性肠炎病人出现了菌群失调，其变形菌数量增加，拟杆菌的数量减少。同样，Mitra 等［28］评估了接受放化疗的宫颈癌病人的肠道菌群变化与胃肠道毒性之间的相关性，胃肠功能较好病人的肠道菌群具有更高的多样性。因此，肠道菌群可能是放射性肠炎的预测标志物。一项大型临床试验［29］证实盆腔放疗病人的肠道菌群多样性随着放疗的进行逐渐降低，而多样性的降低也与晚期放射性肠炎在一定程度上呈正相关。放射性肠炎病人体内Ⅳ型梭状芽孢杆菌、玫瑰杆菌和弧菌属丰度显著性升高，而用于调节肠道菌群与自稳态的细胞因子（如IL-7、IL-12、IL-15、IL-16 等）降低。不仅如此，临床试验证实通过粪便移植治疗后，放射性肠炎病人临床症状、内镜和影像学表现均有改善［30］。尽管上述实验样本量较小，但这些数据揭示了放疗后肠道菌群改变和放射性肠炎之间的潜在联系，即肠道菌群多样性越低，肠炎发生风险越大。

放射性口腔黏膜炎（radiation-induced oral muco⁃sitis，RIOM）是头颈部肿瘤放疗中最常见的并发症。超过90%的头颈部放疗病人会发生放射性口腔黏膜炎，其中重度黏膜炎的发生率达到了56%［31］。RI⁃OM 严重程度与肠道菌群相关。Jiang 等［32］对接受放化疗的鼻咽癌病人进行口服益生菌治疗，结果发现服用益生菌的病人发生口腔黏膜炎严重程度显著降低。对病人粪便测序结果表明，同步放化疗明显干扰了病人的肠道多样性，而益生菌明显恢复了病人肠道菌群多样性，使之接近健康人。因此，肠道菌群可能成为RIOM风险的预测标志物。

4 总结

肠道菌群对抗癌免疫反应具有不可忽视的影响，然而其生理机制是十分复杂的。在放疗方面，目前的研究证据表明，肠道菌群不仅影响放疗的疗效，而且还预测放射性黏膜炎的发生风险及严重程度。这些结果虽然令人信服，但也有其局限性。事实上，上述研究中没有考虑到饮食、抗生素使用等因素对于肠道菌群的影响。另一方面，这些研究虽然通过使用益生菌或益生元对肠道菌群进行了干预，但由于对放射性黏膜炎肠道菌群的了解不足，干预措施并不精确，这就导致产生了相互矛盾的结果。尽管有这些局限性，发现肠道菌群如何调节放疗敏感性及放射性黏膜炎以及其机制仍是未来重要的研究方向。人们希望肠道菌群成为一种新的生物标志物，通过调节肠道菌群能够提高放疗疗效，并且降低放疗毒性。