肠道微生物在非小细胞肺癌免疫治疗中的作用

阙秋扬，邱 松，张文娟，施华球

（1. 赣南医学院第一临床医学院；2. 赣南医学院第一附属医院，江西 赣州 341000）

肺癌在我国无论发病率还是死亡率，均居首位。肺癌主要的病理学类型分为非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer ，NSCLC）和小细胞肺癌（Small cell lung cancer ，SCLC），其中NSCLC 约占85%。当前肺癌依旧是世界范围内最常见癌症死亡原因之一，患者5 年生存率仅20%。免疫治疗是继传统手术治疗、放射治疗、化疗及靶向治疗后的新兴治疗方式。然而这一治疗方法只有少数患者起效，疗效的差别可归因于肿瘤的类型不同以及患者的个体差异，这与患者的肠道菌群组成密切相关［1］。近年来研究者将目光投向肠道菌群以寻求肺癌防治新突破，研究发现，对肠道菌群进行一定的干预，将增强患者对疾病的防御和治疗效果［2］。有研究表明，在进行化疗、放疗和免疫治疗等抗肿瘤过程中均有肠道菌群参与［3-4］，其中最显著的是免疫检查点抑制剂的治疗［5］。OH B 等［6］研究发现，对免疫治疗有反应与无反应患者肠道微生物多样性和组成存在显著差异。本文主要讨论NSCLC 免疫治疗的潜在机制、肠道菌群与免疫治疗相关性以及当前的解决方法。

1 NSCLC免疫治疗原理及应用

与手术、放疗和化疗等传统的治疗手段相比，肿瘤免疫治疗具有特异性强、不良反应小的优点［7］。NSCLC 免疫治疗是通过外源性物质干预机体免疫系统，重新启动并维持“肿瘤-免疫”微环境，恢复、提高患者的抗肿瘤免疫应答，从而达到控制甚至清除肿瘤的治疗效果［8］。肿瘤细胞在体内生长过程中，为了避免被机体免疫系统清除，将进行伪装，并抑制、破坏人体的免疫系统，最终在体内生长繁殖，这种特征被称为“免疫逃逸”。常用的免疫检查点抑制剂主要有细胞毒性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 protein 1， PD-1）/细胞程序性死亡-配体1（Programmed cell death 1 ligand 1，PD-L1）。免疫检查点抑制剂（Immune checkpoint inhibitors， ICIs）是使用单克隆抗体阻断负向免疫调控的免疫检查点，释放已经存在的抗肿瘤免疫反应，该治疗主要依赖于肿瘤内效应T细胞的作用。其中最受关注的ICIs 是针对PD-1 及其程序性死亡配体（PD-L1/PD-L2）。PD-L1 在T 细胞激活起到刹车作用，PD-1 主要在活化的T 细胞上表达，与PD-1 配体PD-L1 和PD-L2 结合［9］。在与PD-L1 和PD-L2 结合后，PD-1 被蛋白酪氨酸激酶磷酸化，导致酪氨酸磷酸酶Shp2 的募集，随后CD28 去磷酸化，进而抑制TCR/CD28 信号通路和随后的T 细胞信号激活［10-11］。CTLA-4 分子通常表达于CD4+和CD8+T 细胞表面，能与抗原递呈细胞（Antigen presenting cells， APCs）上的B7 配体高亲和力结合，产生抑制T 细胞活化的信号，减少细胞因子产生，降低机体抗肿瘤免疫反应。使用CTLA-4分子抑制剂或CTLA-4单克隆抗体可以解除CTLA-4 对T 细胞的抑制作用，提高T 淋巴细胞对肿瘤相关性抗原应答水平，增强机体免疫细胞的抗肿瘤效应［12］。免疫治疗提高了肿瘤患者的生存率。然而，ICIs 的疗效在很大程度上受到宿主组织的免疫相关不良反应的影响。近年来，越来越多的证据表明，肠道微生物群一种微生物及其代谢物的集合影响免疫系统，从而影响ICIs的疗效［1］。

2 肠道菌群与NSCLC免疫治疗疗效

2.1 抗生素治疗后患者获益差抗菌药物的出现对于感染性疾病的治疗具有跨时代的意义，肿瘤患者在治疗过程中常需使用抗生素。抗生素（Antibiotics，ATB）主要是通过干扰细菌各部位合成，最终起到抗感染作用［13］。在使用抗菌药物的治疗过程中，影响致病菌的同时也会影响正常菌群，其中可能导致肠道微生物群的多样性减少和生态失调加剧，从而对ICIs 的疗效产生负面影响［14-16］。PINATO D J等［17］的前瞻性临床研究共纳入196例免疫治疗患者，结果显示，在接受免疫治疗前使用广谱抗生素将显著降低患者的总体生存率。DEROSA L 等［18］对239 例NSCLC 患者进行PD-1 单药或联合治疗，在治疗期间，48 例（20%）患者在PDL1 治疗后30 天内接受了ATB 治疗，结果显示，在NSCLC 患者中，ATB 与原发性疾病进展（Progressive disease， PD）的发生率相关，且缩短了无进展生存期（Progression free survival，PFS）和总生存期（Overall survival， OS）。CHALABI M 等［19］对757 例接受过阿特珠单抗（PD-L1抑制剂）的患者进行回顾性分析发现，其中有169 例（22.3%）患者在治疗期间接受了ATB 治疗，ATB 与较短的OS 相关。上述研究均表明，NSCLC 患者使用ATB 与不良预后相关，并影响ICIs的疗效。接受ATB治疗后微生物种类多样性的减少为接受ICIs治疗的患者出现不良预后提供了部分解释。抗生素耐药在癌症患者中很常见，抗生素的频繁使用和化疗药物都可能是其促成因素［20］。因此，临床医师应加强对抗菌药物的管理，同时降低癌症患者免疫治疗过程中感染的发生率以及复杂耐药抗生素的使用率［21-22］，以获得ICIs 的最佳治疗疗效。在抗肿瘤治疗过程中，要避免不必要的抗菌药物的使用从而维持微生物菌群的稳态，使免疫治疗疗效达到最优。

2.2 免疫治疗应答情况与肠道菌群有研究［23-24］提示，肠道微生物群与慢性炎症相关，鉴于肠道微生物群与炎症性疾病的联系，研究人员正在探索人类微生物群的差异是否影响个体对癌症免疫治疗的反应。NAGASAKA M 等研究［25］表明，肠道微生物影响肺部疾病的发展，与健康人群对比，有肺部疾病患者肠道菌群在组成上存在差异。ZHUANG H等［26］将NSCLC 患者肠道菌群与健康人群对比发现，肺癌患者菌群的正常功能降低，健康人群中放线菌门及双歧杆菌属丰度更高。近期研究发现［27］，对纳武单抗有反应的NSCLC 患者的基线肠道微生物群落组成多样性更加丰富，同时在治疗期间微生物群落组成更稳定。与微生物多样性更低的患者相比，具有高微生物多样性的患者PFS 显著延长。进一步研究发现［14］，那些具有高多样性肠道微生物群的患者记忆T 细胞和自然杀伤细胞增多。GOPALAKRISHNAN V 等［28］研究发现，对免疫治疗有反应的NSCLC 或肾细胞癌患者与初诊时肠道菌群中嗜黏液阿克曼菌的富集相关。两项研究［29-30］评估了NSCLC 患者肠道微生物群落的基线组成和多样性与ICIs 预后的关系，并报道了肠道微生物的组成和多样性与ICIs的疗效相关。通过识别早期进展患者和长期获益患者的微生物相关“指标”，有助于对癌症患者的个性化管理。癌症治疗前的肠道微生物群作为临床反应预测因子具有一定的可靠性，若在NSCLC 患者治疗前均对患者的肠道微生物进行检测评估［29-30］，同时在治疗前进行一定的调节，这将可能为NSCLC 患者提高治疗效果和改善治疗结果提供了新的策略。

2.3 肠道菌群影响免疫治疗疗效可能的分子机制人类肠道微生物量可达到1013个，是人体不可分割的一部分［31-32］。从数量上我们就可以看出微生物群数量大约为人体总细胞的10 倍。微生物组的集体基因被称为“微生物组基因”，比人类基因组大150 倍。越来越多的证据支持肠道微生物群通过塑造系统免疫影响人类健康［33］，且有可能通过改变肠道环境和代谢物来创造一种促进ICIs 作用的免疫状态［34］。BOTTICELLI A 等［35］对接受免疫治疗的NSCLC 患者的肠道微生物代谢组学进行了分析，2-戊酮和三烷与早期进展显著相关，相反，短链脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFA），即丙酸、丁酸，赖氨酸和烟酸，它们可以被吸收到循环中，通过G蛋白偶联受体GPR43 和GPR41（即游离脂肪酸受体2 和3）发挥作用，与长期获益相关［36］。肠道微生物群代谢途径在诱导免疫治疗应答中发挥了重要作用，肠-肺轴可以形成免疫反应，并干扰呼吸系统疾病病程。肠系膜淋巴系统是肺和肠道之间的一个重要途径，完整的细菌及其碎片或代谢物（如SCFAs）可以通过肠道屏障易位，到达体循环，并调节肺免疫反应。SCFAs 主要由细菌膳食纤维发酵产生，特别是在高纤维饮食的情况下，在肺部作为驻留抗原提呈细胞的信号分子，以减弱炎症和过敏反应［37］。SPACOVA I 等［38］在小鼠哮喘模型肠道中将加入鼠李糖乳杆菌与未加鼠李糖乳杆菌的小鼠相比发现，鼠李糖乳杆菌更有助于降低气道炎症。这就验证了肠道微生物群可通过“肠-肺轴”在肺炎期间降低炎症反应［39］。若肠道菌群失调，肠-肺轴引起肺部炎症，进而促进细胞异性增生，最终将引起细胞癌变，从而影响免疫治疗疗效。

3 解决方法

目前临床数据表明，调节微生物群可能成为一种提高癌症免疫治疗疗效的新策略，特别是针对CTLA-4和PD-1免疫检查抑制具有一定相关性［40-41］。益生菌是活的微生物或微生物组合，当摄入足够量时，给宿主带来健康益处。SIVAN A 等［40］在黑色素瘤小鼠模型中，将口服双歧杆菌与抗PD-L1 抗体联合使用，结果显示，口服双歧杆菌将增强T 细胞反应，增强CD8+T 细胞在肿瘤微环境中的启动和积累，进而抑制黑色素瘤生长。ZAHARUDDIN L 等［42］将52例结直肠癌术后患者随机分成两组，一组接受安慰剂治疗，一组口服益生菌，结果表明，含有6 种活微生物（乳酸杆菌和双歧杆菌菌株）的益生菌在结直肠癌患者术后4 周内食用是安全的，并且促炎细胞因子（IFN-γ 除外）减少。提示益生菌可能会改变肠道微环境，导致促炎细胞因子减少，DIZMAN N等［43］研究表明益生菌可提高免疫治疗时肿瘤患者的抗肿瘤应答，同时证明益生菌口服能改善癌症患者的肠道菌群稳态，并增强免疫治疗反应。

粪菌移植（Fecal microbiota transplantation，FMT）是指来自一个健康个体供体粪便通过灌胃或口服进入到患者胃肠道中，以平衡或恢复肠道微生物组成。有研究发现［14］，与接受免疫治疗无应答者粪便的无菌小鼠相比，接受有应答者粪便移植的无菌小鼠往往对抗PD-1 治疗更敏感。BARUCH E N等［44］研究难治性黑色素瘤患者接受ICIs时同时接受FMT。将接受过抗PD-1 单药治疗转移性黑色素瘤并获得了至少1 年的完全缓解（Complete response，CR）的患者为FMT 供体，实验组患者先口服抗生素使原生微生物消耗，然后重新口服粪便胶囊，诱导抗PD-1 治疗同时进行FMT。肿瘤样本分析的所有可用的接受者显示治疗后上调多个免疫相关基因集，来自CR 供体的FMT 联合再诱导抗PD-1 治疗是安全、可行和潜在有效的，该研究还发现，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有关。目前也有许多正在进行的临床试验，期待为临床治疗提供策略。

SPENCER C N 等［45］提出，食用高纤维饮食与黑色素瘤患者更高的肠道微生物群多样性和对抗PD-1免疫治疗的更好反应相关。在接受抗PD-1治疗的128 例患者中发现，食用高纤维饮食的患者对免疫治疗的反应约是食用低纤维饮食患者的5倍。除了饮食干预外，生活方式是肠道微生物组成的关键决定因素，肠道微生物组成的改变会诱导局部和系统的免疫反应，从而促进癌症的发展。

4 小结和展望

虽然肠道微生物群在癌症治疗反应中的作用已经取得了重大进展，但仍有大量未知有待探索。例如，在抗肿瘤治疗过程中，要避免不必要的抗菌药物的使用从而维持微生物菌群的稳态，使免疫治疗的疗效达到最优。在不同的临床试验中，患者群体存在很大差异，这些研究对于特定细菌识别或对免疫治疗反应的影响无一致性。饮食、药物（包括抗生素、益生元和益生菌）、生活方式、心理健康和其他环境因素在调节微生物组成和整体免疫状态方面也必不可少，进而这些因素也将影响癌症免疫治疗反应或毒性。在未来，关于这些复杂相互作用的机制，以及在介导抗肿瘤反应和整体癌症发展中发挥最关键作用的特定微生物，仍有待探索。了解肠道微生物组及其代谢产物对抗肿瘤治疗和免疫治疗反应的生物学机制，对于合理调控微生物活性以提高ICI疗效至关重要。

总之，更全面了解不同细菌在宿主生理和癌症治疗中的功能，对于开发个性化药物至关重要，通过调节肠道微生物组成和功能可提高患者对癌症免疫治疗的反应。目前基于菌群的辅助疗法在临床前和临床试验中显示出良好的治疗潜力，有望为ICIs 开发更有效的联合治疗策略，并推进精准医学的发展。