腸道菌群在腫瘤免疫治療中的作用研究進展*

周彬 尚付梅 樊啟林 師琳麗 吳晶晶 劉紅利

人體腸道中約1 014種微生物，其中包括細菌、病毒和真菌等，這些微生物共同構成腸道菌群，其通過與人體相互作用影響機體的免疫、代謝以及疾病的形成，促進免疫系統發育、調節機體骨髓造血、參與腫瘤形成甚至通過腦腸軸調節神經系統等［1］。腫瘤免疫治療主要研究為免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint in?hibitors，ICIs）的應用，如針對細胞毒性T 淋巴細胞抗原-4（cytotoxicT-lymphocyte antigen 4，CTLA-4）和程序性細胞死亡受體-1（programmed cell death protein-1，PD-1）的單克隆抗體。免疫檢查點抑制劑在血液系統腫瘤及多種實體惡性腫瘤中具有顯著而持久的療效［2］。腸道菌群與腫瘤密切相關：一方面可通過多種機制促進腫瘤的形成；另一方面，腫瘤免疫治療療效以及不良反應也與腸道菌群相關，尤其對免疫抑制劑的影響最為顯著［3］。近年來腸道菌群在腫瘤免疫治療的研究越來越受到關注，兩者之間的關系不容忽視。目前，腸道菌群被認為是可能預測腫瘤免疫治療療效的重要指標，本文就腸道菌群與腫瘤免疫治療的關系進行綜述。

1 腸道菌群促進腫瘤的發生與發展

機體內存在著大量的腸道菌群，主要優勢菌屬為桿菌、梭菌、雙歧桿菌等。腸道菌群與腸道黏膜保持著共生關系，并在健康個體的代謝、免疫和腸道保護功能上具有重要的作用［4］。另外，研究發現腸道菌群與腫瘤的發生、發展也密切相關［5］，其主要的機制可能包括釋放毒素破壞正常細胞的DNA，引起基因突變，直接導致細胞癌變。如大腸桿菌PKS基因組編碼colibactin蛋白，脆弱腸毒素產生的毒素與急性炎癥性腸病和結直腸腫瘤有關。同樣，幾種革蘭氏陰性菌產生細胞致死性擴張毒素（cytotoxic distention toxin，CDT）與colibactin對哺乳動物細胞造成DNA損傷［6］。除此之外，微生物產生促進局部慢性炎癥反應的代謝產物，破壞局部的細胞組織，誘導免疫失調［2］。如在肝癌中發現腸道菌群中產生的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）對toll樣受體4（Toll like receptor 4，TLR4）的激活有助于慢性肝病患者形成腫瘤，LPS-TLR4途徑通過增加非骨髓來源的駐留肝細胞的增殖以及抗凋亡信號來促進肝細胞癌的發生［7］。腸道菌群可通過多種途徑激活NF-κB信號通路，導致大量細胞因子分泌增加，如TNF、IL-1和IL-6等，上述細胞因子與其受體的結合后又激活NF-κB途徑，腫瘤細胞中NF-κB 的激活增強了抗凋亡基因，如Bcl-xL、Bcl-2和c-IAP2等上調，促進腫瘤細胞的存活和增殖［8］。脆性腸毒素類桿菌，產生一種特異的脆弱毒素，通過誘導TH17細胞以及γδT細胞產生IL-17的分泌，后者促進腸道的慢性炎癥反應，促進結腸癌的發生。具核梭桿菌（fusobacterium，Fn）促進IL-17A和TNF-α的分泌增加，這兩種免疫因子能促進結直腸癌的發展［6］。在結直腸癌的發生過程中，腸道菌群能夠誘導趨化因子來募集大量的T細胞聚集腫瘤組織，同時腸道菌群可以激活殺傷腫瘤的T細胞［9］。雙歧桿菌能促進樹突狀細胞的某些基因表達，影響樹突狀細胞的成熟，T細胞的活化，趨化因子、細胞因子的分泌，能誘導CD8+T細胞的活化，分泌更多的INF-γ［10］。此外，樹突狀細胞產生的各種細胞因子能夠調節T細胞向不同的類型分化，如IL-12促進TH1的分化、促進TH2以及調節性T細胞分化［11］。腸道菌群的某些代謝產物也有免疫調節的作用，如短鏈脂肪酸、酸酯等。研究表明，短鏈脂肪酸丁酸酯能穿過腸道上皮，與固有層的免疫細胞通過G蛋白偶聯受體相互作用，從而調節T細胞核的基因表達，能量代謝，控制T細胞的細胞因子產生，參與腫瘤免疫調控［12］，腸道菌群從多個方面促進腫瘤的發生與發展。

2 腸道菌群與腫瘤免疫治療相關毒性

腫瘤免疫治療是一種利用免疫系統（包括細胞、抗體和細胞因子）來靶向和消除惡性細胞能力的治療策略，主要包括細胞因子、單克隆抗體、腫瘤疫苗等［13］。腫瘤免疫治療主要研究的是免疫檢查點抑制劑的應用，如針對CTLA-4 和PD-1 或程序性死亡受體配體1（programmed death-ligand 1，PD-L1）的單克隆抗體。本文主要綜述腸道微生物對免疫檢查點抑制劑治療的影響。目前，ICIs主要包括CTLA-4和PD-1/PD-L1抗體，是細胞膜上特異性受體的單克隆抗體，原理是阻斷抑制調節免疫系統的信號通路。ICIs通過切斷相關信號通路，從而激活耗盡的T細胞，重新激活免疫系統，增強腫瘤浸潤免疫細胞活性，促進腫瘤細胞的消滅［14］。CTLA-4為T細胞表面表達的一種受體，其與CD28有共同的配體，但CTLA-4與配體的親和力強于CD28，能阻止CD28活化T細胞，從而降低T細胞的活化［14］，其還可促進Treg 細胞的抑制功能，維持機體的免疫耐受［15］。PD-1同樣在T細胞的表面上表達，其配體PD-L1（B7-H1）在多種腫瘤細胞上表達，相互結合以后，可抑制T細胞的活化與增殖［14］。腫瘤細胞上表達的PD-L1與NK細胞PD-1結合，抑制NK細胞的活性與釋放細胞因子的功能［16］。腫瘤免疫治療雖然提高了機體抗腫瘤免疫，但同時導致自身免疫相關炎癥的發生，包括皮膚毒性、肝臟毒性等［17］。Chaput等［18］研究表明，富含糞桿菌屬和厚壁菌屬（A群）的患者更容易導致由ipilimumab（一種CTLA-4抑制劑）引起的結腸炎，以及與無結腸炎的患者相比，ipilimumab誘發的基線CD4+T細胞水平明顯升高，幾種炎癥生物標記物（IL-6、IL-8和sCD25）水平明顯降低。Dubin等［19］的研究也證實腸道菌群對ICIs引起腸炎的調節作用，發現在轉移性的黑色素瘤患者中，腸道菌群擬桿菌屬的增加會減少ICIs引起的結腸炎，可能是通過刺激Treg細胞的分化來抑制炎癥的產生。此外，腸道菌群參與多胺轉運系統和B族維生素生物合成的遺傳途徑與增加結腸癌的風險有關。ICIs治療增強T細胞驅動的抗腫瘤免疫反應，激活正常組織的炎性細胞，而腸道菌群可以增強樹突狀細胞抗原呈遞的能力，促進T細胞的增殖與活化，導致正常組織的炎癥反應加?。?0］。此外，研究發現腸道菌群可以激活腸道內TH17細胞，后者通過淋巴引流靶器官的淋巴結，促進遠處器官的不良反應。細菌產生的代謝物和毒素通過腸道上皮轉移到循環中，這些產物能隨著循環到達遠處器官，包括甲狀腺、肺和心臟等，進一步加重器官的炎癥反應［20］。上述研究均表明，腸道菌群與腫瘤免疫治療的不良反應之間存在密切關系。

3 腸道菌群對腫瘤免疫治療的影響

研究表明［21］，ICIs的療效與腸道菌群有一定的相關性，腸道菌群能夠提高ICIs 的療效，提高腫瘤對藥物的應答，腸道菌群能夠影響機體對抗PD-1 與CT?LA-4的反應。Vétizou 等［22］研究表明，在無菌和抗生素處理的移植瘤小鼠模型對CTLA-4無反應，給予小鼠口服脆弱桿菌后，恢復對這種免疫治療的反應，或將富含擬桿菌屬的糞便移植到無菌（germ-free，GF）小鼠中時，免疫抑制劑治療的反應也得以恢復，小鼠的腫瘤體積較之前明顯縮小。表明擬桿菌屬影響抗CTLA-4的療效。同樣，腸道菌群在抗PD-L1治療中也得到同樣的結果。Sivan 等［10］研究發現，在小鼠異種移植模型時，富含雙歧桿菌的小鼠與缺乏雙歧桿菌的小鼠相比較，富有雙歧桿菌的小鼠中腫瘤的生長速度比對照小鼠減緩，且應用PD-L1抑制劑后，富含雙歧桿菌小鼠的腫瘤體積較缺乏雙歧桿菌的小鼠明顯縮小，前者對ICIs的反應明顯優于缺乏雙歧桿菌的小鼠。而將雙歧桿菌小鼠的糞便轉移到缺乏雙歧桿菌小鼠中，顯示缺乏雙歧桿菌的小鼠恢復PD-L1的敏感性。雙歧桿菌與PD-L1 的療效存在密切關系，其影響腫瘤免疫的機制可能是促進腫瘤浸潤樹突狀細胞的成熟與激活，導致腫瘤浸潤CD8+T細胞的產生，上述表明腸道菌群的特定細菌以及組成顯著影響ICIs的療效。

3.1 腸道菌群與結直腸癌免疫治療

多數結直腸癌對于腫瘤免疫治療不敏感，但存在微衛星高度不穩定（microsatellite instability-high，MSI-H）或錯配修復缺陷（mismatch-repair deficiency，dMMR）的患者對免疫治療表現出良好的反應。新近研究表明，腸道菌群與微衛星不穩定結直腸癌的免疫微環境密切相關，尤其是Fn對MSI-H患者的影響，在Fn 富集的MSI-H 患者中，其腫瘤微環境中FoxP3+T cells 明顯降低，與較高的癌癥分期、腫瘤侵襲的加劇以及遠處轉移的發生有關［23］。Fn富集與腫瘤的不良預后密切相關。Xu 等［24］利用不同的抗生素處理4組CT26腫瘤負荷小鼠，第1組（Asc組）小鼠無菌飲用水中混合氨芐西林、鏈霉素和大腸桿菌素，第2 組（Coli 組）小鼠無菌飲用水加萬古霉素，第3 組（Vac組）小鼠無菌飲用水加柯利斯汀，第4 組（對照組）小鼠僅用無菌飲用水處理。各組注射PD-1 抑制劑治療，注射5次。結果提示未使用抗生素小組較使用抗生素的小組中小鼠腫瘤體積存在明顯差異，前者腫瘤體積明顯縮小，表明抗生素對PD-1抑制劑的療效產生顯著影響。通過16sRNA基因測序發現4組之間的腸道菌群以及其代謝產物有著明顯的差異，對照組擬桿菌屬以及普雷沃菌富集，而嘧啶代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝富集于Coli 組，Vac 組艾克曼菌以及半乳糖代謝，鞘脂代謝明顯富集。由于腸道微生物組的變化導致了代謝水平的變化，抑制腫瘤微環境中免疫細胞因子IFN-γ和IL-2的分泌，影響PD-1抗體療效。可以推斷腸道菌群的多樣性及差異可能對PD-1抑制劑的療效產生影響。

3.2 腸道菌群與肺癌免疫治療

在PD-1 治療肺癌的研究中，Jin 等［25］納入37 例晚期非小細胞肺癌患者，選取測量每例患者的腸道細菌，以后每2 周進行納武利尤單抗（nivolumab）治療，其中23例對nivolumab有部分緩解或疾病穩定（R組），14 例患者出現疾病進展（NR 組）。分析兩組的腸道細菌構成，發現R組患者表現出更高的菌群多樣性以及獨特的腸道微生物群。腸道微生物多樣性越高，患者的無進展生存期（progression-free survival，PFS）越長。在NR組中瘤胃球菌為分類屬大量富集，而長雙歧桿菌、人體普氏菌、腐敗擬桿菌富集于R組。nivolumab治療前后的腸道菌群的組成并未發生明顯的改變。Routy 等［26］在包含249 例非小細胞肺癌、腎細胞癌或尿路上皮癌患者的隊列中，67例患者接受ATB（氨芐西林+黏菌素+鏈霉素）的治療。采用ICIs 治療的200 例患者中發現接受ATB 的患者較未使用者中位總生存（median over suvival，mOS）以及中位PFS（median PFS，mPFS）明顯縮短。利用測序技術，在肺癌以及腎細胞癌的患者中，預后良好和PFS延長的患者腸道菌群中的嗜黏蛋白-艾克曼菌和另枝菌屬明顯增多，表明抗生素的使用降低ICIs的臨床獲益。研究表明不同的腸道菌群多樣性及組成導致肺癌對腫瘤免疫的不同反應，這可能與腸道菌群影響了調節記憶T 細胞響應和自然殺傷（nature kill，NK）細胞功能有關［25］。

3.3 腸道菌群與黑色素瘤免疫治療

諸多研究表明腸道菌群與黑色素瘤的免疫治療也有密切關系。Elkrief等［27］研究表明，使用抗生素的晚期黑色素瘤患者，ICIs 治療后，PFS 比未服用組明顯縮短，研究表明晚期黑色素瘤患者在ICIs 使用前30天內使用抗生素可能會對患者的預后產生不利影響。與上述結論相似的是，Gopalakrishnan 等［28］比較了黑色素瘤對PD-1 抑制劑不同反應的患者腸道菌群種類與豐富度，同樣也得出部分緩解或疾病穩定患者的豐富度明顯高于疾病進展組，PFS 明顯縮短。在部分反應或腫瘤穩定組中發現瘤胃球菌、糞桿菌屬明顯增多，而腫瘤進展組擬桿菌屬增多，同時推測可能是部分緩解或疾病穩定組的菌群促進抗原的呈遞，并促進腫瘤微環境的效應T細胞的功能。而疾病進展組的淋巴細胞和髓細胞浸潤和抗原遞呈能力減弱，導致系統和抗腫瘤免疫反應受損。這些發現強調了調節患者腸道微生物組治療黑色素瘤的潛力。

3.4 腸道菌群與肝癌免疫治療

ICIs在肝癌患者的治療中顯示出良好的效果，在索拉非尼難治性HCC中，抗PD-1免疫治療的療效近20%，比索拉非尼提高2倍；而且將抗PD-1與CTLA-4聯合治療肝癌，客觀反應率高達40%［29］。一項研究揭示了腸道菌群與PD-1 治療肝癌療效的關系，8 例肝癌患者給予抗PD-1治療，其中3例患者為R組（在用藥后6 個月未出現疾病進展或完全/部分緩解），5 例NR組（疾病進展組），分析R組與NR組的糞便微生物的組成發現，R組的微生物的豐富度明顯高于NR組，在R 組富集的20 種優勢菌群中，4 種乳桿菌、齒雙歧桿菌和嗜熱鏈球菌是益生乳酸菌，通過抑制病原微生物的生長，有利于宿主代謝和免疫；瘤胃球菌、艾克曼菌能通過降低腸道的通透性，防止全身的免疫抑制。研究表明，特定細菌菌株在肝癌抗PD-1免疫治療中的生物學意義，可能為腸微生物的免疫治療開發提供理論支持［30］。

4 結語與展望

腸道微生物通過多種機制影響著腫瘤的發生、發展以及腫瘤的治療，免疫治療作為腫瘤治療的重要手段，尤其是ICIs 的療效尤為顯著。腸道菌群與ICIs療效以及不良反應均存在密切的聯系，某些優勢菌群的存在能夠促進ICIs 的療效，改善患者的預后。諸多研究均在動物實驗中獲得結論，人體的腸道微生物及整體結構比小鼠更為復雜，仍需進一步在臨床研究中證實，并且對于腸道菌群的操控，精確的控制腸道菌群構成，改變臨床預后為未來的研究方向。腸道菌群影響免疫治療的細胞及分子機制如今仍未明確，亟需進一步的探索。盡管通過腸道微生物的靶向調節來預測治療還在萌芽階段，但隨著技術的不斷進步，菌群的糞便移植、抗生素的處理及飲食等來調節腸道菌群，使其可促進腫瘤免疫治療、預測療效、減少不良反應并改善患者的預后。因此，腸道微生物的靶向調節在未來腫瘤精準治療與個體化診療中具有重要作用。