腸道微生物與腫瘤治療關系的研究進展

傅佳琦 余志紅

人類腸道中存在數萬億個微生物菌群。腸道微生物參與了維持宿主健康的多種生理功能，包括提供營養和維生素、分解代謝藥物和毒物、保護機體免受病原體侵害、促進免疫系統發育和維持上皮黏膜穩態等，是決定機體生理或病理狀況的重要因素[1]。癌癥是人類死亡的主要原因之一，約10%～20%的癌癥發生與微生物有關，而多項研究均證實腸道微生物在胃腸道腫瘤的發生、發展中起重要作用[1]。微生物及其產物不僅具有直接致癌作用，還可通過改變循環代謝物使其成為促癌物質、誘導炎癥反應、抑制免疫途徑以及干擾宿主腫瘤免疫監視等多種機制促進腫瘤的發生、發展[2]。此外，腸道微生物還影響腫瘤治療的療效及治療相關的不良反應。本文就腸道微生物對腫瘤治療效果的影響及如何通過調節腸道微生物來改善腫瘤治療療效作一綜述。

1 腸道微生物對腫瘤治療效果的影響

臨床前研究證實化療、免疫治療和放療等抗腫瘤治療可以改變患者的腸道微生物，同時腸道微生物也可影響宿主對此類治療的反應。雖然具體機制尚不清楚，但可能與藥物代謝、菌群易位、免疫調節、生物多樣性和豐度的減少以及菌群失調有關。

1.1 化療 腸道微生物可通過調節代謝、生態失衡、免疫調節等多種機制影響多種腫瘤的化療療效。在直腸癌動物模型的腸道中，梭狀芽孢桿菌屬產生的β葡萄糖醛酸酶可重新激活伊立替康及其活性代謝物SN-38，引起腸上皮細胞損傷，從而導致嚴重腹瀉[3]。豬鼻支原體具有胞苷脫氨酶活性，可將吉西他濱代謝成非活性產物，影響該藥物在直腸癌、胰腺癌治療中的療效[4]。體內外研究證實核粒梭形桿菌通過刺激固有免疫途徑激活自噬，導致凋亡抑制蛋白BIRC3過度表達，從而對5-氟尿嘧啶產生耐藥[5]。研究發現希氏腸球菌和腸道巴恩斯菌通過誘導Th1和致病性Th17免疫反應，增加瘤內CD8+T細胞與調節性T細胞比值，從而提高瘤內產生INF-γ的浸潤γδT淋巴細胞的水平，最終加強環磷酰胺的療效[6]。上述研究表明，腸道微生物可能是改善化療方案的重要生物標志物，但需進一步的臨床研究進行評估。

1.2 免疫治療 腸道微生物與宿主免疫反應之間的復雜相互作用影響了免疫治療的療效。在結腸癌和黑色素瘤小鼠模型中，抗生素治療后腸道微生物負荷減少，導致腫瘤中產生促炎細胞因子的髓系細胞減少，進而損害抗IL-10/胞苷酸鳥苷寡脫氧核苷酸免疫治療療效[7]。但是，腸道微生物也可對免疫治療帶來有利影響。雙歧桿菌通過增加腫瘤內IFN-γ+CD8+T細胞和樹突狀細胞，使機體對抗程序性死亡配體1（programmed cell deathligand 1,PD-L1）產生有效應答。將應答者的糞便微生物移植到無菌小鼠中，可以激活類似的免疫機制，改善實體瘤對PD-L1治療的反應[8]。此外，多形擬桿菌、脆弱擬桿菌和洋蔥伯克霍爾德菌與抗細胞毒性T淋巴細胞抗原4抑制劑（cytotoxic T lymphocyte antigen 4,CTLA-4）有效應答及治療后更少不良反應相關[9]。微生物菌群的組成還可預測實體腫瘤中對抗程序性細胞死亡1（programmed death 1，PD-1）/PD-L1 治療的應答狀態，將應答者的糞便微生物群移植到無菌小鼠體內，可提高免疫檢查點抑制劑的效率[10]。上述研究表明在抗腫瘤免疫治療的同時聯合靶向調節微生物治療可以使其療效增強。然而，微生物對免疫治療的臨床轉化受到限制，因為大多數臨床前研究都是在攜帶異位同基因腫瘤的小鼠身上進行的，這些小鼠在轉移到新的宿主之前已經經歷了一個免疫編輯過程。這些模型不能解釋免疫系統與腫瘤這兩者在癌癥消除、平衡和逃逸階段不斷變化的相互作用。為了更深入地了解其潛在的分子機制，可能需要采用人源化動物模型或自發腫瘤發生的模型。

1.3 放療 放射治療時電離輻射通過產生活性氧或活性氮間接的能量轉移誘導腫瘤細胞以及正常細胞的DNA損傷。胃腸道因其對電離輻射的高敏感性，是放療中損傷的主要部位[11]。研究表明腸道微生物可能影響放射敏感性。Cui等[11]用經抗生素處理的小鼠模型分析了腸道細菌群落與輻射敏感性之間的相關性，結果發現抗生素治療組小鼠腸道細菌組成與對照組有明顯差異，接受輻照后存活率明顯高于對照組。此外，電離輻射可導致菌群失調，從而產生某些病理狀態。放療后腸道菌群α多樣性顯著降低，高豐度的梭菌屬、羅斯菌屬和考拉桿菌屬導致與腸壁維持相關穩態的腸黏膜細胞因子明顯減少，TNF-α和IL-1β表達增強，誘導腸上皮炎癥和屏障功能障礙，進而引起放射性腸病[12-13]。以上研究提示腸道微生物失調可能是預測、預防和治療放療相關不良反應的一個有用的生物標志物。然而，腸道菌群對放療療效的直接影響及有關機制仍需進一步研究確定。

1.4 手術 目前，腸道微生物對手術結果的潛在影響僅在結直腸癌中被證實。結直腸手術引起腸上皮屏障完整性受損，過度暴露于細菌等有害的腔內因素中，影響吻合口愈合，導致吻合口瘺的發生[14]。van Praagh等[15]發現吻合口瘺的發生與微生物多樣性低有關，與高豐度的擬桿菌科和毛螺菌科以及低豐度的口腔普氏菌有關。此外，放療或手術誘導應激等環境宿主信號可引起吻合口毒性細菌定植增加[16]及侵襲性增強[17]，進而導致愈合障礙。需進一步研究結直腸術后尤其吻合口愈合過程中宿主與微生物菌群之間的相互作用，以識別存在術后并發癥風險的微生物特征，并制定有效的靶向腸道微生物菌群的預防策略。

2 調節腸道微生物以提高治療效果：從預測潛力到臨床試驗

腸道微生物與宿主之間的復雜相互作用影響腫瘤治療，確定影響腸道微生物的因素并對其進行干預可能是改善抗癌治療相關毒性以及提高抗癌治療效果的關鍵。

2.1 抗生素 抗生素通過誘導菌群失調對腫瘤治療產生不利影響[6-7]，但研究顯示萬古霉素可增強腫瘤免疫治療療效[9，18]。Vetizou等[9]發現萬古霉素可增強小鼠對CTLA-4抑制劑的應答，這可能與其誘導革蘭陰性擬桿菌和伯克菌的過度表達，而抑制梭菌屬等革蘭陽性菌的生長有關。此外，在接受T細胞過繼免疫治療的宮頸癌和肺癌小鼠模型中，萬古霉素通過對細菌的耗竭，誘導全身產CD8α+樹突狀細胞的增加，后者增加IL-12濃度，通過誘導腫瘤微環境重塑，從而維持全身性過繼轉移的抗腫瘤T細胞，進而抑制腫瘤生長[18]。最近一項包括40項研究在內的Meta分析證實口服抗生素可減少結直腸術后吻合口瘺、術后感染等多種并發癥[19]。由于抗生素誘導的菌群失調缺乏特異性，其使用在腫瘤治療中作用尚不明確，仍需更多的研究明確如何減少在癌癥治療期間使用抗生素的不利影響而增加其有利影響。

2.2 中醫藥 中醫藥在腫瘤治療中可發揮一定療效，近年來研究發現，中醫藥可通過調節腸道菌群提高抗腫瘤療效。白術揮發油和人參總皂苷的聯合使用可逆轉5-氟尿嘧啶引起的腸道菌群紊亂，恢復厚壁菌門與擬桿菌門的比值，減少多形桿狀菌、瘤胃球菌和厭氧菌等潛在致病菌的豐度，抑制小鼠化療相關腹瀉[20]。同樣，有研究報道，中醫藥可以增加因放療所致的腸道菌群的總數和多樣性，改變菌群結構[21]。臨床前研究表明生脈姜黃散在保護菌落多樣性的同時，可部分恢復輻照引起的菌群失衡，聯合放療可提高腫瘤治療效果[21]。

2.3 糞便微生物移植 糞便微生物移植已被廣泛應用于治療艱難梭狀芽孢桿菌耐藥感染[22]、異基因干細胞移植后的移植物抗宿主病[23]。臨床前研究表明糞便微生物移植可減少腫瘤治療相關不良反應，提高療效[10-11]。放療可導致菌群失調，從而產生放射性腸病、腹瀉等腸道毒性，而糞便移植不僅可以改善受輻射小鼠的胃腸道功能，也可以防止輻射相關死亡[11]。Gopalakrishnan等[10]將對抗PD-1治療有反應或無反應患者的糞便菌群分別移植到黑色素瘤無菌小鼠模型體內，發現接受應答者糞便樣本的小鼠腫瘤生長緩慢，這與腫瘤微環境中CXCR3+CD4+T細胞的積累以及PD-1阻斷后脾T細胞中PD-L1的上調有關，而接受無應答者糞便樣本的模型則表現出對抗PD-1治療的耐藥性。雖然糞便微生物移植在腫瘤治療中展現了一定有效性，但此過程仍然缺乏可控性，因為操作過程中需要將供體整個腸道微生物與治療細菌物種一起轉移至受體，因此，對捐獻者及特定腸道微生物組的嚴格篩選至關重要。目前正在進行的臨床試驗旨在評估糞便微生物移植在癌癥患者中的應用，包括預防腫瘤發生、發展，改善腫瘤治療中的腸道不良反應和提高腫瘤治療療效等方面[24]。

2.4 益生菌和益生元 益生菌定義為“攝入足量有益宿主健康的活微生物”，通過恢復腸道微生物平衡，可改善腫瘤治療相關胃腸毒性，提高治療療效[20]。益生菌鼠李糖乳桿菌具有抗炎特性，是益生菌中研究最多、表征最好的乳酸菌之一，可減輕動物模型中5-氟尿嘧啶介導[25]的以及輻射介導[26]的腸道上皮損傷，從而有助于維持腸道微生物平衡和腸道上皮屏障功能。乳酸菌通過恢復患者腸道菌群而顯著增強免疫反應，已被指南推薦用于預防盆腔癌放化療相關腹瀉[24]。口服雙歧桿菌通過增加腫瘤內樹突狀細胞和IFN-γ+CD8+T細胞浸潤，增強了黑色素瘤小鼠抗PD-L1的抗腫瘤效果[8]。而擬桿菌屬可誘導腫瘤引流淋巴結中的Th1免疫反應，并促進瘤內樹突狀細胞的成熟，最終恢復小鼠對CTLA-4抗體的療效[9]。最近，Tanoue等[27]從健康的捐贈者糞便中分離出一個由11株細菌組成的聯合體，能強有力誘導小鼠腸道IFN-γ+CD8+T細胞，顯著增強宿主對免疫檢查點抑制劑的反應。為證實益生菌對腫瘤患者的療效，多項臨床試驗仍在進行中[24]。

益生元指不被宿主消化或吸收的有機物質，通過促進特定細菌定植及代謝而對機體產生有利影響。在腫瘤治療期間加入包含益生菌和益生元的合生劑，可保持微生物多樣性，從而提高療效。一項雙盲隨機試驗發現圍術期服用包括嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌和低聚果糖等混合制劑可降低壺腹周圍癌患者術后死亡率和并發癥發生率[28]。

雖然益生菌通常被認為是安全的，但給免疫功能低下的癌癥患者服用益生菌存在機會性感染和抗生素耐藥性轉移的風險[24]。無論觀察到的有益效果如何，仍需更大型且可控的臨床試驗來證實在腫瘤治療期間或之后使用特定種類益生菌的有效性和安全性。一項于2019年開始的Ⅱ期隨機研究（NCT03870607）正在進行中，旨在評估益生菌和益生元在局限性肛管鱗癌放化療中的作用，期待可提高治療效果。

2.5 體育運動 惡病質是一種以脂肪組織和肌肉萎縮為特征的消瘦綜合征，是影響腫瘤患者預后的關鍵因素[29]。臨床前數據支持腸道微生物可能是“腸道微生物-骨骼肌”軸的關鍵角色，可導致肌肉萎縮，而益生菌通過恢復健康的微生物群可改善惡病質、減少腫瘤擴散并延長小鼠生存期[2，29]。研究表明體育運動通過調節代謝、減輕炎癥、降低體重和調節腫瘤微環境等機制在預防腫瘤發生、提高治療效果、減少治療不良反應等方面產生持久的有利影響[30]。研究發現運動對腸道微生物有獨立的影響，較高水平的鍛煉與腸道菌群α多樣性有關，但受到運動強度、運動時間及個體體重的干預[31]。鑒于“腸道微生物-骨骼肌”軸的潛在重要性，通過運動調節微生物群可能是一個創新想法。為研究運動是否對腫瘤患者腸道微生物多樣性、組成和代謝產生影響并減少胃腸道并發癥，相關臨床試驗正在進行中[32]。

3 小結和展望

腸道微生物通過產生致癌毒素和代謝物、促進炎癥、免疫抑制等多種機制參與腫瘤的發生、發展，降低了化療、放療、免疫治療以及手術治療等傳統腫瘤治療方式的療效，對患者預后產生負面影響。通過調節腸道微生物，宿主的反應得到改善。因而腸道微生物也成為了可預測預后的生物標志物。益生菌、益生元、抗生素、中醫藥、糞便微生物移植和體育運動等輔助治療可能有利于提高腫瘤患者療效及預后。通過靶向調節特定腸道微生物以優化抗腫瘤治療是具有前景的研究方向，未來需進一步探索宿主與微生物群之間的復雜相互作用關系，識別并篩選有利于人體健康的菌種，將靶向調節腸道微生物及其產物與現有抗腫瘤治療方案結合起來，期待改善患者預后，延長其生存期。