糞菌移植治療腫瘤的研究進(jìn)展*

張百紅 綜述 岳紅云 審校

作者單位：①解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院腫瘤科（蘭州市730050）；②眼科

現(xiàn)代人類的微生物群存在于人體上皮表面，由共生細(xì)菌和其他微生物組成，產(chǎn)生的小分子和代謝物影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展和治療反應(yīng)[1]。糞便為生物群移植（fecal microbiota transplant，F(xiàn)MT）是指將一個(gè)患者的糞便微生物移植到其他患者，是一種通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物治療腫瘤的新策略。FMT 指將健康人群的糞便菌群移植入患者腸道，重構(gòu)正常的腸道微生物群。1958年初次報(bào)道FMT 治療抗生素抵抗的艱難梭菌感染患者，2013年一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照臨床研究證實(shí)FMT 較抗生素治療艱難梭菌感染患者有更高的反應(yīng)率（81%vs.44%，P<0.01），F(xiàn)MT 成為抗生素抵抗的艱難梭菌感染的標(biāo)準(zhǔn)治療[2]。在過(guò)去的20年間，雖然腸道微生物群對(duì)人體健康和疾病的影響得到了廣泛研究，但早期的研究主要集中在分類微生物群、鑒定微生物和疾病的聯(lián)系以及臨床前動(dòng)物模型，直到最近FMT 才真正進(jìn)入腫瘤臨床[3]。糞菌移植可能成為戰(zhàn)勝腫瘤的有力武器，其研究也經(jīng)歷著動(dòng)物模型、人類向動(dòng)物和患者間的糞菌移植等發(fā)展階段。

1 動(dòng)物模型之間的糞菌移植

人體中大量的微生物通過(guò)影響免疫細(xì)胞的功能而促進(jìn)腫瘤發(fā)生，并可能驅(qū)動(dòng)15%~20%腫瘤的發(fā)生，共生微生物群失調(diào)甚至?xí)T發(fā)更多腫瘤。雖然并不能分辨微生物群變化是腫瘤發(fā)生的原因或結(jié)果，但臨床前無(wú)菌小鼠研究證實(shí)部分菌群影響腫瘤的治療效果[4]。Bárcena 等[5]發(fā)現(xiàn)兩個(gè)以腸道菌群失調(diào)為特征的早衰小鼠模型，分別表現(xiàn)為變形菌和藍(lán)細(xì)菌豐度增加及疣微菌豐度降低；野生型小鼠來(lái)源的FMT 可以明顯延長(zhǎng)早衰小鼠模型的壽命，移植疣微菌也能為早衰小鼠帶來(lái)更長(zhǎng)的健康時(shí)間。FMT 可消除不同來(lái)源的相同品系小鼠黑色素瘤的生長(zhǎng)速度差異和腸道雙歧桿菌的多樣性差異[6]。Sun 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌能夠改變細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞抗原-4（cytotoxic T lymphocyte antigen-4，CTLA-4）抑制劑治療小鼠的腸道微生物群的效果，調(diào)控腸道Tregs 細(xì)胞的代謝功能。CTLA-4抑制劑的腫瘤殺傷作用依賴于腸道內(nèi)擬桿菌屬如多形擬桿菌、脆弱擬桿菌和洋蔥伯克霍爾德菌的多樣性，無(wú)菌小鼠對(duì)CTLA-4 抑制劑治療反應(yīng)的缺失可通過(guò)腸道移植擬桿菌屬而恢復(fù)[8]。

幾種腸道菌群可以提高免疫檢查點(diǎn)抑制劑的治療效果。Mager 等[9]通過(guò)小鼠腫瘤模型鑒定了雙歧桿菌、乳酸桿菌和斯萊克氏菌顯著增加免疫治療反應(yīng)，其機(jī)制是產(chǎn)生肌苷并激活抗腫瘤T 細(xì)胞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，假口雙歧桿菌和艾克曼菌等腸道菌群可提高小鼠腫瘤模型對(duì)免疫治療的療效，免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療引起的腸道屏障功能損傷促進(jìn)了肌苷釋放，后者導(dǎo)致腺苷2A 受體依賴的Th1 細(xì)胞激活，從而殺滅腫瘤，使腫瘤縮小[10]。

2 人類向動(dòng)物的糞菌移植

臨床前小鼠模型研究顯示，腫瘤患者微生物群的不同構(gòu)成影響了荷瘤小鼠的治療效果。Gopalakrishnan等[11]研究顯示，程序性死亡受體-1（programmed cell death-1，PD-1）抑制劑治療黑色素瘤患者的腸道微生物群多樣性和組成有明顯差異。對(duì)PD-1 抑制劑治療有反應(yīng)的黑色素瘤患者腸道中含豐富的有益菌群，其可協(xié)助殺滅腫瘤細(xì)胞。相反，無(wú)反應(yīng)患者的腸道微生物群失調(diào)，其免疫細(xì)胞活性明顯降低。將對(duì)PD-1 抑制劑治療有反應(yīng)患者的糞菌移植給無(wú)菌小鼠，可提高PD-1 抑制劑對(duì)小鼠腫瘤的效果。將對(duì)PD-1 抑制劑反應(yīng)的乳腺癌患者的糞便移植到小鼠腸道內(nèi)也可提高療效，因?yàn)槠浼S便中含有較多的嗜黏蛋白-艾克曼菌[12]。Matson 等[13]分析了42例轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的糞便菌群構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，程序性死亡配體1（programmed death-ligand 1，PD-L1）抑制劑治療有效患者腸道菌群中雙歧桿菌、產(chǎn)氣柯林斯菌和乳酸桿菌豐度更高。將這些患者的糞便移植給無(wú)菌小鼠后，小鼠的腫瘤免疫應(yīng)答增強(qiáng)，這些效應(yīng)是由腫瘤微環(huán)境中CD8+T 細(xì)胞增加和Tregs 細(xì)胞的減少所介導(dǎo)。

Riquelme 等[14]應(yīng)用16S rRNA 基因測(cè)序分析了胰腺癌患者的腫瘤微生物群構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期生存者的細(xì)菌種類多樣性遠(yuǎn)超過(guò)短期生存者，長(zhǎng)期生存者有更多的假黃色單胞菌、糖多孢菌和鏈霉菌。將生存期≥5年晚期胰腺癌患者的糞便菌群移植小鼠體內(nèi)，小鼠腫瘤明顯縮小，CD8+T 細(xì)胞數(shù)量明顯增多，提示長(zhǎng)期生存者的FMT 通過(guò)改變腫瘤中的菌群促進(jìn)小鼠模型中的免疫反應(yīng)并抑制腫瘤。

3 患者間的糞菌移植

基于動(dòng)物模型之間和人類向動(dòng)物的糞菌移植研究表明，糞便移植聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療可提高治療反應(yīng)，但少有患者間的FMT 數(shù)據(jù)。最新研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MT 可以調(diào)節(jié)腸道微生物群，提高免疫治療抵抗患者的反應(yīng)率[2]，并通過(guò)調(diào)節(jié)藥物代謝而實(shí)現(xiàn)腫瘤的個(gè)體化治療[15]。Nejman 等[16]研究了7 種腫瘤類型的1 526 個(gè)腫瘤標(biāo)本和其周圍正常組織，發(fā)現(xiàn)每種腫瘤都是由獨(dú)特的微生物群構(gòu)成，腫瘤內(nèi)的菌群大多在腫瘤細(xì)胞內(nèi)，腫瘤間質(zhì)和免疫細(xì)胞中也能見到菌群。持續(xù)治療約3 個(gè)月后，接受FMT的患者腸道中供者和受者菌群共同存在。腫瘤內(nèi)存在的菌種較不存在的菌種更易移植到受者體內(nèi)，而移植是否成功依賴于供者和受者之間的相容性[17]。

Tanoue 等[18]從健康人群糞便中分離出11 種菌群，這些菌群能夠在腸道誘導(dǎo)γ 干擾素產(chǎn)生CD8+T 細(xì)胞而不會(huì)引起炎癥，菌群混合物可以促進(jìn)宿主抵抗李斯特菌感染并提高免疫檢查點(diǎn)抑制劑的療效。Baruch等[19]開展的一項(xiàng)I 期臨床試驗(yàn)顯示，10例抗PD-1 治療抵抗的惡性黑色素瘤患者接受糞便微生物群移植，1例完全緩解，2例部分緩解，這3例有效患者的腸道固有層和腫瘤微環(huán)境中均有免疫細(xì)胞浸潤(rùn)。Davar等[20]首次報(bào)道了FMT 能夠影響轉(zhuǎn)移性黑色素瘤對(duì)PD-1 抑制劑的治療反應(yīng)，F(xiàn)MT 給患者帶來(lái)生存獲益，其機(jī)制包括增加腫瘤菌群多樣性、激活CD8+T 細(xì)胞和降低IL-8+髓細(xì)胞。該研究顯示，15例PD-1 抑制劑抵抗的黑色素瘤患者接受PD-1 抑制劑反應(yīng)者的FMT，5例臨床獲益，并誘導(dǎo)快速和持久的微生物群重構(gòu)。FMT 獲益者具有獨(dú)特的蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)特征，這些特征由移植菌群所引起。腸道菌群影響免疫檢查點(diǎn)抑制劑的臨床療效，兩項(xiàng)臨床研究均顯示FMT 能夠重構(gòu)腸道菌群并克服PD-1 抑制劑抵抗。目前FMT 治療腫瘤的主要研究見表1。

表1 FMT 治療腫瘤的主要研究

4 編輯微生物群的移植

雖然免疫治療等新治療手段已經(jīng)大幅改善了腫瘤患者的預(yù)后，然而患者的生存時(shí)間存在較大差異，生物標(biāo)記物難以預(yù)測(cè)治療反應(yīng)，療效預(yù)測(cè)因子主要集中在腫瘤特征，而忽視了微生物群等因素。研究顯示，微生物群影響人體免疫和治療反應(yīng)[21]。研究者正從調(diào)控人體微生物群發(fā)展為編輯微生物群來(lái)治療腫瘤[22]。臨床前腫瘤模型和臨床研究顯示部分細(xì)菌，如艾克曼菌、脆弱類桿菌、雙歧桿菌和糞桿菌均能促進(jìn)抗腫瘤免疫反應(yīng)，這些細(xì)菌也有益于人體健康，通過(guò)生成生物學(xué)（synthetic biology）編輯這些細(xì)菌并移植到腫瘤患者腸道內(nèi)可以提高腫瘤治療效果[23]。Guo 等[24]通過(guò)基因敲除梭狀芽孢桿菌來(lái)源的分子基因，減少了短鏈脂肪酸表達(dá)從而提高IgA 調(diào)節(jié)活性。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

糞菌移植更多影響機(jī)體免疫反應(yīng)而提高免疫檢查點(diǎn)抑制劑的療效，而對(duì)于放化療的影響尚有爭(zhēng)議，相關(guān)研究也僅僅限于體外研究。腸道菌群可能減少肺癌患者放療誘導(dǎo)的不良反應(yīng)并提高生存獲益[25]。Scott等[26]應(yīng)用秀麗線蟲模型研究了微生物群對(duì)抗腫瘤藥物療效的影響，發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌可以影響宿主代謝環(huán)境，增加5 氟尿嘧啶誘導(dǎo)的宿主細(xì)胞自噬和死亡。腸道希氏腸球菌和巴恩斯氏菌兩個(gè)細(xì)菌類型可以促進(jìn)γ-干擾素誘導(dǎo)的γδT 細(xì)胞在腫瘤局部的浸潤(rùn)，提高了環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)效果。38例接受細(xì)菌治療+化療的晚期肺癌和卵巢癌患者均獲得了更長(zhǎng)的無(wú)進(jìn)展生存時(shí)間[27]。許多腫瘤患者對(duì)放療、化療和免疫治療反應(yīng)低或無(wú)效，可能與個(gè)體的菌群差異有關(guān)，不同個(gè)體的菌群決定了治療效果，因此腫瘤的個(gè)體化治療離不開菌群治療。糞菌移植治療腫瘤簡(jiǎn)單易行，有良好的應(yīng)用前景。

腸道微生物群影響藥物代謝，導(dǎo)致藥物療效和毒性的個(gè)體差異。Zimmermann 等[28]構(gòu)建的藥物代謝模型可以預(yù)測(cè)微生物群對(duì)藥物代謝影響，通過(guò)研究腸道共生微生物群遺傳圖譜分析微生物群和藥物代謝活性、吸收和分布的關(guān)系，提高了抗腫瘤藥物的療效。微生物治療面臨的另一挑戰(zhàn)是鑒定影響腫瘤表型的個(gè)體微生物群并揭示其作用機(jī)制，Harimoto 等[29]建立了一個(gè)快速篩查基因編輯微生物的平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控微生物群對(duì)多細(xì)胞腫瘤模型的影響，從而指導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)FMT的精準(zhǔn)治療。合成生物學(xué)通過(guò)發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)和重構(gòu)分子結(jié)構(gòu)來(lái)編輯新的生物學(xué)功能，現(xiàn)在已經(jīng)用于基因工程疫苗、分子診斷和細(xì)胞治療等臨床領(lǐng)域，同時(shí)也為編輯和合成糞菌提供了新的方法[30]。微生物群是戰(zhàn)勝腫瘤的有力武器，F(xiàn)MT 治療腫瘤將從菌群移植發(fā)展為菌種移植、從自然菌群移植發(fā)展為編輯菌群移植，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)腫瘤的精準(zhǔn)治療和個(gè)體化治療。