王璐 孫伊楠 尹菡 陳心怡 李龍 袁響林

腸道微生物群（gut microbiota，GM）由數以萬億計的微生物組成，包括1 000 余種不同的已知細菌、真菌、古細菌、寄生蟲和病毒，其基因超過300 萬個[1-2]。健康成年人共有的GM 種類，構成“核心微生物群”[2]，但人類GM 在機體內部和個體之間也表現出顯著差異，這取決于飲食習慣、種族、宿主遺傳、年齡和既往藥物使用情況等[2-4]。GM 可調節多種生理功能，如代謝、炎癥、腫瘤和免疫[5-6]。GM 與腫瘤之間復雜而緊密的關系已被大量研究報道，GM 作為腫瘤潛在生物標志物的作用及其對癌癥治療的安全性、耐受性和療效的影響也越來越得到重視[7-9]。微生物微環境、微循環微環境、免疫微環境和代謝微環境共同構成腫瘤微環境，微生物微環境作為腫瘤微環境重要組成部分之一，在腫瘤的發生發展、放化療療效不良反應以及免疫治療中的作用等方面為解決相關腫瘤難題提供重要方向。GM 和腫瘤的關系復雜而密切，可作為生物標記物、診斷工具、治療靶點，是腫瘤精準治療中不可或缺的因素。

1 GM 與腫瘤的發生發展

1.1 腫瘤患者GM 的變化

腫瘤患者與非腫瘤患者在GM 的組成以及豐度上具有顯著變化：1）益生菌與致病菌的數量比例下降，其中益生菌包括擬桿菌、長雙歧桿菌、瘤胃球菌等；致病菌包括具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum，Fn）、變形菌、Dore 菌、艱難梭菌、志賀菌等；2）菌群多樣性降低，腫瘤患者GM 豐度顯著低于正常健康人群；癌組織黏膜與癌旁黏膜腸道菌群豐度之間也存在差異；3）厚壁菌門/擬桿菌門比例失衡：菌群失調引發腫瘤發生可歸因于微生物因素和宿主免疫反應[10,11]。GM 對腫瘤發生、發展的影響主要通過以下幾種途徑：1）微生物直接與腫瘤接觸，促進腫瘤發展；2）通過調控機體免疫系統而對腫瘤影響；3）通過調節機體代謝，間接影響腫瘤細胞的命運；4）特定的菌群也可以影響腫瘤化療效果，阻礙腫瘤的有效治療[12]。結直腸癌患者體內的原發性腫瘤與轉移腫瘤中存在相同的腸道細菌，而且這些細菌與腫瘤的生長密切相關[13]；GM 對局部屏障穩態的維持和調節代謝、造血、炎癥、免疫和其他功能的生理功能有重要作用，參與上皮屏障和無菌組織中腫瘤的發生發展[14]。

1.2 Fn 促進腫瘤的發生發展

GM 的組成和功能改變使致病菌更易在腸道定植，直接相關的病菌如：Fn、產腸毒素脆弱擬桿菌、致病性大腸埃希菌等；其中對Fn 的研究最為全面和深入。Fn 定植后腸道屏障受損，啟動髓細胞介導的免疫反應，導致細胞基因毒性發生及表觀遺傳改變，最終引起結腸癌發生。Fn 與結腸瘤變、結直腸癌和疾病預后相關，結直腸癌患者的總體存活率隨著具核桿菌的增加而減少：R 為Fn 的相對數量（腫瘤組織中的Fn 相對于配對正常上皮組織的的倍數），當R＞216提示預后不良，中位生存期為2年；當腫瘤組織中未檢測到Fn 或R＜25，2年的生存率為100%[15]。Fn 和葡萄糖代謝在機制上、生物學和臨床上與結直腸癌發生相關，靶向ENO1 通路可能對治療Fn 升高的結直腸癌患者有意義[16]。此外，針對Fn 設計改造噬菌體是一種精準治療結直腸癌的方法之一，通過噬菌體改造技術篩選了一種特異性結合Fn 的M13 噬菌體。將銀納米粒子靜電組裝在其表面衣殼蛋白上，以實現Fn 的特定清除并重塑腫瘤微生物微環境和免疫微環境。體外和體內研究表明，M13 噬菌體治療可以清除腸道中的Fn 并導致腫瘤部位髓源性抑制細胞擴增減少。此外，抗原呈遞細胞被M13 噬菌體激活以進一步喚醒宿主免疫系統以抑制結直腸癌。M13 噬菌體與免疫檢查點抑制劑或化療藥物聯合使用可顯著延長原位結直腸癌模型中小鼠的總體存活率[17]。

GM 中Fn 和哈瑟韋氏菌群能驅動結直腸癌宿主中結腸上皮細胞抑癌基因啟動子高甲基化。有研究[18]通過在正常結腸黏膜組織、腺瘤組織，以及10 對結直腸癌和結直腸癌鄰近組織中進行16SrRNA 基因測序和基于甲基-CpG 結合域的捕獲測序，確定TSG 啟動子高甲基化與結直腸癌相關細菌之間具有顯著關聯；Fn 和哈瑟韋氏菌群被鑒定為甲基化調節細菌。進一步機制驗證實驗表明：Fn 和哈瑟韋氏菌上調了DNA甲基轉移酶，促進了無菌和常規小鼠的結腸上皮細胞增殖。

1.3 GM 多樣性與腫瘤的發生發展

不僅單一GM 對結直腸癌發生具有影響，GM 的多樣性和構成比也同樣具有重要作用[19]。腸道古細菌組成的改變和其他細菌的相互作用與結直腸癌有關，有研究對184 例結直腸癌患者、197 例腺瘤患者和204 例健康人的糞便樣本中古細菌進行了NGS 分析發現來自結直腸癌患者、腺瘤患者和對照個體的糞便樣本中存在明顯的集群差異，表明在腫瘤發生過程中腸道古細菌的組成發生了變化。在對照個體的糞便樣本中觀察到古細菌和細菌多樣性之間的關聯，這種現象尚未從結直腸癌患者中觀察到。富含結直腸癌患者糞便樣本的古細菌與富含相同樣本的細菌有廣泛的相互關聯，富集嗜鹽菌和缺乏產甲烷菌是結直腸癌患者糞便樣本的古細菌特征[20]。結直腸癌患者的腸道循環細菌DNA 也在結直腸癌診斷中具有一定價值，有研究[21]對來自25 例結直腸癌患者、10 例結直腸腺瘤患者和22 例健康對照人群的血漿樣本進行了NGS 測序。與結直腸癌/直腸腺瘤患者相比，健康對照人群的物種多樣性略高。大多數循環細菌DNA 來自通常與胃腸道和口腔相關的細菌屬。通過差異分析，選出預測能力最高的28 個物種。在直腸腺瘤患者中，與健康對照人群相比，所選28 種物種的相對豐度與結直腸癌患者中的更相似。物種相關性分析顯示結直腸癌和健康對照人群顯示出不同的物種關聯模式。該項研究證明了結直腸癌患者循環細菌DNA 的改變，這有可能成為結直腸癌篩查和早期診斷的非侵入性生物標志物。

1.4 菌群在腫瘤發生發展中的其他應用

GM 不僅能預測結直腸癌的發生和發展，對其他腫瘤也有預測能力。特定GM 特征可預測早期肺癌，有研究通過16S 核糖體RNA 基因測序分析，在包含42 例早期肺癌患者和65 例健康個體的隊列中分析了GM 組成。與健康人群相比，肺癌患者的微生物群組成發生了顯著變化。利用支持向量機發現具有13個基于操作分類單元的生物標志物的預測模型在肺癌預測中實現了高精度下面積曲線預測，進一步構建一個“患者偏向指數”。該研究揭示了肺癌患者的微生物群譜，并建立了特定的GM 特征，可用于早期肺癌的潛在預測[22]。不僅如此，在完整消化道中，口腔微生物群的生物標志物亦被發現有助于預測結直腸癌發展風險，人類口腔微生物群失調可作為檢測結直腸癌的新型非侵入性生物標志物。有研究對161 例結直腸癌患者、34 例結直腸腺瘤患者和58 例健康志愿者的口腔拭子樣本使用16S 核糖體RNA 測序評估口腔微生物群。三組口腔微生物組成和多樣性差異顯著，直腸腺瘤組的多樣性最高。口腔微生物群的功能潛力分析表明，與健康對照組相比，直腸腺瘤和結直腸癌組中較多涉及細胞運動相關蛋白。該研究表明口腔微生物群失調與結直腸癌之間存在潛在關聯[23]。

2 GM 與放化療的療效和不良反應

2.1 GM 調節化療的療效和不良反應

GM 與化療的相互作用可總結為“TIMER”：移位（translocation，T）、免疫調節（immunomodulation，I）、代謝（metabolism，M）、酶降解（enzymatic degradation，E）、減少多樣性（reduced diversity，R）[24]。

環磷酰胺（cytoxan，CTX）能夠改變腸黏膜屏障，可引起小腸絨毛縮短和炎性細胞浸潤，同時CTX 可以直接對GM 造成影響，誘導繼發性淋巴器官中黏膜相關的微生物異常和細菌移位，允許共生菌移位至次級淋巴器官。萬古霉素能鈍化CTX 誘導的TH17 分化，導致CTX 的抗腫瘤效應下降。無菌或經抗生素治療殺死革蘭氏陽性菌荷瘤小鼠的顯示TH17 反應降低，且其腫瘤對CTX 具有抗性[25-26]。GM 通過調節自噬促進對結直腸癌化療耐藥，小鼠模型中，Fn 誘導了結直腸癌對5-FU 和奧沙利鉑的抗性，Fn 促進自噬通路激活，自噬小體增加，自噬抑制劑明顯消除了Fn 誘導的化療抗性，增加了細胞凋亡[27]。

GM 與化療也可通過免疫調節相互作用。甲氨蝶呤較易使得廣譜抗生素預清除細菌的小鼠產生小腸炎，TLR2 和TLR4 可能參與這種效應的產生[28]。GM 可通過酶降解和代謝途徑與化療的相互作用。抗病毒藥物索立夫定在腸道擬桿菌屬產生的磷酸化酶的作用下轉化產物可以使肝二輕嘧啶脫氫酶失活，5-FU 滅活代謝減少，全身5-FU 濃度增加，甚至發生致死性毒性[29]。化療也可以減少腸道菌群多樣性，在甲氨蝶呤誘導的大鼠胃腸黏膜炎模型中，微生物群的數量和多樣性大幅減少，化療與抗炎細菌的減少和促炎細菌的增加有關，具有這種效應的化療藥包括依托泊苷、阿糖胞苷等[30]。

2.2 GM 與放療的療效和不良反應

GM 與放療的療效和放射性損傷的發生密切相關。放射誘導的GM 在體內會使結腸組織損傷加重，無菌鼠在輻射誘導微生物群處理后，其放射損傷指標IL-1B 持續升高，并且促進放射性結腸炎發生[31]。糞菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）也可防止輻射誘發的毒性。FMT 增強血管生成，但不加速腫瘤生長；FMT 可改善胃腸道功能和上皮完整性，從而改善輻射誘發的胃腸道毒性[32]。GM 不僅能調節放療后胃腸功能，而且對調節全腦放療后引起的認知功能障礙（cognitive dysfunction，CD）也有臨床價值；15Gy 全腦放療后，CD 的發生率大約是31%。CD 小鼠擬桿菌增多，東海酪酸菌減少。經抗生素處理后，CD 發生率從33.3%上升至45.8%。16SrRNA 測序發現，抗生素組與單純放療組對比，其丙型丙酸桿菌、大腸桿菌、埃希氏菌、大腸埃希菌增多。經益生菌處理后，CD 發生率從30.0%降至23.1%[33]。

2.3 GM 在新輔助放化療中的應用

GM 在預測新輔助放化療反應方面具有臨床價值。有研究觀察到新輔助放化療期間顯著的微生物組改變，對比基線樣本發現新輔助放化療反應者和無反應者之間存在顯著微生物群差異。與丁酸鹽產生相關的微生物，包括羅氏菌屬、Dorea 菌屬和 Anerostipes 菌屬，在反應者中的比例較高，而紅蝽菌科和Fn 在無反應者中的比例較高。最終研究選擇10 種GM 生物標志物，為預測新輔助放化療反應提供了新的潛在生物標志物，在這些患者的臨床管理中具有重要的意義[34]。

3 GM 調節免疫治療的療效和不良反應

GM 可通過調節局部或全身的免疫狀態重塑微生物微環境影響免疫治療的療效和不良反應。有研究報道3 種腸道菌群：假長雙歧桿菌、約氏乳桿菌和歐陸森氏菌能增強免疫治療療效，假長雙歧桿菌可促進Th1 的激活和抗腫瘤免疫[35]。益生菌丁酸梭菌療法（clostridium butyricum therapy，CBT）增強了非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitors，ICIs）的療效，益生菌CBT 組具有更長的無疾病進展時間和生存時間。不僅如此，益生菌CBT 逆轉了抗生素干預ICI 的療效：在接受抗生素治療的患者中，與未給予益生菌CBT 的患者相比，接受益生菌CBT 的患者無疾病進展時間和生存時間明顯提高[36]。NSCLC患者使用質子泵抑制劑或抗生素降低ICI 的療效[37-38]，可能原因在于NSCLC 患者腸道菌群多樣性改善ICI治療療效，使得GM 多樣性高的人群無疾病進展時間長于腸道菌群多樣性低的人群[39]。

GM 在胃腸道腫瘤ICI 療效的相關性可確定具有患者分層潛力的細菌分類群[40]。有研究基于此利用FMT 技術開展了早期的臨床試驗，對10 例ICI 難治性轉移性黑色素瘤患者進行了一期臨床試驗，以評估FMT 和再次誘導ICI 的安全性和可行性。該研究觀察了3 例患者的臨床反應，其中2 例患者達到部分緩解，1 例達到完全緩解。FMT 治療與腸道固有層和腫瘤微環境中免疫細胞浸潤和基因表達譜的有利變化相關[41]。一項研究對糞便樣本的16S rRNA 分類測序顯示，患者的普氏菌/擬桿菌比升高與ICI 治療反應性相關，并且特定的反應者亞組具有顯著更高的普氏菌豐度、瘤胃球菌科和毛螺菌科。表現出不同反應的患者在與核苷和核苷酸生物合成、脂質生物合成、糖代謝和發酵成短鏈脂肪酸相關的通路豐度不同。該研究強調了GM 對ICI 治療效果的影響，并表明GM 作為ICI 反應標志物的潛力[40]。腸道嗜黏蛋白阿克曼菌在ICI 有效應的患者中富集，影響小鼠和患者中ICI 抗癌療效，與ICI 進行聯合，生存期顯著提高[42]。特定的GM 組成能顯著幫助延長黑色素瘤患者的無進展生存期，在臨床中避免使用抗生素，可讓患者對ICI 的應答率從25%提高至40%[43]。

4 飲食與藥物調節GM、結直腸癌發生發展

飲食可以通過調節GM 來影響結直腸癌的發生和發展（圖1）。不易消化的植物多糖主要由腸道微生物群發酵，大棗多糖（jujube polysaccharide，JP）屬于植物多糖，通過對GM 的調節，在動物模型中證實可抑制腫瘤的發生。采用氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎-癌癥小鼠模型，與對照組相比，添加JP 可通過改善結腸炎-癌癥引起的GM 失調來預防結直腸癌。經JP 治療后，厚壁菌門/擬桿菌門顯著減少。JP通過積極調節GM 并增強某些有助于宿主健康的代謝途徑而表現出類似益生元的效果。氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸鈉改變GM 后，JP 具有恢復GM 的能力，表明JP 作為益生元預防和治療結直腸癌的潛力[44]。另有研究將具有理想生物相容性并廣泛用作食品和藥品添加劑的益生菌和益生元相結合，構建一種安全的微生物群調節材料。通過丁酸梭菌和化學修飾的益生葡聚糖之間化學反應，制備了益生元封裝的益生菌孢子（spores dex）。該研究發現，其口服后可特異性富集在結直腸癌病灶。在病灶中，葡聚糖被丁酸梭菌發酵，從而產生抗癌短鏈脂肪酸。此外，益生菌孢子調節GM，并顯著增加微生物群的整體豐富度。在皮下和原位腫瘤模型中，益生菌孢子抑制腫瘤生長高達89%，且沒有發現顯著的不良反應。這項研究揭示了使用高度安全的微生物策略來調節腸道微生物群的可能性，并為治療各種胃腸道疾病提供了潛在的途徑[45]。

圖1 以GM 為核心形成個體/食品/藥物-GM-腫瘤網絡

5 結語與展望

GM 作為藥物、食物以及物理化學刺激與腫瘤發生、發展、治療預后的中介因素，在腫瘤微環境中具有重要的作用；其不僅對結直腸癌、胃癌等消化道腫瘤具有調節、診斷預測作用，也能在其他系統的惡性腫瘤如肺癌中起到生物標志物作用，針對有害GM 的噬菌體的研發也在進行中。提高GM 的多樣性，減少抗生素的使用，降低有害菌群的豐度能有效提高腫瘤的預后、抗腫瘤治療的療效。針對GM 的精準化調控和檢測將會成為未來腫瘤治療、腫瘤預測的重要方向。