肺部微生態與肺癌的關系研究進展

葛怡俊?曹超

通信作者簡介：曹超，醫學博士，主任醫師，博士研究生導師，長期從事呼吸系統疾病臨床診療及科研工作，逐漸在呼吸系統領域形成了具有自己特色且較為系統的研究成果。其中，作為第一作者的一項成果被寫進《中國支氣管哮喘防治指南（2020年）》，作為通信作者的一項研究被寫進Allergy雜志2020年度全球哮喘研究進展。主持國家自然科學基金2項，作為排名前三的申請人參與國家自然科學基金重點項目、國際合作重大項目等多項國家級課題。目前以第一作者或通信作者（包括共同作者）共發表SCI論文30余篇（其中26篇IF>3分，12篇IF>5分）。

【摘要】肺癌是全球癌癥相關死亡的主要原因。肺部微生態是位于肺部的微生物群落。隨著二代測序的飛速發展，人們發現微生物群落影響著宿主的營養、免疫、代謝和包括癌癥在內的各種疾病的發生與發展。肺部微生態的失調帶來持續的氣道炎癥和免疫反應，影響肺癌的發生、發展。深入探索肺癌患者肺部微生態特征，并將其應用于肺癌早期診斷、治療及預后判斷，有利于提高肺癌的臨床療效。該文就肺部微生態在肺癌中的相關研究進行闡述。

【關鍵詞】肺部微生態；肺癌；微生物；免疫治療；生物標志物

Research progress on the relationship between lung microbiome and lung cancer Ge Yijun△， Cao Chao.△Health Science Center， Ningbo University， Ningbo 315211， China

Corresponding author， Cao Chao， E-mail： caocdoctor@163.com

【Abstract】Lung cancer is the leading cause of cancer-related deaths worldwide. Lung microbiome is defined as the microbial organisms located in the lung. With rapid development of next-generation sequencing， microbiome has been found to affect the hosts nutrition， immunity， metabolism and the occurrence or development of diseases including cancer. Dysbiosis of lung microbiome causes persistent airway inflammation and immune disorders， which affects the occurrence and development of lung cancer. In-depth exploration of lung microecological characteristics of lung cancer patients can be applied to early diagnosis， treatment and prognosis of lung cancer， which is beneficial to improve clinical efficacy of lung cancer. In this article， research progress on lung microbiome in lung cancer was reviewed.

【Key words】Lung microbiome； Lung cancer； Microorganism； Immunotherapy； Biomarker

肺癌是位于全球癌癥相關死亡首位的惡性腫瘤［1］。2020年中國新發肺癌病例達82萬人，但我國肺癌的5年生存率僅有從16.1%～19.7%的小幅上升，肺癌的早期診斷、規范化治療是改變這種局面的重點和難點［2-3］。肺癌與肺部微生態的關系是當前研究的熱點。早期人們認為健康的肺應該是無菌的，然而隨著高通量測序技術的不斷進步，人們發現肺部蘊藏著豐富且彼此之間交流頻繁的微生物群落［4］。研究顯示，肺部特定的微生物或微生態特征在肺癌的發生、發展中發揮作用，并通過相關的分子生物機制影響肺癌患者的治療和預后［5］。關于肺部微生態對肺癌發生、發展的作用機制及在肺癌診治過程中的臨床價值尚未完全明確，本文將就相關內容進行闡述。

一、肺部微生態概念

肺部微生態是存在于肺部的特定微生物，在生態學范疇內這一概念還包括這些微生物的遺傳信息和微生物間的交互［6］。隨著現代分子技術的進步，“正常的肺部是無菌的”這一概念早已被否定，現有研究表明，無論是患有肺部疾病人群還是健康人群，其下呼吸道均存在細菌群落。既往研究表明健康個體肺部微生物主要來源為上呼吸道，下呼吸道以擬桿菌門微生物和厚壁桿菌門微生物為主，占優勢的菌屬包括普雷沃菌屬、韋榮球菌屬和鏈球菌屬［7-8］。在病理狀態下，肺部疾病誘發的病理進程改變了微生物的生長條件，這種改變促進優勢微生物群落的轉化，從而使肺部微生態發生紊亂并進一步誘發其他病理進程，這種無節制的“惡性循環”是肺部疾病發生、發展的關鍵因素［8］。

二、肺癌患者的肺部微生態特征

1. 肺癌患者肺部微生態的優勢菌屬

國內外研究表明，肺癌患者具有與其他人群相區別的肺部微生態特征，這種肺部微生物群落的差異提示肺部微生物群落與肺癌的關聯。Xia等［9］采集了來自肺癌患者、原發性肺結核患者和社區獲得性肺炎患者的支氣管肺泡灌洗液進行高通量測序，結果顯示三者肺部微生物群落均以厚壁菌門、擬桿菌門、變形桿菌門、放線菌門和梭菌門為主，肺癌組患者與社區獲得性肺炎組患者的下呼吸道微生物在屬水平上存在較大差異，與社區獲得性肺炎組相比，肺癌組有包括奈瑟菌屬、巨單胞菌屬等在內的22個菌屬富集。

2. 肺癌患者與非肺癌人群的菌屬差異

Liu等［10］從24例孤立性占位肺癌患者（癌變部位和對側非癌變部位的配對樣本）和18例接受支氣管鏡檢查的健康對照中收集受保護的支氣管刷樣本，并通過16S rRNA擴增子測序分析，發現健康對照組肺部的微生物多樣性最高，而肺癌患者肺部的微生物多樣性偏低，尤其是在病變所在側。進一步分析發現鏈球菌屬微生物在肺癌患者下呼吸道富集，而健康人群下呼吸道占優勢菌屬則為葡萄球菌屬。另一項以肺部占位性病變患者支氣管肺泡灌洗液為基礎的研究顯示：與良性腫瘤組相比，惡性腫瘤組中厚壁菌門微生物和螺旋體菌門微生物占優勢［11］。盡管不同研究中的肺癌患者肺部微生態特征并不完全相同，但肺癌患者與非肺癌人群之間的肺部微生態特征差異是客觀存在的。

3. 肺癌患者肺部微生態與臨床特征的關聯

此外，微生物群落還與患者的吸煙狀況、病理類型、基因差異等有一定聯系。Greathouse等［12］

對143份肺癌病例和33份對照病例的肺組織進行細菌基因測序，并用癌癥基因圖譜中的RNA序列進行驗證，結果顯示嗜酸菌屬微生物在吸煙者下呼吸道富集，并且在同時攜帶TP53突變的鱗狀細胞癌病例中更顯著，研究人員認為可能是攜帶TP53突變的鱗狀細胞癌患者具有較差的上皮屏障功能，使得嗜酸菌屬更容易在肺上皮定植。Wong等［13］受此啟發，利用癌癥基因組圖譜數據庫發現不同年齡、性別亞組肺癌患者間肺部微生態存在差異，突出了在研究肺癌患者肺部微生態的特征中考慮性別、年齡等因素的重要性，后續又對微生態特征與免疫細胞浸潤、基因組改變、患者生存率等臨床特征進行了相關性分析，對肺癌的臨床診治及預后評估具有提示作用。

三、肺部微生態在肺癌中的作用機制

1. 微生物調節炎癥途徑

慢性炎癥會增加癌癥的發生風險，大約25%的癌癥與炎癥相關［14］。微生物和細菌產物通過誘導炎癥反應在肺癌的進展中起著作用。流行病學表明，肺結核病會增加肺癌的發生風險［15］。一項研究驗證了肺結核合并肺癌患者血清中Toll樣受體2的高表達，結核分枝桿菌感染可能促進Toll樣受體2上調誘導IL-6、IL-17、IL-22等炎癥因子，從而增強癌細胞的生長和轉移能力［16］。另外長期暴露于結核抗原可能導致CD4+及CD8+T淋巴細胞受抑制，并最終造成T淋巴細胞耗竭，而T淋巴細胞耗竭是機體防御感染和惡性腫瘤能力下降的重要因素［17］。Jungnickel等［18］發現注射肺腫瘤細胞的小鼠先后暴露于香煙煙霧和副流感嗜血桿菌，暴露于副流感嗜血桿菌組的小鼠肺部轉移的結節較對照組增多、增大，進一步研究顯示副流感嗜血桿菌通過Toll樣受體2/4上調IL-17C的表達，誘導中性粒細胞在腫瘤的聚集，從而促進腫瘤發展。此外，由微生物誘導的炎癥細胞可以通過活性氧和氮的產生來誘導DNA損傷和基因組不穩定，同時誘導增殖和血管生成，促進腫瘤的發展［19］。

2. 微生物影響免疫反應

肺部微生物是人類免疫系統發展的重要組成部分，在肺微環境中的免疫調節中發揮關鍵作

用［20］。Tsay等［21］對收集的健康人、肺癌患者和肺部良性腫瘤患者的氣道毛刷樣品進行16S rRNA測序和轉錄組測序，發現肺癌組患者下呼吸道富含在口腔中同樣富集的鏈球菌屬和韋榮球菌屬微生物，經過體外細胞及動物實驗驗證，證明口腔共生菌如鏈球菌屬、普雷沃菌屬和韋榮球菌屬微生物等促進了肺泡上皮細胞中與肺癌進展相關的絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）、胞外信號調節激酶（ERK）、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）等信號通路上調，而ERK/MAPK和PI3K/蛋白激酶B（AKT）等相關炎癥信號通路與免疫逃逸相關。有趣的是，偶爾誤吸口腔共生菌鏈球菌屬微生物誘導的Th17反應可以降低機體對口腔共生菌的易感性，從而達到預防因口腔共生菌導致的腫瘤發生的效果［22］。γδT淋巴細胞被認為是宿主先天免疫的重要效應和調節細胞，在病原體入侵時發揮作用［23］。Jin等［24］的研究發現，肺癌小鼠的肺部總細菌負荷增加而細菌多樣性減少，并與腫瘤進展相關，進一步實驗證明局部的細菌通過刺激IL-1β和IL-23生成，誘導Vγ6+ Vδ1+ γδT淋巴細胞的增殖和活化，產生IL-17和其他效應分子從而促進肺癌細胞增殖。這也解釋了對具有致癌突變的小鼠進行無菌或抗生素處理可以使它們免受腫瘤侵害的現象。

3. 微生物代謝

微生物對宿主代謝的影響已經在腸道微生物中得到了充分的體現。Loo等［25］的研究證明肥胖會誘發腸道微生物群的改變，轉移的代謝物和組分驅動環氧酶2（COX2）途徑抑制抗腫瘤免疫，最終促進肝癌進展。肺部微生物也可能產生有毒代謝產物，通過激發相關通路促進肺癌進展。Apopa等［26］發現肺腺癌組織中藍藻菌屬微生物豐度升高，由此釋放的微囊藍藻毒素使得Toll樣受體分子水平降低、聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶1水平升高，與肺癌發生的炎癥途徑相關。另一項稍早的研究證實，顆粒鏈球菌通過參與多胺類如腐胺與聚胺等的代謝途徑影響肺癌進展，多胺類的降解還與細胞周期有關［27］。

綜上所述，肺部微生物組的穩態失衡可能通過控制宿主的炎癥反應和影響各種免疫途徑來促進肺癌的發展，同時微生物的代謝產物也可能對肺癌進展產生影響。

四、肺部微生態在肺癌中的臨床應用價值

1. 診斷價值

肺癌的早期診斷對預后至關重要，現有研究已經證明肺癌組織與非癌組織微生物群存在差異，將此引入相關肺癌診斷模型是有益的臨床嘗試。Marshall等［28］對近400例吸煙者的氣道毛刷樣品進行微生物組的分析，結合這部分吸煙者隨訪10年是否發生肺癌的結果，建立了具有較好效能的預測吸煙者肺癌發生的模型，這表明利用液體活檢技術對吸煙等有肺癌高危因素的人群進行微生物組學相關的肺癌預測具有一定的價值。Lee等［11］前瞻性收集了28例因肺部具有占位性病變而進行支氣管鏡檢查患者的支氣管肺泡灌洗液，最終20例患者確診為肺癌，而8例患者確診為肺部良性腫瘤，進行以16S rRNA為基礎的二代測序后，發現兩者的肺部微生物群落構成存在差異：與良性腫瘤患者相比，肺癌患者的下呼吸道中韋榮球菌屬、巨球型菌屬、奇異菌屬和月形單胞菌屬等4種菌屬的豐度增加。隨后該團隊根據韋榮球菌屬和巨球型菌屬微生物在肺癌患者中富集的特點構建了具有高分類潛力［受試者操作特征（ROC）曲線下面積0.888］的肺癌診斷模型，體現了韋榮球菌屬和巨球型菌屬微生物作為肺癌預測生物標志物的意義。類似地，前文所述的Liu等［10］根據肺癌組內鏈球菌屬微生物含量高于對照組這一發現，構建了以鏈球菌屬微生物為基礎的肺癌診斷模型（ROC曲線下面積0.693）。另有研究團隊則初步進行了肺癌與對照組的微生物組學相關的差異分類，這些模型的構建或差異分類為臨床診斷肺癌提供了參考［12， 29］。

2. 預后預測

肺部微生物組還應用于肺癌預后的預測。Peters等［30］對Ⅱ期非小細胞肺癌患者的癌組織和遠處正常組織進行16S rRNA基因測序，同時檢測了外周血的免疫基因表達并進行了中位時間達到4.8年的隨訪，結果顯示：正常組織中擬桿菌目和梭狀芽孢桿菌目的富集以及癌組織中放線菌目和假單胞菌目的富集與預后不良相關，而正常組織中若伯克霍爾德菌目和奈瑟菌目占優則提示預后較好。在對肺癌復發風險的預測上，微生物組生物標志物對短期（1年）預測的貢獻更大，而基因生物標志物對長期（2～5年）預測的貢獻更大。

3. 療效評估與提升

區別于傳統的化療、放療等抗腫瘤治療，免疫治療通過干預自身免疫系統，提高機體的抗腫瘤免疫反應，從而達到對抗腫瘤的目的。隨著對微生物群落與免疫研究的不斷深入，人們發現微生物群落在宿主免疫系統的誘導、馴化和功能中扮演著重要角色［31］。微生物群落影響宿主細胞釋放特定細胞因子從而產生促炎或抗炎環境，免疫微環境的變化影響著免疫治療的療效［32］。作為免疫檢查點抑制劑（ICB）的抗程序性死亡蛋白-1及其配體是肺癌免疫治療的利器，但并不是所有患者都能得到較好的臨床獲益。在一項前瞻性研究中，研究者納入了69例單獨使用免疫檢查點抑制劑治療的晚期非小細胞肺癌患者，采集患者糞便分析腸道微生物群落并進行隨訪，結果顯示抗生素的使用與患者對ICB的反應與存活率無關。該研究還發現免疫治療療效佳的患者腸道微生物群落中考拉桿菌屬微生物占優，而小桿菌屬微生物在腸道的富集則與免疫治療預后不良相關，這些發現為非小細胞肺癌的免疫治療提供了新的預后預測生物標志物［33］。Routy等［34］發現晚期非小細胞肺癌、尿路上皮癌、腎癌在免疫治療期間接受抗生素治療的患者總生存期和腫瘤復發時間較未接受抗生素治療患者均縮短，通過對患者糞便的宏基因組分析發現抗生素治療消耗了腸道中與免疫治療效果高度相關的嗜黏蛋白阿克曼菌和海氏腸球菌；在體外動物實驗中，團隊向黑色素瘤小鼠腸道中移植了相應的細菌，結果顯示細菌通過增加T淋巴細胞在小鼠腫瘤處的募集提高了免疫治療的療效。Nyein等［35］的回顧性研究也表明抗生素或化療藥物的使用破壞了腸道微生物群落，降低了晚期非小細胞肺癌患者的免疫治療效果。另一項動物實驗發現，對無菌處理的腫瘤轉移小鼠進行糞便微生物群或雙歧桿菌移植后，腸道微生物群落通過影響環狀RNA表達以調節相應微RNA的水平從而抑制小鼠癌細胞的肺轉移［36］。雖然先前研究多聚焦于腸道微生態與免疫治療，隨著肺部微生態研究的推進，肺部微生態在免疫治療臨床價值也逐漸顯現。一項動物實驗表明，通過抗生素或益生菌氣溶膠療法調節肺部微生物群落，抑制了黑色素瘤小鼠的腫瘤肺轉移，研究者發現這種肺部微生物群落調節方式使得小鼠肺部T淋巴細胞和自然殺傷細胞活化增強而調節性T淋巴細胞減少，前者是機體殺傷腫瘤的關鍵［37］。

綜上所述，肺部微生態為肺癌的早期診斷、療效評估和預后預測提供了潛在的生物標志物，挖掘肺部微生態與肺癌間的聯系對臨床診療大有裨益。

五、結 語

現有研究表明肺部微生態與肺癌存在密切聯系。肺部微生態的失調誘導局部免疫環境紊亂和DNA損傷，進一步招募的炎癥細胞和聚集的炎癥因子激活下游炎癥信號分子通路，促進肺癌的發生、發展。但仍有很多問題亟待解決，尋找潛在的微生物作為肺癌診斷、預后分析和療效評估的生物標志物，并厘清特定微生物與肺癌之間聯系的生物分子機制是關鍵。肺部微生物組學研究還處于起步階段，迄今為止的大多數研究的規模較小，各研究間的同質性較差，需要大型的、多中心的縱向研究來進一步明確肺癌與肺部微生態之間的關聯，相信在不遠的將來，對肺癌與肺部微生態的研究可以開辟肺癌診療的新道路。

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（收稿日期：2023-06-07）

（本文編輯：林燕薇）