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科研动态

Nature Reviews Cancer:菌群如何在癌症治疗中扮演“关键协调员”?
发布时间:2017-05-16 17:12   点击率:

人体共生微生物对于宿主的健康和生命活动至关重要。它们维持上皮屏障的稳态,调节能量代谢,参与造血和免疫功能,影响着宿主方方面面的生理功能。同时,人体共生菌群也在上皮屏障和无菌组织的癌症发生、发展和传播中起着关键性作用。例如Fusobacterium nucleatum(具核梭杆菌)已被证实与人类结肠癌相关。越来越多的证据表明,人体共生菌群(特别是肠道菌群)可以在调节化疗放疗的疗效的同时,降低患者对治疗毒性副作用的易感性。这篇来自美国国家癌症研究所的综述,探讨了目前菌群在调节化疗、放疗以及免疫治疗方面能力的证据,指出特定菌种在癌症治疗中的作用机制以及未来通过靶向菌群调节以提高目前癌症常规治疗抗癌效果的可行性,同时期望未来益生菌的使用可以预防抗癌治疗带来的毒副作用。

 


1.  肠道菌群对局部组织和全身的影响

在我们的人体定居着约3×1013个微生物,它们的数目接近我们人体全部细胞数,被称为“被遗忘的器官”。肠道菌群、免疫细胞和粘膜屏障之间的不断交流维持着肠上皮的稳态平衡,结构完整且机能良好的肠上皮维系着我们健康的身体。肠道菌群可以影响它们所处的上皮屏障的功能,并对局部进行免疫调节。除此,肠道菌群也可以产生全身性影响,但其作用机制并不像菌群对局部的影响机制研究的那么透彻(图1)。

 
小鼠和人类的基因和环境因素(如,营养情况)会调节菌群的结构。有实验表明,肠道的菌群移植可以提高无菌小鼠的癌症治疗效果。因此,我们可以推测出宿主基因和生活方式在一定程度上会通过改变肠道菌群组成来影响致癌作用和对癌症治疗的反应。

 
图1. 肠道菌群对局部和全身的影响
注:CNS,中枢神经系统;MALT,黏膜相关淋巴组织。
 
2.  化疗与菌群

化疗并不是特异性针对癌细胞,它往往对具有高更换率和分裂率的细胞有明显毒性。目前临床用于治疗癌症的化疗药物主要有以下几类:烷化剂类(如,环磷酰胺),重金属药剂(如,铂类),抗代谢类(如,甲氨蝶呤),细胞毒性抗生素类(如,阿霉素)和生物碱类(纺锤体形成抑制剂)等。

 
a) 化疗药物代谢
肠道菌群会影响药物的药代动力学、药物抗癌效果以及毒副作用。目前研究认为有40多种药物代谢与菌群相关。在抗癌药物中,明确会受到菌群影响的有:①放疗增敏剂的硝基还原,②甲氨蝶呤的水解,③伊立替康在肝的解离。
 
一方面来说,许多口服药物的吸收速率和生物利用度取决于它们在进入外周血液循环之前在肠道内对某些细菌和其产生部分酶类的暴露程度。部分注射药物会在肝脏中代谢,之后胆汁排泄到肠道中,在那里它们暴露于肠道微生物群,并且可以进一步代谢和重吸收(图2)。在临床实验中,益生菌的补充可以在一定程度上缓解伊立替康(治疗结肠癌新药,属于注射药物)导致的腹泻。
 
另一方面,肠道菌群可以通过调节宿主基因表达和局部粘膜屏障以及远端器官(例如,肝脏)的生理机能,间接地影响口服和注射用药物的代谢。还有研究表明,癌症患者对药物治疗反应和对毒性作用易感性的差异均与患者肠道菌群组成和活力不同有关。


图2. 药物代谢的主要途径和肠道菌群的作用
注:CYP450,细胞色素P450;GI,胃肠道。
 
b) 化疗反应
化疗药物与细菌的接触会使药物出现化学变化,进而影响药效。目前仅研究了铂类和环磷酰胺药物在体内与菌群相互作用的详细机制。
 
铂类化疗药物对快速再生的肠粘膜细胞有破坏作用,进而损伤肠屏障功能。严重时,肠道共生菌群和病原体会通过破损的肠壁进入肠系膜淋巴结和血液,导致败血症和全身性炎症的发生(图3)。
 
虽然肠道菌群的存在并不是铂类化疗药物发挥抗肿瘤作用所必须的,但化疗药物在治疗无菌或抗生素所致的菌群耗竭小鼠时效果显着降低(图3)。使用Lactobacillus acidophilus(嗜酸乳杆菌)对菌群耗竭小鼠进行调节,可以恢复铂类化疗药物的抗癌效果,上调相关炎性基因表达。这可能与MYD88(Myeloid differentiation primary response 88, 骨髓分化初反应蛋白88)相关,其相关的具体受体有待进一步研究。

          
图3. 菌群调节抗癌治疗效果    

奥沙利铂(铂类化疗药物的一种)会诱导免疫原性癌细胞死亡,细胞死亡形式先于自噬发生,会暴露细胞表面相关信号,从而激活抗原呈递细胞进行抗肿瘤免疫应答,产生的适应性T细胞对模型小鼠起到长期的肿瘤消退作用。免疫原性细胞死亡后T细胞的活化取决于白细胞介素-1β(IL-1β)诱导的炎症反应。与奥沙利铂不同,顺铂并不会诱导免疫原性细胞死亡,它在用药初期会产生快速的抗肿瘤作用,然而,这种效应是短暂的。较一般饲喂的小鼠来说,铂类化合物的对基因和细胞的早期毒性作用以及奥沙利铂诱导的长期作用会使化疗后菌群耗竭小鼠的生存率降低。这些发现表明,菌群可能通过独立的机制调节早期细胞毒性和适应性免疫应答。
 
类似铂类化疗药物,烷化剂环磷酰胺(CTX)也会诱导免疫细胞死亡。CTX会使小鼠肠粘膜通透性增加,肠道菌群会转移到肠系膜淋巴结中(图3)。
 
CTX治疗选择性地降低了小肠粘膜中几种特定门的菌群丰度(图3),同时增强了转移到肠系膜淋巴结中的革兰氏阳性菌,如,Enterococcus hirae(海氏肠球菌)。另外一种细菌种类革兰阴性菌Barnesiella intestinihominis(肠结巴斯德氏菌)则在结肠中聚集,促进了CTX治疗小鼠癌症病变中干扰素-γ(IFN-γ, Th1细胞分泌的一种细胞因子)浸润产生γδT细胞。值得注意的是,海氏肠球菌和肠结巴斯德氏菌特异性Th1细胞的存在和晚期肺癌或卵巢癌患者化疗良好的预后相关。

 
图4. 微生物诱发的天然免疫受体

c) 药物毒性
关于益生菌预防铂类化疗药物毒性能力的研究很少。目前研究认为,嗜酸乳杆菌(L. acidophilus)和两歧双歧(Bifidobacterium bifidum)冻干菌粉的联用可以降低放疗和顺铂治疗后患者的肠道毒性。
 
不同化疗药物会通过不同的免疫信号通路影响人体的黏膜层(图4),研究表明肠道菌群的改变和化疗毒性与固有免疫受体反应相关,但相关具体机制尚待研究。已有证据表明,细菌胞壁酰二肽会通过刺激NOD2(一种胞内模式识别受体,在机体免疫中发挥重要作用)来缓解阿霉素(抗生素类化疗药)造成的黏膜损伤。
 
化疗药物对患者产生的另一大严重的影响是恶病质(图5),医学上指人体显著消瘦、贫血、精神衰颓等全身机能衰竭的现象。单独服用益生菌或与富含营养补充剂一起服用会帮助癌症患者增加体重。最近在小鼠中的研究表明,E. coli strain O21:H+(大肠杆菌O21:H+株)定植可预防由感染或肠道损伤引起的肌肉萎缩。我们仍需要大量的研究和严格的临床对照试验来证实调节肠道菌群是否会可以预防恶病质等癌症治疗相关的不良反应。

 
图5. 恶病质

3. 放疗与菌群
许多癌症患者接受电离辐射治疗(RTX),其对肿瘤细胞具有遗传毒性,并可能对局部癌症有疗效。理论上RTX应只作用于肿瘤细胞,但RTX会通过类似“旁观者效应”对肿瘤附近细胞产生影响,造成健康组织的损伤,以及全身性的放疗炎症反应等。其主要影响骨髓和上皮细胞的活跃增殖的组织(例如,皮肤和消化道粘膜)。

a) 放疗反应
关于菌群如何调节放疗反应的研究较少。局部的放疗会诱导免疫原性肿瘤细胞死亡并促进全身炎症。肠道菌群证实可以影响在化疗和免疫调节中免疫原性细胞死亡导致的免疫反应,推测肠道菌群在RTX介导的免疫刺激中也发挥着作用。
 
b) 放疗毒性
目前在癌症治疗中,不同癌症类型对辐射不同的敏感性是放疗疗效和安全性的最大局限。放疗副作用十分常见,并且会削弱抗癌免疫。在肠道中,放疗会导致肠隐窝的细胞死亡,肠道屏障的破坏和菌群结构改变。这些改变会让癌症患者更容易发生感染,同时改变宿主原有的天然和适应性免疫平衡(图1)。
 
放疗导致严重的口腔黏膜损伤和肠病变会对病人造成巨大痛苦,从而影响放疗疗程完成情况。Toll样受体3(TLR-3)可以影响照射介导的肠道毒性,阻断TLR-3信号可能减少辐射介导的胃肠道损伤(图4)。在鼠实验中,活化TLR-2微生物(如,Lactobacillus rhamnosus GG)可以保护肠粘膜免受化疗或放疗的影响。在一些临床试验中,益生菌可以缓解放疗导致的肠病变。尤其是VSL#3(一种含有双歧杆菌,乳杆菌属和链球菌属的益生菌剂)可以有效降低由放疗导致的肠毒性。Lactobacillus brevis CD2(短乳杆菌CD2)含片的服用可以帮助放疗后的头颈癌患者降低口腔黏膜炎的发病率,提高疗程的完成情况。
 
全身放疗(TBI)是一种放疗形式,主要用作造血干细胞(或骨髓)移植方案的一部分。研究发现虽然益生菌可以缓解局部放疗的毒副作用,但无菌小鼠在接受TBI后比正常小鼠存活更久,对肠毒性的耐受更好。无菌小鼠对TBI的耐受性高的主要机制是小鼠肠道正常菌群的存在会抑制血管生成素样4(ANGPTL4)的生成。血管生成素样4参与脂质代谢、血管生成和组织修复。与常规培养小鼠相比,Angptl4基因缺陷的无菌小鼠更容易出现肠损伤。那些可诱导Angptl4表达的细菌,诸如双歧杆菌、乳杆菌属和链球菌属,对患者放疗导致的粘膜炎和结肠炎有缓解作用。
 
目前的数据表明,菌群组可调节机体对辐射后的反应和修复辐射诱导后的损伤。更好地了解放疗的非靶向作用机制以及菌群对它的调节作用,对提高放疗效果、对减少癌症中放疗的毒副作用以及对意外暴露于辐射的人群的优化处理的价值是不可估量的。

4. 免疫疗法与菌群
以上的传统治疗癌症的方法会使肿瘤对治疗产生耐受,从而导致肿瘤的复发。免疫疗法的出现给癌症带来新的治疗方式。但免疫治疗的效果很大程度上取决于患者的免疫反应和肿瘤的易感性。最近关于肠道菌群调与免疫治疗的研究使得未来利用靶向菌群来提高免疫疗法疗效成为可能。
 
a) 过继性T细胞移植
过继性T细胞疗法(Adoptive T-cell therapy)(图6)指向癌症患者转输具有杀伤肿瘤或激发机体抗癌免疫反应的活性T细胞,以期达到治疗肿瘤的目的。研究发现,转移到患者的T细胞在增殖及其抗肿瘤活性方面被放疗诱导的易位菌群增强。这种作用需要TLR4的信号传导,LPS(脂多糖,TLR4的配体)的施用可以增强在非放疗淋巴细胞减少小鼠中过继T细胞的抗肿瘤效果(图4)。类似地,造血干细胞移植之后患者肠道菌群的结构也会对癌症的复发率和生存率有影响。

 
图6. 过继性T细胞疗法介绍

b) CpG寡脱氧核苷酸肿瘤治疗
CpG-寡脱氧核苷酸(CpG-oligodeoxynucleotide, CpG-ODN)是TLR9的激动剂,与IL-10R抗体联用可以使癌症浸润的免疫细胞分泌促炎因子(如,TNF,IL-12)。在这种炎性微环境下,大多数常规饲养的小鼠可以对癌症进行清除。但在菌群耗竭鼠中,同样的治疗方法对肿瘤并无效果。部分肠道菌群可通过TLR4信号传导系统地动员骨髓细胞(包括肿瘤浸润细胞)来响应TLR9。
 
CpG-ODNs引起的TNF的水平变化与很多种属相关(图3)。革兰氏阴性菌的Alistipes和革兰氏阳性菌的Ruminococcus(瘤胃球菌属)与TNF的产生呈正相关;乳酸菌属的一些种,如Lactobacillus murinum(鼠乳杆菌)、Lactobacillus intestinalis(肠乳杆菌)和Lactobacillus fermentum(发酵乳杆菌)与其水平呈负相关。小鼠抗生素处理后,Alistipes shahii在其肠道定植可以帮助免疫细胞恢复产生TNF的能力;对常规饲养的小鼠灌喂发酵乳杆菌,会降低TNF的产生。这提示我们,抗生素、益生菌和益生元会导致的肠道菌群改变,从而引起免疫相关的反应调节。
 
c) 免疫检查点抑制剂
在许多癌症患者中,抗肿瘤的相关免疫往往失效或者被抑制,但其可被再活化。研究发现,免疫系统检查点抑制剂(Immune checkpoint inhibitors, ICI)拥有良好的抗肿瘤活性,现阶段ICI治疗法主要靶点为细胞毒T淋巴细胞相关抗原4(CTLA4)和细胞程式死亡配体1(PDL1)(图7)。此治疗方法也有一定局限性,一方面,病人的治疗效果不一和部分肿瘤的耐受依旧是ICI治疗的难点;另一方面,ICI治疗往往会带来相关免疫的较多不良影响,例如结肠炎、胰腺炎和甲状腺功能紊乱等。最近,有两篇关于肠道菌群在ICI治疗方面的潜在调节作用引起科研工作者的关注。

 
图7. 免疫检查点抑制剂-PDL1抗体的作用原理

CTLA4抗体对菌群耗竭肿瘤小鼠的治疗效果较正常小鼠要差很多。在接受CTLA4抗体治疗后,肿瘤小鼠肠道Bacteroidales(拟杆菌目)和Burkholderiales(伯克霍尔德氏菌目)的相对丰度降低,同时Clostridiales(梭菌目)的相对丰度升高。但常常被我们认为有免疫调节作用的Bacteroides fragilis(脆弱拟杆菌,属于拟杆菌目)并没有明显变化。口服B. thetaiotaomicron(多形拟杆菌)或B. fragilis可以恢复菌群耗竭小鼠对于CTLA4抗体的治疗效果,同时研究发现,两种菌的联合服用会减少治疗引起的肠损伤并缓解结肠炎。抗生素的使用会改变肠道菌群结构,影响CTLA4抗体的治疗效果。如,万古霉素会通过降低革兰氏阳性菌丰度和保护革兰氏阴性菌(拟杆菌目和伯克霍尔德氏菌目)提高CTLA4抗体的疗效。不同肠型(Enterotypes,指肠道菌群的类型,本文中A肠型的主导菌为普雷沃菌属;B肠型和C肠型的主导菌为拟杆菌属的不同种)患者在接受CTLA4抗体治疗后,B肠型会向C肠型发生倾斜。将不同肠型患者的肠道菌群移植给无菌肿瘤小鼠,发现只有C肠型小鼠出现了多形拟杆菌和脆弱拟杆菌的定植,增强了CTLA4抗体的治疗反应。这一系列的观察结果表明,抗CTLA4可能在一些患者改变肠道菌群的组成从而有增强其抗肿瘤活性。
 
不同于CTLA4抗体治疗,PDL1抗体治疗不会导致肠道损伤,似乎肠道菌群的存在与否对其疗效也并无太大影响。但研究表明,双歧杆菌属中一些特定种(如,短双歧杆菌、长双歧杆菌和青春双歧杆菌)的存在会通过增加CD8+T细胞数量来增强PDL1抗体的抗癌效果。

5. 小结
迄今为止,虽然我们对菌群在上皮中发挥的作用仍然没有完整的解读,但无可厚非的是,肠道菌群在肠道内甚至肠道外组织的癌变以及抗肿瘤治疗均参与其中。
 
现在关于癌症的研究大多基于体外试验和小鼠实验,人体试验仍是一个挑战。一方面,癌症模型小鼠无法完全模拟自发的人体肿瘤。另一方面,遗传背景、饲养环境、实验动物供货商等不同都会增加小鼠肠道菌群变异性,进而使小鼠生理机能出现差异,对实验产生影响。因此,抗癌药物在小鼠中的模拟分析需要考虑其肠道菌群差异的影响,在投入临床前要谨慎印证。
 
寻找出对不同类型癌症治疗最有益的菌株需要非常广泛的人类数据库作为基础,同时需要对菌株与临床反应的相关性进行仔细分析。我们可以通过移植人类粪便给无菌小鼠来印证相关结果。首先,菌群往往受到生命活动的扰动,如饮食结构。此外,即使小鼠被人体的菌群定植,小鼠的生理和免疫应答虽然与人体是相似的,但并不完全相同。例如,双歧杆菌属在小鼠中有着强的免疫刺激作用,已被证明可通过刺激TLR9受体来增强针对肿瘤的免疫应答并提高PDL1抗体的治疗效果。但人体内TLR9的细胞表达与小鼠不完全相同。所以双歧杆菌属在癌症患者体内是否有像小鼠一样的免疫激活性仍需要临床试验进一步的探索。
 
一旦当我们确定了对癌症治疗有益的菌群,下一步的挑战就是如何调节病人的菌群。同时,肠道菌群的稳定性以及它们对病理生理环境改变的反应可以让我们将其作为生物标记物(一种诊断工具和可能的治疗手段)。最终目标是发现既可以降低癌症治疗的全身毒性又能帮助抗癌治疗的特定菌株或组合菌株。因此,在癌症和其他疾病的治疗中,靶向人体菌群的很有可能成为精准和个性化医疗的新领域。