综述 | 癌症治疗，肠道微生物组学来帮忙（第六期文献包投票选出的文章）
本文由卡内斯坦编译，董小橙、江舜尧编辑。
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在许多人类疾病中都有微生物组的身影，癌症自然也不例外。随着研究不断深入，微生物组在癌症中扮演的角色也日渐清晰。研究表明，改变肠道微生物组，多种癌症疗法的效果也会随之改变。微生物组在免疫反应和癌症中究竟扮演怎样的角色？怎样精确地改变肠道微生物组？怎样改变肠道微生物有益于癌症治疗？这些都是我们走向精准医疗的路上必须要回答的问题。本文综述了当前研究对以上问题的回答。
论文ID
原名：The Influence of the Gut Microbiome on Cancer, Immunity, and Cancer Immunotherapy
译名：肠道微生物组对癌症、免疫和癌症免疫疗法的影响研究
期刊：Cancer Cell
IF：22.844
发表时间：2018年
通信作者： Vancheswaran Gopalakrishnan
通信作者单位：Department of Surgical Oncology, The University of Texas MD Anderson Cancer Center, 1400 Pressler Street, Unit Number 1484, 1515 Holcombe Boulevard, Houston, TX 77030, USA
综述内容
引言
微生物组影响癌症治疗效果的证据越来越多。近两年有多个研究证实，免疫检查点阻断疗法对多种癌症的效果都受到肠道微生物组的影响。发生这种现象的原因目前尚不清楚。但显然，这涉及癌症、免疫监视和影响宿主及其抗肿瘤免疫的诸多因素。这些因素种必然包括肠道微生物组。本文首先对这些因素及其间相互作用进行讨论，然后介绍肠道微生物组的改变策略和一些正在进行的相关研究。
1 癌症免疫监视和癌症治疗的效果
免疫系统对癌症的发生和发展，以及对癌症治疗的效果都有至关重要的影响。关于影响治疗效果的因素，目前已有大量研究，但都集中在癌症直接相关的因素，包括外来物、肿瘤代谢和影响肿瘤对免疫效应分子敏感性的因素。随着研究不断深入，所有对机体免疫状态和肿瘤微环境有影响的因素都被纳入研究范围。这其中就包括肠道微生物群。有研究证明，它对多种癌症疗法的效果都有影响。
2 微生物组和免疫
微生物组指一个群落内所有微生物的基因组，而微生物群是指所有微生物的总体。人体中，微生物的数量高达数万亿，与人体细胞数量相当。在生长发育的过程中，两类细胞始终存在相互作用。因此，微生物能在多种人体机能中扮演重要角色毫不奇怪。这里我们重点讨论其在人体免疫中的作用。
肠道微生物组对人体免疫的影响主要分为两类：局域性影响和系统性影响。肠道组织中存在多种免疫细胞，包括抗原呈递细胞、淋巴细胞、T细胞和B细胞；而且肠道相关淋巴组织是人体免疫系统的最大组成部分。肠道微生物与肠道组织中的免疫细胞存在广泛的相互作用。（图1）
图1 肠道微生物组与免疫
局域性免疫反应包括天然免疫和适应性免疫两部分。微生物携带的病原相关分子模式（PAMPs）被肠道表皮细胞的Toll样受体和肠道存在天然免疫效应分子所识别，从而引起天然免疫反应。PAMPs还会激活抗原呈递细胞，如树突状细胞（DCs）。被激活的DCs转移到肠系膜淋巴结，并在此刺激初始T细胞形成CD4+ T细胞，特别是调节性CD4+ T细胞和辅助性T细胞17（Th17）。另外，DCs还可直接刺激CD8+ T细胞。活化T细胞在在维持肠道稳态和预防肠道感染过程中发挥重要作用。如调节性T细胞诱导粘膜耐受，Th17分泌细胞因子刺激肠道表皮细胞分泌抗菌蛋白。研究显示，无菌动物体内的Th17显著减少，而且外源性的菌群可以诱导Th17的产生。
肠道微生物群对机体免疫的系统性影响主要是通过免疫细胞活化实现。被共生菌活化的DCs可通过旁分泌产生作用距离较远的细胞因子和干扰素（相较于内分泌）。被DCs活化的T细胞和B细胞可通过体液循环转移到机体其他部位，阻击病原。研究显示，迁移的Th17细胞会根据所处环境的炎症状态分泌不同的细胞因子。另外，肠道菌群失调会导致局域性的和系统性的免疫状态异常。而与婴儿疫苗相关的研究中，高度多样化的肠道微生物群能够提高疫苗的免疫效果。
3 肠道微生物群对免疫疗法的效果和副作用的影响
一旦知道肠道微生物群对机体免疫的影响，那认为肠道微生物群对各种癌症免疫疗法的效果和副作用有影响就再自然不过了。这方面前期的研究主要采用的是小鼠模型。但近期越来越多的人群队列研究表明，肠道微生物群在多种癌症疗法的效果和副作用中都有非常重要的作用。图2列举了当前研究认为对免疫疗法的效果和副作用有影响的菌种。鼠类研究的结果后面也有涉及。
3.1 肠道微生物群和干细胞移植
早期的关于肠道微生物群对癌症免疫疗法的影响的研究是恶性血液病的造血干细胞移植治疗的相关研究。在恶性血液病治疗过程中，需要使用免疫抑制剂、广谱抗生素，病人甚至还需要接受全身放疗；多种疗法的共用使他们的免疫力和肠道微生物群受到极大破坏，因此常出现菌群失调和免疫力不足。纵向研究显示，接受干细胞移植治疗后，病人粪便中的菌群丰度和稳定性都下降，益生菌种（Faecalibacterium属和Ruminococcus属）减少，Enterococcus属、Streptococcus属和多种Proteobacteria获得主导地位。
造血干细胞移植患者的菌群失调还与其长期存活时间相关。与肠道微生物群丰度较高的患者相比，丰度较低患者存活时间更短、死亡率较高。尿液中3-吲哚基硫酸盐（共生菌代谢副产物）水平较低是菌群失调的标志，与造血干细胞移植后存活时间较短相关。除了丰度，研究还发现，肠道微生物群的构成也对造血干细胞移植后的康复和存活时间有影响。提升Blautia菌种的量能够增加存活时间，提高Eubacterium limosum菌种的量能够降低复发的可能性。
肠道微生物群对造血干细胞移植的副反应——移植物抗宿主病中也有作用。严重移植物抗宿主病的发生一般都伴随肠道微生物群结构的变化，即总体丰度降低、益生菌（Faecalibacterium, Ruminococcus, Lactobacillus和Blautia）减少而Enterococcus和Clostridiales大量富集。两项独立的队列研究显示，造血干细胞移植后，移植物抗宿主病的死亡率因Blautia菌占比提高而降低。接受不同的抗生素疗法，移植物抗宿主病的死亡率也不同。
改变肠道微生物群结构以降低副反应的研究结果并不统一。鼠类研究显示，移植疗法前和过程中，益生菌Lactobacillus rhamnosusGG单独使用或与抗生素环丙沙星联合使用都能够降低移植物抗宿主病的发生率、延长总体存活时间。但人群队列研究的结果却不统一：有的研究发现广谱抗生素的使用能够降低移植物抗宿主病的发生率，有的研究认为抗生素的使用会提高该病的发生率。更多改变微生物群结构以降低移植物抗宿主病风险的研究正在路上。
3.2 肠道微生物群和免疫疗法
免疫检查点阻断疗法是通过靶向T细胞表面的免疫调节分子（及其配体）提高机体抗肿瘤免疫反应的疗法。虽然使用较广，但是该疗法的效果常不理想或不持久。大量研究试图找到产生这种结果的原因并加以克服，以提高治疗效果。越来越多的研究表明，肠道微生物群对该疗法的效果确有影响。
这方面的重量级研究最早2015年发表在《Science》杂志上，证明鼠类肠道微生物群对免疫检查点阻断剂CTLA-4和PD-1的治疗效果有影响。在CTLA-4的研究中，接受抗CTLA-4治疗后，鼠类肠道微生物群丰度显著下降，其中Bacteroidales和Burkholderiales含量上升、Clostridiales含量下降。在经广谱抗生素处理的无菌鼠和SPF鼠上，抗CTLA-4疗法的效果被显著降低。通过饮食摄入Bacteroides fragilis和Bacteroides thetaiotaomicron（或Burkholderia cepacia）能够增强抗CTLA-4疗法的效果。其原理是摄入的菌能够在淋巴结诱导Th1细胞反应、促进肿瘤内DCs的成熟。通过粪便微生物组移植，研究人员获得了类似的结果。PD-1阻断相关的研究使用的是来自两家供应商的小鼠，它们具有类似遗传基础而肠道微生物组差异较大。两组小鼠间治疗效果的差异可通过粪便微生物组移植予以消除。组学分析显示，Bifidobacterium菌种的大量存在有益于治疗。小鼠口服Bifidobacterium菌种能够改善PD-L1阻断的效果。其背后的分子机制是引入菌种能够促进DCs成熟、进而提高肿瘤特异性CD8+T细胞活性。
人群研究实验的结果也表明肠道微生物群对免疫检查点阻断有重要作用。在使用抗PD-1/PD-L1 mAB治疗的患者中，使用抗生素干扰肠道微生物群会导致存活率降低。肠道样本的宏基因组分析显示，PD-1阻断疗法有效患者的肠道菌群具有不同的构成。其中特征之一就是Akkermansia和Alistipes含量较高。将有效者的粪便微生物组移植到无菌小鼠或者SPF小鼠，相较于无效者的粪便，能够提升PD-1阻断疗法的效果。而移植了无效者粪便微生物组的小鼠，单独使用Akkermansia muciniphila或和E. hirae联合使用，都能够提升治疗的效果。
Gopalakrishnan等的研究证明，抗PD-1疗法有效者的肠道微生物组多样性更丰富、且Clostridiales、Ruminococcaceae和Faecalibacterium含量更高。与他们相比，无效者肠道菌群的生物多样性较低、Bacteroidales含量较高。机制研究表明，具有优势肠道微生物组的患者T细胞溶细胞标志分子表达水平更高、抗原处理和呈递能力更强。粪便微生物群移植实验也获得与前述研究类似的结果。
尽管免疫阻断疗法对各种恶性肿瘤具有良好的效果，但对部分患者却持续受到副作用的影响。抗PD-1疗法副作用的出现比例为16%，抗CTLA-4疗法的比例为27%，且联合疗法的比例为65%。采用抗CTLA-4疗法的患者有三分之一因肠道粘膜免疫失调而出现肠道炎症。肠道微生物群对免疫阻断疗法的副作用的影响的相关研究也越来越多。饮食摄入B. fragilis和B. cepacia的小鼠接受抗CTLA-4治疗发生副反应的可能性更高。黑色素瘤患者接受抗CTLA-4治疗后，不发生结肠炎的患者的肠道微生物群（Bacteroidetes含量高、多胺转运和维生素B合成能力更强）与发生结肠炎的患者存在分类学和功能学差异。也有研究显示，Faecelibacterium prausnitzii和其他相关Firmicutes含量较高、Bacteroidetes含量低与结肠炎高发有关。
图2总结了当前研究发现的与免疫疗法的效果和副作用明确相关的的细菌种类。总体而言，尽管有些菌种被多项研究报道，但不同研究发现的效应菌种重叠性较小。这提示，相关研究采用标准化的微生物组学分析非常有必要，有助于排除地区影响、饮食习惯和生活习惯的影响。
图2 癌症患者中肠道微生物组、治疗效果和副作用之间联系的进化树总结
4 操控肠道微生物群以提高治疗的有效性
随着越来越多的研究表明，操控肠道微生物群是目前癌症治疗重要的新型辅助手段。虽然微生物群与癌症和免疫反应相互作用的分子机制目前尚不清楚，但这并不妨碍对操控微生物群以辅助癌症治疗的研究。表1列出了当前正在进行或计划进行的此类临床研究。
表1 操控肠道微生物群以提高癌症免疫疗法的效果
4.1 饮食
肠道微生物群帮助人体消化食物、吸收营养物质。但它其实也受到人体饮食的影响而发生结构性变化。研究发现，健康实验者减少膳食纤维的摄入，会导致肠道微生物群中具有免疫促进功能的F. prausnitzii含量降低、粪便中SCFA-丁酸（具有免疫调节能力）减少。植物多聚糖菊粉具有益生功能，能够提高Faecalibacterium和Bifidobacterium等的含量。减少饮食中动物脂肪的摄入量与不良菌Bacteroidales减少相关。鉴于这些菌种在癌症治疗中的作用，通过改变饮食、改变肠道微生物组进而提升治疗效果应该是一条可行的策略。
饮食干预安全性好、价格低廉、易于操作，因此非常适于研究癌症患者的肠道微生物群和下游免疫的变化。目前有两项这方面的研究正在开展：（1）NCT02843425，在病人每天的食谱中添加半杯豆子，测量肠道菌群的变化，进而研究膳食纤维补充对癌症病人的影响。（2）NCT02079662，对患者的生活方式进行全面设计后，观察乳腺癌患者的肠道菌群变化及对病情的影响。
4.2 混合菌或者“调整性益生菌”
虽然饮食干预易于设计执行，但效果却不一定好。因为病人的依从性很难监测，且难以强制执行。在临床上，服用混合菌或者“调整性益生菌”是一种更为可行的菌群操控方法。这方面的研究目前有三项：（1）NCT03072641，结直肠癌患者在摄入包含Lactobacillus acidophilus和Bifidobacterium lactis的益生菌后，在其肿瘤内、肿瘤附近结肠粘膜和粪便内产丁酸细菌的含量都升高了。（2）NCT01895530，术前接收益生菌疗法的结直肠癌患者，在结肠切除时，其结肠粘膜的细胞因子构成已发生变化。较未接受益生菌疗法的患者，其结肠粘膜中IL-1β、IL-10和IL-23 mRNA水平都降低了。（3）NCT03358511，研究益生菌对乳腺癌患者的肿瘤内CD8+T细胞浸润。前两项研究表明，益生菌疗法的确能够改变局部免疫。
4.3 粪便微生物组移植
粪便微生物组移植是最直接的操控肠道微生物群的方法。采用此方法的研究有两项，且都处在研究初期：（1）NCT02928523，在急性骨髓性白血病治疗过程中，研究者采用自体粪便微生物群移植的方法防止菌群失调、增加菌群的丰富性。（2）NCT03353402，将粪便微生物群移植应用到黑色素瘤转移病人中。
5 结论和展望
癌症治疗的微生物组学时代已经来临。开创性的临床前和临床研究已经说明，微生物群在癌症治疗过程中可能扮演重要的中介作用。对于微生物组对免疫和癌症的影响，我们已经有了一定的了解。但是关于背后的机制，以及癌症免疫疗法过程中的肠道微生物群最优操控策略，还有待我们进一步研究。
有些问题是这些研究无法回避的。而要回答这些问题，我们似乎有必要将微生物组学分析应用于所有接受癌症治疗的患者。但最好的组学分析方法究竟是哪种目前尚无定论（16S rRNA测序，还是宏基因组鸟枪法测序；以及数据库的选择）。研究过程中，其他影响肠道微生物组的因素也应该引起我们的注意。比如，饮食、药物（包括益生菌、抗生素，或其他药物）、精神状况或其他环境因素。他们对癌症治疗有何影响？有没有必要对他们也进行监测和控制？
另外，关于操控肠道微生物组以提升癌症治疗效果也有很多问题需要回答。什么样的肠道微生物组构成最有益于提升癌症免疫疗法的效果？操控肠道微生物组的诸多方法中，哪个最适于临床应用？操控肠道微生物组需要哪些准备工作？如何让操控的结果得以保持？只有通过大量系统地研究这些相互作用，我们才能够找到最优的方法操控肠道微生物群，进而提升抗肿瘤免疫和机体整体免疫力，甚至促进免疫监视和癌症治疗。
评论
微生物是人体的重要组成部分，也在人体免疫系统中发挥着重要作用。多种癌症疗法（本综述主要介绍免疫疗法）都会破坏人体免疫、造成肠道菌群失调。通过一定策略操控癌症患者的肠道微生物群，能够提高机体抗癌症免疫力，提升癌症治疗效果。作者对肠道微生物群、免疫和癌症免疫疗法三者的关系进行了总结，并综述了当前操控肠道微生物群的方法。这类研究显然给癌症的精准治疗带来崭新的方向。而如果将来微生物组学真的能够在癌症治疗中发挥举足轻重的作用，这无疑又会进一步加深我们对微生物和人体关系理解。
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