腸道菌群與抗腫瘤治療①

黃 亞 吳紅艷

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)系，三峽大學(xué)腫瘤微環(huán)境與免疫治療湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌443002)

腸道菌群與抗腫瘤治療①

黃 亞 吳紅艷

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)系，三峽大學(xué)腫瘤微環(huán)境與免疫治療湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌443002)

人體腸道微生物菌群大約重1 000 g，種類大約30個屬，300～500多種。細(xì)菌數(shù)量達(dá)到了1014個，是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍。腸道菌群主要由厭氧菌、兼性厭氧菌和需氧菌組成，其中專性厭氧菌占99%以上。被認(rèn)為是人類的“第二基因組”[1]。腸道菌群的生物學(xué)功能可以從三方面來闡述：即維持腸道的正常結(jié)構(gòu)和生理功能， 拮抗病原微生物的定植、感染和刺激，調(diào)控人體的免疫功能。這些功能相互關(guān)聯(lián)、 互相促進(jìn)。一般情況下，腸道菌群與人體和外部環(huán)境保持著一個平衡狀態(tài)，對人體的健康起著重要作用。大量研究表明，腸道菌群對抗腫瘤治療有一定的療效。本文就腸道菌群在抗腫瘤治療中的作用做一綜述。

1 腸道微生物菌群促進(jìn)抗腫瘤免疫

腸道微生物菌群能夠通過干擾CTLA-4和PD-1等信號通路影響抗腫瘤治療的療效[2，3]。在免疫系統(tǒng)中，作為正規(guī)軍主力部隊(duì)的T細(xì)胞，在識別腫瘤細(xì)胞、直接殺死腫瘤細(xì)胞以及組織免疫系統(tǒng)其他武裝力量來殲滅腫瘤等方面具有舉足輕重的作用。正如同汽車必須有剎車以防止其行駛失控一樣，對T細(xì)胞來說，也有類似的“剎車”調(diào)控機(jī)制，CTLA-4和PD-1信號通路正是這樣的防止T細(xì)胞失控并傷害自身組織的機(jī)制。而腫瘤細(xì)胞也正是利用了這種機(jī)制，通過激活這兩種被稱為“免疫檢查站(checkpo-int)”的受體，來逃避T細(xì)胞的追殺。針對CTLA-4和PD-1的免疫療法，正是要抑制這兩種“免疫檢查站”的作用，使T細(xì)胞恢復(fù)腫瘤細(xì)胞殺手的威力。盡管這種免疫療法在一些腫瘤患者身上取得了可喜的效果，檢查站抑制劑可以通過縮小腫瘤來延長患者的生命，有的患者的生存期甚至延長了好幾年，這些患者在治療之前已顯示在腫瘤微環(huán)境中存在內(nèi)源性T細(xì)胞應(yīng)答[4-7]；但是同樣的療法對于其他很大一部分患者卻效果不佳。影響這些差異的一個可能因素是腸道菌群。

1.1 腸道菌群能夠促進(jìn)抗PD-L1效應(yīng) Sivan等[8]通過比較來自不同供應(yīng)商的小鼠體內(nèi)腫瘤時發(fā)現(xiàn)，在分別來自Jackson Laboratory 和Taconic Farms的小鼠中，黑色素瘤在前者體內(nèi)的增長慢于后者。由于這些小鼠在共同飼養(yǎng)時會互相吃掉對方的排泄物，其體內(nèi)微生物組會趨向于同質(zhì)化。這些研究人員將來自這兩個供應(yīng)商的小鼠混在同一個籠子里后，發(fā)現(xiàn)其腫瘤生長速度的差異消失了。這表明這些動物的腸道微生物的類型確實(shí)對腫瘤生長有影響。當(dāng)他們分析了這些小鼠的微生物組后，研究人員明確找出了一種稱為雙歧桿菌的細(xì)菌種類。研究小組發(fā)現(xiàn)，對Taconic Farms的小鼠喂食含有幾種雙歧桿菌的益生菌能夠增加抗腫瘤的檢查站抑制劑的療效。為了檢測細(xì)菌的活力及抑癌能力，研究人員將細(xì)菌轉(zhuǎn)移與anti-PD-L1抗體的效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，影響及效果是等同的。研究人員接下來的目標(biāo)是檢測雙歧桿菌這一菌種的抑癌效果。他們給TAC小鼠口服雙歧桿菌片，2周后，TAC小鼠T細(xì)胞抑制及清除腫瘤細(xì)胞的能力得以增強(qiáng)且效果持久。Sivan博士認(rèn)為，雙歧桿菌可能通過觸發(fā)并刺激樹突狀細(xì)胞，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體的免疫反應(yīng)。樹突狀細(xì)胞在T細(xì)胞進(jìn)行免疫應(yīng)答初期發(fā)揮關(guān)鍵作用。他們還產(chǎn)生重要的化學(xué)物質(zhì)，如細(xì)胞因子和CD40，以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。因此，未來雙歧桿菌等腸道微生物可能作為抑制癌癥出現(xiàn)的重要工具。

1.2 腸道菌群能夠通過封鎖CTLA-4促進(jìn)抗腫瘤治療 易普利姆瑪(針對CTLA-4通路的抗腫瘤藥物)等藥物經(jīng)常會引發(fā)結(jié)腸炎，這是一種發(fā)生于大腸的炎癥，這里也是腸道共生菌的一個重要棲息地。這些抗腫瘤藥物對人體的副作用表明針對CTLA-4通路的抗腫瘤藥物可能與腸道微生物有相互作用。出于對這種可能性的探索，Vétizou等[9]讓腸道中缺少細(xì)菌的小鼠服用易普利姆瑪。同擁有正常腸道細(xì)菌的小鼠相比，該藥物在治療這些小鼠體內(nèi)的癌癥上并沒有那么有效。當(dāng)讓正常小鼠服用抗生素以清除腸道細(xì)菌時，藥物的效用也有所降低。糞便樣品顯示，易普利姆瑪導(dǎo)致腸道中的兩種細(xì)菌減少，即擬桿菌和伯克氏菌。在兩組小鼠體內(nèi)補(bǔ)充這些微生物會使藥物功效恢復(fù)。隨后，該研究團(tuán)隊(duì)采集了來自25位黑色素瘤患者的糞便樣品，并且測試了擬桿菌含量。當(dāng)研究人員將這些樣品移植到不含腸道細(xì)菌的小鼠體內(nèi)，并讓其服用易普利姆瑪時，他們發(fā)現(xiàn)接受了含有更多擬桿菌移植物的小鼠，對癌癥治療產(chǎn)生了更好的反應(yīng)。

2 腸道菌群有利于各種抗癌藥物的藥效發(fā)揮

環(huán)磷酰胺(CTX)是臨床上重要的抗癌藥物之一，它可以通過刺激抗腫瘤免疫反應(yīng)來對抗乳腺癌、腦腫瘤等多種腫瘤[10]。Viaud等[11]通過研究荷瘤小鼠模型發(fā)現(xiàn)，環(huán)磷酰胺可以改變動物的腸道菌群組成，并觸發(fā)某些革蘭氏陽性菌種易位至次級淋巴器官。一旦到達(dá)那里，這些細(xì)菌會促進(jìn)生成特異性免疫細(xì)胞以及記憶Th1免疫反應(yīng)，提高環(huán)磷酰胺效力。而在無菌小鼠或給予抗生素殺滅革蘭氏陽性菌的小鼠體內(nèi)，他們的腫瘤對環(huán)磷酰胺耐藥。在另一項(xiàng)研究[12]中，美國國家癌癥研究所的科學(xué)家們提出了類似的假設(shè)：腸道微生物導(dǎo)致了腫瘤微環(huán)境中炎癥形成。研究人員證實(shí)小鼠腸道微生物組不僅影響了局部炎癥，還影響了全身炎癥形成，眾所周知炎癥可以促進(jìn)癌癥發(fā)展。而在無菌或抗生素治療小鼠中，研究人員發(fā)現(xiàn)腫瘤浸潤髓源細(xì)胞對CpG-寡核苷酸免疫治療和鉑化療反應(yīng)不佳，其部分原因在于細(xì)胞因子和活性氧簇生成減少。令研究人員感到驚訝的是：腸道細(xì)菌能夠調(diào)節(jié)遠(yuǎn)距離的腫瘤環(huán)境炎癥。盡管他們此前懷疑，CpG 治療的抗腫瘤效應(yīng)源于已知受到腸道菌群調(diào)控的促炎癥反應(yīng)，但研究小組沒有預(yù)想到炎性細(xì)胞生成活性氧簇的水平對鉑類藥物遺傳毒性效應(yīng)如此至關(guān)重要，其絕對依賴于腸道菌群的存在。與此同時， Iida等[12]開展了另一項(xiàng)研究，他們讓腫瘤在小鼠體內(nèi)緩慢生長，并輔以抗生素治療，之后用實(shí)驗(yàn)免疫療法治療小鼠，包括能激發(fā)免疫反應(yīng)的DNA片段和抗生素。由于這些小鼠的微生物群落已經(jīng)被抗生素摧毀，治療效果并不理想。該療法未能充分刺激IFN-γ，只有很少的腫瘤細(xì)胞死亡。同樣地，相對于正常小鼠，在無菌環(huán)境中培養(yǎng)的小鼠產(chǎn)生的腫瘤壞死因子數(shù)量更少，且腫瘤未受任何損傷。Iida說：“缺乏微生物時，炎癥反應(yīng)就會被嚴(yán)重抑制”。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用第二種完全不同的治療方案時，抗生素會抑制巨噬細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞的反應(yīng)。至少在部分情況下，諸如奧沙利鉑這類抗癌藥是有效的，因?yàn)槠淠芡ㄟ^增加活性氧分子的產(chǎn)生而破壞腫瘤細(xì)胞。但I(xiàn)ida表示，對于接受抗生素治療且在無菌環(huán)境下生存的小鼠，其免疫細(xì)胞無法產(chǎn)生足夠數(shù)量的能生成活性氧分子的酶。Iida說：“腸道細(xì)菌可以發(fā)揮激發(fā)免疫系統(tǒng)的作用”。Viaud等[11]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用第三種治療方案時，微生物也發(fā)揮著獨(dú)特的作用。該療法采用了一種名為CTX的抗癌藥物，通過增加一類名為Th17/Th1的免疫細(xì)胞的數(shù)量，CTX能有效對抗乳腺癌、淋巴瘤和一些腦腫瘤。Viaud注意到，接受過CTX化學(xué)治療的病人通常有消化系統(tǒng)疾病。經(jīng)過更深入地了解，發(fā)現(xiàn)CTX破壞了腸黏膜，腸絨毛萎縮且腸壁滲漏。研究人員發(fā)現(xiàn)，幾種革蘭氏陽性菌進(jìn)入了身體的其余部分，包括兩種乳酸桿菌和海氏腸球菌進(jìn)入了淋巴結(jié)和脾臟內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室研究顯示，這種細(xì)菌遷移對藥物效能的發(fā)揮至關(guān)重要。在試管中，革蘭氏陽性菌導(dǎo)致脾臟和淋巴結(jié)內(nèi)的未成熟T細(xì)胞變成Th17細(xì)胞，其中一部分在之后轉(zhuǎn)化成記憶細(xì)胞。此外，這些細(xì)菌在小鼠體內(nèi)的增殖也促使脾臟中T淋巴細(xì)胞數(shù)量的增長。與此相反，無菌環(huán)境下的小鼠或接受抗生素綜合治療的小鼠或只接受萬古霉素治療的小鼠，Th17細(xì)胞并未產(chǎn)生什么積極反應(yīng)，其體內(nèi)腫瘤也沒有明顯縮小。這些研究都表明癌癥的治療要取得最佳效果需要一個完整腸道共生菌群。

3 腸道菌群用于臨床腫瘤治療

Zhao等[13]利用手術(shù)切除法、基因敲除法、藥物阻礙法以及注射肉毒桿菌四種不同的方法來隔絕神經(jīng)系統(tǒng)與腫瘤間的關(guān)聯(lián)以期達(dá)到抗腫瘤的效果。結(jié)果表明，所有的操作都抑制了腫瘤生長，但是注射肉毒桿菌效應(yīng)特別明顯。因此，肉毒桿菌對臨床抗腫瘤治療有潛在的價(jià)值。

4 其他

近年來，腸道益生菌在降低胃腸道炎癥反應(yīng)和預(yù)防大腸癌等方面的作用得到廣泛證實(shí)[14，15],為了進(jìn)一步探索其抑制腸外腫瘤生長的免疫調(diào)節(jié)作用及機(jī)制，科學(xué)家們采用小鼠模型和基因組測序研究[16]，通過喂養(yǎng)益生菌來探索治療SC肝細(xì)胞癌(HCC)的作用機(jī)制。結(jié)果表明：喂養(yǎng)prohep(一種新型益生菌混合物)能夠減緩腫瘤的生長，與對照組相比顯著減少腫瘤的大小和重量的40%。研究顯示小鼠體內(nèi)IL-17細(xì)胞因子及主要生產(chǎn)IL-17的Th17細(xì)胞的含量顯著下降?？茖W(xué)家們認(rèn)為這項(xiàng)研究表明通過該益生菌治療影響腸道中T細(xì)胞的分化，這反過來改變了腸外腫瘤微環(huán)境中促炎性細(xì)胞因子的水平。

5 結(jié)語

腸道菌群在塑造系統(tǒng)性免疫反應(yīng)方面起著重要的作用[17-19]。在研究過程中，人類科學(xué)家繪制出人類腸道菌群圖譜[20，21]。同時研究表明，通過飲食能夠調(diào)節(jié)人體腸道菌群[22]。然而，對于腸道菌群與抗腫瘤治療之間的密切聯(lián)系，尚需進(jìn)行更加深入的研究。如何研制出利用腸道菌群有效治療腫瘤的新型藥物和臨床方法是接下來最迫切的任務(wù)。當(dāng)前我們所面臨的主要難題有：目前腸道微生物菌群是如何促進(jìn)免疫應(yīng)答的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究，還不清楚我們是否可以有意義的操縱微生物來對健康創(chuàng)造積極的影響。當(dāng)前科學(xué)家對腸道菌群和抗腫瘤治療的研究還只是局限在小鼠等動物模型上 ，而小鼠等動物和人類存在種屬差異，其體內(nèi)腸道細(xì)菌與人體內(nèi)腸道細(xì)菌的種類、數(shù)量以及比例等并不完全一致。因此，在動物身上所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能并不適用于人類。此外，我們還缺乏腸道菌群對不同腫瘤的抗腫瘤治療療效的臨床研究?？偟膩碚f，腸道菌群對抗腫瘤治療的機(jī)制還不完全清楚，不同個體腸道菌群對腫瘤治療的影響也需要我們進(jìn)一步研究。

綜上所述，以腸道菌群為靶點(diǎn)探索抗腫瘤治療的療效具有光明的前景，但鑒于研究過程中出現(xiàn)的一系列有待解決的問題，靶向腸道菌群抗腫瘤治療還有待更深入的研究。

[1] Qin J,Li R,Raes J,al.Human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing[J].Nature,2010,464(7285):59-65.

[2] Hodi FS,O′Day SJ,McDermott DF,etal.Improved survival with ipilimumab in patients with metastatic melanoma [J].New England J Med,2010,363(8):711-723.

[3] Omid H,Caroline R,Adil D,etal. Safety and tumor responses with lambrolizumab (anti-PD-1) in melanoma[J].New England J Med,2013,369(2):134-144.

[4] Tumeh PC,Harview CL,Yearley JH,etal.PD-1 blockade induces responses by inhibiting adaptive immune resistance[J].Nature,2014,515(7528):568-571.

[5] Spranger S,Spaapen RM,Zha Y,etal. Up-regulation of PD-L1,IDO,and T(regs) in the melanoma tumor microenvironment is driven by CD8(+) T cells [J].Sci Transl Med，2013,5(200):2418-2419.

[6] Ji RR,Chasalow SD,Wang L,etal.An immune-active tumor microenvironment favors clinical response to ipilimumab[J].Cancer Immunol Immunother,2012,61(7):1019-1031.

[7] Gajewski TF,Louahed J,Brichard VG.Gene signature in melanoma associated with clinical activity:A potential clue to unlock cancer immunotherapy [J].Cancer J，2010,16(4):399-403.

[8] Sivan A,Leticia C,Hubert N,etal.Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy[J].Science，2015,350(6264):1084-1089.

[9] Vétizou V,Pitt JM,Romain D,etal.Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota[J].Science,2015,350(6264):1079-1084.

[10] Viaud S,Daillère R,Yamazaki T,etal.Why should we need the gut microbiota to respond to cancer therapies[J].Oncoimmunology,2014,3(1):E27574.

[11] Viaud S,Saccheri F,Mignot G,etal.The intestinal microbiota modulates the anticancer immune effects of cyclophosphamide[J].Science,2013,342(6161):971-976.

[12] Iida N,Dzutsev A,Stewart CA,etal.Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment[J].Science,2013,342(6161):967-970.

[13] Zhao CM,Hayakawa Y,Kodama Y,etal.Denervation suppresses gastric tumorigenesis[J].Sci Transl Med,2014,6(250):250ra115.

[14] Ming MS,Zhu Q,Zhu L,etal.Critical role for the DNA sensor AIM2 in stem cell proliferation and cancer[J].Cell,2015,162(1):45-58.

[15] Pennisi E.Cancer therapies use a little help from microbial friends[J].Cell，2013,342(6161):921.

[16] Li J,Sung CY,Lee N,etal.Probiotics modulated gut microbiota suppresses hepatocellular carcinoma growth in mice[J].Proc Natl Acad Sci USA，2016,113(9):E1306-E1315.

[17] Hooper LV,Littman DR,Macpherson AJ.Interactions between the microbiota and the immune system[J].Science，2012,336(6068):1268-1273.

[18] Ivanov II,Honda K.Intestinal commensal microbes as immune modulators[J].Cell Host Microbe,2012，12(4):496-508.

[19] McAleer JP,Kolls JK.Maintaining poise:Commensal microbiota calibrate interferon responses[J].Immunity,2012，37(1):10-12.

[20] Emmanuelle LC,Trine N,Junjie Q,etal.Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers[J].Nature,2013,500(7464):541-546.

[21] Cotillard A,Kennedy SP,Kong LC,etal.Dietary intervention impact on gut microbial gene richness[J].Nature,2013,500(7464):585-588.

[22] Sonnenburg ED,Smits SA,Tikhonov M,etal.Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations [J].Nature,2016,529(7585):212-215.

[收稿2016-04-05]

(編輯 倪 鵬)

10.3969/j.issn.1000-484X.2016.12.030

①本文為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81402557)。

黃 亞(1991年-)，男，碩士，主要從事腫瘤相關(guān)靶向治療方面的研究，E-mail：386027494@qq.com。

及指導(dǎo)教師：吳紅艷(1978年-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事腫瘤免疫方面的研究，E-mail：wuhongyan@ctgu.edu.cn。

R730.3

A

1000-484X(2016)12-1859-03