肺微生物組群與肺癌相關(guān)性研究進(jìn)展

劉啟平 范運(yùn)秀 韓鵬凱

1重慶大學(xué)附屬三峽醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科 404100;2重慶大學(xué)附屬三峽醫(yī)院腫瘤放射治療科呼吸病區(qū) 404100

微生物組群是指與人體共棲、共生和致病的微生物生態(tài)群落[1],包括細(xì)菌、古細(xì)菌、原生生物、真菌、病毒等。它們位于機(jī)體的各種部位,如皮膚、鼻咽、口咽、呼吸道、胃腸道和女性生殖系統(tǒng)[2],在不同的器官形成具有器官特異性的微生物組群。人體微生物群落的大小和組成,受宿主和環(huán)境因素的影響,因部位不同而各有差異,并能夠影響疾病的發(fā)生和治療效果。眾所周知,微生物是感染性疾病的主要病因,但目前越來越多的研究表明微生物群落與許多非感染性疾病的發(fā)病密切相關(guān)[3],如癌癥。

1 肺微生物群

微生物群落與癌癥的關(guān)系是目前研究的熱點(diǎn)。近年來,得益于二代測(cè)序宏基因組學(xué)和16SrRNA 高通量測(cè)序技術(shù)以及生物信息學(xué)的快速發(fā)展,我們能更全面了解呼吸道微生物的組成。其中宏基因組學(xué)能夠檢測(cè)出呼吸道中所有微生物基因序列 (包括細(xì)菌、真菌以及病毒等),主要應(yīng)用于微生物組分析;16Sr RNA 高通量測(cè)序技術(shù)是識(shí)別16S亞基,主要用于菌群的分析。新的測(cè)序技術(shù)大大推進(jìn)了呼吸道微生物組的研究。眾多研究發(fā)現(xiàn),健康人的肺并不是無菌的,而是存在不同的微生物群落[4]。肺部微生物組群的種類和數(shù)量在氣道的分布是不均勻的,受到解剖位置和局部環(huán)境條件的影響,并通過人體吸入、咳嗽活動(dòng)、黏液纖毛清除和免疫系統(tǒng)激活等來維持動(dòng)態(tài)平衡。影響共生菌生長(zhǎng)和生存的因素包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度、p H 值、氧張力、宿主免疫細(xì)胞豐度和激活狀態(tài)等。健康的肺不適合細(xì)菌群落的發(fā)展,導(dǎo)致細(xì)菌繁殖速度相對(duì)較低。上呼吸道具有大量的厭氧菌和十倍以上的好氧菌[5]。下呼吸道中的菌群是比較固定的,在門、綱水平,以硬壁菌門、變形菌綱、梭桿菌綱和擬桿菌門為主;在屬水平,則以假單胞菌屬、鏈球菌屬、普雷沃菌屬、韋榮球菌屬、嗜血菌屬以及奈瑟球菌屬為主[6-7]。

肺微生物群的組成和多樣性主要受三個(gè)因素的影響:遷移至肺部的微生物種類和數(shù)量、肺部微生物的消除以及肺部微生物本身的繁殖速度[8]。當(dāng)肺部發(fā)生病理性改變的時(shí)候,局部微生物生長(zhǎng)條件即發(fā)生了巨大的變化,為特定的細(xì)菌生長(zhǎng)創(chuàng)造了合適的環(huán)境,使得這些細(xì)菌能夠適應(yīng)并改變肺部環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn),與健康狀態(tài)下相比,肺慢性疾病時(shí),肺部微生組群發(fā)生巨大變化,并且在疾病發(fā)生發(fā)展的不同階段,亦具有明顯差異。如鏈球菌的短暫侵襲能很好地預(yù)測(cè)支氣管哮喘急性發(fā)作的嚴(yán)重程度[9];囊性肺纖維化 (cystic fibrosis,CF)時(shí),大量黏液聚集、炎癥和微生物的變化 (特別是金黃色葡萄球菌、流感嗜血桿菌和銅綠假單胞菌)[10]不同程度地影響患者的肺功能;另有研究表明,某些發(fā)酵性厭氧菌是CF加重的重要因素[11]。再比如,COPD的早期階段,肺部微生物組群似乎沒有發(fā)生明顯變化,但是隨著疾病的進(jìn)展,肺微生物組群發(fā)生包括鏈球菌、假單胞菌和嗜血桿菌在內(nèi)的細(xì)菌屬別變化[12];在COPD 急性加重期,以致病性細(xì)菌的增多最為明顯,肺菌群的改變與COPD 加重等疾病狀態(tài)密切相關(guān)[13-14]。與健康人相比,危重患者的肺部微生物群發(fā)生了明顯的變化[15-18],并且與肺泡和全身炎癥程度相關(guān)。

2 肺微生物群與肺癌

已知某些微生物會(huì)導(dǎo)致人類癌癥的發(fā)生。如某些致癌病毒,包括人類皰疹病毒 (HHV4和HPV8)、乙型肝炎病毒和丙型肝炎病毒,人類T 細(xì)胞白血病病毒-I,人類乳頭狀瘤病毒 (HPV 16 和HPV18)和默克爾細(xì)胞多瘤病毒。在細(xì)菌中,幽門螺桿菌和傷寒沙門菌是已知的可導(dǎo)致胃癌和膽管癌的細(xì)菌[1,19]。

肺癌是目前全球健康的重大威脅,每年有130萬人死于肺癌。與其他癌癥相比,肺癌早期無癥狀,診斷時(shí)多數(shù)已處于晚期,不同組織學(xué)類型有不完全相同的病因、進(jìn)展模式和預(yù)后。盡管有手術(shù)、化療、放療、靶向、免疫及中藥等不同的治療手段,但肺癌5年生存率仍僅為約15%。

基因突變、空氣污染、吸煙、過度的輻射、感染、某些慢性肺部疾病是目前已知的肺癌病因。隨著二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,近年的研究發(fā)現(xiàn),肺微生物群與肺癌的發(fā)病密切相關(guān)[20-22]。一項(xiàng)基于肺癌遺傳模型的研究發(fā)現(xiàn),抗生素治療或無菌狀態(tài)可以抑制小鼠肺癌的發(fā)展[23]。該研究還發(fā)現(xiàn),肺部低細(xì)菌負(fù)荷與腫瘤生長(zhǎng)速度減慢顯著相關(guān),揭示了局部微生物群豐度與肺癌發(fā)展之間的密切關(guān)系。隨著細(xì)菌負(fù)荷的增加和腫瘤相關(guān)菌群多樣性的減少,IL-17介導(dǎo)的炎癥細(xì)胞增多,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤前中性粒細(xì)胞的增生和腫瘤細(xì)胞的增殖。將從晚期肺腫瘤中分離的細(xì)菌群,進(jìn)行氣管內(nèi)灌注則加速了腫瘤的生長(zhǎng),而局部給于細(xì)菌菌體成分(脂多糖和肽聚糖)則可顯著刺激肺內(nèi)的T 細(xì)胞增生,并且在其他類型腫瘤模型中也有相似的發(fā)現(xiàn)。目前肺微生物群的研究,主要通過唾液、痰液、支氣管灌洗液、肺組織的二代測(cè)序 (包括16sRNA 測(cè)序、宏基因測(cè)序等)進(jìn)行。

口腔微生物群可通過吸入直接進(jìn)入肺部。Yan等[24]研究發(fā)現(xiàn),不同肺癌患者唾液中的微生物組群是不同的,特別是嗜二氧化碳噬細(xì)胞菌屬、Selenemonas、韋榮球菌屬和奈瑟菌屬。通過靶向QPCR 技術(shù),研究者發(fā)現(xiàn)肺癌患者唾液樣本中嗜二氧化碳噬細(xì)胞菌和韋榮球菌屬更豐富,而奈瑟菌屬相對(duì)較少,這表明它們有可能作為一種肺癌早期檢測(cè)的生物標(biāo)志物,而且顯示出較高的敏感性和特異性。實(shí)驗(yàn)中,與對(duì)照組相比,在鱗狀細(xì)胞癌和腺癌患者的唾液樣本中,韋榮球菌屬更為豐富,可考慮將此作為鱗狀細(xì)胞癌和腺癌的診斷生物標(biāo)志物。

與燃煤有關(guān)的家庭污染也可能是肺癌的致病因素,這可能與多環(huán)芳烴的產(chǎn)生有關(guān)。一項(xiàng)研究對(duì)中國(guó)的非吸煙女性肺癌患者進(jìn)行了微生物成分分析,此小規(guī)模研究[12]采用全宏基因組的方法對(duì)肺癌患者痰液中的微生物組進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,與健康對(duì)照組的痰液相比,肺癌患者痰中肉芽孢桿菌、非營(yíng)養(yǎng)菌和鏈球菌顯著增加。

Lee等[12]對(duì)28 例肺癌患者支氣管灌洗液進(jìn)行16Sr RNA 基因測(cè)序,在每個(gè)樣本中均發(fā)現(xiàn)了大量的分類單元,且發(fā)現(xiàn)肺癌患者和非肺癌患者的運(yùn)算的分類單位(operational taxonomic unit,OTU)豐度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。肺癌患者韋榮球菌屬和巨形球菌屬顯著增加,兩者相結(jié)合,在預(yù)測(cè)肺癌可能性中顯示出較高的ROC曲線下面積(Authentication Center,AUC)值 (0.888),這些微生物差異可能是肺癌的重要特征。該研究還表明巨型球菌屬和韋榮球菌屬可以作為肺癌的一種生物標(biāo)志物。因此,這兩個(gè)屬有可能成為肺癌微生物治療的靶點(diǎn)。

另一項(xiàng)研究[25]則針對(duì)肺癌患者 (手術(shù)切除單側(cè)肺大葉團(tuán)塊癌變部位和對(duì)側(cè)非癌變部位支氣管灌洗液)和健康對(duì)照者支氣管灌洗液,通過16SrRNA 測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,肺癌患者的微生物多樣性顯著下降,alpha多樣性從健康部位到非癌變部位再到癌變部位逐步下降。在癌癥病例中,鏈球菌屬明顯多于對(duì)照組,利用鏈球菌屬預(yù)測(cè)肺癌的AUC 為0.693 (敏感度為57.5%,特異度為55.6%)。鏈球菌屬和奈瑟菌屬的豐度在肺癌患者中呈上升趨勢(shì),而葡萄球菌和桿菌屬的豐度從健康部位、到非癌部位、到癌邊部位,則逐步下降?？偟膩碚f,肺癌相關(guān)的微生物群在肺癌與健康對(duì)照組之間存在差異,并且微生物群的改變并不局限于腫瘤組織。從健康部位到非癌變部位再到配對(duì)癌變部位的逐漸變化,提示了與肺癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的微生物微環(huán)境變化。

包括健康人、肺癌及良性肺部疾病患者在內(nèi)的,共530例參與者的研究發(fā)現(xiàn),擬桿菌門和變形菌門是所有參與者肺中最豐富的菌門,分別在肺癌患者中占17.5%、47.5%,良性肺部疾病患者中占28.2%、39.27%,健康對(duì)照組中占40.62%、32.09%。此外,與其他組相比,肺癌患者中有大量放線菌和厚壁菌門[26]。在屬水平上,普氏菌屬在所有參與者中占主導(dǎo)地位,但在癌癥患者中的比例相對(duì)較低 (肺癌為25.74%,良性肺結(jié)節(jié)為35.59%,健康對(duì)照組為36.75%)。相比之下,鏈球菌在肺癌病例中更為富集 (肺癌為9.65%,良性肺結(jié)節(jié)和健康對(duì)照組為7.98%,良性肺結(jié)節(jié)和健康對(duì)照組為7.26%)。提示肺癌患者與健康人呼吸系統(tǒng)微生物群組成存在明顯差異,有可能作為診斷肺癌的潛在生物標(biāo)志物。還有研究對(duì)比分析了165份不同階段肺癌患者組織樣本,發(fā)現(xiàn)特定細(xì)菌與肺癌臨床分期之間存在密切聯(lián)系,熱菌屬在晚期患者 (ⅢB、Ⅳ)的組織中更為豐富,而軍團(tuán)菌在發(fā)生轉(zhuǎn)移的[27]患者中含量更高。同樣,非惡性肺組織比相應(yīng)的腫瘤組織具有更高的微生物群多樣性。另有一些證據(jù)表明,肺部微生物群的組成與肺癌預(yù)后之間存在潛在的關(guān)系。Peters等[28]研究發(fā)現(xiàn),擬桿菌科、毛螺菌科和瘤胃菌科的豐度越高,無復(fù)發(fā)生存(relapse-free survival,RFS)和無病生存期 (disease-free survival,DFS)越短,提示肺微生物群可以作為預(yù)測(cè)早期NSCLC復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的生物標(biāo)志物。如果肺部微生物群組成的預(yù)后價(jià)值在未來的研究中能得到驗(yàn)證,也將成為改善肺癌患者RFS治療的新靶點(diǎn)。

不同的流行病學(xué)研究,分析了肺部微生物群與肺癌的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)微生物群的改變不僅參與腫瘤的進(jìn)展過程,而且影響患者對(duì)治療的反應(yīng)性[21]。目前有關(guān)微生物群對(duì)不同藥物療效調(diào)控作用的研究,大部分是針對(duì)腸道[29]中的細(xì)菌,肺部微生物群相關(guān)的研究尚未見報(bào)道。然而,由于許多抗癌藥物可以很容易地通過血液循環(huán)到達(dá)肺部,在這里,可以被共生細(xì)菌消化吸收。Cribbs等[30-31]觀察到,與健康對(duì)照組相比,從艾滋病病毒感染者獲得的肺泡灌洗液在代謝組學(xué)上存在明顯差異,這些差異主要表現(xiàn)在柄桿菌科、葡萄球菌科和Nocardiidaceae。肺部微生物菌群可能是一個(gè)代謝活性聯(lián)合體,能夠改變治療藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu),改變其藥理活性 (以積極或消極的方式)和/或影響其局部有效濃度[32-33]。肺部微生物群對(duì)的抗癌藥物代謝的作用尚需要進(jìn)一步研究。

3 肺微生物組群與肺癌發(fā)生的相關(guān)機(jī)制

3.1 促進(jìn)致癌炎癥環(huán)境的產(chǎn)生 肺癌的發(fā)生與慢性炎癥密切相關(guān),炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和促炎因子 (包括細(xì)胞因子、趨化因子和前列腺素)的積累,可以刺激細(xì)胞增殖、血管生成、組織重塑或轉(zhuǎn)移[34]。研究表明微生物可以通過誘導(dǎo)炎癥促進(jìn)肺癌的發(fā)生。特定細(xì)菌在促進(jìn)癌癥發(fā)展中起著不同作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)結(jié)核分枝桿菌與肺癌的發(fā)生有重要關(guān)系[35]。這種關(guān)聯(lián)可能的機(jī)制是結(jié)核誘發(fā)的慢性炎癥導(dǎo)致癌變。其他細(xì)菌如嗜血桿菌、莫拉克菌、鏈球菌、葡萄球菌和假單胞菌也可引起肺部的慢性炎癥[36]。微生物群致癌作用可能是微生物群及其代謝物激活免疫上皮細(xì)胞的TLRs導(dǎo)致炎癥的發(fā)生,如果炎癥持續(xù),可能會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞不可逆的損害,促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[21]。CD36可能與肺微生物群促進(jìn)肺癌發(fā)展之間存在聯(lián)系[37]。CD36與病原體衍生配體或毒素相互作用,是炎癥通路的重要介質(zhì),CD36 可能通過影響多聚(adp-核糖)聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1 (PARP-1)來調(diào)節(jié)癌變,而PARP-1是細(xì)胞增殖和癌變的重要調(diào)節(jié)因子[38]。已有研究表明,肺組織中CD36表達(dá)的改變與肺癌發(fā)生有關(guān)[39]。Apopa等[37]觀察到,除了擬桿菌門和變形菌門外,在肺癌患者肺標(biāo)本中檢測(cè)到藍(lán)藻 (0.53%),CD36調(diào)節(jié)了肺泡中藍(lán)藻源微囊藻體殘基的內(nèi)化和加工,這可能與肺微生物群促進(jìn)肺癌發(fā)展存在聯(lián)系。

3.2 微生物組代謝產(chǎn)物的致癌作用 微生物群影響宿主的新陳代謝,這種影響已經(jīng)在腸道中得到了充分的證實(shí)。微生物的變化與致癌物乙醛[40]和脫氧膽酸[41]的產(chǎn)生有關(guān),脫氧膽酸是一種膽鹽代謝物,已被認(rèn)為與食管癌和肝癌有關(guān)。肺癌患者發(fā)生變化的細(xì)菌屬存在一些共性,不同的研究報(bào)告了顆粒鏈球菌[7,12]、鏈球菌屬[7,12,25]和韋榮球菌屬[24,42]的變化。鏈球菌、腸球菌和顆粒鏈球菌是兼性厭氧菌,COPD 和肺癌患者發(fā)酵性兼性厭氧菌乳酸桿菌顯著增加,生物膜形成明顯。另外,宏基因組學(xué)方法提示肺癌微生物組的功能改變可能與肉芽腫的增加有關(guān)。特別是微生物組代謝產(chǎn)物腐胺及其多胺產(chǎn)物[12]的能力增強(qiáng)。肉芽腫形成可能是肺癌的一種特殊的微生物學(xué)反應(yīng)。肉芽孢桿菌被認(rèn)為是營(yíng)養(yǎng)變異鏈球菌的一個(gè)例子,因?yàn)樗枰邕炼呷?維生素B6的一種形式)或L-半胱氨酸補(bǔ)充到培養(yǎng)基中,以便在實(shí)驗(yàn)室[43]中生長(zhǎng)。這與平行代謝組學(xué)研究[12]中檢測(cè)到的肺癌患者中腐胺含量的增加相吻合。多胺與吡哆醛代謝之間存在內(nèi)在的聯(lián)系,這可能是肉芽孢桿菌豐度的增加是對(duì)這些代謝途徑的響應(yīng)[44]。影響細(xì)胞周期的腐胺和多胺已在幾種癌癥中被發(fā)現(xiàn),包括肺癌[45]。因此,顆粒鏈球菌的生長(zhǎng)和肺癌代謝物增加有關(guān)。

3.3 基因毒性 有幾種細(xì)菌與基因毒性有關(guān)。例如,脆弱擬桿菌毒素與觸發(fā)雙鏈DNA 損傷有關(guān)[46]。細(xì)菌產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì),如超氧化物歧化酶,也是基因組不穩(wěn)定的原因[47]。Greathouse等[48]研究也表明腫瘤的TP53突變和食酸菌屬Acidovorax存在聯(lián)系。所以TP53突變狀態(tài)和微生物群之間的相互作用可能與吸煙導(dǎo)致的肺癌發(fā)生有關(guān)。

3.4 ERK/PI3K 通路上調(diào)。Tsay等[49]研究了微生物群促進(jìn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的可能機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)肺癌患者下呼吸道中有鏈球菌和細(xì)根桿菌的富集。支氣管上皮細(xì)胞平行轉(zhuǎn)錄組分析顯示ERK/PI3K 通路上調(diào),體外實(shí)驗(yàn)表明Veillonella能夠直接促進(jìn)氣道上皮細(xì)胞和肺腫瘤細(xì)胞ERK/PI3K 信號(hào)的激活。該途徑被認(rèn)為是肺癌發(fā)生的早期事件,從預(yù)防的角度來看,早期識(shí)別可能被肺癌微生物組調(diào)控的PI3K 是一個(gè)可作為靶標(biāo)的事件[50-52]。如果PI3K 的激活確實(shí)是由微生物組驅(qū)動(dòng)的,那么這可能為直接修飾微生物組的化學(xué)預(yù)防新方法打開了大門。

4 總結(jié)與展望

肺微生物組群和肺癌相關(guān)的研究結(jié)果,提示微生物組群研究可以作為肺癌診治的潛在的生物標(biāo)志物[21],可以早期診斷肺癌、判斷分期、預(yù)后及可能的藥物治療效果。更好地了解肺微生物組與肺癌的關(guān)系,將有助于研究和開發(fā)潛在的肺癌阻斷藥物靶點(diǎn)。但需要更多的肺微生物樣本(包括腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞)來將各種微生物與肺癌發(fā)病機(jī)制中的保護(hù)性或致癌性因素聯(lián)系起來,同時(shí)需要標(biāo)準(zhǔn)化的程序來一致地描述肺癌患者呼吸到微生物組的組成和功能模式。此外,由于肺癌是由異質(zhì)性亞群組成,未來的研究應(yīng)探討這些亞群 (如病理類型、疾病分期)與呼吸到微生物群之間的聯(lián)系。但需要更大的試驗(yàn)樣本量、標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)程序、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)微生物組群變化、研究肺微生物代謝組學(xué)等,以進(jìn)一步闡明肺癌的發(fā)生發(fā)展和呼吸到微生物群之間的關(guān)系。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突